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DE102016224211A1 - Nozzle head of a 3D printer - Google Patents

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DE102016224211A1
DE102016224211A1 DE102016224211.3A DE102016224211A DE102016224211A1 DE 102016224211 A1 DE102016224211 A1 DE 102016224211A1 DE 102016224211 A DE102016224211 A DE 102016224211A DE 102016224211 A1 DE102016224211 A1 DE 102016224211A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
nozzle head
nozzle
starting material
printer
trumpet
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102016224211.3A
Other languages
German (de)
Inventor
Peter Voehringer
Udo Riegler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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Publication of DE102016224211A1 publication Critical patent/DE102016224211A1/en
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Düsenkopf 2 eines 3D-Druckers 1 zur Herstellung eines dreidimensionalen Objektes 16 aus einem Ausgangsmaterial 5, wobei der 3D-Drucker 1 eine Zuführung 17 für das Ausgangsmaterial 5 sowie eine Heizeinrichtung 6 zum Aufschmelzen des Ausgangsmaterials 5 in einem den Düsenkopf 2 zumindest im Wesentlichen vorgelagerten Schmelztiegel 4 aufweist, und wobei eine Ausstossvorrichtung 8 zum gesteuerten Erzeugen einer Strömungsbewegung des geschmolzenen Ausgangsmaterials 5 von dem Schmelztiegel 4 durch einen Düsenkanal 9 zu einem Spritzloch 10 des Düsenkopfs 2 vorhanden ist. Erfindungsgemäß wird ein Düsenkopf 2 für einen 3D-Drucker 1 bereitgestellt, mit dem ein verbesserter Betrieb des 3D-Druckers 1 möglich ist. Ermöglicht wird dies dadurch, dass ein Übergang von dem Düsenkanal 9 zu dem Spritzloch 10 eine strömungsoptierte Geometrie aufweist. Diese strömungsoptimierte Geometrie ist ein zumindest angenäherter trompetenförmiger Übergang 13.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, wherein the 3D printer 1, a feed 17 for the starting material 5 and a heater 6 for melting the starting material 5 in a nozzle head 2 at least substantially upstream melting crucible 4, and wherein an ejection device 8 is provided for the controlled generation of a flow movement of the molten starting material 5 from the crucible 4 through a nozzle channel 9 to a spray hole 10 of the nozzle head 2. According to the invention, a nozzle head 2 is provided for a 3D printer 1 with which an improved operation of the 3D printer 1 is possible. This is made possible by the fact that a transition from the nozzle channel 9 to the injection hole 10 has a flow-optimized geometry. This flow-optimized geometry is an at least approximated trumpet-shaped transition 13.

Description

Die Erfindung betrifft einen Düsenkopf eines 3D-Druckers zur Herstellung eines dreidimensionalen Objektes aus einem Ausgangsmaterial, wobei der 3D-Drucker eine Zuführung für das Ausgangsmaterial sowie eine Heizeinrichtung zum Aufschmelzen des Ausgangsmaterials in einem den Düsenkopf zumindest im Wesentlichen vorgelagerten Schmelztiegel aufweist, und wobei eine Ausstossvorrichtung zum gesteuerten Erzeugen einer Strömungsbewegung des geschmolzenen Ausgangsmaterials von dem Schmelztiegel durch einen Düsenkanal zu einem Spritzloch des Düsenkopfs vorhanden ist.The invention relates to a nozzle head of a 3D printer for producing a three-dimensional object from a starting material, wherein the 3D printer has a feed for the starting material and a heater for melting the starting material in a crucible at least substantially upstream melt crucible, and wherein an ejection device for controllably creating a flow movement of the molten feedstock from the crucible through a nozzle passage to a spray hole of the nozzle head.

Stand der TechnikState of the art

Eine 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 DE 694 29 004 T2 known. This 3D printer has the mentioned nozzle head, which includes a crucible for melting the starting material. The molten starting material is moved by a discharge device in a nozzle channel and further into a spray hole of the nozzle head and ejected in the form of drops from the injection hole to produce the three-dimensional object. The design of the nozzle head, in particular of the nozzle channel and the injection hole is / are not described in 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, in which case the starting material is supplied strand-like and is introduced as a strand into a heatable nozzle head. After discharge of the starting material from the nozzle head this is heated by a gas burner further to produce droplets.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Düsenkopf für einen 3D-Drucker bereitzustellen, mit dem ein verbesserter Betrieb des 3D-Druckers möglich ist.The invention has for its object to provide a nozzle head for a 3D printer, with an improved operation of the 3D printer is possible.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ein Übergang von dem Düsenkanal zu dem Spritzloch eine strömungsoptimierte Geometrie aufweist. 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 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. 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.This object is achieved in that a transition from the nozzle channel to the injection hole has a flow-optimized geometry. This refinement is based first of all on the knowledge that the starting material melted in the crucible is displaced, for example, dropwise by the ejection device through the spray hole for producing a three-dimensional object. This is a significant part of the energy that lost the example generated by an electrically actuated actuator and transmitted to the ejection energy through 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 used to accelerate the melted starting material in the injection hole, the energy to overcome the surface tension in the starting material to detach, for example, the drop from the injection hole and the kinetic energy of, for example, dropping the starting material. An unfavorable excitation leads to the release of unwanted, for example, accompanying drops or satellite drops of the starting material on the output side from the spray hole. The term "spray hole" is to be understood that the injection hole is not only to be understood as a hole, but has an axial extent in the form of a (short) channel or may have. Both embodiments are possible. Because the nozzle channel now has a flow-optimized geometry in the region of a transition to the injection hole, the previously described losses are at least significantly reduced by the pressure waves of the starting material generated at the surfaces of the nozzle head by means of the ejection device. In this case, in the case of a conventional nozzle head, the nozzle channel and the injection hole, which are manufactured with different diameters, are hardly matched to one another with respect to the transition of the different diameters. Thus, in a known construction of a nozzle head by the operation of the ejection device simultaneously a displacement shaft and a pressure wave in the axial direction towards the injection hole triggered. This pressure wave impinges on the locations of the 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 results in an interference of the original and the reflected pressure wave. This reflection is at least largely avoided by the design according to the invention, 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. At the same time, the generation of undesired accompanying discharges of molten starting material, for example in the form of accompanying drops from the injection hole, is thereby avoided as well. As a result, the work result of the 3D printer is significantly improved and the generated or printed object is qualitatively significantly improved.

In Weiterbildung der Erfindung ist die Geometrie im Bereich des Übergangs von dem Düsenkanal zu dem Spritzloch ein zumindest angenäherter trompetenförmiger Übergang. Mit diesem trompetenförmigen Übergang werden die zuvor beschriebenen negativen Erscheinungen hinsichtlich der Erzeugung beispielsweise von reflektierten Druckwellen deutlich verringert beziehungsweise ausgeschlossen.In a further development of the invention, the geometry in the region of the transition from the nozzle channel to the injection hole is an at least approximately trumpet-shaped transition. With this trumpet-shaped transition, the previously described negative phenomena with respect to the generation of, for example, reflected pressure waves are significantly reduced or eliminated.

In Weiterbildung der Erfindung ist der trompetenförmige Übergang durch eine kontinuierliche Verringerung eines Durchmessers des Düsenkanals zu einem geringeren Durchmesser des Spritzloches gebildet. Eine solche Ausgestaltung stellt das Optimum dar, bei dem reflektierte Druckwellen des beziehungsweise in dem geschmolzenen Ausgangsmaterials weitgehend ausgeschlossen sind. Der kontinuierliche Übergang des Durchmessers des Düsenkanals zu dem des Spritzloches erfordert eine hohe Fertigungsgüte des in der Regel in verschiedenen Arbeitsschritten gefertigten Düsenkanals und des Spritzloches zur Vermeidung eines radialen Versatzes. Gleichzeitig ist aber diese Ausgestaltung auch besonders verschleißrobust, da scharfe Kanten in der Geometrie des Düsenkopfes vermieden werden, die auch zu Verschleiß an dem Düsenkopf führen können. Durch diese Optimierung kann eine Einschnürungszahl (Kontraktionszahl) der Strömung in einem Einlaufbereich des Spritzlochs verbessert werden, beispielsweise von Werten kleiner als 0,7 auf Werte größer als 0,9. Gleichzeitig wird aber dadurch auch eine deutliche Reduzierung der Geschwindigkeit durch die Vermeidung von Reflexionen erreicht, wodurch eine Verringerung des Verschleißes dargestellt wird. Im Ergebnis weist das geschmolzene Ausgangsmaterial im Ausgang des Spritzloches die maximale Strömungsgeschwindigkeit auf, die bei einer gegebenen Druckdifferenz erreicht werden kann (was durch den Wert von angenähert 0,9 begünstigt wird). Gleichzeitig wird bei abrupter Beendigung des Druckpulses durch die Ausstossvorrichtung eine starke Abbremsung der Strömung des geschmolzenen Ausgangsmaterials in dem Spritzloch erfolgen, die den sauberen Abriss eines Tropfens des Ausgangsmaterials an der Ausgangsseite des Spritzloches erheblich begünstigt.In a further development of the invention, the trumpet-shaped transition is formed by a continuous reduction of a diameter of the nozzle channel to a smaller diameter of the spray hole. Such a configuration represents the optimum in which reflected pressure waves of or in the molten starting material are largely excluded. The continuous transition of the diameter of the nozzle channel to that of the injection hole requires a high production quality of the nozzle channel, which is generally produced in various steps, and of the injection hole in order to avoid a radial offset. At the same time, however, this embodiment is also particularly resistant to wear, since sharp edges in the geometry of the nozzle head are avoided, which can also lead to wear on the nozzle head. By this optimization, a constriction number (contraction number) of the flow in an inlet area of the injection hole can be improved, for example, from values smaller than 0.7 to values larger than 0.9. At the same time, however, this also achieves a significant reduction in the speed due to the avoidance of reflections, as a result of which a reduction in wear is shown. As a result, the molten feedstock at the exit of the spray hole has the maximum flow rate that can be achieved at a given pressure differential (which is favored by the value of approximately 0.9). At the same time, when the pressure pulse is abruptly stopped by the ejection device, a strong deceleration of the flow of the molten starting material into the injection hole takes place, which considerably promotes the clean demolition of a drop of the starting material on the outlet side of the injection hole.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vor einem Einlaufbereich des Spritzloches ein Fertigungsausgleichsabsatz in dem Düsenkopf angeordnet. Dieser Fertigungsausgleichsabsatz trägt der einfachen Fertigung des Düsenkopfes Rechnung. Der Düsenkanal und das Spritzloch werden normalerweise in getrennten Arbeitsgängen gefertigt, wobei eine abweichungsfreie Koaxialität des Spritzloches und des Düsenkanals in der Regel nur mit hohem Aufwand erreichbar ist. Dadurch, dass nun im Bereich vor dem Einlaufbereich des Spritzloches ein Fertigungsausgleichsabsatz angebracht wird, ist eine geringe Deachsierung des Spritzloches zu dem Düsenkanal tolerierbar, wodurch der Fertigungsaufwand deutlich reduziert wird. Andererseits kann und wird der Fertigungsausgleichsabsatz so ausgestaltet (sein), dass dieser beispielsweise als Totraum für geschmolzenes Ausgangsmaterial fungiert und somit die Strömung nicht oder nur unwesentlich beeinträchtigt.In a further embodiment of the invention, a production compensation paragraph is arranged in the nozzle head in front of an inlet region of the injection hole. This manufacturing compensation paragraph takes into account the simple production of the nozzle head. The nozzle channel and the injection hole are usually made in separate operations, with a deviation-free coaxiality of the spray hole and the nozzle channel is usually achievable only with great effort. The fact that a production compensation paragraph is now in the area in front of the inlet region of the spray hole, a small Deachsierung the spray hole is tolerated to the nozzle channel, whereby the manufacturing cost is significantly reduced. On the other hand, the production compensation paragraph can be and is designed such that it acts, for example, as a dead space for molten starting material and thus does not impair the flow or only insignificantly.

In Weiterbildung der Erfindung ist das Spritzloch zylindrisch ausgebildet. Dies ist eine fertigungstechnisch prozesssicher herstellbare Ausführungsform, die zu guten Spritzergebnissen führt.In a further development of the invention, the injection hole is cylindrical. This is a manufacturing technology process reliable manufacturable embodiment, which leads to good spattering results.

In Weiterbildung der Erfindung ist das Spritzloch konisch verengend von einer Düsenkantenseite zu einer Ausstossseite ausgebildet. Diese Ausgestaltung ist strömungstechnisch weiter optimiert, ist aber fertigungstechnisch schwieriger umzusetzen. Dabei geht wiederum in weiterer Ausgestaltung die trompetenförmige Geometrie des Düsenkanals in die konische Geometrie des Spritzloches übergangsfrei über. Dies ist die strömungstechnisch günstigste Umsetzung der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Düsenkopfs, die aber eine hohe Fertigungsgüte bei der Herstellung des Düsenkopfs mit sich zieht.In a further development of the invention, the spray hole is formed conically narrowing from a nozzle edge side to an ejection side. This embodiment is aerodynamically further optimized, but is difficult to implement manufacturing technology. In turn, in a further embodiment, the trumpet-shaped geometry of the nozzle channel transitions into the conical geometry of the injection hole without transition. This is the most favorable in terms of flow in terms of implementation of the design of the nozzle head according to the invention, but which entails a high manufacturing quality in the production of the nozzle head.

In Weiterbildung der Erfindung ist der Werkstoff des Düsenkopfs ein Metall, insbesondere ein temperaturbeständiges und verschleißfestes Metall. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass in weiterer Ausgestaltung der Erfindung das Ausgangsmaterial, das von dem 3D-Drucker verarbeitet beziehungsweise gedruckt wird, ein Metall, beispielsweise Aluminium, ist. Selbstverständlich können aber auch andere Metalle oder Metalllegierungen und natürlich auch beliebige Kunststoffe mit dem erfindungsgemäß ausgebildeten 3D-Drucker verarbeitet werden. Durch die verbesserte Ausgestaltung des Düsenkopfs ist es möglich, das mit dem 3D-Drucker gefertigte Objekt hinsichtlich seiner Masshaltigkeit zu verbessern, so dass im Ergebnis ein verbesserter Betrieb des 3D-Druckers erreicht wird.In a further development of the invention, the material of the nozzle head is a metal, in particular a temperature-resistant and wear-resistant metal. It should be noted that in a further embodiment of the invention, the starting material that is processed or printed by the 3D printer, a metal, such as aluminum. Of course, however, other metals or metal alloys and of course any plastics can be processed with the inventively designed 3D printer. Due to the improved configuration of the nozzle head, it is possible to improve the dimensional accuracy of the object manufactured with the 3D printer, so that as a result an improved operation of the 3D printer is achieved.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben sind.Further advantageous embodiments of the invention are described in the drawings, are described in more detail in the embodiments illustrated in the figures of the invention.

Es zeigen:

  • 1 eine schematische Schnittdarstellung des interessierenden Teils eines 3D-Druckers 1 mit einem erfindungsgemäß ausgestalteten Düsenkopfs,
  • 2 eine Schnittdarstellung eines Düsenkopfs mit einer Darstellung eines trompetenförmigen Übergangs zwischen einem Düsenkanal und einem Spritzloch,
  • 3 eine Schnittdarstellung eines Düsenkopfs ähnlich 2, wobei hier ein Fertigungsausgleichsabsatz in einem trompetenförmigen Übergang vorgesehen ist und
  • 4 eine dreidimensionale Darstellung eines Düsenkanals, eines trompetenförmigen Übergangs, eines anschließenden Fertigungsausgleichsabsatzes und eines Düsenkanals eines Düsenkopfs gemäß 3.
Show it:
  • 1 FIG. 2 a schematic sectional view of the part of interest of a 3D printer 1 with a nozzle head configured according to the invention, FIG.
  • 2 a sectional view of a nozzle head with a representation of a trumpet-shaped transition between a nozzle channel and a spray hole,
  • 3 a sectional view of a nozzle head similar 2 , where a production compensation paragraph is provided in a trumpet-shaped transition and
  • 4 a three-dimensional representation of a nozzle channel, a trumpet-shaped transition, a subsequent manufacturing compensation paragraph and a nozzle channel of a nozzle head according to 3 ,

1 zeigt den interessierenden Teil eines 3D-Druckers 1, der in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel 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 Druckerkörperkanal 7 an, der zu einem Düsenkopf 2 führt. 1 shows the part of interest of a 3D printer 1, which in the present embodiment 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 3 in which a melting pot 4 is admitted. The starting material 5 gets in the crucible 4 by a not shown supply 17 for example, strand-shaped or granular fed and by means of a heater 6 melted. The heater 6 is for example electrically operated and is at least a lower region of the crucible 4 comprising in the printer body 3 built-in. At the funnel-shaped bottom portion of the crucible 4 If necessary, it also borders on a partial area of the heating device 6 surrounded printer body channel 7 that's going to a nozzle head 2 leads.

In den Schmelztiegel 4 und zumindest einen Teil des Druckerkörperkanals 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 Druckerkörperkanal 7 erzeugte Verdrängungsbewegung und/oder durch Druckpulse das tropfenweise Austreten des geschmolzenen Ausgangsmaterials 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 4 and at least part of the printer body channel 7 protrudes an ejection device 8th a, which is for example designed as a plunger and is actuated by an actuator, such as a piezoelectric actuator or a magnetic actuator. The ejection device 8th is controlled axially reciprocated and released by a particular in the printer body channel 7 produced displacement movement and / or by pressure pulses, the dropwise leakage of the molten starting material 5 from the nozzle head 2 for generating the object 16 out. This will be discussed in more detail below. The nozzle head 2 is in the printer body 3 of the 3D printer 1 installed in a suitable manner and connected to this example, interchangeable. The nozzle head 2 has a nozzle channel 9 and then a spray hole 10 with a nozzle channel side 11 and an ejection page 12 on.

2 zeigt einen Schnitt durch den wiederum interessierenden Teil des Düsenkopfs 2 in einer ersten erfindungsgemäßen Ausgestaltung. Der Düsenkopf 2 zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen dem Düsenkanal 9 und dem Spritzloch 10 ein trompetenförmiger Übergang 13 realisiert ist, der absatzfrei ausgestaltet ist. Dies bedeutet, im gesamten Erstreckungsbereich des Übergangs 13 von der Anbindung an den Düsenkanal 9 und der Anbindung an das Spritzloch 10 keine durch einen Absatz oder mehrere Absätze hervorgerufene scharfe Kanten vorhanden sind. Lediglich die direkte Anbindung des trompetenförmigen Übergangs 13 an den Düsenkanal 9 und das Spritzloch kann eine von einer gerundeten Anbindung abweichende Anbindung aufweisen. Dies ist in 2 im Bereich der Anbindung des trompetenförmigen Übergangs 13 an den Düsenkanal 9 dargestellt. Selbstverständlich kann auch diese Anbindung gerundet ausgebildet sein. Der Durchmesser des Düsenkanals 9 und insbesondere des Spritzlochs 10 ist jeweils zylindrisch ausgebildet. Somit können der Düsenkanal 9 und das Spritzloch 10 beispielsweise gebohrt werden, wobei der trompetenförmige Übergang 13 beispielsweise durch eine entsprechende stirnseitige Ausbildung des Bohrers für die Fertigung des Düsenkanals 9 gefertigt werden kann. 2 shows a section through the turn interesting part of the nozzle head 2 in a first embodiment according to the invention. The nozzle head 2 is characterized in that between the nozzle channel 9 and the spray hole 10 a trumpet-shaped transition 13 is realized, which is designed paragraph-free. This means, throughout the range of the transition 13 from the connection to the nozzle channel 9 and the connection to the spray hole 10 there are no sharp edges caused by a paragraph or several paragraphs. Only the direct connection of the trumpet-shaped transition 13 to the nozzle channel 9 and the injection hole may have a deviating from a rounded connection. This is in 2 in the region of the connection of the trumpet-shaped transition 13 to the nozzle channel 9 shown. Of course, this connection can be rounded. The diameter of the nozzle channel 9 and in particular the injection hole 10 is each cylindrical. Thus, the nozzle channel 9 and the spray hole 10 for example, being drilled, with the trumpet-shaped transition 13 for example, by a corresponding frontal training of the drill for the production of the nozzle channel 9 can be made.

3 zeigt eine ähnliche Ausgestaltung eines Düsenkopfs 2, der ebenfalls einen trompetenförmigen Übergang 13 von dem Düsenkanal 9 zu dem Spritzloch 10 aufweist. Hier ist allerdings auf der Düsenkanalseite 11 des Spritzloches 10 in den Düsenkopf 2 ein Fertigungsausgleichsabsatz 14 eingelassen. Dieser Fertigungsausgleichsabsatz 14 stellt sicher, dass der Düsenkopf 2 gegen mögliche Fertigungsfehler bezüglich der Koaxialität von dem Spritzloch 10 zu dem Düsenkanal 9 robust beziehungsweise zumindest in Grenzen unempfindlich ist. Der Fertigungsausgleichsabsatz 14 ist direkt vor dem Spritzloch 10 angeordnet und so in dem trompetenförmigen Übergang 13 eingelassen, dass der Fertigungsausgleichsabsatz 14 als Totraum 18 für das geschmolzene Ausgangsmaterial 5 fungiert, ohne dass in diesem Bereich Reflexionen oder ähnliche Störungen des geschmolzenen Ausgangsmaterials 5 ausgelöst werden. Unterstützt wird dies durch einen Einlaufbereich 15 auf der Düsenkanalseite 11 des Spritzloches 10, wobei dieser Einlaufbereich 15 in direkter Verlängerung zu dem (in diesem Bereich strichliniert dargestellten) trompetenförmigen Übergang 13 steht. Weiterhin ist dargestellt, dass das Spritzloch 10 neben eine zylindrischen Ausgestaltung (durch die ausgezogene Linie dargestellt) auch eine Ausgestaltung in Form einer konischen Verengung (durch die strichlinierte Linie dargestellt) aufweisen kann. 3 shows a similar embodiment of a nozzle head 2 , which also has a trumpet-shaped transition 13 from the nozzle channel 9 to the injection hole 10 has. Here is however on the nozzle channel side 11 the spray hole 10 in the nozzle head 2 a manufacturing offset paragraph 14 admitted. This manufacturing offset paragraph 14 Make sure the nozzle head 2 against possible manufacturing errors with respect to the coaxiality of the spray hole 10 to the nozzle channel 9 robust or insensitive at least within limits. The manufacturing offset paragraph 14 is right in front of the spray hole 10 arranged and so in the trumpet-shaped transition 13 let in that the manufacturing offset paragraph 14 as dead space 18 for the molten starting material 5 without any reflections or similar disturbances of the molten starting material in this area 5 to be triggered. This is supported by an inlet area 15 on the nozzle channel side 11 the spray hole 10 , this inlet area 15 in direct extension to the (in this area dashed lines shown) trumpet-shaped transition 13 stands. Furthermore, it is shown that the injection hole 10 in addition to a cylindrical configuration (shown by the solid line) may also have a configuration in the form of a conical constriction (shown by the dashed line).

4 zeigt eine perspektivische Ansicht des Düsenkanals 9, des trompetenförmigen Übergangs 13, des anschließenden Fertigungsausgleichsabsatzes 14 und des Düsenkanals 9 des Düsenkopfs 2 gemäß der Ausgestaltung nach 3. Weiterhin ist hier ein aus dem Ausgangsmaterial 5 gedrucktes Objekt 16 in Form eines Zylinders dargestellt. 4 shows a perspective view of the nozzle channel 9 , the trumpet-shaped transition 13 , the subsequent manufacturing compensation sales 14 and the nozzle channel 9 of the nozzle head 2 according to the embodiment according to 3 , Furthermore, here is one from the starting material 5 printed object 16 represented in the form of a cylinder.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 69429004 T2 [0002]DE 69429004 T2
  • 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), 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 des geschmolzenen Ausgangsmaterials (5) von dem Schmelztiegel (4) durch einen Düsenkanal (9) zu einem Spritzloch(10) des Düsenkopfs (2) vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Übergang von dem Düsenkanal (9) zu dem Spritzloch (10) eine strömungsoptierte Geometrie aufweist.A nozzle head (2) of a 3D printer (1) for producing a three-dimensional object (16) from a starting material (5), wherein the 3D printer (1) has 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 an ejection device (8) for controlled flow of the molten starting material (5) from the crucible (4) a nozzle channel (9) to a spray hole (10) of the nozzle head (2) is present, characterized in that a transition from the nozzle channel (9) to the injection hole (10) has a flow-optimized geometry. Düsenkopf (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die strömungsoptimierte Geometrie ein zumindest angenäherter trompetenförmiger Übergang (13) ist.Nozzle head (2) to Claim 1 , characterized in that the flow-optimized geometry is an at least approximated trumpet-shaped transition (13). Düsenkopf (2) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der trompetenförmige Übergang (13) durch eine kontinuierliche Verringerung eines Durchmessers des Düsenkanals (9) zu einem geringeren Durchmesser des Spritzloches (10) gebildet ist.Nozzle head (2) to Claim 2 , characterized in that the trumpet-shaped transition (13) is formed by a continuous reduction of a diameter of the nozzle channel (9) to a smaller diameter of the spray hole (10). Düsenkopf (2) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkanal (9), der trompetenförmige Übergang (13) und/oder das Spritzloch (10) in aufeinander folgenden Arbeitsgängen gefertigt sind.Nozzle head (2) after one of Claims 2 or 3 , characterized in that the nozzle channel (9), the trumpet-shaped transition (13) and / or the injection hole (10) are made in successive operations. Düsenkopf (2) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass vor einem Einlaufbereich (15) des Spritzloches (10) ein Fertigungsausgleichabsatz (14) in dem trompetenförmigen Übergang (13) angeordnet ist.Nozzle head (2) after one of Claims 2 to 4 , characterized in that in front of an inlet region (15) of the spray hole (10) a production compensating paragraph (14) in the trumpet-shaped transition (13) is arranged. Düsenkopf (2) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Spritzloch (10) zylindrisch ausgebildet ist.Nozzle head (2) according to one of the preceding claims, characterized in that the injection hole (10) is cylindrical. Düsenkopf (2) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Spritzloch (10) konisch verengend von einer Düsenkanalseite (11) zu einer Ausstossseite (12) ausgebildet ist.Nozzle head (2) according to one of the preceding claims, characterized in that the injection hole (10) is conically narrowing from a nozzle channel side (11) to an ejection side (12). Düsenkopf (2) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der trompetenförmige Übergang (13) des Düsenkanals (9) in die konische Verengung des Spritzloches (10) übergeht.Nozzle head (2) to Claim 7 , characterized in that the trumpet-shaped transition (13) of the nozzle channel (9) merges into the conical constriction of the spray hole (10). Düsenkopf (2) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff des Düsenkopfs (2) ein Metall ist.Nozzle head (2) according to one of the preceding claims, characterized in that the material of the nozzle head (2) is a metal. Düsenkopf (2) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangsmaterial (5) ein Metall ist.Nozzle head (2) according to one of the preceding claims, characterized in that the starting material (5) is a metal.
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