WO2020200908A1 - Device for the rapid manufacture of a three-dimensional workpiece from an aluminium-containing molten metal, and method for operating a device for the rapid manufacture of a three-dimensional workpiece - Google Patents

Abstract

The invention relates to a device for the rapid manufacture of a three-dimensional workpiece from an aluminium-containing molten metal (1), in particular molten aluminium, comprising: a one-part or multipart nozzle body (2) that surrounds a compression chamber (3) which can be filled with the molten metal (1), and that forms an injector hole (4) for delivering the molten metal (1); and a piston (5), which is reciprocatingly received in the nozzle body (2), for delimiting the compression chamber (3). According to the invention, the nozzle body (2) or at least a part (2.1) of the nozzle body (2) that forms the injector hole (4) is produced from Shapal or graphite, preferably isostatically pressed graphite. The invention also relates to a method for operating such a device.

Description

Beschreibung description

Titel: Title:

Vorrichtung zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks aus einer aluminiumhaltigen Metallschmelze, Verfahren zum Betreiben einer Device for the generative production of a three-dimensional workpiece from an aluminum-containing metal melt, method for operating a

Vorrichtung zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks Device for additive manufacturing of a three-dimensional workpiece

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks aus einer aluminiumhaltigen The present invention relates to a device for the generative production of a three-dimensional workpiece from an aluminum-containing one

Metallschmelze, insbesondere aus einer Aluminiumschmelze. Darüber hinaus betrifft die Anmeldung ein Verfahren zum Betrieben einer derartigen Vorrichtung. Metal melt, in particular from an aluminum melt. The application also relates to a method for operating such a device.

Bei der generativen Fertigung dreidimensionaler Werkstücke bzw. beim 3D- Drucken werden flüssige oder feste Werkstoffe schichtweise zu einem dreidimensionalen Werkstück aufgebaut. Flüssige Werkstoffe werden in Form einzelner Tropfen auf einen Werkstückträger aufgebracht. Feste Werkstoffe, zum Beispiel in Form von Pulvern, werden lokal aufgeschmolzen. Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einer 3D-Druckvorrichtung, die ausschließlich aluminiumhaltige Metallschmelzen einsetzt. In the additive manufacturing of three-dimensional workpieces or in 3D printing, liquid or solid materials are built up in layers to form a three-dimensional workpiece. Liquid materials are applied to a workpiece carrier in the form of individual drops. Solid materials, for example in the form of powders, are melted locally. The present invention is concerned with a 3D printing device that uses exclusively molten metal containing aluminum.

Stand der Technik State of the art

Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2015 206 813 Al geht beispielhaft eine Vorrichtung zum Aufträgen eines Fluids auf einen Werkstückträger zum The published patent application DE 10 2015 206 813 A1 shows an example of a device for applying a fluid to a workpiece carrier

Erzeugen eines Werkstücks hervor, die ein Reservoir zur Aufnahme des Fluids sowie eine Auslasseinrichtung zum Ausgeben des Fluids aufweist. Darüber hinaus umfasst die Vorrichtung eine Aktoreinrichtung, mittels welcher ein Volumen des Reservoirs zur Erzeugung einer Druckwelle verkleinerbar ist. Die Druckwelle bewirkt, dass zumindest ein Teil des im Reservoir aufgenommenen Fluids über die Auslasseinrichtung ausgegeben und auf den Werkstückträger aufgetragen wird. Die Aktoreinrichtung weist hierzu eine Membran auf, die in einer oder als eine Außenwand des Reservoirs ausgebildet und elastisch verformbar ist. Ferner umfasst die Aktoreinrichtung einen beweglichen Kolben, mittels dessen die elastische Verformung der Membran bei Betätigung eines Wirbelstromaktors bzw. eines Magnetaktors bewirkbar ist. Generating a workpiece that has a reservoir for receiving the fluid and an outlet device for dispensing the fluid. In addition, the device comprises an actuator device, by means of which a volume of the reservoir can be reduced in order to generate a pressure wave. The pressure wave has the effect that at least part of the fluid received in the reservoir is discharged via the outlet device and applied to the workpiece carrier. For this purpose, the actuator device has a membrane which is shown in FIG one or as an outer wall of the reservoir and is elastically deformable. Furthermore, the actuator device comprises a movable piston, by means of which the elastic deformation of the membrane can be brought about when an eddy current actuator or a magnetic actuator is actuated.

In der Regel werden flüssige oder verflüssigte Werkstoffe in Form diskreter Tropfen ausgegeben und auf den Werkstückträger aufgetragen. Dabei kommt es auf eine hochgenaue Platzierung der Tropfen an. Diese kann aber nur dann gewährleistet werden, wenn eine definierte Tropfenabrisskante vorhanden ist und es nicht bereits stromaufwärts der Tropfenabrisskante zu einer die As a rule, liquid or liquefied materials are dispensed in the form of discrete drops and applied to the workpiece carrier. It depends on a highly precise placement of the drops. This can only be guaranteed, however, if a defined teardrop separation edge is present and there is no die upstream of the teardrop separation edge

Tropfenbildung beeinträchtigenden Strömungsablösung kommt. Beispielsweise kann sich vorzeitig ein Tropfen ablösen, dessen Durchmesser zudem kleiner als der Durchmesser der Austrittsöffnung ist, so dass der Tropfen exzentrisch austritt und beim Austreten abgelenkt wird. Droplet formation impairing flow separation comes. For example, a drop can detach prematurely, the diameter of which is also smaller than the diameter of the outlet opening, so that the drop emerges eccentrically and is deflected when it emerges.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks aus einer aluminiumhaltigen Metallschmelze, insbesondere einer Aluminiumschmelze, anzugeben, die eine präzise Tropfenbildung und -platzierung ermöglicht. The present invention is therefore based on the object of specifying a device for the generative production of a three-dimensional workpiece from an aluminum-containing metal melt, in particular an aluminum melt, which enables precise drop formation and placement.

Zur Lösung der Aufgabe wird die Vorrichtung mit den Merkmalen des To solve the problem, the device with the features of

Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Ferner wird das Verfahren zum Betreiben einer derartigen Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 vorgeschlagen. Claim 1 proposed. Advantageous further developments of the invention can be found in the subclaims. Furthermore, the method for operating such a device is proposed with the features of claim 9.

Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention

Die vorgeschlagene Vorrichtung zur generativen Fertigung eines The proposed device for the additive manufacturing of a

dreidimensionalen Werkstücks aus einer aluminiumhaltigen Metallschmelze, insbesondere aus einer Aluminiumschmelze, umfasst einen ein- oder Three-dimensional workpiece from an aluminum-containing metal melt, in particular from an aluminum melt, comprises a single or

mehrteiligen Düsenkörper, der einen mit der Metallschmelze befüllbaren multi-part nozzle body, one of which can be filled with the molten metal

Kompressionsraum umschließt und ein Spritzloch zum Austragen der Compression space encloses and a spray hole for discharging the

Metallschmelze ausbildet, sowie einen im Düsenkörper hin- und herbeweglich aufgenommenen Kolben zur Begrenzung des Kompressionsraums. Forms molten metal, as well as a piston received in the nozzle body such that it can move back and forth to delimit the compression space.

Erfindungsgemäß ist der Düsenkörper oder zumindest ein das Spritzloch ausbildendes Teil des Düsenkörpers aus Shapal oder Graphit, vorzugsweise isostatisch gepresstes Graphit, gefertigt. According to the invention, the nozzle body or at least one is the spray hole forming part of the nozzle body made of Shapal or graphite, preferably isostatically pressed graphite.

Shapal weist im Unterschied zu den üblicherweise eingesetzten keramischen Werkstoffen den Vorteil auf, dass es gut zu bearbeiten, insbesondere zu bohren, fräßen und/oder schleifen, ist. Das heißt, dass die Fertigung des Spritzlochs vereinfacht wird. Insbesondere kann ein Spritzloch mit einer definierten In contrast to the ceramic materials usually used, Shapal has the advantage that it is easy to machine, in particular to drill, mill and / or grind. This means that the production of the injection hole is simplified. In particular, a spray hole with a defined

Tropfenabrisskante geschaffen werden. Selbst bei Ausbildung einer Droplet tear-off edge are created. Even with training one

scharfkantigen Tropfenabrisskante neigt der Werkstoff nicht zum Ausbrechen, so dass eine präzise Kante ausformbar ist. Bei einem Temperaturwechsel kommt es weniger zu Brüchen. Zudem weist der Werkstoff nahezu keine störenden Poren auf. sharp-edged teardrop edge, the material does not tend to break out, so that a precise edge can be formed. There are fewer fractures with a change in temperature. In addition, the material has almost no disruptive pores.

Ein ähnliches Verhalten zeigt auch Graphit, insbesondere isostatisch gepresstes Graphit, so dass vorliegend Graphit als ein alternativer, nicht-keramischer Werkstoff zur Ausbildung der Düse genannt wird. Bevorzugt wird jedoch der Werkstoff Shapal eingesetzt, da hier die vorstehend genannten Vorteile besonders deutlich zu Tage treten. Graphite, in particular isostatically pressed graphite, also shows a similar behavior, so that graphite is mentioned here as an alternative, non-ceramic material for forming the nozzle. The Shapal material is preferred, however, since the advantages mentioned above are particularly evident here.

Ferner wird vorgeschlagen, dass das durch den Düsenkörper ausgebildete Spritzloch auslassseitig durch eine scharfkantige Tropfenabrisskante begrenzt wird. Die Scharfkantigkeit der Tropfenabrisskante wird erst durch den gewählten Werkstoff ermöglicht, aus dem der Düsenkörper bzw. das Teil des Düsenkörpers, welches das Spritzloch ausbildet, gefertigt ist. Durch die Scharfkantigkeit wird eine genau definierte Tropfenabrisskante geformt, die eine präzise It is also proposed that the spray hole formed by the nozzle body be delimited on the outlet side by a sharp-edged tear-off edge. The sharp edges of the teardrop edge is only made possible by the selected material from which the nozzle body or the part of the nozzle body which forms the spray hole is made. The sharp edges create a precisely defined teardrop tear-off edge, which is a precise one

Tropfenbildung und -platzierung ermöglicht. Ferner wird verhindert, dass die Metallschmelze beim Austritt aus dem Spritzloch am Düsenkörper haften bleibt und seitlich wegläuft. Allows drop formation and placement. It also prevents the molten metal from sticking to the nozzle body when it emerges from the spray hole and running away to the side.

Bevorzugt weist das Spritzloch mehrere Abschnitte auf, von denen mindestens ein Abschnitt zylinderförmig und mindestens ein Abschnitt konisch geformt sind. Des Weiteren bevorzugt verjüngt sich das Spritzloch zum Auslass hin. Auf diese Weise kann die Strömung der Metallschmelze durch das Spritzloch beschleunigt werden, was ebenfalls ein sauberes tropfenförmiges Abreißen der The spray hole preferably has a plurality of sections, of which at least one section is cylindrical and at least one section is conically shaped. Furthermore, the spray hole preferably tapers towards the outlet. In this way, the flow of the metal melt through the spray hole can be accelerated, which also results in a clean tear-off of the

Metallschmelze an der Tropfenabrisskante fördert. Das Spritzloch weist demnach bevorzugt eine sich verändernde Querschnittsfläche auf, die auslassseitig am kleinsten ist, um die Tropfenbildung und -abgabe zu unterstützen. Promotes molten metal at the teardrop edge. The spray hole accordingly preferably has a changing cross-sectional area which is smallest on the outlet side in order to support the droplet formation and discharge.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Düsenkörper mehrteilig ausgeführt und das Teil des Düsenkörpers, welches das Spritzloch ausbildet, ist plattenförmig. Durch die mehrteilige Ausführung des Düsenkörpers kann die Verwendung des Werkstoffs Shapal oder Graphit auf das plattenförmige Teil beschränkt werden. Im Übrigen kann der Düsenkörper aus einem anderen Werkstoff gefertigt sein. Ferner erleichtert die Plattenform des Teils, welches das Spritzloch ausbildet, die Fertigung des Spritzlochs, da dieses von allen Seiten gut zugänglich ist. According to a preferred embodiment of the invention, the nozzle body is made in several parts and the part of the nozzle body which forms the spray hole is plate-shaped. Due to the multi-part design of the nozzle body, the use of the material Shapal or graphite can be limited to the plate-shaped part. The nozzle body can also be made of a different material. Furthermore, the plate shape of the part which forms the injection hole facilitates the manufacture of the injection hole, since it is easily accessible from all sides.

Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass das Teil des Düsenkörpers, welches das Spritzloch ausbildet, mit Hilfe einer Düsenspannmutter mit einem hülsenförmigen Teil des Düsenkörpers verbunden, insbesondere verspannt, ist. Das It is also proposed that the part of the nozzle body which forms the spray hole is connected, in particular clamped, to a sleeve-shaped part of the nozzle body with the aid of a nozzle clamping nut. The

hülsenförmige Teil dient der Begrenzung des Kompressionsraums in radialer Richtung. Zugleich kann es zur Führung des im Düsenkörper hin- und sleeve-shaped part serves to limit the compression space in the radial direction. At the same time it can be used to guide the back and forth in the nozzle body

herbeweglich aufgenommenen Kolbens genutzt werden. Dadurch, dass das plattenförmige Teil und das hülsenförmige Teil über die Düsenspannmutter miteinander verbunden, insbesondere verspannt, sind, kann im can be used movably recorded piston. Because the plate-shaped part and the sleeve-shaped part are connected to one another, in particular braced, via the nozzle clamping nut, the

Kompressionsraum ein hoher Druck aufgebaut werden, um die Metallschmelze durch das Spritzloch zu pressen. Es muss nicht befürchtet werden, dass sich dabei die Verbindung zwischen den Teilen des Düsenkörpers löst. Compression chamber, a high pressure can be built up in order to force the molten metal through the injection hole. There is no need to fear that the connection between the parts of the nozzle body will come loose.

Der hin- und herbewegliche Kolben der Vorrichtung ist vorzugsweise mit einem Aktor, weiterhin vorzugsweise mit einem magnetostriktiven, piezokeramischen und/oder magnetischen Aktor, wirkverbunden. Mit Hilfe des Aktors kann der Kolben hin- und herbewegt werden. Das heißt, dass mit Hilfe des Aktors der Kolben in den Kompressionsraum hinein bewegt werden kann, so dass ein Druck im Kompressionsraum aufgebaut wird, der schließlich dazu führt, dass ein Teil der Metallschmelze durch das Spritzloch gepresst und tropfenförmig ausgetragen wird. Düsenkörper, die gemäß der Erfindung aus Shapal oder Graphit gefertigt sind, weisen grundsätzlich schlechte Benetzungseigenschaften in Bezug auf eine aluminiumhaltige Metallschmelze auf. Das heißt, dass sie sich aluphob verhalten. Über die Zeit jedoch, durch den anhaltenden Kontakt mit der Metallschmelze, ändern sich die Benetzungseigenschaften der aus diesen Werkstoffen gefertigten Oberflächen, und zwar von aluphob in Richtung aluphil. Dies hat zur Folge, dass sich die mit der aluminiumhaltigen Metallschmelze benetzte Oberfläche über die Zeit vergrößert. Insbesondere dehnt sie sich in das Spritzloch aus. Dabei kommt es zur Ausbildung einer„wandernden“ weiteren Abrisskante innerhalb des Spritzlochs. Im Bereich der„wandernden“ weiteren Abrisskante kann es zu einem Strömungsabriss kommen, so dass sich vorzeitig ein Tropfen ablöst. Die „wandernde“ weitere Abrisskante erweist sich somit als problematisch im Hinblick auf eine präzise Tropfenbildung und -platzierung. The reciprocating piston of the device is preferably operatively connected to an actuator, furthermore preferably to a magnetostrictive, piezoceramic and / or magnetic actuator. The piston can be moved back and forth with the aid of the actuator. This means that the piston can be moved into the compression chamber with the aid of the actuator, so that a pressure is built up in the compression chamber, which ultimately leads to part of the molten metal being pressed through the injection hole and discharged in the form of drops. Nozzle bodies which are made from shapal or graphite according to the invention generally have poor wetting properties in relation to an aluminum-containing metal melt. That means that they behave aluphobically. Over time, however, due to continued contact with the molten metal, the wetting properties of the surfaces made from these materials change, from aluphob to aluphil. This has the consequence that the surface wetted with the aluminum-containing metal melt increases over time. In particular, it expands into the spray hole. This leads to the formation of a “wandering” further tear-off edge within the spray hole. In the area of the “wandering” further spoiler edge, the flow can stall, so that a drop is detached prematurely. The “wandering” further tear-off edge thus proves to be problematic with regard to precise drop formation and placement.

In Weiterbildung der Erfindung wird daher vorgeschlagen, dass ein Aktor gewählt wird, der hochfrequenzfähig ist, so dass der Kolben mittels des Aktors in eine Schwingung mit einer Frequenz > 20 KHz versetzbar ist. Mit Hilfe der In a further development of the invention, it is therefore proposed that an actuator be selected which is capable of high frequencies, so that the piston can be set into oscillation with a frequency> 20 KHz by means of the actuator. With the help of

hochfrequenten Schwingungen des Kolbens werden Ultraschallwellen in die Metallschmelze eingekoppelt, mittels welcher die Eigenschaftsänderung von aluphob zu aluphil beschleunigt werden kann. Idealerweise wird daher bei jeder Inbetriebnahme der Vorrichtung der Kolben mit Hilfe des Aktors zunächst in eine hochfrequente Schwingung versetzt, um die Benetzungseigenschaften des Düsenkörpers im Bereich des Spritzlochs zu ändern, und zwar vollflächig bis an die Tropfenabrisskante heran, so dass es im Betrieb der Vorrichtung nicht zur Ausbildung einer„wandernden“ weiteren Abrisskante kommt. Durch die Ultrasonic waves are coupled into the molten metal through high-frequency oscillations of the piston, by means of which the change in properties from aluphob to aluphil can be accelerated. Ideally, every time the device is started up, the piston is initially set into high-frequency oscillation with the aid of the actuator in order to change the wetting properties of the nozzle body in the area of the spray hole, specifically up to the droplet tear-off edge, so that it does not occur during operation of the device to the formation of a “wandering” further tear-off edge. Through the

Ultraschallanregung bei Inbetriebnahme wird demnach sichergestellt, dass die Eigenschaftsänderung von aluphob zu aluphil abgeschlossen ist, bevor mit der Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks begonnen wird. Dadurch sind auch eine präzise Tropfenbildung und -platzierung gewährleistet. Ultrasonic excitation during commissioning ensures that the change in properties from aluphob to aluphil is completed before the production of a three-dimensional workpiece begins. This also ensures precise drop formation and placement.

Das darüber hinaus vorgeschlagene Verfahren zum Betreiben einer The further proposed method for operating a

erfindungsgemäßen Vorrichtung zur generativen Fertigung eines Device according to the invention for the generative production of a

dreidimensionalen Werkstücks zeichnet sich durch die folgenden Schritte aus, die vorzugsweise bei jeder Inbetriebnahme der Vorrichtung durchgeführt werden: - Befüllen des Kompressionsraums mit der aluminiumhaltigen Metallschmelze, insbesondere Aluminiumschmelze, three-dimensional workpiece is characterized by the following steps, which are preferably carried out each time the device is started up: - Filling the compression chamber with the aluminum-containing molten metal, in particular molten aluminum,

- Aktivieren des Aktors, so dass der Kolben in eine Schwingung mit einer Frequenz > 20 KHz versetzt wird und über die Schwingung des Kolbens Ultraschallwellen in die Metallschmelze eingekoppelt werden, sowie - Activation of the actuator, so that the piston is set into oscillation with a frequency> 20 KHz and ultrasonic waves are coupled into the molten metal via the oscillation of the piston, as well as

- Aufrechterhalten der Ultraschallanregung bis alle das Spritzloch - Maintaining the ultrasonic excitation until all of the spray hole

umschließenden Oberflächen bis hin zu einer das Spritzloch auslassseitig begrenzenden Tropfenabrisskante mit der Metallschmelze benetzt sind. surrounding surfaces are wetted with the molten metal up to a drop edge delimiting the spray hole on the outlet side.

Wie bereits erwähnt, weist die Oberfläche eines aus Shapal oder Graphit gefertigten Düsenkörpers bzw. eines das Spritzloch ausbildenden Teils des Düsenkörpers von Haus aus aluphobe Eigenschaften auf. Über die Zeit - mit zunehmender Benetzung - erfährt der Werkstoff eine Eigenschaftsänderung von aluphob zu aluphil. Dieser Prozess kann sich über mehrere Stunden hinziehen. Währenddessen bildet sich im Übergangsbereich benetzter und unbenetzter Flächen eine der Tropfenabrisskante vorgelagerte weitere Abrisskante aus, die mit zunehmender Benetzung in Richtung der eigentlichen Tropfenabrisskante wandert. Die„wandernde“ Abrisskante erschwert eine präzise Tropfenbildung- und -platzierung. As already mentioned, the surface of a nozzle body made of shapal or graphite or of a part of the nozzle body that forms the spray hole has inherently aluminum properties. Over time - with increasing wetting - the material experiences a change in properties from aluphob to aluphil. This process can take several hours. Meanwhile, in the transition area of wetted and non-wetted surfaces, a further tear-off edge is formed in front of the tear-drop edge, which, with increasing wetting, migrates in the direction of the actual tear-tear edge. The "wandering" tear-off edge makes precise drop formation and placement difficult.

Um dem entgegenzuwirken, wird gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Initialisierungsprozess vorgeschlagen, der zu einer vollständigen Benetzung der das Spritzloch umschließenden Oberflächen führt. Auf diese Weise wird ein statischer, nicht mehr veränderlicher Zustand geschaffen, der eine präzise Tropfenbildung und -platzierung ermöglicht. In order to counteract this, an initialization process is proposed according to the method according to the invention, which leads to complete wetting of the surfaces surrounding the spray hole. In this way, a static, unchangeable state is created, which enables precise drop formation and placement.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen: The invention is explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. These show:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung und 1 shows a schematic longitudinal section through a device according to the invention and

Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt der Fig. 1. Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen FIG. 2 shows an enlarged section of FIG. 1. Detailed description of the drawings

Die in der Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks aus einer aluminiumhaltigen Metallschmelze 1 umfasst ein Gehäuseteil 11, das ein Reservoir 12 für eine aluminiumhaltige Metallschmelze 1 ausbildet. Ferner umfasst die Vorrichtung einen mehrteilig ausgeführten Düsenkörper 2 mit einem plattenförmigen ersten Teil 2.1 und einem hohlzylinderförmigen zweiten Teil 2.2. Beide Teile 2.1, 2.2, die mit Hilfe einer Düsenspannmutter 7 miteinander verspannt sind. Das The device according to the invention shown in FIG. 1 for the generative production of a three-dimensional workpiece from an aluminum-containing metal melt 1 comprises a housing part 11 which forms a reservoir 12 for an aluminum-containing metal melt 1. The device further comprises a multi-part nozzle body 2 with a plate-shaped first part 2.1 and a hollow cylindrical second part 2.2. Both parts 2.1, 2.2, which are clamped together with the aid of a nozzle clamping nut 7. The

plattenförmige erste Teil 2.1 bildet ein Spritzloch 4 zum Austragen der plate-shaped first part 2.1 forms a spray hole 4 for discharging the

Metallschmelze 1 aus. Das hohlzylinderförmige zweite Teil 2.2 umschließt einen Kompressionsraum 3, der über das Reservoir 12 mit der Metallschmelze 1 befüllbar ist. Nach oben wird der Kompressionsraum 3 durch einen Kolben 5 begrenzt, der im hohlzylinderförmigen Teil 2.2 des Düsenkörpers 2 hin- und herbeweglich aufgenommen und geführt ist (siehe Pfeil 14). Metal melt 1 from. The hollow cylindrical second part 2.2 encloses a compression space 3 which can be filled with the molten metal 1 via the reservoir 12. At the top, the compression space 3 is delimited by a piston 5, which is received and guided in the hollow cylindrical part 2.2 of the nozzle body 2 such that it can move back and forth (see arrow 14).

Die Hin- und Herbewegungen des Kolbens 5 werden mit Hilfe eines Aktors 8 realisiert, der vorliegend als piezokeramischer Aktor 8 ausgeführt ist. Ein solcher Aktor 8 vermag den Kolben 5 in eine hochfrequente Schwingung zu versetzen. Der Kolben 5 ist mit dem Aktor 8 über eine Kolbenstange 10 verbunden, die ein- oder mehrteilig ausgeführt sein kann. Eine an der Kolbenstange 10 abgestützte Feder 13 spannt die Kolbenstange 10 einschließlich des Kolbens 5 gegen den Aktor 8 vor. Dadurch ist sichergestellt, dass die Wirkverbindung des Kolbens 5 mit dem Aktor 8 dauerhaft erhalten bleibt. The reciprocating movements of the piston 5 are implemented with the aid of an actuator 8, which in the present case is designed as a piezoceramic actuator 8. Such an actuator 8 is able to set the piston 5 in high-frequency oscillation. The piston 5 is connected to the actuator 8 via a piston rod 10, which can be made in one or more parts. A spring 13 supported on the piston rod 10 biases the piston rod 10 including the piston 5 against the actuator 8. This ensures that the operative connection of the piston 5 with the actuator 8 is maintained permanently.

Die Hin- und Herbewegungen des Kolbens 5 erzeugen Druckwellen bzw. The back and forth movements of the piston 5 generate pressure waves or

Druckpulse, welche die Metallschmelze 1 in das Spritzloch 4 drücken, so dass diese über das Spritzloch 4 in Form einzelner Tropfen ausgetragen wird. Um sicherzustellen, dass sich die Tropfen jeweils erst am Ende des Spritzlochs 4 und nicht bereits innerhalb des Spritzlochs 4 ablösen, wird das Spritzloch 4 auslassseitig von einer scharfkantigen Tropfenabrisskante 6 begrenzt. Pressure pulses which press the molten metal 1 into the spray hole 4 so that it is discharged through the spray hole 4 in the form of individual drops. In order to ensure that the droplets are only detached at the end of the spray hole 4 and not already within the spray hole 4, the spray hole 4 is delimited on the outlet side by a sharp-edged droplet breakaway edge 6.

Wie insbesondere der Fig. 2 zu entnehmen ist, weist das Spritzloch 4 mehrere Abschnitte 4.1, 4.2, 4.3 auf, die sich hinsichtlich ihres Innendurchmessers unterscheiden. Dieser wird in Richtung des Auslasses des Spritzlochs 4 immer kleiner. Während die Abschnitte 4.1 und 4.3 zylinderförmig gestaltet sind, weist der Abschnitt 4.2 eine konische Form auf. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist zumindest das Teil 2.1 des As can be seen in particular from FIG. 2, the spray hole 4 has several sections 4.1, 4.2, 4.3, which differ in terms of their inner diameter distinguish. This becomes smaller and smaller in the direction of the outlet of the spray hole 4. While sections 4.1 and 4.3 are cylindrical, section 4.2 has a conical shape. In the device according to the invention, at least part 2.1 of the

Düsenkörpers 2, welches das Spritzloch 4 ausbildet, aus Shapal oder Graphit gefertigt. Da diese Werkstoffe von Haus aus aluphob sind bzw. schlechte Benetzungseigenschaften aufweisen, wird mit jeder Inbetriebnahme der Nozzle body 2, which forms the spray hole 4, made of Shapal or graphite. Since these materials are naturally aluphobic or have poor wetting properties, the

Vorrichtung ein Initialisierungsprozess durchgeführt. Bei diesem Prozess wird der Kolben 5 mit Hilfe des Aktors 8 in eine Schwingung mit einer Frequenz überDevice carried out an initialization process. In this process, the piston 5 is converted into an oscillation with a frequency with the aid of the actuator 8

20 KHz versetzt, so dass über den Kolben 5 Ultraschallwellen in die 20 KHz offset, so that 5 ultrasonic waves into the

Metallschmelze 1 eingekoppelt werden. Diese forcieren eine vollständige Metal melt 1 are coupled. These force a complete

Benetzung der das Spritzloch 4 umschließenden Oberflächen 9, so dass der an sich aluphobe Werkstoff aluphile Eigenschaften entwickelt, und zwar nur dort, wo es zu einer Benetzung mit der Metallschmelze 1 kommt, das heißt, innerhalb desWetting of the surfaces 9 surrounding the spray hole 4, so that the aluphobic material itself develops aluphilic properties, and only where there is wetting with the molten metal 1, that is, within the

Spritzlochs 4. Unterseitig bleibt der Werkstoff aluphob, so dass der Werkstoff das Ablösen der Tropfen am Auslass des Spritzlochs 4 unterstützt. Injection hole 4. The material remains aluminum-coated on the underside, so that the material supports the detachment of the droplets at the outlet of the injection hole 4.

Die in den Figuren 1 und 2 dargestellte Vorrichtung ermöglicht somit eine präzise Tropfenbildung und- platzierung. The device shown in Figures 1 and 2 thus enables precise drop formation and placement.

Claims

Ansprüche Expectations

1. Vorrichtung zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen 1. Device for additive manufacturing of a three-dimensional

Werkstücks aus einer aluminiumhaltigen Metallschmelze (1), insbesondere einer Aluminiumschmelze, umfassend einen ein- oder mehrteiligen Düsenkörper (2), der einen mit der Metallschmelze (1) befüllbaren Kompressionsraum (3) umschließt und ein Spritzloch (4) zum Austragen der Metallschmelze (1) ausbildet, sowie einen im Düsenkörper (2) hin- und herbeweglich Workpiece made from an aluminum-containing metal melt (1), in particular an aluminum melt, comprising a one-part or multi-part nozzle body (2) which encloses a compression space (3) that can be filled with the metal melt (1) and a spray hole (4) for discharging the metal melt (1) ) and one in the nozzle body (2) movable back and forth

aufgenommenen Kolben (5) zur Begrenzung des Kompressionsraums (3), dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkörper (2) oder zumindest ein das Spritzloch (4) ausbildendes Teil (2.1) des Düsenkörpers (2) aus Shapal oder Graphit, vorzugsweise isostatisch gepresstes Graphit, gefertigt ist. accommodated piston (5) to delimit the compression space (3), characterized in that the nozzle body (2) or at least one part (2.1) of the nozzle body (2) which forms the spray hole (4) is made of shapal or graphite, preferably isostatically pressed graphite, is made.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2. Device according to claim 1,

dadurch gekennzeichnet, dass das Spritzloch (4) auslassseitig durch eine scharfkantige Tropfenabrisskante (6) begrenzt wird. characterized in that the spray hole (4) is delimited on the outlet side by a sharp-edged tear-off edge (6).

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, 3. Device according to claim 1 or 2,

dadurch gekennzeichnet, dass das Spritzloch (4) mehrere Abschnitte (4.1, 4.2, 4.3) aufweist, von denen mindestens ein Abschnitt (4.1, 4.3) zylinderförmig und mindestens ein Abschnitt (4.2) konisch geformt sind. characterized in that the spray hole (4) has several sections (4.1, 4.2, 4.3), of which at least one section (4.1, 4.3) is cylindrical and at least one section (4.2) is conically shaped.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 4. Device according to one of the preceding claims,

dadurch gekennzeichnet, dass das Spritzloch (4) eine sich verändernde Querschnittsfläche aufweist, die auslassseitig am kleinsten ist. characterized in that the spray hole (4) has a changing cross-sectional area which is smallest on the outlet side.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 5. Device according to one of the preceding claims,

dadurch gekennzeichnet, dass das Teil (2.1) des Düsenkörpers (2), welches das Spritzloch (4) ausbildet, plattenförmig ist. characterized in that the part (2.1) of the nozzle body (2) which forms the spray hole (4) is plate-shaped.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 6. Device according to one of the preceding claims,

dadurch gekennzeichnet, dass das Teil (2.1) des Düsenkörpers (2), welches das Spritzloch (4) ausbildet, mit Hilfe einer Düsenspannmutter (7) mit einem hülsenförmigen Teil (2.2) des Düsenkörpers (2) verbunden, insbesondere verspannt, ist. characterized in that the part (2.1) of the nozzle body (2) which forms the spray hole (4) is connected, in particular clamped, to a sleeve-shaped part (2.2) of the nozzle body (2) with the aid of a nozzle clamping nut (7).

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 7. Device according to one of the preceding claims,

dadurch gekennzeichnet, dass der hin- und herbewegliche Kolben (5) mit einem Aktor (8), vorzugsweise mit einem magnetostriktiven, piezokeramischen und/oder magnetischen Aktor (8), wirkverbunden ist. characterized in that the reciprocating piston (5) is operatively connected to an actuator (8), preferably to a magnetostrictive, piezoceramic and / or magnetic actuator (8).

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, 8. Apparatus according to claim 7,

dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (8) hochfrequenzfähig ist, so dass der Kolben (5) mittels des Aktors (8) in eine Schwingung mit einer Frequenz characterized in that the actuator (8) is capable of high frequencies, so that the piston (5) starts to oscillate at one frequency by means of the actuator (8)

> 20 KHz versetzbar ist. > 20 KHz can be moved.

9. Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung nach einem der 9. A method for operating a device according to one of the

vorhergehenden Ansprüche, bei dem die folgenden Schritte bei Inbetriebnahme der Vorrichtung durchgeführt werden: preceding claims, in which the following steps are carried out when the device is put into operation:

- Befüllen des Kompressionsraums (3) mit der aluminiumhaltigen - Filling the compression chamber (3) with the aluminum-containing one

Metallschmelze (1), insbesondere Aluminiumschmelze, Metal melt (1), in particular aluminum melt,

- Aktivieren des Aktors (8), so dass der Kolben (5) in eine Schwingung mit einer Frequenz > 20 KHz versetzt wird und über die Schwingung des Kolbens (5) Ultraschallwellen in die Metallschmelze (1) eingekoppelt werden, sowie - Activation of the actuator (8) so that the piston (5) is set to oscillate with a frequency> 20 KHz and ultrasonic waves are coupled into the molten metal (1) via the oscillation of the piston (5), and

- Aufrechterhalten der Ultraschallanregung bis alle das Spritzloch (4) - Maintaining the ultrasonic excitation until all of the spray hole (4)

umschließenden Oberflächen (9) bis hin zu einer das Spritzloch (4) auslassseitig begrenzenden Tropfenabrisskante (6) mit der Metallschmelze (1) benetzt sind. surrounding surfaces (9) up to a droplet tear-off edge (6) delimiting the spray hole (4) on the outlet side are wetted with the molten metal (1).