DE102018221756A1 - 3D printer nozzle head and method for producing a three-dimensional object - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Düsenkopf (2) eines 3D-Druckers (1) zur Herstellung eines dreidimensionalen Objektes (16) aus einem Ausgangsmaterial (5), insbesondere einer Schmelze (5), wobei der 3D-Drucker (1) eine Zuführung (17) für das Ausgangsmaterial (5) sowie eine Heizeinrichtung (6) zum Aufschmelzen des Ausgangsmaterials (5) in einem dem Düsenkopf (2) zumindest im Wesentlichen vorgelagerten Schmelztiegel (4) aufweist, und wobei eine Ausstossvorrichtung (8) zum gesteuerten Erzeugen einer Strömungsbewegung der Schmelze (5) von dem Schmelztiegel (4) durch einen Düsenkanal (9) zu einem Spritzloch (10) des Düsenkopfs (2) vorhanden ist, wobei der Düsenkopf (2) eine Düsenplatte (20) mit dem Spritzloch (10) umfasst und dieses an einer dem Kompressionsraum (7) abgewandten Seite (18) angrenzt.Sie zeichnet sich dadurch aus, dass die Düsenplatte (20) einen von dem Kompressionsraum (7) zum Spritzloch (10) hin sich verjüngenden ersten Bereich (25) aufweist und anschließend an den ersten Bereich (25) ist eine Drossel (15) angeordnet und an der dem Kompressionsraum (7) abgewandten Seite (18) ist ein zweiter Bereich (30) angeordnet, der gegenüber der Drossel (15) einen erweiterten Querschnitt aufweist.Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objektes (16) mit einem erfindungsgemäßen Düsenkopf (2).The invention relates to a nozzle head (2) of a 3D printer (1) for producing a three-dimensional object (16) from a starting material (5), in particular a melt (5), the 3D printer (1) having a feed (17) for the starting material (5) and a heating device (6) for melting the starting material (5) in a melting crucible (4) at least substantially upstream of the nozzle head (2), and wherein an ejection device (8) for the controlled generation of a flow movement of the melt (5) from the crucible (4) through a nozzle channel (9) to a spray hole (10) of the nozzle head (2), the nozzle head (2) comprising a nozzle plate (20) with the spray hole (10) and on A side (18) facing away from the compression space (7) is characterized in that the nozzle plate (20) has a first region (25) that tapers from the compression space (7) to the spray hole (10) and then adjoins the first area (25) there is a throttle (15) and on the side (18) facing away from the compression space (7) there is a second region (30) which has an enlarged cross section compared to the throttle (15). The invention further relates to a method for producing a three-dimensional object (16) with a nozzle head (2) according to the invention.

Description

Die Erfindung betrifft einen Düsenkopf eines 3D-Druckers zur Herstellung eines dreidimensionalen Objektes aus einem Ausgangsmaterial und ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objektes mit einem Düsenkopf.The invention relates to a nozzle head of a 3D printer for producing a three-dimensional object from a starting material and a method for producing a three-dimensional object with a nozzle head.

Stand der TechnikState of the art

Ein derartiger Düsenkopf eines 3D-Druckers zur Herstellung eines dreidimensionalen Objektes aus einem Ausgangsmaterial ist aus der DE 694 29 004 T2 bekannt. Dieser 3D-Drucker weist den erwähnten Düsenkopf auf, der einen Schmelztiegel zum Aufschmelzen des Ausgangsmaterials beinhaltet. Das geschmolzene Ausgangsmaterial wird von einer Ausstossvorrichtung in einen Düsenkanal und weiter in ein Spritzloch des Düsenkopfs bewegt und in Form von Tropfen aus dem Spritzloch zur Erzeugung des dreidimensionalen Objektes ausgestossen. Die Ausgestaltung des Düsenkopfs, insbesondere des Düsenkanals und des Spritzlochs ist/sind in diesem Dokument nicht näher beschrieben.Such a nozzle head of a 3D printer for producing a three-dimensional object from a starting material is known from the DE 694 29 004 T2 known. This 3D printer has the nozzle head mentioned, which contains a crucible for melting the starting material. The molten starting material is moved by an ejection device into a nozzle channel and further into a spray hole of the nozzle head and is ejected in the form of drops from the spray hole to produce the three-dimensional object. The design of the nozzle head, in particular the nozzle channel and the spray hole, is / are not described in more detail in this document.

Ein weiterer Düsenkopf eines 3D-Druckers ist aus der DE 10 2014 226 425 A1 bekannt. Dieser 3D-Drucker mit einem Düsenkopf weist einen grundsätzlich ähnlichen Aufbau zu dem vorherigen 3D-Drucker auf, wobei hier das Ausgangsmaterial strangförmig zugeführt wird und als Strang in einen beheizbaren Düsenkopf eingeleitet wird. Nach Austritt des Ausgangsmaterials aus dem Düsenkopf wird dieses von einem Gasbrenner weiter zur Erzeugung von Tröpfchen erhitzt.Another nozzle head of a 3D printer is from the DE 10 2014 226 425 A1 known. This 3D printer with a nozzle head has a fundamentally similar structure to the previous 3D printer, with the starting material being supplied in the form of a strand and being introduced as a strand into a heatable nozzle head. After the starting material has emerged from the nozzle head, it is further heated by a gas burner to produce droplets.

Die einfache Form einer Düsenplatte mit einer einfachen Blende führt bei dynamischer Aktuierung tendenziell zu einer Strömungsablösung im Bereich unterhalb des Düseneintritts, bzw. des Starts der Blende. Hierbei kann es nachteilig auch zu Kavitationsgebieten an Wandung der Bohrung führen. Verstärkt wird dieser Effekt, wenn ein Düsenmaterial eingesetzt wird, welches Aluminiumschmelze abstößt wie es z.B. bei Aluminiumtitanat bekannt ist. Hierbei entleert sich nach jedem Tropfenausstoß die Düsenbohrung komplett und die Düsenbohrung muss vor dem nächsten Tropfen wieder komplett befüllt werden. Bei Frequenzen von z.B. 1000Hz muss dies sehr dynamisch geschehen, wodurch diese Ablösung sogar noch verstärkt wird.The simple shape of a nozzle plate with a simple orifice tends to lead to a flow separation in the area below the nozzle inlet or the start of the orifice in the case of dynamic actuation. In this case, it can also disadvantageously lead to cavitation areas on the wall of the bore. This effect is intensified if a nozzle material is used which repels aluminum melt, e.g. is known for aluminum titanate. After each drop, the nozzle bore empties completely and the nozzle bore must be completely filled again before the next drop. At frequencies of e.g. At 1000 Hz, this has to be done very dynamically, which increases this separation even more.

Im Stand der Technik ist es üblich, dass Aluminium durch eine kleine zylindrische Bohrung ausgestoßen wird. Teilweise wird die Düse auch Sternförmig gestaltet, um die benetzte Fläche der Düse so gering wie möglich zu halten. Im Fall einer Standard Düsenplatte soll sich der Tropfen direkt aus der befüllten Düse als einzelner Tropfen ablösen. Jedoch ist nach der hochdynamischen Aktuierung noch sehr viel Bewegungsenergie in der gefüllten Düse und dem dahinter befindlichen Kompressionsraum vorhanden, wodurch sich in nachteiliger Weise flüssige Schmelze im Düsenbereich aufgrund von auftretenden Druckpulsationen auch nach der Tropfenaktuierung noch bewegt.In the prior art, it is common for aluminum to be ejected through a small cylindrical bore. In some cases, the nozzle is also designed in a star shape in order to keep the wetted area of the nozzle as small as possible. In the case of a standard nozzle plate, the drop should detach directly from the filled nozzle as a single drop. However, after the highly dynamic actuation, there is still a lot of kinetic energy in the filled nozzle and the compression space behind it, which means that liquid melt in the nozzle area still moves after the drop actuation due to pressure pulsations.

Ferner ist von Nachteil, dass in weiten Bereichen der Aktuierung diese dynamisch pulsationsbedingte Schmelzenbewegung nicht schnell genug gedämpft werden kann, so dass nachfolgend, nachdem der gewünschte Tropfen ausgestoßen worden ist, ein weiterer kleiner Tropfen abgelöst wird. Der sogenannte Satellit Tropfen.A further disadvantage is that this dynamic pulsation-related melt movement cannot be damped quickly enough in wide areas of the actuation, so that after the desired drop has been ejected, another small drop is detached. The so-called satellite drop.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Düsenkopf für einen 3D-Drucker bereitzustellen, mit dem ein verbesserter Betrieb des 3D-Druckers möglich ist, wobei Einflüsse von auftretenden Druckpulsationen verringert werden sollen.The invention has for its object to provide a nozzle head for a 3D printer, with which an improved operation of the 3D printer is possible, the effects of pressure pulsations occurring to be reduced.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ein Düsenkopf eines 3D-Druckers zur Herstellung eines dreidimensionalen Objektes aus einem Ausgangsmaterial, insbesondere einer Schmelze bereitgestellt wird. Der 3D-Drucker weist eine Zuführung für das Ausgangsmaterial sowie eine Heizeinrichtung zum Aufschmelzen des Ausgangsmaterials in einem dem Düsenkopf zumindest im Wesentlichen vorgelagerten Schmelztiegel auf, wobei eine Ausstossvorrichtung zum gesteuerten Erzeugen einer Strömungsbewegung der Schmelze von dem Schmelztiegel durch einen Düsenkanal zu einem Spritzloch des Düsenkopfs vorhanden ist, wobei der Düsenkopf eine Düsenplatte mit dem Spritzloch umfasst und dieses an einer dem Kompressionsraum abgewandten Seite angrenzt. Erfindungsgemäß weist die Düsenplatte einen von dem Kompressionsraum zum Spritzloch hin sich verjüngenden ersten Bereich auf und anschließend an den ersten Bereich ist eine Drossel angeordnet und an der dem Kompressionsraum abgewandten Seite ist ein zweiter Bereich angeordnet, der gegenüber der Drossel einen erweiterten Querschnitt aufweist.This object is achieved in that a nozzle head of a 3D printer for producing a three-dimensional object from a starting material, in particular a melt, is provided. The 3D printer has a feed for the starting material and a heating device for melting the starting material in a melting crucible at least substantially upstream of the nozzle head, an ejection device being provided for the controlled generation of a flow movement of the melt from the melting crucible through a nozzle channel to a spray hole of the nozzle head , wherein the nozzle head comprises a nozzle plate with the spray hole and adjoins this on a side facing away from the compression space. According to the invention, the nozzle plate has a first region tapering from the compression space toward the spray hole, and a throttle is arranged next to the first region, and a second region is arranged on the side facing away from the compression space and has an enlarged cross section compared to the throttle.

Dieser Ausgestaltung liegt zunächst einmal die Erkenntnis zugrunde, dass das in dem Schmelztiegel geschmolzene Ausgangsmaterial von der Ausstossvorrichtung beispielsweise tropfenweise durch das Spritzloch zur Herstellung eines dreidimensionalen Objektes verdrängt wird. Dabei geht ein signifikanter Teil der Energie, die die beispielsweise von einem elektrisch betätigten Aktor erzeugte und auf die Ausstossvorrichtung übertragene Energie durch Strömungsverluste und Reflexion der Druckwellen des geschmolzenen Ausgangsmaterials an den inneren Flächen des Düsenkopfs verloren. Der real genutzte Teil dieser Energie ist die Energie, die zur Beschleunigung des geschmolzenen Ausgangsmaterials in dem Spritzloch, die Energie zur Überwindung der Oberflächenspannung in dem Ausgangsmaterial zur Ablösung beispielsweise des Tropfens aus dem Spritzloch und die kinetische Energie des beispielsweise Tropfens des Ausgangsmaterials. Eine ungünstige Anregung führt zur Freisetzung von unerwünschten beispielsweise Begleittropfen oder Satellittropfen des Ausgangsmaterials ausgangsseitig aus dem Spritzloch. Der Begriff „Spritzloch“ ist so zu verstehen, dass das Spritzloch nicht nur als Loch zu verstehen ist, sondern eine axiale Erstreckung in Form eines (kurzen) Kanals aufweist beziehungsweise aufweisen kann. Beide Ausgestaltungen sind möglich. Dadurch, dass nun der Düsenkanal im Bereich eines Übergangs zu dem Spritzloch eine strömungsoptimierte Geometrie aufweist, werden die zuvor beschriebenen Verluste von der mittels der Ausstossvorrichtung generierten Druckwellen des Ausgangsmaterials an den Flächen des Düsenkopfs zumindest deutlich verringert. Hierbei ist es so, dass bei einem herkömmlichen Düsenkopf der Düsenkanal und das Spritzloch, die mit unterschiedlichen Durchmessern gefertigt werden, kaum aufeinander bezüglich des Übergangs der unterschiedlichen Durchmesser abgestimmt werden. Somit werden bei einer bekannten Konstruktion eines Düsenkopfs durch die Betätigung der Ausstossvorrichtung gleichzeitig eine Verdrängungswelle und eine Druckwelle in axialer Richtung hin zu dem Spritzloch ausgelöst. Diese Druckwelle prallt an den Stellen der nicht strömungsoptimierten Übergänge beziehungsweise Querschnittsverengungen von dem Düsenkanaldurchmesser auf den Spritzlochdurchmesser auf die entsprechende Düsenwand und wird reflektiert zurück zu der Ausstossvorrichtung. Dabei kommt es zu einer Interferenz der ursprünglichen und der reflektierten Druckwelle. Diese Reflexion wird durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des erste Bereichs zumindest weitgehend vermieden, so dass im Ergebnis ein deutlich geringerer Teil der mittels der Ausstossvorrichtung in das flüssige System des Ausgangsmaterials eingebrachten Energie verloren geht.This embodiment is based, first of all, on the knowledge that the starting material melted in the crucible is, for example, displaced drop by drop through the spray hole to produce a three-dimensional object. A significant part of the energy lost by the energy generated, for example, by an electrically actuated actuator and transmitted to the ejection device, is lost due to flow losses and reflection of the pressure waves of the molten starting material on the inner surfaces of the nozzle head. The real part of this energy is the energy that is used for Acceleration of the molten starting material in the spray hole, the energy to overcome the surface tension in the starting material to detach, for example, the drop from the spray hole and the kinetic energy of, for example, dripping the starting material. An unfavorable excitation leads to the release of undesired, for example accompanying drops or satellite drops of the starting material on the exit side from the spray hole. The term “spray hole” is to be understood in such a way that the spray hole is not only to be understood as a hole, but rather has or can have an axial extension in the form of a (short) channel. Both configurations are possible. Because the nozzle channel now has a flow-optimized geometry in the region of a transition to the spray hole, the previously described losses from the pressure waves of the starting material generated by the ejection device on the surfaces of the nozzle head are at least significantly reduced. It is the case here that with a conventional nozzle head the nozzle channel and the spray hole, which are manufactured with different diameters, are hardly matched to one another with regard to the transition of the different diameters. Thus, in a known construction of a nozzle head, a displacement shaft and a pressure wave in the axial direction towards the spray hole are triggered simultaneously by the actuation of the ejection device. This pressure wave strikes at the points of the non-flow-optimized transitions or cross-sectional constrictions from the nozzle channel diameter to the spray hole diameter on the corresponding nozzle wall and is reflected back to the ejection device. This causes interference between the original and the reflected pressure wave. This reflection is at least largely avoided by the inventive design of the first region, so that as a result a significantly smaller part of the energy introduced into the liquid system of the starting material by means of the ejection device is lost.

Ferner verhindert die erfindungsgemäße Ausgestaltung die Bildung von Satelliten Tropfen. Der zweite Bereich der Düsenplatte bildet einen sogenannten Schmelzensee und dieser fängt den auf den Haupttropfen nachfolgenden Satelliten Tropfen ab, bzw. dämpft die dynamische Flüssigkeitsbewegung. Der zweite Bereich bildet hierzu in vorteilhafter Weise einen in seinem Querschnitt erweiterten Bereich, welcher komplett mit Schmelze aufgefüllt ist. Durch diesen Bereich wird der Tropfen sozusagen hindurch geschossen. Damit ist die Düsenaustrittskante nicht mehr so entscheidend. Auch Veränderungen durch beispielsweise auftretender Rand-Oxidation beeinflussen die Tropfenbildung nicht mehr so deutlich gegenüber der direkten Ablösung ohne Schmelzensee.Furthermore, the configuration according to the invention prevents the formation of satellite drops. The second area of the nozzle plate forms a so-called melt lake and this intercepts the satellite drop following the main drop or dampens the dynamic liquid movement. For this purpose, the second region advantageously forms a region which has an enlarged cross section and is completely filled with melt. The drop is shot through this area, so to speak. This means that the nozzle exit edge is no longer so critical. Changes due to the occurrence of edge oxidation, for example, no longer influence the drop formation so significantly compared to the direct detachment without melting lake.

Entscheidend ist es hierbei, dass der Schmelzensee in vorteilhafter Weise gleichmäßig mit Schmelze aufgefüllt ist dieser Zustand über der Betriebszeit gehalten wird. Ein Kernpunkt ist es daher, die Schmelzensee begrenzende Fläche auch benetzen zu können, da sonst ein Ablenken des ausgestoßenen Tropfens begünstigt werden könnte.It is crucial here that the melt lake is advantageously evenly filled with melt, this state is maintained over the operating time. A key point is therefore also to be able to wet the area delimiting the melt lake, since otherwise deflection of the ejected drop could be favored.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung sorgt somit in vorteilhafter Weise dafür, dass ein dynamisch auftretendes Wabern konzentrisch um die im Schmelzensee befindliche Drossel, bzw. der Düse, gedämpft wird. Ferner ist es von Vorteil, wenn Oxide, die über die Zeit von der Grenze des Schmelzensees aus wachsen, nicht zu groß werden und kontinuierlich mit dem gebildeten Tropfen abgestoßen werden. Dadurch kann in vorteilhafter Weise der Einfluss der Austrittskante am Ende der Düse auf die Tropfenqualität verringert werden.The embodiment according to the invention thus advantageously ensures that a dynamically occurring wobble is damped concentrically around the throttle or nozzle located in the melting lake. It is also advantageous if oxides that grow over time from the boundary of the melt lake do not become too large and are continuously repelled with the drop that is formed. As a result, the influence of the trailing edge at the end of the nozzle on the drop quality can advantageously be reduced.

Gleichzeitig wird dadurch auch die Generierung unerwünschter Begleitausstösse von geschmolzenem Ausgangsmaterial, beispielsweise in Form von Begleittropfen aus dem Spritzloch vermieden. Dadurch wird das Arbeitsergebnis des 3D-Drucker deutlich verbessert und das erzeugte beziehungsweise gedruckte Objekt ist qualitativ deutlich verbessert.At the same time, this also prevents the generation of undesired accompanying emissions of molten starting material, for example in the form of accompanying drops from the spray hole. As a result, the work result of the 3D printer is significantly improved and the quality of the object produced or printed is significantly improved.

In einer Weiterbildung der Erfindung weist die der dem Kompressionsraum abgewandten Seite der Düsenplatte gegenüber der Schmelze ein metallophobes Verhalten auf.In a development of the invention, the side of the nozzle plate facing away from the compression space has a metallophobic behavior with respect to the melt.

Ferner weisen in einer Weiterbildung der erste Bereich, die Drossel und der zweite Bereich gegenüber der Schmelze ein metallophiles Verhalten auf.In a further development, the first area, the throttle and the second area have a metallophilic behavior with respect to the melt.

Es ist von Vorteil die Düsenbohrung im Bereich ihrer Austrittsöffnung aus einem keramischen Material auszubilden. Bevorzugt ist der Bereich aus Shapal oder isostatisch gepresstem Graphit gebildet.It is advantageous to form the nozzle bore in the region of its outlet opening from a ceramic material. The region is preferably formed from Shapal or isostatically pressed graphite.

Während der Herstellung des dreidimensionalen Objektes ist innerhalb des zweiten Bereichs Schmelze angeordnet.During the production of the three-dimensional object, melt is arranged within the second region.

In einer ersten Ausführungsform weist der zweite Bereich einen von der Drossel bis zu der dem Kompressionsraum abgewandten Seite gleichbleibenden Durchmesser auf. Dadurch wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass sich innerhalb des zweiten Bereichs Schmelze sammelt und durch diesen sogenannten Schmelzensee ein Tropfen herausgelöst werden kann.In a first embodiment, the second region has a constant diameter from the throttle to the side facing away from the compression space. It is thereby advantageously achieved that within the second area collects melt and a drop can be extracted through this so-called melt lake.

In einer zweiten Ausführungsform weist der zweite Bereich eine von der Drossel bis zu der dem Kompressionsraum abgewandten Seite sich stetig vergrößernde Geometrie auf. Dadurch wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass sich innerhalb des zweiten Bereichs Schmelze sammelt und durch diesen sogenannten Schmelzensee ein Tropfen herausgelöst werden kann. Diese in dieser Ausführungsform beschriebene Geometrie sorgt in vorteilhafter Weise für eine bessere Benetzung des zweiten Bereichs zur Bildung des Schmelzensees.
Hier wird eine Benetzung der Düsenplatte, welche insbesondere durch Ultraschall benetzt wird, optimiert, da auf 90° Ecken innerhalb des Spritzlochs der Düsenplatte verzichtet wird. Ultraschall wirkt in der Regel nur in der Flüssigkeit bis zur Grenzfläche, wobei eine 90° Kante eher schlecht umnetzt wird.
In der zweiten bevorzugten Ausführungsform ist dies deutlich verbessert, da es keine 90° Tropfkante gibt und das flüssig Metall, bzw. Aluminium die hier gebildete Kante schnell umströmen kann.In a second embodiment, the second region has a geometry which increases continuously from the throttle to the side facing away from the compression space. In this way, it is advantageously achieved that melt collects within the second region and a drop can be detached through this so-called melt lake. This geometry described in this embodiment advantageously ensures better wetting of the second region to form the melt lake.
Here a wetting of the nozzle plate, which is wetted in particular by ultrasound, is optimized, since 90 ° corners within the spray hole of the nozzle plate are dispensed with. Ultrasound usually only works in the liquid up to the interface, whereby a 90 ° edge is rather poorly wetted.
In the second preferred embodiment, this is significantly improved since there is no 90 ° drip edge and the liquid metal or aluminum can quickly flow around the edge formed here.

In einer dritten Ausführungsform weist der zweite Bereich zwei Teilbereiche auf, wobei der erste Teilbereich eine von der Drossel bis zum zweiten Teilbereich sich stetig vergrößernde Geometrie aufweist und der zweite Teilbereich eine vom Ende des ersten Teilbereichs bis zu der dem Kompressionsraum abgewandten Seite einen gleichbleibenden Durchmesser aufweist. Dadurch wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass sich innerhalb des zweiten Bereichs Schmelze sammelt und durch diesen sogenannten Schmelzensee ein Tropfen herausgelöst werden kann. Diese in dieser Ausführungsform beschriebene Geometrie sorgt in vorteilhafter Weise für eine bessere Benetzung und sorgt zudem für eine Optimierung der Begrenzung des Schmelzensees.
Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die Schmelze im Schmelzensee besonders gut über die Betriebszeit aufrechterhalten werden kann. Dies ist in vorteilhafter Weise durch den am Ende des Schmelzensees angeordneten zylindrischen Bereich möglich, der eine klare Begrenzung der Benetzung darstellt. Des Weiteren kann durch die gebildete 90° Kante auch über längere Zeit eine Abgrenzung vom benetzten metallophilen Bereich zum nichtbenetzten metallophoben Bereich erhalten werden.In a third embodiment, the second area has two partial areas, the first partial area having a geometry that increases continuously from the throttle to the second partial area and the second partial area has a constant diameter from the end of the first partial area to the side facing away from the compression space . In this way, it is advantageously achieved that melt collects within the second region and a drop can be detached through this so-called melt lake. This geometry described in this embodiment advantageously ensures better wetting and also optimizes the delimitation of the melt lake.
This embodiment offers the advantage that the melt in the melt lake can be maintained particularly well over the operating time. This is advantageously possible due to the cylindrical region arranged at the end of the melt lake, which represents a clear limitation of the wetting. Furthermore, the 90 ° edge formed allows a delimitation from the wetted metallophilic region to the non-wetted metallophobic region even over a long period of time.

In einer Weiterbildung bildet das Ende des zweiten Bereichs der Düsenplatte im Bereich ihrer Austrittsöffnung mit der dem Kompressionsraum abgewandten Seite der Düsenplatte eine Kante aus, die eine Tropfen ablösende Geometrie aufweist. Diese Weiterbildung vereint die Vorteile aus dem dritten Ausführungsbeispiel und der Tropfkante.
Diese Weiterbildung sorgt in vorteilhafter Weise für eine Ausprägung der dritten Ausführungsform. Hier ist die 90° Tropfkante in einem spitzen Winkel ausgebildet, wodurch diese Geometrie über die Betriebszeit noch beständiger gegenüber einer Ausdehnung der Benetzung in die gewünscht metallophobe Fläche darstellt.In a further development, the end of the second region of the nozzle plate in the region of its outlet opening forms an edge with the side of the nozzle plate facing away from the compression space, which edge has a geometry that removes drops. This development combines the advantages of the third embodiment and the drip edge.
This development advantageously provides for an embodiment of the third embodiment. Here, the 90 ° drip edge is formed at an acute angle, which makes this geometry more resistant to the expansion of the wetting into the desired metallophobic surface over the operating time.

In einer bevorzugten Weiterbildung ist die Kante konzentrisch und scharfkantig um die Austrittsöffnung der Düsenplatte ausgebildet. Dabei weist die Kante einen Winkel kleiner 90°, insbesondere kleiner 10° auf.
Die Kante, bzw. Tropfkante unterstütz das Ablösen von Tropfen geometrisch, so dass sich diese gut von der Kante ablösen können.
Im Betrieb der Vorrichtung wird die Düsenplatte, bzw. Düse genau bis zur Tropfkante gefüllt und durch die große Oberflächenspannung von flüssigem Metall, bzw. beispielsweise Aluminium auch dort gehalten. Für das in der Düsenbohrung befindliche Aluminium ist eine Benetzung in Richtung der Plattenunterseite bei einem Tropfkantenwinkel von deutlich kleiner 90° in vorteilhafter Weise unwahrscheinlicher. Selbst wenn diese Tropfkante partiell von flüssigem Aluminium umnetzt wird, ist die ablenkende Wirkung auf den Tropfen geringer.In a preferred development, the edge is concentric and sharp-edged around the outlet opening of the nozzle plate. The edge has an angle of less than 90 °, in particular less than 10 °.
The edge or drip edge supports the detachment of drops geometrically, so that they can detach well from the edge.
During operation of the device, the nozzle plate or nozzle is filled exactly up to the drip edge and is also held there by the large surface tension of liquid metal or, for example, aluminum. For the aluminum located in the nozzle bore, wetting in the direction of the underside of the plate is advantageously less likely with a drip edge angle of significantly less than 90 °. Even if this drip edge is partially wetted by liquid aluminum, the distracting effect on the drop is less.

Ferner umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objektes mit einem erfindungsgemäßen Düsenkopf.The invention further comprises a method for producing a three-dimensional object with a nozzle head according to the invention.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben sind.Further advantageous refinements of the invention can be found in the description of the drawing, in which exemplary embodiments of the invention illustrated in the figures are described in more detail.

Es zeigen:

• 1 eine schematische Schnittdarstellung des interessierenden Teils eines 3D-Druckers 1 mit einem Düsenkopf,
• 2 eine Schnittdarstellung eines Düsenkopfs,
• 3a -d Detailzeichnungen der Ausführungsformen einer Düsenplatte eines erfindungsgemäßen Düsenkopfs.

Show it:

• 1 2 shows a schematic sectional illustration of the part of interest of a 3D printer 1 with a nozzle head,
• 2nd 2 shows a sectional illustration of a nozzle head,
• 3a - d Detailed drawings of the embodiments of a nozzle plate of a nozzle head according to the invention.

1 zeigt den interessierenden Teil eines 3D-Druckers 1, der in dem vorliegenden Beispiel zur Herstellung eines dreidimensionalen Objektes aus einem metallförmigen, beispielsweise Aluminium, Ausgangsmaterial 5 ausgelegt ist. Der 3D-Drucker 1 weist einen Druckerkörper 3 auf, in dem ein Schmelztiegel 4 eingelassen ist. Das Ausgangsmaterial 5 wird in dem Schmelztiegel 4 durch eine nicht weiter dargestellte Zuführung 17 beispielsweise strangförmig oder granulatförmig zugeführt und mittels einer Heizeinrichtung 6 geschmolzen. Die Heizeinrichtung 6 wird beispielsweise elektrisch betrieben und ist zumindest einen unteren Bereich des Schmelztiegels 4 umfassend in dem Druckerkörper 3 eingebaut. An den trichterförmig ausgebildeten Bodenbereich des Schmelztiegels 4 grenzt ein gegebenenfalls auch noch über einen Teilbereich von der Heizeinrichtung 6 umgebener Kompressionsraum 7 an, der zu einem Düsenkopf 2 führt. 1 shows the part of interest of a 3D printer 1, which in the present example for producing a three-dimensional object from a metal, for example aluminum, starting material 5 is designed. The 3D printer 1 has a printer body 3rd on in which a melting pot 4th is let in. The source material 5 is in the crucible 4th by a feed not shown 17th For example, supplied in the form of a strand or granules and by means of a heating device 6 melted. The heater 6 is operated, for example, electrically and is at least a lower region of the crucible 4th extensively in the printer body 3rd built-in. At the funnel-shaped bottom area of the crucible 4th If necessary, it also delimits a sub-area from the heating device 6 surrounded compression space 7 at that to a nozzle head 2nd leads.

In den Schmelztiegel 4 und zumindest einen Teil des Kompressionsraums 7 ragt eine Ausstossvorrichtung 8 ein, die beispielsweise als Stößel ausgebildet ist und von einem Aktor, beispielsweise einem Piezoaktor oder einem Magnetaktor, betätigt wird. Die Ausstossvorrichtung 8 wird gesteuert axial hin und her bewegt und löst durch eine insbesondere in dem Kompressionsraum 7 erzeugte Verdrängungsbewegung und/oder durch Druckpulse das tropfenweise Austreten des geschmolzenen Ausgangsmaterials 5, bzw. der Schmelze 5 aus dem Düsenkopf 2 zur Erzeugung des Objektes 16 aus. Hierauf wird nachfolgend noch genauer eingegangen. Der Düsenkopf 2 ist in den Druckerkörper 3 des 3D-Druckers 1 in geeigneter Weise eingebaut und mit diesem beispielsweise austauschbar verbunden. Der Düsenkopf 2 weist einen Düsenkanal 9 und daran anschließend ein Spritzloch 10 mit einer Düsenkanalseite 11 und einer Ausstossseite 12 auf.In the melting pot 4th and at least part of the compression space 7 protrudes an ejector 8th a, for example as a pestle is formed and is actuated by an actuator, for example a piezo actuator or a magnetic actuator. The ejector 8th is controlled axially moved back and forth by a particular in the compression space 7 generated displacement movement and / or the dropwise exit of the molten starting material by pressure pulses 5 , or the melt 5 from the nozzle head 2nd to create the object 16 out. This will be discussed in more detail below. The nozzle head 2nd is in the printer body 3rd of the 3D printer 1 installed in a suitable manner and interchangeably connected to it, for example. The nozzle head 2nd has a nozzle channel 9 and then a spray hole 10th with a nozzle channel side 11 and an ejection page 12 on.

2 zeigt einen Schnitt durch ein Beispiel eines Düsenkopfs 2. Der Düsenkopf 2 weist eine Düsenplatte 20 auf, wobei die Düsenplatte 20 einen von dem Düsenkanal 9 zum Spritzloch 10 hin sich verjüngenden ersten Bereich 25 aufweist. 2nd shows a section through an example of a nozzle head 2nd . The nozzle head 2nd has a nozzle plate 20th on, the nozzle plate 20th one from the nozzle channel 9 to the spray hole 10th towards the tapered first area 25th having.

Die 3a bis 3d zeigen Detailzeichnungen der Ausführungsformen einer Düsenplatte 20, wobei die Düsenplatte 20 einen von dem Kompressionsraum 7 zum Spritzloch 10 hin sich verjüngenden ersten Bereich 25 aufweist und anschließend an den ersten Bereich 25 ist eine Drossel 15 angeordnet und an der dem Kompressionsraum 7 abgewandten Seite 18 ist ein zweiter Bereich 30 angeordnet, der gegenüber der Drossel 15 einen erweiterten Querschnitt aufweist.The 3a to 3d show detailed drawings of the embodiments of a nozzle plate 20th , the nozzle plate 20th one from the compression room 7 to the spray hole 10th towards the tapered first area 25th and then to the first area 25th is a throttle 15 arranged and at the the compression space 7 opposite side 18th is a second area 30th arranged opposite the throttle 15 has an enlarged cross section.

Die der dem Kompressionsraum 7 abgewandten Seite 18 der Düsenplatte 20 weist gegenüber der Schmelze 5 ein metallophobes Verhalten auf. Und der erste Bereich 25, die Drossel 15 und der zweite Bereich 30 weisen gegenüber der Schmelze 5 ein metallophiles Verhalten auf.That of the compression room 7 opposite side 18th the nozzle plate 20th points towards the melt 5 a metallophobic behavior. And the first area 25th who have favourited Thrush 15 and the second area 30th point towards the melt 5 a metallophilic behavior.

Während der Herstellung des dreidimensionalen Objektes 16, bzw. während des Betriebes des Druckkopfs ist innerhalb des zweiten Bereichs 30 Schmelze 5 angeordnet.During the production of the three-dimensional object 16 , or during the operation of the print head is within the second range 30th melt 5 arranged.

3a zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel, wobei der zweite Bereich 30, 31 einen von der Drossel 15 bis zu der dem Kompressionsraum 7 abgewandten Seite 18 gleichbleibenden Durchmesser aufweist. 3a shows a first embodiment, the second region 30th , 31 one from the throttle 15 down to that of the compression space 7 opposite side 18th has constant diameter.

3b zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel, wobei der zweite Bereich 30, 32 eine von der Drossel 15 bis zu der dem Kompressionsraum 7 abgewandten Seite 18 sich stetig vergrößernde Geometrie aufweist. 3b shows a second embodiment, the second region 30th , 32 one from the throttle 15 down to that of the compression space 7 opposite side 18th has steadily increasing geometry.

3c zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel, wobei der zweite Bereich 30, 33 zwei Teilbereiche 42, 43 aufweist, wobei der erste Teilbereich 42 eine von der Drossel 15 bis zum zweiten Teilbereich 43 sich stetig vergrößernde Geometrie aufweist und der zweite Teilbereich 44 eine vom Ende des ersten Teilbereichs 42 bis zu der dem Kompressionsraum 7 abgewandten Seite 18 einen gleichbleibenden Durchmesser aufweist. 3c shows a third embodiment, the second region 30th , 33 two sections 42 , 43 has, the first portion 42 one from the throttle 15 to the second section 43 has continuously increasing geometry and the second section 44 one from the end of the first section 42 down to that of the compression space 7 opposite side 18th has a constant diameter.

3d zeigt eine Weiterbildung des dritten Ausführungsbeispiels, wobei das Ende des zweiten Bereichs 33 der Düsenplatte 20 im Bereich ihrer Austrittsöffnung mit der dem Kompressionsraum 2 abgewandten Seite 18 der Düsenplatte 20 eine Kante 45 ausbildet, die eine Tropfen ablösende Geometrie aufweist. Die Kante 18 ist konzentrisch und scharfkantig um die Austrittsöffnung 20 der Düsenplatte 12 ausgebildet ist 3d shows a development of the third embodiment, the end of the second area 33 the nozzle plate 20th in the area of its outlet opening with that of the compression space 2nd opposite side 18th the nozzle plate 20th an edge 45 forms, which has a droplet-replacing geometry. The edge 18th is concentric and sharp-edged around the outlet opening 20th the nozzle plate 12 is trained

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

• DE 69429004 T2 [0002]DE 69429004 T2 [0002]
• DE 102014226425 A1 [0003]DE 102014226425 A1 [0003]

Claims (10)

Düsenkopf (2) eines 3D-Druckers (1) zur Herstellung eines dreidimensionalen Objektes (16) aus einem Ausgangsmaterial (5), insbesondere einer Schmelze (5), wobei der 3D-Drucker (1) eine Zuführung (17) für das Ausgangsmaterial (5) sowie eine Heizeinrichtung (6) zum Aufschmelzen des Ausgangsmaterials (5) in einem dem Düsenkopf (2) zumindest im Wesentlichen vorgelagerten Schmelztiegel (4) aufweist, und wobei eine Ausstossvorrichtung (8) zum gesteuerten Erzeugen einer Strömungsbewegung der Schmelze (5) von dem Schmelztiegel (4) durch einen Düsenkanal (9) zu einem Spritzloch (10) des Düsenkopfs (2) vorhanden ist, wobei der Düsenkopf (2) eine Düsenplatte (20) mit dem Spritzloch (10) umfasst und dieses an einer dem Kompressionsraum (7) abgewandten Seite (18) angrenzt, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenplatte (20) einen von dem Kompressionsraum (7) zum Spritzloch (10) hin sich verjüngenden ersten Bereich (25) aufweist und anschließend an den ersten Bereich (25) ist eine Drossel (15) angeordnet und an der dem Kompressionsraum (7) abgewandten Seite (18) ist ein zweiter Bereich (30) angeordnet, der gegenüber der Drossel (15) einen erweiterten Querschnitt aufweist.Nozzle head (2) of a 3D printer (1) for producing a three-dimensional object (16) from a starting material (5), in particular a melt (5), the 3D printer (1) having a feed (17) for the starting material ( 5) and a heating device (6) for melting the starting material (5) in a crucible (4) at least substantially upstream of the nozzle head (2), and wherein an ejection device (8) for the controlled generation of a flow movement of the melt (5) from the crucible (4) is provided through a nozzle channel (9) to a spray hole (10) of the nozzle head (2), the nozzle head (2) comprising a nozzle plate (20) with the spray hole (10) and this in a compression chamber ( 7) adjacent side (18), characterized in that the nozzle plate (20) has a tapering from the compression space (7) towards the spray hole (10) towards the first area (25) and is adjacent to the first area (25) Throttle (15) dnet and on the side (18) facing away from the compression space (7) there is a second region (30) which has an enlarged cross section compared to the throttle (15). Düsenkopf (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die der dem Kompressionsraum (7) abgewandten Seite (18) der Düsenplatte (20) gegenüber der Schmelze (5) ein metallophobes Verhalten aufweist.Nozzle head (2) after Claim 1 , characterized in that the side (18) of the nozzle plate (20) facing away from the compression space (7) has a metallophobic behavior with respect to the melt (5). Düsenkopf (2) nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich (25), die Drossel (15) und der zweite Bereich (30) gegenüber der Schmelze (5) ein metallophiles Verhalten aufweisen.Nozzle head (2) according to one of the preceding claims, characterized in that the first region (25), the throttle (15) and the second region (30) have a metallophilic behavior with respect to the melt (5). Düsenkopf (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während der Herstellung des dreidimensionalen Objektes (16) innerhalb des zweiten Bereichs (30) Schmelze (5) angeordnet ist.Nozzle head (2) according to one of the preceding claims, characterized in that melt (5) is arranged within the second region (30) during the production of the three-dimensional object (16). Düsenkopf (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Bereich (30, 31) einen von der Drossel (15) bis zu der dem Kompressionsraum (7) abgewandten Seite (18) gleichbleibenden Durchmesser aufweist.Nozzle head (2) according to one of the Claims 1 to 4th , characterized in that the second region (30, 31) has a constant diameter from the throttle (15) to the side (18) facing away from the compression space (7). Düsenkopf (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Bereich (30, 32) eine von der Drossel (15) bis zu der dem Kompressionsraum (7) abgewandten Seite (18) sich stetig vergrößernde Geometrie aufweist.Nozzle head (2) according to one of the Claims 1 to 4th , characterized in that the second region (30, 32) has a continuously increasing geometry from the throttle (15) to the side (18) facing away from the compression space (7). Düsenkopf (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Bereich (30, 33) zwei Teilbereiche (42, 43) aufweist, wobei der erste Teilbereich (42) eine von der Drossel (15) bis zum zweiten Teilbereich (43) sich stetig vergrößernde Geometrie aufweist und der zweite Teilbereich (44) eine vom Ende des ersten Teilbereichs (42) bis zu der dem Kompressionsraum (7) abgewandten Seite (18) einen gleichbleibenden Durchmesser aufweist.Nozzle head (2) according to one of the Claims 1 to 4th , characterized in that the second area (30, 33) has two partial areas (42, 43), the first partial area (42) having a geometry which increases continuously from the throttle (15) to the second partial area (43) and the second partial area (44) has a constant diameter from the end of the first partial area (42) to the side (18) facing away from the compression space (7). Düsenkopf (2) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Ende des zweiten Bereichs (33) der Düsenplatte (20) im Bereich ihrer Austrittsöffnung mit der dem Kompressionsraum (2) abgewandten Seite (18) der Düsenplatte (20) eine Kante (45) ausbildet, die eine Tropfen ablösende Geometrie aufweist.Nozzle head (2) after Claim 7 , characterized in that the end of the second region (33) of the nozzle plate (20) in the region of its outlet opening with the side (18) of the nozzle plate (20) facing away from the compression space (2) forms an edge (45) which removes a drop Has geometry. Düsenkopf (2) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kante (18) konzentrisch und scharfkantig um die Austrittsöffnung (20) der Düsenplatte (12) ausgebildet ist.Nozzle head (2) after Claim 8 , characterized in that the edge (18) is concentric and sharp-edged around the outlet opening (20) of the nozzle plate (12). Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objektes (16) mit einem Düsenkopf (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.Method for producing a three-dimensional object (16) with a nozzle head (2) according to one of the preceding claims.

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