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WO2020169260A1 - Verfahren zur generativen fertigung eines dreidimensionalen werkstücks aus einem flüssigen werkstoff - Google Patents

Verfahren zur generativen fertigung eines dreidimensionalen werkstücks aus einem flüssigen werkstoff Download PDF

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WO2020169260A1
WO2020169260A1 PCT/EP2020/050556 EP2020050556W WO2020169260A1 WO 2020169260 A1 WO2020169260 A1 WO 2020169260A1 EP 2020050556 W EP2020050556 W EP 2020050556W WO 2020169260 A1 WO2020169260 A1 WO 2020169260A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
piston
piezo actuator
maximum
pressure pulse
liquid material
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP2020/050556
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English (en)
French (fr)
Inventor
Eberhard Maier
Benjamin Schweizer
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
Publication of WO2020169260A1 publication Critical patent/WO2020169260A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B1/00—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means
    • B05B1/02—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means designed to produce a jet, spray, or other discharge of particular shape or nature, e.g. in single drops, or having an outlet of particular shape
    • B05B1/08—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means designed to produce a jet, spray, or other discharge of particular shape or nature, e.g. in single drops, or having an outlet of particular shape of pulsating nature, e.g. delivering liquid in successive separate quantities
    • B05B1/083—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means designed to produce a jet, spray, or other discharge of particular shape or nature, e.g. in single drops, or having an outlet of particular shape of pulsating nature, e.g. delivering liquid in successive separate quantities the pulsating mechanism comprising movable parts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • 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 present invention relates to a method for the generative production of a three-dimensional workpiece from a liquid, in particular liquefied, material according to the preamble of claim 1.
  • Additive manufacturing processes include, in particular, 3D printing, in which liquid or solid materials are built up in layers to form a three-dimensional workpiece.
  • 3D printing in which liquid or solid materials are built up in layers to form a three-dimensional workpiece.
  • a method for 3D printing is proposed in particular, although only liquid or
  • the laid-open specification DE 10 2015 206 813 A1 shows, by way of example, a method for applying a fluid to a workpiece carrier in order to produce a workpiece, in which the fluid is fed into a reservoir with a
  • Outlet device for dispensing the fluid is introduced and then the volume of the reservoir is reduced in such a way that a pressure wave is generated in the fluid present, by means of which the fluid is at least partially dispensed from the reservoir and applied to the workpiece carrier.
  • a piston is moved which acts on a membrane which limits the volume formed in the reservoir.
  • the movement of the piston is effected electromagnetically with the aid of a coil of a magnetic actuator.
  • the laid-open specification DE 10 2016 224 047 A1 also discloses a method for operating a print head of a 3D printer, in which the working stroke of a piston for the drop-shaped discharge of molten metal is generated by activating a piezoelectric actuator. Such an actuator reacts very quickly to an electrical control with a
  • a piezo actuator Due to the high forces, a piezo actuator has the advantage over a magnetic actuator that very dynamic piston movements with high
  • Piston speeds can be generated. However, this can lead to undesirable vibrations, in particular to post-oscillation of the fluid, in the fluid that is to be excited by the piston movements. In this case, there is a risk that several successive pressure surges are generated over the duration of a single charging period of the piezo actuator, each of which leads to the formation of a drop, which is emitted - largely in an uncontrolled manner.
  • the present invention is based on the object of providing a method for the generative production of a three-dimensional workpiece from a liquid or
  • a piston is moved with the aid of a piezo actuator and a pressure pulse is generated via the movement of the piston, which is used to discharge the liquid material in the form of drops or ligaments via a nozzle bore is being used.
  • a charged piezo actuator is used to generate a pressure pulse
  • piston Since the piston is moved with the aid of a piezo actuator, high forces and very dynamic piston movements can be generated. For example, accelerations of the piston over 2000 g can be achieved. This means that even small piston movements or strokes are sufficient to generate pressure waves or pressure surges in the liquid material, with the aid of which the liquid material can be discharged in the form of drops.
  • Power electronics can be used, which also proves to be an advantage with regard to a high drop frequency.
  • Piezo actuator inversely charged. This means that - starting from a charged state - the piezo actuator is first discharged and then charged again in order to generate a pressure wave. The discharge of the piezo actuator leads to a reverse piston movement, in which the piston initially retracts. As a result, a negative pressure area is created, into which the liquid material flows. However, before gas bubbles that form in the negative pressure area collapse and trigger a so-called water hammer, the piston extends again. The water hammer thus falls in the phase of pressure build-up and can be used to intensify a pressure surge that generates drops become. Furthermore, it is ensured that only one pressure surge and thus only a single drop are generated.
  • the piston is pretensioned in the direction of the piezo actuator by means of the spring force of a spring.
  • the preload of the piston ensures that the piston retracts when the piezo actuator is discharged or follows the movement of the contracting piezo actuator.
  • the stroke of the piston can be increased in that the piston does not assume position A when it extends, but position C, which is closer to the nozzle bore through which the drop is discharged.
  • Resetting the piston in the third step also has the advantage that liquid material which remains outside the nozzle bore after a drop has been detached is drawn back into the nozzle bore. In this way, optimal hydraulic conditions can be created for increasing the drop frequency. For example, the drop frequency can be increased to 500 Hz and above.
  • an electrical charge is preferably used which is a maximum of 500 pC, preferably a maximum of 400 pC, further preferably approximately 300 pC. This means that the electrical charge is comparatively low. This is because methods are known from the prior art which use electrical charges of around 700 pC. Since, in the proposed method, the piezo actuator is charged even when the piston is in the rest position, that is to say in its starting position (position A), the low electrical charge has a positive effect.
  • the piston preferably retracts as quickly as possible from the starting position (position A) in the first step.
  • This can be achieved in that only a low voltage or no voltage is applied to the piezo actuator.
  • a negative voltage can also be applied.
  • the aim should be a very dynamic retraction movement of the piston in order to promote the creation of a negative pressure area.
  • a small piston stroke is effective, so that the piston can be extended again before the gas bubbles created in the negative pressure area collapse.
  • the piston should also move as dynamically as possible in order to achieve a high pressure surge via the piston speed. In this way, the piston is pushed at high speed into the gas bubbles created in the negative pressure area, so that a high pressure build-up can be achieved over a comparatively small piston stroke. Due to the increased dynamics, the
  • Drop speed can be increased, which is advantageous in the path control. If, in the second step, the piston is not returned to its starting position at the same time, this can be done in a third step, the piston again being moved only a little.
  • the piston is preferably moved a maximum of 50 pm, preferably a maximum of 25 pm, further preferably a maximum of 1 pm when it is withdrawn and / or extended.
  • the small piston movements or strokes allow the use of less powerful power electronics. Furthermore, unwanted vibrations that arise after a piston movement are reduced.
  • Drop size is adjusted.
  • the droplet size can be increased by pulling the piston back beyond position B in the first step.
  • the piston can extend beyond position C in the second step.
  • the first step is to withdraw the piston to a position that is still before position B, so that it does not reach position B.
  • the piston can only extend or be extended to position A in the second step.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of a device for carrying out the method according to the invention
  • the device shown in FIG. 1 is used for the generative production of a three-dimensional workpiece from a liquid, in particular liquefied material.
  • the device is in particular for performing the
  • the device shown comprises a piston 2 received in a housing 10 such that it can move back and forth and delimits a compression space 4.
  • the compression space 4 is coated with a liquid material, e.g. B. with an aluminum melt, filled or fillable.
  • the compression chamber 4 is for this purpose via a radial gap 5 between the piston 2 and a
  • Piston guide 6 connected to a reservoir 7 for the liquid material.
  • the reservoir 7 is filled with the melt via a filler neck 9.
  • a nozzle 12 with a nozzle bore 3 through which the liquid material can be discharged in the form of individual drops 8 is attached to the housing 10.
  • a pressure pulse is generated in the compression chamber 4 which leads to a drop being ejected.
  • the pressure pulse is in turn brought about by a highly dynamic movement of the piston 2 in the direction of the nozzle bore 3.
  • a piezo actuator 1 is provided, which is operatively connected to the piston 2 via a piston rod 11. If the piezo actuator 1 is electrically charged, it elongates and the piston 2 extends so that it dips deeper into the compression chamber 4. This leads to the formation of a
  • the actual piston stroke for generating the pressure pulse is preceded by a retraction of the piston 2.
  • the piezo actuator 1 is first discharged and then charged again.
  • the piston 2 is in its starting position at the beginning of a charging period, specifically in position A.
  • the piezo actuator 1 is discharged in a first step, so that the piston 2 retracts from position A into position B. This is shown in FIG. 2b. This creates a negative pressure area in the compression chamber 4, into which the liquid material flows.
  • a second step which is shown in FIG. 2c, the piezo actuator 1 is charged again so that the piston 2 assumes its starting position or position A again.
  • a pressure pulse is generated, which leads to the discharge of part of the liquid material via the nozzle bore 3 in the form of a single droplet 8.
  • FIG. 4 the courses of the charge curve (FIG. 4a), the piston stroke (FIG. 4b) and the pressure in the compression chamber 4 (FIG. 4c) during a charge period are shown by way of example.
  • the charged piezo actuator 1 is initially discharged in a first step, so that the piston 2 retracts from position A (FIG. 3 a) into position B (FIG. 3 b).
  • the piezo actuator 1 is then reloaded so that the piston 2 extends again, initially being returned to position A (Fig. 3c), but does not remain there, but continues to extend to position C (Fig . 3d), so that a particularly high pressure pulse is generated.
  • the piezo actuator 1 is discharged to such an extent that the piezo actuator 1 contracts to its initial length and the piston 2 contracts again

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks aus einem flüssigen, insbesondere verflüssigten, Werkstoff, bei dem mit Hilfe eines Piezoaktors (1) ein Kolben (2) bewegt wird und über die Bewegung des Kolbens (2) ein Druckpuls erzeugt wird, der zum tropfen- oder ligamentförmigen Austragen des flüssigen Werkstoffs über eine Düsenbohrung (3) genutzt wird. Erfindungsgemäß wird zum Erzeugen eines Druckpulses ein geladener Piezoaktor (1) - in einem ersten Schritt ganz oder teilweise entladen wird, so dass sich der Kolben (2) aus einer Position (A) zurückzieht und eine Position (B) einnimmt, die von der Düsenbohrung (3) weiter entfernt ist, und - in einem zweiten Schritt wieder geladen wird, so dass der Kolben (2) aus der Position (B) ausfährt und erneut die Position (A) oder eine Position (C) einnimmt, die näher an der Düsenbohrung (3) als die Position (A) liegt.

Description

Beschreibung
Titel:
Verfahren zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks aus einem flüssigen Werkstoff
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks aus einem flüssigen, insbesondere verflüssigten, Werkstoff gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Zu den generativen Fertigungsverfahren zählt insbesondere das 3D-Drucken, bei dem flüssige oder feste Werkstoffe schichtweise zu einem dreidimensionalen Werkstück aufgebaut werden. Vorliegend wird daher insbesondere ein Verfahren zum 3D-Drucken vorgeschlagen, wobei jedoch ausschließlich flüssige bzw.
verflüssigte Werkstoffe zum Einsatz gelangen.
Stand der Technik
Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2015 206 813 Al geht beispielhaft ein Verfahren zum Aufträgen eines Fluids auf einen Werkstückträger zum Erzeugen eines Werkstücks hervor, bei dem das Fluid in ein Reservoir mit einer
Auslasseinrichtung zum Ausgeben des Fluids eingebracht und anschließend das Volumen des Reservoirs derart verkleinert wird, dass in dem vorhandenen Fluid eine Druckwelle erzeugt wird, mittels welcher das Fluid zumindest teilweise aus dem Reservoir ausgegeben und auf den Werkstückträger aufgetragen wird. Zum Verkleinern des Volumens des Reservoirs wird ein Kolben bewegt, der auf eine Membran einwirkt, die das im Reservoir ausgebildete Volumen begrenzt. Die Bewegung des Kolbens wird dabei elektromagnetisch mit Hilfe einer Spule eines Magnetaktors bewirkt. Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2016 224 047 Al ist ferner ein Verfahren zum Betreiben eines Druckkopfs eines 3D-Druckers bekannt, bei dem der Arbeitshub eines Kolbens zum tropfenförmigen Austragen einer Metallschmelze durch Aktivierung eines piezoelektrischen Aktors erzeugt wird. Ein solcher Aktor reagiert sehr schnell auf eine elektrische Ansteuerung mit einer
Längenänderung, wobei er eine Kraft von bis zu mehreren 100 Newton ausüben kann.
Aufgrund der hohen Kräfte weist ein Piezoaktor gegenüber einem Magnetaktor den Vorteil auf, dass sehr dynamische Kolbenbewegungen mit hohen
Kolbengeschwindigkeiten erzeugbar sind. Dies kann jedoch im Fluid, das über die Kolbenbewegungen angeregt werden soll, zu unerwünschten Schwingungen, insbesondere zu einem Nachschwingen des Fluids führen. In diesem Fall besteht die Gefahr, dass über die Dauer einer einzigen Ladungsperiode des Piezoaktors mehrere aufeinanderfolgende Druckstöße erzeugt werden, die jeweils zur Ausbildung eines Tropfens führen, die - weitgehend unkontrolliert - abgegeben werden.
Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks aus einem flüssigen bzw.
verflüssigten Werkstoff anzugeben, das eine kontrollierte Tropfenabgabe bei einer hohen Tropfenfrequenz ermöglicht.
Zur Lösung der Aufgabe wird das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den
Unteransprüchen zu entnehmen.
Offenbarung der Erfindung
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur generativen Fertigung eines
dreidimensionalen Werkstücks aus einem flüssigen, insbesondere verflüssigten, Werkstoff wird mit Hilfe eines Piezoaktors ein Kolben bewegt und über die Bewegung des Kolbens wird ein Druckpuls erzeugt, der zum tropfen- oder ligamentförmigen Austragen des flüssigen Werkstoffs über eine Düsenbohrung genutzt wird. Erfindungsgemäß wird zum Erzeugen eines Druckpulses ein geladener Piezoaktor
- in einem ersten Schritt ganz oder teilweise entladen, so dass sich der Kolben aus einer Position A zurückzieht und eine Position B einnimmt, die von der Düsenbohrung weiter entfernt ist, und
- in einem zweiten Schritt wieder geladen, so dass der Kolben aus der Position B ausfährt und erneut die Position A oder eine Position C einnimmt, die näher an der Düsenbohrung als die Position A liegt.
Da der Kolben mit Hilfe eines Piezoaktors bewegt wird, können hohe Kräfte und sehr dynamische Kolbenbewegungen erzeugt werden. Beispielsweise können Beschleunigungen des Kolbens über 2000 g erreicht werden. Das heißt, dass bereits kleine Kolbenbewegungen bzw. -hübe ausreichen, um Druckwellen bzw. Druckstöße im flüssigen Werkstoff zu erzeugen, mit deren Hilfe der flüssige Werkstoff tropfenförmig ausgetragen werden kann.
Kleine Kolbenbewegungen bzw. -hübe weisen den Vorteil auf, dass hohe Tropfenfrequenzen von über 500 Hz möglich sind. Kleine Hübe erfordern zudem geringe Ladungsmengen, so dass eine weniger leistungsstarke
Leistungselektronik eingesetzt werden kann, was sich im Hinblick auf eine hohe Tropfenfrequenz ebenfalls als Vorteil erweist.
Um ein Nachschwingen und damit verbundene Druckspitzen zu vermeiden, die dazu führen könnten, dass während eines Ladungszyklus mehr als nur ein Tropfen ausgetragen wird, wird bei dem vorgeschlagenen Verfahren der
Piezoaktor invers geladen. Das heißt, dass - ausgehend von einem geladenen Zustand - der Piezoaktor zunächst entladen und dann wieder geladen wird, um eine Druckwelle zu erzeugen. Das Entladen des Piezoaktors führt zu einer umgekehrten Kolbenbewegung, bei der sich der Kolben zunächst zurückzieht. Dies hat zur Folge, dass ein Unterdruckgebiet entsteht, in das flüssiger Werkstoff nachströmt. Bevor jedoch im Unterdruckgebiet sich bildende Gasblasen zusammenfallen und einen sogenannten Wasserschlag auslösen, fährt der Kolben wieder aus. Der Wasserschlag fällt somit in die Phase des Druckaufbaus und kann zur Verstärkung eines Tropfen erzeugenden Druckstoßes eingesetzt werden. Ferner ist sichergestellt, dass nur ein Druckstoß und damit nur ein einziger Tropfen erzeugt werden.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens bestehen demnach darin, dass gezielt nur ein einzelner Tropfen während einer Ladungsperiode erzeugt wird und die Erzeugung des Tropfens oder Ligaments nur kleine Kolbenbewegungen erfordert. Das heißt, dass hohe Tropfenfrequenzen realisierbar sind und/oder eine weniger leistungsstarke Leistungselektronik einsetzbar ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Kolben mittels der Federkraft einer Feder in Richtung des Piezoaktors vorgespannt. Die Vorspannung des Kolbens stellt sicher, dass sich der Kolben bei einer Entladung des Piezoaktors zurückzieht bzw. der Bewegung des sich zusammenziehenden Piezoaktors folgt.
In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorgeschlagen, dass während des ersten Schritts an den entladenen Piezoaktor eine negative Spannung angelegt wird. Das heißt, dass der Piezoaktor sich weiter
zusammenzieht und der Kolben sich dementsprechend weiter zurückzieht, so dass der sich hieran anschließende Kolbenhub größer ausfällt. Auf diese Weise kann - sofern erwünscht - ein größerer Tropfen erzeugt werden.
Alternativ oder ergänzend kann der Hub des Kolbens dadurch vergrößert werden, dass der Kolben beim Ausfahren nicht die Position A, sondern die Position C einnimmt, die näher an der Düsenbohrung liegt, über welche der Tropfen ausgetragen wird.
Sofern im zweiten Schritt der Kolben soweit ausfährt bzw. ausgefahren wird, dass er die Position C einnimmt, wird in Weiterbildung der Erfindung
vorgeschlagen, dass in einem sich an den zweiten Schritt anschließenden dritten Schritt der Piezoaktor teilweise entladen wird, so dass sich der Kolben aus der Position C zurückzieht und wieder die Position A einnimmt. Das heißt, dass im dritten Schritt der Kolben in seine Ausgangsposition (Position A) zurückgestellt wird. Der dritte Schritt ist demnach nur erforderlich, wenn im zweiten Schritt der Kolben über die Position A hinaus ausfährt bzw. ausgefahren wird. Das Überfahren der Position A im zweiten Schritt und die anschließende
Rückstellung des Kolbens im dritten Schritt weisen ferner den Vorteil auf, dass flüssiger Werkstoff, der nach dem Ablösen eines Tropfens außerhalb der Düsenbohrung verbleibt, in die Düsenbohrung zurückgezogen wird. Auf diese Weise können für eine Erhöhung der Tropfenfrequenz optimale hydraulische Verhältnisse geschaffen werden. Beispielsweise kann die Tropfenfrequenz auf 500 Hz und darüber gesteigert werden.
Bevorzugt wird zum Laden des Piezoaktors eine elektrische Ladung verwendet, die maximal 500 pC, vorzugsweise maximal 400 pC, weiterhin vorzugsweise etwa 300 pC beträgt. Das heißt, dass die elektrische Ladung vergleichsweise niedrig ist. Denn aus dem Stand der Technik sind Verfahren bekannt, die elektrische Ladungen von etwa 700 pC einsetzen. Da bei dem vorgeschlagenen Verfahren der Piezoaktor selbst dann geladen ist, wenn sich der Kolben in Ruhestellung, das heißt in seiner Ausgangsposition (Position A) befindet, wirkt sich die niedrige elektrische Ladung positiv aus.
Des Weiteren bevorzugt zieht sich der Kolben im ersten Schritt möglichst schnell aus der Ausgangsposition (Position A) zurück. Dies kann dadurch bewirkt werden, dass an den Piezoaktor nur eine geringe oder keine Spannung angelegt wird. Alternativ kann - wie bereits erwähnt - auch eine negative Spannung angelegt werden. Ziel sollte eine sehr dynamische Rückzugsbewegung des Kolbens sein, um die Entstehung eines Unterdruckgebiets zu fördern. Ein kleiner Kolbenhub ist dabei zielführend, so dass noch vor dem Zusammenfallen der im Unterdruckgebiet entstandenen Gasblasen der Kolben wieder ausgefahren werden kann. Beim Ausfahren im zweiten Schritt sollte sich der Kolben ebenfalls so dynamisch wie möglich bewegen, um über die Kolbengeschwindigkeit einen hohen Druckstoß zu realisieren. Auf diese Weise wird der Kolben mit hoher Geschwindigkeit in die im Unterdruckgebiet entstandenen Gasblasen gestoßen, so dass über einen vergleichsweise kleinen Kolbenhub ein hoher Druckaufbau bewirkbar ist. Durch die gesteigerte Dynamik kann zusätzlich die
Tropfengeschwindigkeit erhöht werden, was bei der Bahnsteuerung von Vorteil ist. Sofern im zweiten Schritt der Kolben nicht zugleich in seine Ausgangsposition zurückgestellt wird, kann dies in einem dritten Schritt nachgeholt werden, wobei der Kolben wiederum nur wenig bewegt wird.
Bevorzugt wird der Kolben beim Zurückziehen und/oder Ausfahren maximal 50 pm, vorzugsweise maximal 25 pm, weiterhin vorzugsweise maximal 1 pm bewegt. Die kleinen Kolbenbewegungen bzw. -hübe ermöglichen den Einsatz einer weniger leistungsstarken Leistungselektronik. Ferner werden nach einer Kolbenbewegung entstehende, unerwünschte Schwingungen reduziert.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass über den Hub des Kolbens die
Tropfengröße eingestellt wird. Beispielsweise kann die Tropfengröße dadurch vergrößert werden, dass sich der Kolben im ersten Schritt über die Position B hinaus zurückzieht. Alternativ oder ergänzend kann der Kolben im zweiten Schritt über die Position C hinaus ausfahren. Zum Verkleinern der Tropfengröße kann sich der Kolben im ersten Schritt auf eine Position zurückziehen, die noch vor der Position B liegt, so dass er die Position B nicht erreicht. Alternativ oder ergänzend kann der Kolben im zweiten Schritt nur bis Position A ausfahren bzw. ausgefahren werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 2 a) bis c) jeweils einen vergrößerten Ausschnitt der Fig. 1 im Bereich der Düse bei unterschiedlichen Kolbenpositionen,
Fig. 3 a) bis e) jeweils einen vergrößerten Ausschnitt der Fig. 1 im Bereich der Düse bei unterschiedlichen Kolbenpositionen und
Fig. 4 die graphische Darstellung des Verlaufs a) der elektrischen Ladung des Piezoaktors, b) des Kolbenhubs und c) des Drucks im Kompressionsraum jeweils während einer Ladungsperiode. Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Die in der Fig. 1 dargestellte Vorrichtung dient der generativen Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks aus einem flüssigen, insbesondere verflüssigten Werkstoff. Die Vorrichtung ist insbesondere zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet.
Die dargestellte Vorrichtung umfasst einen in einem Gehäuse 10 hin- und herbeweglich aufgenommenen Kolben 2, der einen Kompressionsraum 4 begrenzt. Der Kompressionsraum 4 ist mit einem flüssigen Werkstoff, z. B. mit einer Aluminiumschmelze, befüllt bzw. befüllbar. Der Kompressionsraum 4 ist hierzu über einen radialen Spalt 5 zwischen dem Kolben 2 und einer
Kolbenführung 6 mit einem Reservoir 7 für den flüssigen Werkstoff verbunden. Über einen Füllstutzen 9 wird das Reservoir 7 mit der Schmelze befüllt.
An das Gehäuse 10 ist eine Düse 12 mit einer Düsenbohrung 3 angesetzt, über die der flüssige Werkstoff in Form einzelner Tropfen 8 austragbar ist. Zum Austragen eines Tropfens 8 wird im Kompressionsraum 4 ein Druckpuls erzeugt, der zu einem Tropfenausstoß führt. Der Druckpuls wiederum wird durch eine hochdynamische Bewegung des Kolbens 2 in Richtung der Düsenbohrung 3 bewirkt.
Zum Bewegen des Kolbens 2 ist ein Piezoaktor 1 vorgesehen, der mit dem Kolben 2 über eine Kolbenstange 11 wirkverbunden ist. Wird der Piezoaktor 1 elektrisch geladen, längt sich dieser und der Kolben 2 fährt aus, so dass er tiefer in den Kompressionsraum 4 eintaucht. Dies führt zur Ausbildung eines
Druckpulses. Die Rückstellung des Kolbens 2 wird mit Hilfe einer Feder (nicht dargestellt) bewirkt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren geht dem eigentlichen Kolbenhub zur Erzeugung des Druckpulses ein Zurückziehen des Kolbens 2 voraus. Hierzu wird der Piezoaktor 1 zunächst entladen und dann wieder geladen. Wie beispielhaft in der Fig. 2a dargestellt befindet sich der Kolben 2 zu Beginn einer Ladungsperiode in seiner Ausgangsstellung, und zwar in der Position A.
Der Piezoaktor 1 wird in einem ersten Schritt entladen, so dass sich der Kolben 2 aus der Position A in eine Position B zurückzieht. Dies ist in der Fig. 2b dargestellt. Dabei entsteht im Kompressionsraum 4 ein Unterdruckgebiet, in das flüssiger Werkstoff nachströmt. In einem zweiten Schritt, der in der Fig. 2c dargestellt ist, wird der Piezoaktor 1 erneut geladen, so dass der Kolben 2 wieder seine Ausgangsstellung bzw. die Position A einnimmt. Dabei wird ein Druckpuls erzeugt, der zum Austragen eines Teils des flüssigen Werkstoffs über die Düsenbohrung 3 in Form eines einzelnen Tropfens 8 führt.
In der Fig. 4 sind beispielhaft die Verläufe der Ladungskurve (Fig. 4a), des Kolbenhubs (Fig. 4b) und des Drucks im Kompressionsraum 4 (Fig. 4c) während einer Ladungsperiode dargestellt.
Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nachfolgend anhand der Figuren 3a bis 3e erläutert.
Analog dem zuvor beschriebenen Verfahren wird der geladene Piezoaktor 1 zunächst in einem ersten Schritt entladen, so dass sich der Kolben 2 aus der Position A (Fig. 3a) in die Position B (Fig. 3b) zurückzieht. In einem zweiten Schritt wird dann der Piezoaktor 1 erneut geladen, so dass der Kolben 2 wieder ausfährt, wobei er zunächst in die Position A zurückgestellt wird (Fig. 3c), aber dort nicht verharrt, sondern weiter bis in eine Position C ausfährt (Fig. 3d), so dass ein besonders hoher Druckpuls erzeugt wird. Anschließend wird in einem dritten Schritt der Piezoaktor 1 soweit entladen, dass der Piezoaktor 1 sich auf seine anfängliche Länge zusammenzieht und der Kolben 2 wieder seine
Ausgangsstellung bzw. die Position A einnimmt (Fig. 3e). Flüssiger Werkstoff, der sich außerhalb der Düsenbohrung 3 befindet, wird dabei zurück in die Düsenbohrung 3 gezogen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen
Werkstücks aus einem flüssigen, insbesondere verflüssigten, Werkstoff, bei dem mit Hilfe eines Piezoaktors (1) ein Kolben (2) bewegt wird und über die
Bewegung des Kolbens (2) ein Druckpuls erzeugt wird, der zum tropfen- oder ligamentförmigen Austragen des flüssigen Werkstoffs über eine
Düsenbohrung (3) genutzt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass zum Erzeugen eines Druckpulses ein geladener Piezoaktor (1)
- in einem ersten Schritt ganz oder teilweise entladen wird, so dass sich der Kolben (2) aus einer Position (A) zurückzieht und eine Position (B) einnimmt, die von der Düsenbohrung (3) weiter entfernt ist, und
- in einem zweiten Schritt wieder geladen wird, so dass der Kolben (2) aus der Position (B) ausfährt und erneut die Position (A) oder eine Position (C) einnimmt, die näher an der Düsenbohrung (3) als die Position (A) liegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (2) mittels der Federkraft einer Feder in Richtung des Piezoaktors (1) vorgespannt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass während des ersten Schritts an den entladenen Piezoaktor (1) eine negative Spannung angelegt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass in einem sich an den zweiten Schritt
anschließenden dritten Schritt der Piezoaktor (1) teilweise entladen wird, so dass sich der Kolben (2) aus der Position (C) zurückzieht und wieder die Position (A) einnimmt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass zum Laden des Piezoaktors (1) eine elektrische Ladung verwendet wird, die maximal 500 pC, vorzugsweise maximal 400 pC, weiterhin vorzugweise etwa 300 pC beträgt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (2) beim Zurückziehen und/oder Ausfahren maximal 50 pm, vorzugsweise maximal 25 pm, weiterhin
vorzugsweise maximal 1 pm bewegt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass über den Hub des Kolbens (2) die Tropfen- oder Ligamentgröße eingestellt wird.
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