WO2017089176A1 - 3d printer with a printing head without movable parts - Google Patents
3d printer with a printing head without movable parts Download PDFInfo
- Publication number
- WO2017089176A1 WO2017089176A1 PCT/EP2016/077707 EP2016077707W WO2017089176A1 WO 2017089176 A1 WO2017089176 A1 WO 2017089176A1 EP 2016077707 W EP2016077707 W EP 2016077707W WO 2017089176 A1 WO2017089176 A1 WO 2017089176A1
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- induction coil
- reservoir
- printer
- metal
- capacitor
- 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.)
- Ceased
Links
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
- B22F3/115—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces by spraying molten metal, i.e. spray sintering, spray casting
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
- B22F10/20—Direct sintering or melting
- B22F10/22—Direct deposition of molten metal
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
- B22F12/10—Auxiliary heating means
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
- B22F12/50—Means for feeding of material, e.g. heads
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
- B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
- B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
- B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
- B33Y50/00—Data acquisition or data processing for additive manufacturing
- B33Y50/02—Data acquisition or data processing for additive manufacturing for controlling or regulating additive manufacturing processes
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F2999/00—Aspects linked to processes or compositions used in powder metallurgy
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P10/00—Technologies related to metal processing
- Y02P10/25—Process efficiency
Definitions
- the invention relates to a 3D printer for metals with a print head for
- PRIOR ART 3D printers for metals which deposit drops of a liquid phase of the metal and assemble them into the object to be produced require a metering device for producing the drops.
- Metering devices have moving components that are used to either displace or cause the molten metal to vibrate.
- the moving parts for example, by the in the
- Patent applications DE 10 2010 062 388 AI and DE 10 2011 078 068 Al described eddy current actuators are controlled.
- a metering device without moving parts is disclosed in WO 2007/038987 Al. This metering device is based on the fact that an electric current of
- a 3D printer with a print head has been developed for producing droplets of a liquid phase of a metal.
- the printhead includes a reservoir for the metal, this reservoir a Has outlet opening for the drops.
- the print head comprises at least one induction coil for loading the metal with a magnetic field Bi.
- At least one capacitor is provided, which can be charged via a switching device selectively from a DC voltage source and short-circuited via the induction coil.
- Induction coil of current flowing through the induction coil current I very quickly increases to a very high value.
- a magnetic field Bi is generated, which changes with a very large time gradient.
- an eddy current is induced in the metal in the reservoir, which in turn generates a magnetic field BM.
- This magnetic field BM is the magnetic field of the Bi
- this type of metering has the significant advantage that the metal in the reservoir does not have to be contacted electrically. Accordingly, the printhead is much more compact to build. Furthermore, the strength of the repulsive force F depends essentially on the temporal gradient of the current I through the induction coil. It has been recognized that this relationship is particularly well suited to the requirements for the production of the smallest possible droplets: In order to even promote metal from the outlet of the reservoir, a certain minimum force is required. Once this minimum force has been reached, the quantity conveyed through the outlet opening, and thus also the size of the drop, depends on the duration of action of the force. Thus, if a very large force acts for a very short time, it is optimal for producing very small drops with low energy consumption.
- Exit hole is floating, ranging in size between 50 Microseconds and one millisecond.
- the duration of action is according to the invention by the charge and the capacitance of the capacitor, as well as by the
- the induction coil may be dedicated to the printhead for propelling metal from the outlet of the reservoir.
- the inventors have recognized that, for example, an induction coil already present for heating the metal on many printheads for generating the force F, which drives the metal out of the outlet opening of the reservoir,
- the metal Since the metal is essentially incompressible both in the solid and in the liquid state of matter, it does not matter at which point in the reservoir the force F is introduced. The force F can thus also far away from the outlet opening of the reservoir in the part of the reservoir, in which the metal is melted, are introduced.
- the induction coil via the switching device optionally connectable to the capacitor and an AC voltage source. If the induction coil is connected to the AC voltage source, a periodic eddy current is generated in the metal, which does not drive the metal net. Due to the ohmic losses due to the finite resistance of the metal, the metal is heated. On the other hand, if the induction coil is connected to the capacitor and shorts the capacitor short, a very high directional eddy current is generated for a very short time, which drives a drop of the metal out of the outlet opening of the reservoir.
- Switching device and the DC voltage source are converted so that it is able to eject drops of the liquid metal from the outlet opening of the reservoir without moving parts.
- Induction coils for heating the metal are designed for such high continuous currents that they can be easily supplied with the short current pulse from the capacitor.
- the reservoir can have a first region with a heater for melting the metal and a second region with the outlet opening.
- the magnetic field Bi generated by the induction coil in the second region of the reservoir is then stronger than in the first region of the reservoir.
- the effect of the heating is then completely independent of the generation of the drops.
- a first region of the reservoir can simultaneously supply a plurality of second regions of the reservoir with respectively associated induction coils with liquid metal. It can then be added at several points at the same time drops of the liquid metal to the object to be produced. This allows the
- the capacitor for short-circuiting via at least one thyristor, and / or via at least one bipolar transistor with an insulated gate electrode, IGBT, as a switch in the switching device with the induction coil connected.
- a thyristor has the advantage here that it only has to be switched on by a control current pulse and switches itself off again automatically after the capacitor has been discharged.
- a bipolar transistor has the advantage that the current flow through the induction coil can be interrupted even before the capacitor has been completely discharged.
- Induction coil a maximum power P of at least 100 kW, preferably of at least 1 MW, drivable by the induction coil.
- the high maximum current, or the high maximum power causes even with a very small size of the print head, a sufficiently large force for ejecting a drop of the liquid metal can be generated. This smaller size can turn into a faster production speed be reversed by having multiple reservoirs on one printhead,
- outlet openings are provided.
- droplets of the liquid metal can then be added to the object to be produced at several points at the same time.
- the current I through the induction coil reaches its maximum value within a maximum of 100 microseconds, preferably within a maximum of 50
- the repulsive force F immediately drives metal in the direction of the outlet opening of the reservoir. Otherwise, the force F acts in the reservoir as a short-term pressure increase, which propagates through the incompressible liquid metal in the entire reservoir.
- Outlet opening of the reservoir has a diameter d in the range of 0.1 mm to 0.5 mm, preferably in the range of 0.2 mm to 0.3 mm, on. In this area for the diameter d, the outlet opening is still reliable through the
- a diameter d is in the claimed range
- Diameter d disproportionately expensive.
- a very large force in the direction of the outlet opening can be made with a given outlet significantly smaller drops than in the prior art.
- With a diameter d in the claimed area it is possible to produce drops with a diameter of less than 100 micrometers.
- the magnetohydrodynamic metering device according to the prior art which makes use of the Lorentz force, can only produce droplet sizes above 800 micrometers with the same outlet opening.
- the reservoir and the outlet opening are dimensioned such that the surface tension ⁇ of the liquid metal prevents the liquid metal against its gravitational pressure p from passing through the outlet opening, while the capacitor is not discharged via the induction coil. Then only the balance of the charge on the condenser is decisive for the duration for which liquid metal is ejected from the outlet of the reservoir. An active closing element for the outlet opening is not required.
- the induction coil may be embedded, for example, in a ceramic for protection against the heat of the liquid metal.
- the induction coil can be wound, for example, from a water-cooled waveguide.
- metals with high melting points can be used, such as copper or aluminum.
- Outlet opening preferably have a wall of a
- the reservoir may optionally include an additional induction coil which maintains the liquid metal at a predetermined temperature by inductive heating.
- the outlet opening of the reservoir can be made very different. It can be conical, centric, stepped, etc. executed and adapted to the respective requirements or operating conditions. Further variations are possible in the form of the
- Reservoirs are optimized in terms of repeatability of drop size, drop frequency and efficiency.
- the capacitor may have a capacitance between 5 microfarads and 10 microfarads.
- an amount of energy for example, 2 to 3 joules.
- the voltage of the DC voltage source is less than 2,000 volts. Beyond this limit are the required components
- FIG. 1 embodiment of the 3D printer 1 according to the invention with an induction coil 6, which also serves the heating of the reservoir 4.
- FIG. 2 embodiment of a 3D printer 1 according to the invention with separate from the induction coil 6 heater 9 for the first part 4a of the reservoir 4th
- Figure 4 Time course of the voltage U across the induction coil 6, the current I through the induction coil 6 and the force exerted on the liquid metal 3b force F after short circuit of the capacitor 7 at time to.
- FIG. 1 shows an exemplary embodiment of the 3D printer 1 according to the invention.
- the printhead 2 is stationary in this embodiment. Instead, the work surface 12 on which the object 13 to be produced is displaceable against the print head 2 via a positioning mechanism not shown in detail in FIG. 1 along the three spatial directions x, y and z.
- this solid phase 3a is a wire.
- the induction coil 6 is connected via the switch 8a with the AC voltage source
- the alternating voltage from the alternating voltage source 11 generates an alternating magnetic field inside the reservoir 4, which excites a periodic eddy current in the metal 3. This periodic eddy current undergoes 3 resistive losses by the resistance of the metal, whereby the metal 3 is heated. Therefore, a liquid phase is formed in the reservoir 4
- the capacitor 7 can be charged by the DC voltage source 10 via the switch 8c. If a drop 3c to be ejected from the outlet opening 5 of the reservoir 4, the capacitor 7 via the switch 8b and the
- Induction coil 6 are short-circuited.
- the leading to the AC voltage source 11 switch 8a and the are advantageous for
- the surface tension ⁇ has, moreover, the further effect of preventing the liquid metal 3b against its gravitational pressure p from passing through the outlet opening 5 of the reservoir 4 as long as the capacitor 7 is not discharged via the induction coil 6. Therefore, the outlet opening 5 is normally closed permanently, without this being a special
- Voltage sources 10 and 11 is denoted by 14.
- FIG. 2 shows another embodiment of the print head 2 for the SD printer 1 according to the present invention.
- the induction coil 6 does not simultaneously serve to heat the reservoir 4.
- the reservoir 4 is divided into a first part 4a, in which the metal 3, 3a is melted by a heater 9, and in a second part 4b, which contains the outlet opening 5.
- the second part 4b of the reservoir 4 is shaped such that when unloading the not shown in Figure 2
- FIG. 3 shows an extension of the print head 2 illustrated in FIG.
- FIG. 4 illustrates the time profile of a discharge of the capacitor 7. Over time t, the voltage U across the induction coil 6, the current I through the induction coil 6, and the force F acting on the liquid metal 3b are plotted. At time to the discharge of the capacitor begins 7. About the induction coil 6, a high voltage U is provided immediately. Due to the inductance of the induction coil 6, the current I builds up in the induction coil 6 with a time delay. The current I reaches a maximum after a short time. The generation of the opposing field BM in the metal 3, and thus the formation of the repulsive force F, takes a short time. Therefore, there is a small delay between the time maximum in the current I and the time maximum in the force F.
- Incoming voltage U also breaks the current I through the induction coil 6 a. With another little delay, the force F also breaks down on the liquid metal 3d. The exit of liquid metal 3b from the outlet opening 5 is terminated.
- the metal 3a does not necessarily have to be added as a wire. It can also be supplied, for example, as a powder or granules. With pulse widths of advantageously between 100 microseconds and one
- repetition rates above 500 Hz can be achieved in milliseconds in order to achieve a rapid build-up rate of the object 13 to be produced.
- the size of the drops 3c can be over the tension with which the
- Capacitor 7 is charged from the DC voltage source 10 can be varied.
- the 3D printer according to the invention in relation to the
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Ink Jet (AREA)
Abstract
Description
Beschreibung description
Titel: 3D-Drucker mit Druckkopf ohne bewegliche Teile Title: 3D printer with printhead without moving parts
Die Erfindung betrifft einen 3D-Drucker für Metalle mit einem Druckkopf, der zumThe invention relates to a 3D printer for metals with a print head for
Ausstoß von Tropfen des Metalls keine beweglichen Teile benötigt. Ejection of drops of the metal no moving parts needed.
Stand der Technik 3D-Drucker für Metalle, die Tropfen einer flüssigen Phase des Metalls ausbringen und zum herzustellenden Objekt zusammensetzen, benötigen eine Dosiervorrichtung zur Erzeugung der Tropfen. Herkömmliche PRIOR ART 3D printers for metals which deposit drops of a liquid phase of the metal and assemble them into the object to be produced require a metering device for producing the drops. conventional
Dosiervorrichtungen besitzen bewegliche Komponenten, die verwendet werden, um das geschmolzene Metall entweder zu verdrängen oder zu einer Schwingung anzuregen. Die beweglichen Teile können beispielsweise durch die in denMetering devices have moving components that are used to either displace or cause the molten metal to vibrate. The moving parts, for example, by the in the
Patentanmeldungen DE 10 2010 062 388 AI und DE 10 2011 078 068 AI beschriebene Wirbelstromaktorik angesteuert werden. Patent applications DE 10 2010 062 388 AI and DE 10 2011 078 068 Al described eddy current actuators are controlled.
Eine Dosiervorrichtung ohne bewegliche Teile geht aus der WO 2007/038987 AI hervor. Diese Dosiervorrichtung beruht darauf, dass ein elektrischer Strom derA metering device without moving parts is disclosed in WO 2007/038987 Al. This metering device is based on the fact that an electric current of
Größenordnung 1.000 A durch das geschmolzene Metall geleitet und durch ein senkrecht auf diesem Strom stehendes Magnetfeld eine Lorentz- Kraft auf das Metall ausgeübt wird. Diese Lorentz-Kraft treibt das flüssige Metall aus der Austrittöffnung der Dosiervorrichtung. Magnitude of 1,000 A passed through the molten metal and a Lorentz force is applied to the metal by a standing perpendicular to this magnetic field magnetic field. This Lorentz force drives the liquid metal out of the discharge opening of the metering device.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Im Rahmen der Erfindung wurde ein 3D-Drucker mit einem Druckkopf zur Erzeugung von Tropfen einer flüssigen Phase eines Metalls entwickelt. Der Druckkopf umfasst ein Reservoir für das Metall, wobei dieses Reservoir eine Austrittsöffnung für die Tropfen aufweist. Weiterhin umfasst der Druckkopf mindestens eine Induktionsspule zur Beaufschlagung des Metalls mit einem Magnetfeld Bi. In the context of the invention, a 3D printer with a print head has been developed for producing droplets of a liquid phase of a metal. The printhead includes a reservoir for the metal, this reservoir a Has outlet opening for the drops. Furthermore, the print head comprises at least one induction coil for loading the metal with a magnetic field Bi.
Erfindungsgemäß ist mindestens ein Kondensator vorgesehen, der über eine Schalteinrichtung wahlweise von einer Gleichspannungsquelle aufladbar und über die Induktionsspule kurzschließbar ist. According to the invention, at least one capacitor is provided, which can be charged via a switching device selectively from a DC voltage source and short-circuited via the induction coil.
Er wurde erkannt, dass beim Kurzschluss des Kondensators über die He was recognized that when shorting the capacitor over the
Induktionsspule der durch die Induktionsspule fließende Strom I sehr schnell auf einen sehr hohen Wert ansteigt. Dadurch wird ein Magnetfeld Bi erzeugt, das sich mit einem sehr großen Zeitgradienten ändert. Hierdurch wird in dem im Reservoir befindlichen Metall ein Wirbelstrom induziert, der wiederum ein Magnetfeld BM erzeugt. Dieses Magnetfeld BM ist dem Magnetfeld Bi der Induction coil of current flowing through the induction coil current I very quickly increases to a very high value. As a result, a magnetic field Bi is generated, which changes with a very large time gradient. As a result, an eddy current is induced in the metal in the reservoir, which in turn generates a magnetic field BM. This magnetic field BM is the magnetic field of the Bi
Induktionsspule nach der Lenzschen Regel entgegengesetzt. Es wirkt also eine abstoßende Kraft F zwischen den beiden Magnetfeldern Bi und BM. Diese abstoßende Kraft F ist groß genug, um Tropfen einer flüssigen Phase des Metalls aus der Austrittsöffnung des Reservoirs zu treiben. Induction coil opposite to Lenz's rule. So there is a repulsive force F between the two magnetic fields Bi and BM. This repulsive force F is large enough to drive drops of a liquid phase of the metal from the outlet of the reservoir.
Gegenüber der Dosierung mit Hilfe der Lorentz-Kraft hat diese Art der Dosierung den wesentlichen Vorteil, dass das Metall im Reservoir nicht elektrisch kontaktiert werden muss. Dementsprechend ist der Druckkopf wesentlich kompakter zu bauen. Weiterhin hängt die Stärke der abstoßenden Kraft F im Wesentlichen vom zeitlichen Gradienten des Stroms I durch die Induktionsspule ab. Es wurde erkannt, dass dieser Zusammenhang besonders gut auf die Anforderungen passt, die für die Erzeugung möglichst kleiner Tropfen bestehen: Um überhaupt Metall aus der Austrittsöffnung des Reservoirs zu fördern, ist eine gewisse Mindestkraft erforderlich. Ist diese Mindestkraft erreicht, hängt die durch die Austrittsöffnung geförderte Menge, und damit auch die Tropfengröße, von der Wirkdauer der Kraft ab. Wirkt also eine sehr große Kraft für sehr kurze Zeit, so ist diese optimal zur Erzeugung sehr kleiner Tropfen bei gleichzeitig geringem Energieverbrauch. Compared with the dosage by means of the Lorentz force, this type of metering has the significant advantage that the metal in the reservoir does not have to be contacted electrically. Accordingly, the printhead is much more compact to build. Furthermore, the strength of the repulsive force F depends essentially on the temporal gradient of the current I through the induction coil. It has been recognized that this relationship is particularly well suited to the requirements for the production of the smallest possible droplets: In order to even promote metal from the outlet of the reservoir, a certain minimum force is required. Once this minimum force has been reached, the quantity conveyed through the outlet opening, and thus also the size of the drop, depends on the duration of action of the force. Thus, if a very large force acts for a very short time, it is optimal for producing very small drops with low energy consumption.
Typische sinnvolle Wirkdauern für die Kraft, die das Metall aus der Typical meaningful action for the force, the metal from the
Austrittsöffnung treibt, bewegen sich in einer Größenordnung zwischen 50 Mikrosekunden und einer Millisekunde. Die Wirkdauer wird gemäß der Erfindung durch die Ladung und die Kapazität des Kondensators, sowie durch die Exit hole is floating, ranging in size between 50 Microseconds and one millisecond. The duration of action is according to the invention by the charge and the capacitance of the capacitor, as well as by the
Induktivität und den ohmschen Widerstand der Induktionsspule, vorgegeben. Es ist denkbar einfach, diese Größen so anzupassen, dass ein vorgegebener Wert für die Wirkdauer realisiert wird. Es ist keinerlei Elektronik für die Steuerung der Wirkdauer erforderlich. Inductance and the ohmic resistance of the induction coil, given. It is quite easy to adapt these variables so that a predetermined value for the duration of action is realized. There is no electronics required to control the duration of action.
Die Induktionsspule kann an dem Druckkopf eigens dafür vorgesehen sein, Metall aus der Austrittsöffnung des Reservoirs zu trieben. Die Erfinder haben jedoch erkannt, dass sich beispielsweise auch eine zwecks Heizung des Metalls an vielen Druckköpfen bereits vorhandene Induktionsspule zur Erzeugung der Kraft F, die das Metall aus der Austrittsöffnung des Reservoirs treibt, The induction coil may be dedicated to the printhead for propelling metal from the outlet of the reservoir. However, the inventors have recognized that, for example, an induction coil already present for heating the metal on many printheads for generating the force F, which drives the metal out of the outlet opening of the reservoir,
zweckentfremden lässt: Da das Metall sowohl im festen als auch im flüssigen Aggregatzustand im Wesentlichen inkompressibel ist, ist unerheblich, an welcher Stelle im Reservoir die Kraft F eingeleitet wird. Die Kraft F kann also auch weit von der Austrittsöffnung des Reservoirs entfernt in dem Teil des Reservoirs, in dem das Metall aufgeschmolzen wird, eingeleitet werden. Since the metal is essentially incompressible both in the solid and in the liquid state of matter, it does not matter at which point in the reservoir the force F is introduced. The force F can thus also far away from the outlet opening of the reservoir in the part of the reservoir, in which the metal is melted, are introduced.
Daher ist in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung die Induktionsspule über die Schalteinrichtung wahlweise mit dem Kondensator und einer Wechselspannungsquelle verbindbar. Ist die Induktionsspule mit der Wechselspannungsquelle verbunden, wird im Metall ein periodischer Wirbelstrom erzeugt, der das Metall netto nicht vorantreibt. Durch die ohmschen Verluste aufgrund des endlichen Widerstands des Metalls wird das Metall erwärmt. Ist die Induktionsspule hingegen mit dem Kondensator verbunden und schließt den Kondensator kurz, wird für sehr kurze Zeit ein sehr hoher gerichteter Wirbelstrom erzeugt, der einen Tropfen des Metalls aus der Austrittsöffnung des Reservoirs treibt. Therefore, in a particularly advantageous embodiment of the invention, the induction coil via the switching device optionally connectable to the capacitor and an AC voltage source. If the induction coil is connected to the AC voltage source, a periodic eddy current is generated in the metal, which does not drive the metal net. Due to the ohmic losses due to the finite resistance of the metal, the metal is heated. On the other hand, if the induction coil is connected to the capacitor and shorts the capacitor short, a very high directional eddy current is generated for a very short time, which drives a drop of the metal out of the outlet opening of the reservoir.
Es kann also beispielsweise ein Druckkopf mit Induktionsheizung gemäß Stand der Technik allein durch das Hinzufügen des Kondensators, der Thus, for example, a printhead with induction heating according to the prior art alone by the addition of the capacitor, the
Schalteinrichtung und der Gleichspannungsquelle so umgerüstet werden, dass er ohne bewegliche Teile Tropfen des flüssigen Metalls aus der Austrittsöffnung des Reservoirs auszustoßen vermag. Induktionsspulen für die Heizung des Metalls sind auf so hohe Dauerströme ausgelegt, dass sie problemlos mit dem kurzen Stromimpuls aus dem Kondensator beaufschlagt werden können. Switching device and the DC voltage source are converted so that it is able to eject drops of the liquid metal from the outlet opening of the reservoir without moving parts. Induction coils for heating the metal are designed for such high continuous currents that they can be easily supplied with the short current pulse from the capacitor.
Das Reservoir kann in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung einen ersten Bereich mit einer Heizung zum Aufschmelzen des Metalls und einen zweiten Bereich mit der Austrittsöffnung aufweisen. Das von der Induktionsspule erzeugte Magnetfeld Bi im zweiten Bereich des Reservoirs ist dann stärker als im ersten Bereich des Reservoirs. Die Wirkung der Heizung ist dann vollständig unabhängig von der Erzeugung der Tropfen. Beispielsweise kann ein erster Bereich des Reservoirs mehrere zweite Bereiche des Reservoirs mit jeweils zugeordneten Induktionsspulen zugleich mit flüssigem Metall versorgen. Es können dann an mehreren Stellen zugleich Tropfen des flüssigen Metalls dem herzustellenden Objekt hinzugefügt werden. Dadurch lässt sich die In a further advantageous embodiment of the invention, the reservoir can have a first region with a heater for melting the metal and a second region with the outlet opening. The magnetic field Bi generated by the induction coil in the second region of the reservoir is then stronger than in the first region of the reservoir. The effect of the heating is then completely independent of the generation of the drops. For example, a first region of the reservoir can simultaneously supply a plurality of second regions of the reservoir with respectively associated induction coils with liquid metal. It can then be added at several points at the same time drops of the liquid metal to the object to be produced. This allows the
Fertigungsgeschwindigkeit steigern. Increase production speed.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Kondensator zum Kurzschließen über mindestens einen Thyristor, und/oder über mindestens einen Bipolartransistor mit isolierter Gate- Elektrode, IGBT, als Schalter in der Schalteinrichtung mit der Induktionsspule verbindbar. Ein Thyristor hat hier den Vorteil, dass er lediglich durch einen Steuerstromimpuls eingeschaltet werden muss und sich nach dem Entladen des Kondensators selbständig wieder ausschaltet. Hingegen hat ein Bipolartransistor den Vorteil, dass sich der Stromfluss durch die Induktionsspule bereits vor der vollständigen Entladung des Kondensators wieder unterbrechen lässt. In a particularly advantageous embodiment of the invention, the capacitor for short-circuiting via at least one thyristor, and / or via at least one bipolar transistor with an insulated gate electrode, IGBT, as a switch in the switching device with the induction coil connected. A thyristor has the advantage here that it only has to be switched on by a control current pulse and switches itself off again automatically after the capacitor has been discharged. By contrast, a bipolar transistor has the advantage that the current flow through the induction coil can be interrupted even before the capacitor has been completely discharged.
Vorteilhaft ist beim Kurzschluss des Kondensators über die Induktionsspule ein maximaler Strom I von mindestens 100 A, bevorzugt von mindestens 500 A und ganz besonders bevorzugt von mindestens 1.000 A, durch die Induktionsspule treibbar. Vorteilhaft ist bei Kurzschluss des Kondensators über die When the capacitor is shorted via the induction coil, a maximum current I of at least 100 A, preferably of at least 500 A and very particularly preferably of at least 1000 A, is advantageously drivable by the induction coil. It is advantageous in case of short circuit of the capacitor over the
Induktionsspule eine maximale Leistung P von mindestens 100 kW, bevorzugt von mindestens 1 MW, durch die Induktionsspule treibbar. Der hohe maximale Strom, beziehungsweise die hohe maximale Leistung, bewirkt, dass auch bei sehr kleiner Baugröße des Druckkopfes eine hinreichend große Kraft zum Ausstoß eines Tropfens des flüssigen Metalls erzeugt werden kann. Diese kleinere Baugröße kann wiederum in eine schnellere Fertigungsgeschwindigkeit umgemünzt werden, indem an einem Druckkopf mehrere Reservoirs, Induction coil a maximum power P of at least 100 kW, preferably of at least 1 MW, drivable by the induction coil. The high maximum current, or the high maximum power, causes even with a very small size of the print head, a sufficiently large force for ejecting a drop of the liquid metal can be generated. This smaller size can turn into a faster production speed be reversed by having multiple reservoirs on one printhead,
beziehungsweise mehrere Austrittsöffnungen, vorgesehen werden. Analog einem Tintenstrahldrucker mit mehreren Düsen können dann an mehreren Stellen gleichzeitig Tropfen des flüssigen Metalls dem herzustellenden Objekt hinzugefügt werden. or more outlet openings are provided. Analogous to an inkjet printer with a plurality of nozzles, droplets of the liquid metal can then be added to the object to be produced at several points at the same time.
Vorteilhaft erreicht bei Kurzschluss des Kondensators über die Induktionsspule der Strom I durch die Induktionsspule seinen maximalen Wert innerhalb von höchstens 100 Mikrosekunden, bevorzugt innerhalb von höchstens 50 Advantageously, when the capacitor is shorted via the induction coil, the current I through the induction coil reaches its maximum value within a maximum of 100 microseconds, preferably within a maximum of 50
Mikrosekunden, nach dem Zeitpunkt to des Kurzschlusses. Dann ist der zeitlicheMicroseconds, after the time to the short circuit. Then the temporal
Gradient des Stroms I durch die Induktionsspule hinreichend groß, um bei einem gegebenen maximalen Strom I eine hinreichend große Kraft F zu erzeugen. Gradient of the current I through the induction coil sufficiently large to produce a sufficiently large force F at a given maximum current I.
Vorteilhaft wirkt bei Kurzschluss des Kondensators über die Induktionsspule zwischen dem Magnetfeld Bi der Induktionsspule und dem hiervon In the case of a short circuit of the capacitor via the induction coil, it is advantageous to act between the magnetic field Bi of the induction coil and the latter
hervorgerufenen Magnetfeld BM im Metall eine abstoßende Kraft F von mindestens 1 N, bevorzugt von mindestens 10 N. Eine derartige Kraft reicht zuverlässig aus, um die Oberflächenspannung des flüssigen Metalls zu überwinden und einen Tropfen aus der Austrittsöffnung des Reservoirs zu treiben. caused magnetic field BM in the metal a repulsive force F of at least 1 N, preferably of at least 10 N. Such a force is reliably sufficient to overcome the surface tension of the liquid metal and to drive a drop from the outlet opening of the reservoir.
Vorteilhaft weist das Magnetfeld Bi der Induktionsspule eine auf die Advantageously, the magnetic field Bi of the induction coil on the
Austrittsöffnung gerichtete Komponente auf. Dann treibt die abstoßende Kraft F unmittelbar Metall in Richtung der Austrittsöffnung des Reservoirs. Ansonsten wirkt die Kraft F in dem Reservoir als kurzfristige Druckerhöhung, die sich durch das inkompressible flüssige Metall im ganzen Reservoir fortpflanzt. Die Outlet directed component. Then, the repulsive force F immediately drives metal in the direction of the outlet opening of the reservoir. Otherwise, the force F acts in the reservoir as a short-term pressure increase, which propagates through the incompressible liquid metal in the entire reservoir. The
Druckerhöhung ist also auch dann im Bereich der Austrittsöffnung des Pressure increase is so even in the area of the outlet opening of the
Reservoirs mittelbar wirksam, wenn das Magnetfeld Bi nicht auf die Reservoirs indirectly effective when the magnetic field Bi is not on the
Austrittsöffnung gerichtet ist. Outlet opening is directed.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die In a particularly advantageous embodiment of the invention, the
Austrittsöffnung des Reservoirs einen Durchmesser d im Bereich von 0,1 mm bis 0,5 mm, bevorzugt im Bereich von 0,2 mm bis 0,3 mm, auf. In diesem Bereich für den Durchmesser d wird die Austrittsöffnung noch zuverlässig durch die Outlet opening of the reservoir has a diameter d in the range of 0.1 mm to 0.5 mm, preferably in the range of 0.2 mm to 0.3 mm, on. In this area for the diameter d, the outlet opening is still reliable through the
Oberflächenspannung des flüssigen Metalls verschlossen, so dass auf ein aktives Schließelement, wie beispielsweise eine Düsennadel, verzichtet werden kann. Zugleich ist ein Durchmesser d im beanspruchten Bereich Closed surface tension of the liquid metal, so that on a active closing element, such as a nozzle needle can be dispensed with. At the same time, a diameter d is in the claimed range
fertigungstechnisch vergleichsweise einfach herzustellen. Nach dem bisherigen Stand der Technik waren Durchmesser d im beanspruchten Bereich zu groß für die Erzeugung kleiner Tropfen mit Durchmessern von 100 Mikrometern oder darunter. Es musste mit kleineren Durchmessern d gearbeitet werden um den Preis, dass die Herstellung einer Austrittsöffnung mit abnehmendem manufacturing technology comparatively easy to produce. In the prior art, diameters d in the claimed range were too large to produce small drops with diameters of 100 microns or less. It had to be worked with smaller diameters d at the price that producing an outlet with decreasing
Durchmesser d überproportional aufwendiger wird. Durch die gemäß der Erfindung geschaffene Möglichkeit, auf das flüssige Metall für sehr kurze Zeit eine sehr große Kraft in Richtung Austrittsöffnung auszuüben, können mit einer gegebenen Austrittsöffnung deutlich kleinere Tropfen hergestellt werden als nach dem bisherigen Stand der Technik. Mit einem Durchmesser d im beanspruchten Bereich gelingt es, Tropfen mit weniger als 100 Mikrometern Durchmesser zu erzeugen. Die magnetohydrodynamische Dosiervorrichtung nach dem Stand der Technik, die sich die Lorentz-Kraft zu Nutze macht, vermag mit der gleichen Austrittsöffnung nur Tropfengrößen oberhalb von 800 Mikrometer zu erzeugen. Diameter d disproportionately expensive. By created according to the invention possibility to exert on the liquid metal for a very short time a very large force in the direction of the outlet opening can be made with a given outlet significantly smaller drops than in the prior art. With a diameter d in the claimed area, it is possible to produce drops with a diameter of less than 100 micrometers. The magnetohydrodynamic metering device according to the prior art, which makes use of the Lorentz force, can only produce droplet sizes above 800 micrometers with the same outlet opening.
Vorteilhaft sind das Reservoir und die Austrittsöffnung derart dimensioniert, dass die Oberflächenspannung σ des flüssigen Metalls das flüssige Metall gegen seinen Schweredruck p am Durchtritt durch die Austrittsöffnung hindert, während der Kondensator nicht über die Induktionsspule entladen wird. Dann ist allein die Bilanz der Ladung auf dem Kondensator maßgeblich für die Dauer, für die flüssiges Metall aus der Austrittsöffnung des Reservoirs ausgestoßen wird. Ein aktives Schließelement für die Austrittsöffnung ist nicht erforderlich. Advantageously, the reservoir and the outlet opening are dimensioned such that the surface tension σ of the liquid metal prevents the liquid metal against its gravitational pressure p from passing through the outlet opening, while the capacitor is not discharged via the induction coil. Then only the balance of the charge on the condenser is decisive for the duration for which liquid metal is ejected from the outlet of the reservoir. An active closing element for the outlet opening is not required.
Die Induktionsspule kann zum Schutz vor der Hitze des flüssigen Metalls beispielsweise in eine Keramik eingebettet sein. Die Induktionsspule kann beispielsweise aus einem wassergekühlten Hohlleiter gewickelt sein. Hierfür können beispielsweise Metalle mit hohen Schmelzpunkten eingesetzt werden, wie beispielsweise Kupfer oder Aluminium. Das Reservoir und seine The induction coil may be embedded, for example, in a ceramic for protection against the heat of the liquid metal. The induction coil can be wound, for example, from a water-cooled waveguide. For this purpose, for example metals with high melting points can be used, such as copper or aluminum. The reservoir and his
Austrittsöffnung weisen bevorzugt eine Wandung aus einer Outlet opening preferably have a wall of a
temperaturbeständigen Keramik auf, um die Temperatur des flüssigen Metalls im Inneren des Reservoirs halten zu können. Das Reservoir kann optional eine zusätzliche Induktionsspule aufweisen, die das flüssige Metall durch induktive Heizung auf einer vorgegebenen Temperatur hält. Die Austrittsöffnung des Reservoirs kann sehr unterschiedlich ausgeführt werden. Sie kann konisch, zentrisch, gestuft etc. ausgeführt werden und den jeweiligen Anforderungen beziehungsweise Betriebsbedingungen angepasst werden. Weitere Variationsmöglichkeiten ergeben sich in der Form des Temperature resistant ceramic to keep the temperature of the liquid metal inside the reservoir can. The reservoir may optionally include an additional induction coil which maintains the liquid metal at a predetermined temperature by inductive heating. The outlet opening of the reservoir can be made very different. It can be conical, centric, stepped, etc. executed and adapted to the respective requirements or operating conditions. Further variations are possible in the form of the
Reservoirs. Sie können hinsichtlich Wiederholbarkeit der Tropfengröße, der Tropfenfrequenz und des Wirkungsgrades optimiert werden. Reservoirs. They can be optimized in terms of repeatability of drop size, drop frequency and efficiency.
Der Kondensator kann beispielsweise eine Kapazität zwischen 5 Mikrofarad und 10 Mikrofarad aufweisen. Bei einer Aufladung mit einer Gleichspannung von 800 Volt lässt sich in ihm dann eine Energiemenge von beispielsweise 2 bis 3 Joule speichern. Vorteilhaft ist die Spannung der Gleichspannungsquelle geringer als 2.000 Volt. Jenseits dieser Grenze werden die benötigten Bauteile For example, the capacitor may have a capacitance between 5 microfarads and 10 microfarads. When charging with a DC voltage of 800 volts can be stored in it then an amount of energy, for example, 2 to 3 joules. Advantageously, the voltage of the DC voltage source is less than 2,000 volts. Beyond this limit are the required components
überproportional teurer. disproportionately more expensive.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt. Further measures improving the invention will be described in more detail below together with the description of the preferred embodiments of the invention with reference to figures.
Ausführungsbeispiele embodiments
Es zeigt: It shows:
Figur 1 Ausführungsbeispiel des 3D-Druckers 1 gemäß der Erfindung mit einer Induktionsspule 6, die zugleich der Heizung des Reservoirs 4 dient. Figure 1 embodiment of the 3D printer 1 according to the invention with an induction coil 6, which also serves the heating of the reservoir 4.
Figur 2 Ausführungsbeispiel eines 3D-Druckers 1 gemäß der Erfindung mit von der Induktionsspule 6 getrennter Heizung 9 für den ersten Teil 4a des Reservoirs 4. Figure 2 embodiment of a 3D printer 1 according to the invention with separate from the induction coil 6 heater 9 for the first part 4a of the reservoir 4th
Figur 3 Erweiterung des in Figur 2 gezeigten Ausführungsbeispiels auf Figure 3 extension of the embodiment shown in Figure 2 on
mehrere Austrittsöffnungen 5, die unabhängig voneinander ansteuerbar sind. Figur 4 Zeitverlauf der Spannung U über der Induktionsspule 6, des Stroms I durch die Induktionsspule 6 und der auf das flüssige Metall 3b ausgeübten Kraft F nach Kurzschluss des Kondensators 7 zum Zeitpunkt to. a plurality of outlet openings 5, which are independently controllable. Figure 4 Time course of the voltage U across the induction coil 6, the current I through the induction coil 6 and the force exerted on the liquid metal 3b force F after short circuit of the capacitor 7 at time to.
Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des 3D-Druckers 1 gemäß der Erfindung. Der Druckkopf 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel feststehend. Stattdessen ist die Arbeitsfläche 12, auf der das herzustellende Objekt 13 entsteht, über einen in Figur 1 nicht im Detail eingezeichneten Positioniermechanismus entlang der drei Raumrichtungen x, y und z gegen den Druckkopf 2 verschiebbar. Der DruckkopfFIG. 1 shows an exemplary embodiment of the 3D printer 1 according to the invention. The printhead 2 is stationary in this embodiment. Instead, the work surface 12 on which the object 13 to be produced is displaceable against the print head 2 via a positioning mechanism not shown in detail in FIG. 1 along the three spatial directions x, y and z. The printhead
2 des 3D-Druckers 1 umfasst ein Reservoir 4, dem eingangsseitig das Metall 3 in seiner festen Phase 3a zugeführt wird. In dem in Figur 1 gezeigten 2 of the 3D printer 1 comprises a reservoir 4, on the input side of which the metal 3 in its solid phase 3a is supplied. In that shown in FIG
Ausführungsbeispiel ist diese feste Phase 3a ein Draht. Die Induktionsspule 6 ist über den Schalter 8a mit der WechselspannungsquelleEmbodiment, this solid phase 3a is a wire. The induction coil 6 is connected via the switch 8a with the AC voltage source
11 verbindbar. Die Wechselspannung aus der Wechselspannungsquelle 11 erzeugt im Inneren des Reservoirs 4 ein magnetisches Wechselfeld, das einen periodischen Wirbelstrom im Metall 3 anregt. Dieser periodische Wirbelstrom erfährt durch den Widerstand des Metalls 3 ohmsche Verluste, wodurch das Metall 3 erwärmt wird. Daher bildet sich in dem Reservoir 4 eine flüssige Phase11 connectable. The alternating voltage from the alternating voltage source 11 generates an alternating magnetic field inside the reservoir 4, which excites a periodic eddy current in the metal 3. This periodic eddy current undergoes 3 resistive losses by the resistance of the metal, whereby the metal 3 is heated. Therefore, a liquid phase is formed in the reservoir 4
3b des Metalls 3. 3b of the metal 3.
Der Kondensator 7 ist über den Schalter 8c von der Gleichspannungsquelle 10 aufladbar. Soll ein Tropfen 3c aus der Austrittsöffnung 5 des Reservoirs 4 ausgestoßen werden, so kann der Kondensator 7 über den Schalter 8b und dieThe capacitor 7 can be charged by the DC voltage source 10 via the switch 8c. If a drop 3c to be ejected from the outlet opening 5 of the reservoir 4, the capacitor 7 via the switch 8b and the
Induktionsspule 6 kurzgeschlossen werden. Hierbei sind vorteilhaft der zur Wechselspannungsquelle 11 führende Schalter 8a und der zur Induction coil 6 are short-circuited. Here, the leading to the AC voltage source 11 switch 8a and the are advantageous for
Gleichspannungsquelle führende Schalter 8c ausgeschaltet. Aufgrund des geringen Innenwiderstandes des Kondensators 7 baut sich in der Induktionsspule 6 beim Kurzschluss des Kondensators 7 sehr schnell ein großer Strom I auf, der ein entsprechend starkes Magnetfeld Bi im Inneren des Metalls 3 erzeugt. Dieses Magnetfeld Bi induziert in dem Metall 3 einen gerichteten Wirbelstrom. Dieser Wirbelstrom erzeugt seinerseits ein Magnetfeld BM, das dem ursprünglichen Feld Bi der Induktionsspule 6 aufgrund der Lenzschen Regel entgegen gerichtet ist. Beide Magnetfelder Bi und BM üben die abstoßende Kraft F aufeinander aus, die auf das flüssige Metall 3b wirkt und eine Portion davon als Tropfen 3c aus der Austrittsöffnung 5 des Reservoirs 4 heraus treibt. DC voltage source leading switch 8c turned off. Due to the low internal resistance of the capacitor 7, a large current I, which generates a correspondingly strong magnetic field Bi in the interior of the metal 3, builds up very quickly in the induction coil 6 during short-circuiting of the capacitor 7. This magnetic field Bi induces a directed eddy current in the metal 3. This eddy current in turn generates a magnetic field BM, which is directed against the original field Bi of the induction coil 6 due to the Lenz rule. Both magnetic fields Bi and BM exert the repulsive force F on each other, the acts on the liquid metal 3b and drives a portion thereof as drops 3c from the outlet opening 5 of the reservoir 4 out.
Das bei der Entladung des Kondensators 7 aus der Austrittsöffnung 5 mit dem Durchmesser d ausgestoßene flüssige Metall 3d formt sich aufgrund seinerThe discharged during the discharge of the capacitor 7 from the outlet opening 5 with the diameter d liquid metal 3d forms due to its
Oberflächenspannung σ bei hinreichend langer Flugzeit zum herzustellenden Objekt 13, beziehungsweise zur Arbeitsfläche 12, zu einem einzigen Tropfen 3c. Die Oberflächenspannung σ hat darüber hinaus die weitere Wirkung, dass sie das flüssige Metall 3b gegen seinen Schweredruck p am Durchtritt durch die Austrittsöffnung 5 des Reservoirs 4 hindert, solange der Kondensator 7 nicht über die Induktionsspule 6 entladen wird. Daher ist die Austrittsöffnung 5 im Normalfall ständig verschlossen, ohne dass hierfür ein besonderes Surface tension σ with a sufficiently long time of flight to the object to be produced 13, or to the working surface 12, to a single drop 3c. The surface tension σ has, moreover, the further effect of preventing the liquid metal 3b against its gravitational pressure p from passing through the outlet opening 5 of the reservoir 4 as long as the capacitor 7 is not discharged via the induction coil 6. Therefore, the outlet opening 5 is normally closed permanently, without this being a special
Schließelement notwendig wäre. Die gemeinsame Masse des Kondensators 7, der Induktionsspule 6 sowie derClosing element would be necessary. The common ground of the capacitor 7, the induction coil 6 and the
Spannungsquellen 10 und 11 ist mit 14 bezeichnet. Voltage sources 10 and 11 is denoted by 14.
Figur 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Druckkopfes 2 für den SD- Drucker 1 gemäß der vorliegenden Erfindung. Im Unterschied zu Figur 1 dient die Induktionsspule 6 hier nicht gleichzeitig der Heizung des Reservoirs 4. FIG. 2 shows another embodiment of the print head 2 for the SD printer 1 according to the present invention. In contrast to FIG. 1, the induction coil 6 does not simultaneously serve to heat the reservoir 4.
Stattdessen ist das Reservoir 4 in einen ersten Teil 4a aufgeteilt, in dem das Metall 3, 3a durch eine Heizung 9 aufgeschmolzen wird, sowie in einen zweiten Teil 4b, der die Austrittsöffnung 5 enthält. Der zweite Teil 4b des Reservoirs 4 ist so geformt, dass die bei Entladung des in Figur 2 nicht eingezeichneten Instead, the reservoir 4 is divided into a first part 4a, in which the metal 3, 3a is melted by a heater 9, and in a second part 4b, which contains the outlet opening 5. The second part 4b of the reservoir 4 is shaped such that when unloading the not shown in Figure 2
Kondensators 7 auf das flüssige Metall 3b wirkende Kraft F auf die Condenser 7 acting on the liquid metal 3b force F on the
Austrittsöffnung 5 hin fokussiert wird. Aus der Austrittsöffnung 5 wird bei jeder Entladung des Kondensators 7 ein Tropfen 3c des flüssigen Metalls 3b heraus getrieben. Figur 3 zeigt eine Erweiterung des in Figur 2 dargestellten Druckkopfes 2. Im Outlet opening 5 is focused out. From the outlet opening 5, a drop 3c of the liquid metal 3b is driven out with each discharge of the capacitor 7. FIG. 3 shows an extension of the print head 2 illustrated in FIG
Unterschied zu Figur 2 versorgt ein einziger erster Teil 4a des Reservoirs 4, der von einer einzigen Heizung 9 beheizt wird, mehrere zweite Teile 4b des In contrast to FIG. 2, a single first part 4a of the reservoir 4, which is heated by a single heater 9, supplies a plurality of second parts 4b of the reservoir
Reservoirs 4 mit jeweils eigener Austrittsöffnung 5 und eigener Induktionsspule 6. Es können dann unabhängig voneinander aus allen Austrittsöffnungen 5 Tropfen 3c heraus getrieben werden. Dadurch kann an mehreren Orten des herzustellenden Objekts 13 gleichzeitig jeweils ein Tropfen 3c angelagert werden. Das Objekt 13 ist dementsprechend schneller herstellbar. Reservoirs 4, each with its own outlet opening 5 and its own induction coil 6. It can then independently of each outlet openings 5 drops 3c are driven out. This can be done in several places to be produced object 13 at the same time each a drop 3c are attached. The object 13 is accordingly faster to produce.
Figur 4 verdeutlicht den zeitlichen Verlauf einer Entladung des Kondensators 7. Über der Zeit t sind jeweils die Spannung U über der Induktionsspule 6, der Strom I durch die Induktionsspule 6 sowie die auf das flüssige Metall 3b wirkende Kraft F aufgetragen. Zum Zeitpunkt to beginnt die Entladung des Kondensators 7. Über der Induktionsspule 6 wird augenblicklich eine hohe Spannung U bereitgestellt. Aufgrund der Induktivität der Induktionsspule 6 baut sich der Strom I in der Induktionsspule 6 mit einer zeitlichen Verzögerung auf. Der Strom I erreicht nach kurzer Zeit ein Maximum. Die Erzeugung des Gegenfeldes BM im Metall 3, und damit die Bildung der abstoßenden Kraft F, nimmt eine kurze Zeit in Anspruch. Daher gibt es eine kleine Verzögerung zwischen dem zeitlichen Maximum im Strom I und dem zeitlichen Maximum in der Kraft F. FIG. 4 illustrates the time profile of a discharge of the capacitor 7. Over time t, the voltage U across the induction coil 6, the current I through the induction coil 6, and the force F acting on the liquid metal 3b are plotted. At time to the discharge of the capacitor begins 7. About the induction coil 6, a high voltage U is provided immediately. Due to the inductance of the induction coil 6, the current I builds up in the induction coil 6 with a time delay. The current I reaches a maximum after a short time. The generation of the opposing field BM in the metal 3, and thus the formation of the repulsive force F, takes a short time. Therefore, there is a small delay between the time maximum in the current I and the time maximum in the force F.
Kurz bevor der Strom I sein Maximum erreicht, beginnt die Spannung U über der Induktionsspule 6 bereits einzubrechen, weil der größte Teil der Ladung bereits vom Kondensator 7 abgeflossen ist. Mit einem kurzen Zeitverzug zur Shortly before the current I reaches its maximum, the voltage U across the induction coil 6 already begins to break, because most of the charge has already flowed away from the capacitor 7. With a short time delay to
einbrechenden Spannung U bricht auch der Strom I durch die Induktionsspule 6 ein. Mit einer weiteren kleinen Verzögerung bricht auch die Kraft F auf das flüssige Metall 3d zusammen. Der Austritt von flüssigem Metall 3b aus der Austrittsöffnung 5 wird beendet. Incoming voltage U also breaks the current I through the induction coil 6 a. With another little delay, the force F also breaks down on the liquid metal 3d. The exit of liquid metal 3b from the outlet opening 5 is terminated.
Das Metall 3a muss nicht notwendigerweise als Draht hinzu geführt werden. Es kann beispielsweise auch als Pulver oder Granulat zugeführt werden. Bei Impulsbreiten von vorteilhaft zwischen 100 Mikrosekunden und einer The metal 3a does not necessarily have to be added as a wire. It can also be supplied, for example, as a powder or granules. With pulse widths of advantageously between 100 microseconds and one
Millisekunde können beispielsweise Wiederholraten oberhalb von 500 Hz erzielt werden, um eine schnelle Aufbaurate des herzustellenden Objekts 13 zu erzielen. Die Größe der Tropfen 3c kann über die Spannung, mit der der For example, repetition rates above 500 Hz can be achieved in milliseconds in order to achieve a rapid build-up rate of the object 13 to be produced. The size of the drops 3c can be over the tension with which the
Kondensator 7 aus der Gleichspannungsquelle 10 aufgeladen wird, variiert werden. Damit ist der 3D-Drucker gemäß der Erfindung in Bezug auf die Capacitor 7 is charged from the DC voltage source 10 can be varied. Thus, the 3D printer according to the invention in relation to the
Tropfengröße erheblich vielseitiger als 3D-Drucker nach dem bisherigen Stand der Technik. Drop size considerably more versatile than 3D printers according to the prior art.
Claims
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102015223540.8 | 2015-11-27 | ||
| DE102015223540.8A DE102015223540A1 (en) | 2015-11-27 | 2015-11-27 | 3D printer with printhead without moving parts |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| WO2017089176A1 true WO2017089176A1 (en) | 2017-06-01 |
Family
ID=57321328
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PCT/EP2016/077707 Ceased WO2017089176A1 (en) | 2015-11-27 | 2016-11-15 | 3d printer with a printing head without movable parts |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE102015223540A1 (en) |
| WO (1) | WO2017089176A1 (en) |
Cited By (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108213436A (en) * | 2018-02-12 | 2018-06-29 | 东南大学 | A kind of former of liquid metal 3D printing from top to bottom |
| CN111283200A (en) * | 2020-03-23 | 2020-06-16 | 宁波财经学院 | Electromagnetically-constrained aluminum alloy component micro-droplet ejector |
| JP2022105475A (en) * | 2021-01-04 | 2022-07-14 | ゼロックス コーポレイション | Metal drop ejecting three-dimensional (3d) object printer having increased material deposition rate |
| US11794241B2 (en) | 2021-09-27 | 2023-10-24 | Xerox Corporation | Method of jetting print material and method of printing |
| US11806783B2 (en) | 2021-09-27 | 2023-11-07 | Xerox Corporation | Method of jetting print material and method of printing |
| US11872751B2 (en) | 2021-09-27 | 2024-01-16 | Xerox Corporation | Printer jetting mechanism and printer employing the printer jetting mechanism |
| US11919226B2 (en) | 2021-09-27 | 2024-03-05 | Xerox Corporation | Method of jetting print material and method of printing |
| US12011760B2 (en) | 2021-09-27 | 2024-06-18 | Xerox Corporation | Ejector device, 3D printer employing the ejector device and method of 3D printing |
| US12017272B2 (en) | 2021-09-27 | 2024-06-25 | Xerox Corporation | Printer jetting mechanism and printer employing the printer jetting mechanism |
| US12053818B2 (en) | 2021-09-27 | 2024-08-06 | Xerox Corporation | Method of jetting print material using ejector devices and methods of making the ejector devices |
| CN119036848A (en) * | 2024-09-19 | 2024-11-29 | 中国矿业大学(北京) | 3D printing device with adjustable magnetic force |
| US12172209B2 (en) | 2021-09-27 | 2024-12-24 | Xerox Corporation | Printer jetting mechanism and printer employing the printer jetting mechanism |
| US12186800B2 (en) | 2020-09-03 | 2025-01-07 | Fluent Metal, Inc. | Metal deposition system |
| US12447534B2 (en) | 2021-09-27 | 2025-10-21 | Xerox Corporation | Printer jetting mechanism and printer employing the printer jetting mechanism |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102017213877A1 (en) * | 2017-08-09 | 2019-02-14 | Robert Bosch Gmbh | Method and device for the additive production of a three-dimensional workpiece |
| DE102018127931A1 (en) | 2018-11-08 | 2020-05-14 | Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. | Process and plant for producing a three-dimensional structure |
| DE102018132030A1 (en) | 2018-12-13 | 2020-06-18 | Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. | Method and device for impregnating fiber material |
| DE102019001888A1 (en) * | 2019-03-18 | 2020-10-08 | Daniel Günther | Process for the production of metallic articles |
| CN110653374B (en) * | 2019-10-17 | 2023-08-18 | 上海睿度光电科技有限公司 | Micro-dispensing device for liquid metal under normal temperature condition and application method thereof |
| CN115365518B (en) * | 2022-09-26 | 2023-03-24 | 浙江大学高端装备研究院 | Magnetic force auxiliary support-free direct-writing additive manufacturing device and manufacturing method thereof |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001298263A (en) * | 2000-04-17 | 2001-10-26 | Shibuya Kogyo Co Ltd | Method and device for supplying liquid metal |
| WO2007038987A1 (en) | 2005-09-30 | 2007-04-12 | Inspire Ag Fur Mechatronische Produktionssysteme Und Fertigungstechnik | Printing cell and printing head for printing of molten metals |
| DE102010062388A1 (en) | 2010-12-03 | 2012-06-06 | Robert Bosch Gmbh | Electromagnetic actuator module and injector |
| DE102011078068A1 (en) | 2011-06-24 | 2012-12-27 | Robert Bosch Gmbh | Device for injecting fluid |
| US20150273577A1 (en) * | 2014-03-28 | 2015-10-01 | Scott Vader | Conductive Liquid Three Dimensional Printer |
-
2015
- 2015-11-27 DE DE102015223540.8A patent/DE102015223540A1/en not_active Withdrawn
-
2016
- 2016-11-15 WO PCT/EP2016/077707 patent/WO2017089176A1/en not_active Ceased
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001298263A (en) * | 2000-04-17 | 2001-10-26 | Shibuya Kogyo Co Ltd | Method and device for supplying liquid metal |
| WO2007038987A1 (en) | 2005-09-30 | 2007-04-12 | Inspire Ag Fur Mechatronische Produktionssysteme Und Fertigungstechnik | Printing cell and printing head for printing of molten metals |
| DE102010062388A1 (en) | 2010-12-03 | 2012-06-06 | Robert Bosch Gmbh | Electromagnetic actuator module and injector |
| DE102011078068A1 (en) | 2011-06-24 | 2012-12-27 | Robert Bosch Gmbh | Device for injecting fluid |
| US20150273577A1 (en) * | 2014-03-28 | 2015-10-01 | Scott Vader | Conductive Liquid Three Dimensional Printer |
Cited By (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108213436A (en) * | 2018-02-12 | 2018-06-29 | 东南大学 | A kind of former of liquid metal 3D printing from top to bottom |
| CN108213436B (en) * | 2018-02-12 | 2020-02-04 | 东南大学 | Top-down liquid metal 3D prints former |
| CN111283200A (en) * | 2020-03-23 | 2020-06-16 | 宁波财经学院 | Electromagnetically-constrained aluminum alloy component micro-droplet ejector |
| US12186800B2 (en) | 2020-09-03 | 2025-01-07 | Fluent Metal, Inc. | Metal deposition system |
| JP2022105475A (en) * | 2021-01-04 | 2022-07-14 | ゼロックス コーポレイション | Metal drop ejecting three-dimensional (3d) object printer having increased material deposition rate |
| US11872751B2 (en) | 2021-09-27 | 2024-01-16 | Xerox Corporation | Printer jetting mechanism and printer employing the printer jetting mechanism |
| US11806783B2 (en) | 2021-09-27 | 2023-11-07 | Xerox Corporation | Method of jetting print material and method of printing |
| US11919226B2 (en) | 2021-09-27 | 2024-03-05 | Xerox Corporation | Method of jetting print material and method of printing |
| US12011760B2 (en) | 2021-09-27 | 2024-06-18 | Xerox Corporation | Ejector device, 3D printer employing the ejector device and method of 3D printing |
| US12017272B2 (en) | 2021-09-27 | 2024-06-25 | Xerox Corporation | Printer jetting mechanism and printer employing the printer jetting mechanism |
| US12053818B2 (en) | 2021-09-27 | 2024-08-06 | Xerox Corporation | Method of jetting print material using ejector devices and methods of making the ejector devices |
| US12172209B2 (en) | 2021-09-27 | 2024-12-24 | Xerox Corporation | Printer jetting mechanism and printer employing the printer jetting mechanism |
| US11794241B2 (en) | 2021-09-27 | 2023-10-24 | Xerox Corporation | Method of jetting print material and method of printing |
| US12447534B2 (en) | 2021-09-27 | 2025-10-21 | Xerox Corporation | Printer jetting mechanism and printer employing the printer jetting mechanism |
| CN119036848A (en) * | 2024-09-19 | 2024-11-29 | 中国矿业大学(北京) | 3D printing device with adjustable magnetic force |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE102015223540A1 (en) | 2017-06-01 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| WO2017089176A1 (en) | 3d printer with a printing head without movable parts | |
| DE3213278C2 (en) | ||
| DE19738785C2 (en) | Arc welding device with melting electrode | |
| DE2945658A1 (en) | LIQUID JET RECORDING METHOD | |
| DE2058091B2 (en) | Control circuit for pulse control of a DC motor | |
| DE112009002139T5 (en) | Power supply device for an electric discharge machine | |
| DE2559502A1 (en) | INDUCTION HEATING DEVICE | |
| DE2824326A1 (en) | POWER SUPPLY FOR ELECTRICAL MACHINING | |
| DE3219726C2 (en) | Device for arc welding with a tracking consumable electrode | |
| EP0324960B1 (en) | Process and device for short circuit arc welding | |
| EP0401216A1 (en) | DEVICE FOR HEATING INK IN THE WRITING HEAD OF AN INK PRINTING MACHINE. | |
| DE3435163A1 (en) | LIQUID JET RECORDING DEVICE | |
| DE4302406C2 (en) | Power supply unit for electrical discharge machining | |
| DE1273068B (en) | Circuit arrangement for pulse control of electromagnets | |
| DE1128063B (en) | Switching arrangement for electrical erosion with pulsating direct current | |
| DE102022124720A1 (en) | PRINTER EJECTION MECHANISM AND PRINTER EMPLOYING THE PRINTER EJECTION MECHANISM | |
| EP3449688B1 (en) | Assembly for switching a resistor | |
| DE1299204B (en) | Circuit arrangement for a spark erosion machine with memoryless generator and checking the machining gap | |
| DE4233818C2 (en) | Welding process and device | |
| DE2713045C3 (en) | Welding power source | |
| DE2408828A1 (en) | DRIVER CIRCUITS FOR A CRYSTAL ACTING AS AN ELECTROMECHANICAL CONVERTER | |
| DE2023872C3 (en) | Electrical switchgear | |
| DE2725352A1 (en) | MOSAIC PRINTING | |
| DE3139502C2 (en) | Circuit for magnetically triggered printing elements, such as printing needles, printing hammers or the like, for printers, in particular for matrix printers | |
| DE3326162C2 (en) | Electric feed unit for a high-speed, short-distance system for the soft annealing of wires |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 16795349 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
| NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
|
| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 16795349 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |