用于由液态材料增材制造三维工件的方法和设备
阅读说明：本技术 用于由液态材料增材制造三维工件的方法和设备 (Method and apparatus for additive manufacturing of three-dimensional workpieces from liquid material ) 是由 E·迈尔 R·布莱赫尔 P·弗林格 B·施魏策尔 于 2019-09-27 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种用于由液态材料(1)增材制造三维工件的方法,其中,液态材料(1)被供应给排挤室(2)并且借助压力脉冲经由喷射孔(4)以液滴形状被排出,所述压力脉冲借助限界排挤室(2)的可往复运动的活塞(3)产生。根据本发明,为了优化限界所述排挤室(2)和/或喷射孔(4)的至少一个表面(5,6)的润湿特性,在时间上受限地借助为此被置于振动中的活塞(3)将声波耦入所述液态材料(1)中。本发明还涉及一种用于执行根据本发明的方法的设备。(The invention relates to a method for additive manufacturing of a three-dimensional workpiece from a liquid material (1), wherein the liquid material (1) is supplied to a displacement chamber (2) and is discharged in the form of droplets via a spray opening (4) by means of pressure pulses, which are generated by means of a piston (3) that delimits the displacement chamber (2) and can be moved back and forth. According to the invention, sound waves are coupled into the liquid material (1) in a time-limited manner by means of a piston (3) which is set in vibration for this purpose, in order to optimize the wetting behavior of at least one surface (5,6) bounding the displacement chamber (2) and/or the injection openings (4). The invention also relates to a device for carrying out the method according to the invention.)
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1前序部分所述的用于由液态的、尤其液化的材料增材制造三维工件的方法。本发明还涉及一种用于执行该方法的设备。
增材制造方法尤其包括3D打印，其中，液态或固态材料逐层构建成三维工件。因此，当前尤其提出了一种用于3D打印的方法和设备，其中，然而应仅使用液态的或液化的材料。
背景技术
由公开文献DE 10 2016 224 047 A1例如已知一种用于3D打印机、尤其是金属打印机的打印头，所述打印头具有构造在壳体中的、用于容纳金属的储存器。该储存器包括用于熔化或液化的金属的熔化区域和挤出室，其中，熔化区域和挤出室这样地连接，使得通过活塞的移动促使液化的金属穿过排出开口。在此，液化的金属以液滴形状被排出。
使用上述类型的打印头的3D打印方法也称为“按需供墨”方法。在此，液滴形成的可重复性是特别的挑战。
液态或液化的金属具有相对较高的表面张力。此外，如果液态金属与难以润湿的表面，例如粗糙表面接触，则表面摩擦或者说表面附着很小。关于由在打印头的排出开口内形成的液态金属构成的液柱，该效应可能导致液柱的速度轮廓不再是轴对称的，并且在排出开口的端部处形成的由液态金属构成的液滴不受控地偏转。
发明内容
因此，本发明所基于的任务是，给出一种用于由液态、尤其液化的材料增材制造三维工件的方法，该方法能够实现受控的液滴输出并且从而能够实现液滴形成的高度的可重复性。
为了解决该任务，提出了具有权利要求1特征的方法以及具有权利要求7特征的设备。本发明的有利扩展方案从各从属权利要求中得出。
在所提出的用于由液态材料增材制造三维工件的方法中，液态材料被供应给排挤室并且借助压力脉冲经由喷射孔以液滴形状排出。在此，压力脉冲借助限界排挤室的可往复运动的活塞产生。根据本发明，为了优化限界排挤室和/或喷射孔的至少一个表面的润湿特性，在时间上受限地将声波耦入液态材料中，更确切地说借助为此被置于振动中的活塞。
声波将液态材料压到表面的现有的空穴中，使得以液态材料填充这些空穴。由此，液态材料和表面之间的接触面增大并且表面摩擦或者说表面附着提高。开头所提及的在液态材料从喷射孔排出时不希望的液滴偏转或不受控的液滴输出的问题能够以这种方式避免或至少明显减少。
当使用具有大表面张力的液态材料时，所提出的方法的优点尤其明显地显露出来。因此，所提出的方法优选应用于由液态或液化的金属增材制造三维工件。液态金属例如可以是铝或铝合金。
此外，当限界排挤室和/或喷射孔的至少一个表面比较粗糙时，所述优点特别明显地显露出来。例如，当形成喷射孔的体由多孔陶瓷制成时，就是这种情况。该体被证明为特别疏远液体的、尤其是疏远金属或疏远铝的。借助根据本发明的方法可以改善体表面的可润湿性。
有利地，仅局部受限地改善表面的可润湿性，具体而言优先在喷射孔的区域中和/或在位于喷射孔之前的区域中，以便在这些区域中实现轴对称的管通流。优选地，实现具有抛物线速度轮廓的管通流。相反地，沿流动方向在喷射孔之后，表面的小润湿性作为优点起作用，因为其促进液滴的快速且可靠的脱落。因此，沿流动方向位于喷射孔之后的表面优选具有疏远液体的、尤其是疏远金属或疏远铝的特性。因为借助活塞耦入的声波仅在排挤室中和在喷射孔中传播，所以在根据本发明的方法中也仅在限界排挤室或喷射孔的表面的可润湿性方面修改所述表面。
优选地，声波在产生用于排出液态材料的压力脉冲之前借助活塞被耦入，例如在开始真正的打印过程之前的初始化过程期间。仅须保证，在排挤室中存在液态材料。优选地，排挤室已经完全被填充以液态材料。通过声波在初始化过程期间耦入，保证了声波不损害真正的打印过程。
此外优选地，声波在≤10s、优选≤5s、进一步优选≤1s的时间段上被耦入。因此，声波的耦入导致几乎不明显地延迟真正的打印过程，使得该方法步骤基本上对该方法的效率不产生影响。
在此，活塞优选被置于具有＞1kHz的频率的振动中，即被置于对于真正的打印过程而言过高的频率中。由此保证，不会导致液态材料从喷射孔提前不受控地排出。因为喷射孔通常不被关闭元件关闭。
优选地，活塞被置于具有≥4kHz、进一步优选≥20kHz的频率的振动中，即被置于高频振动中。借助活塞的高频振动可以产生声波、尤其是超声波，所述声波导致，存在的空穴完全被填充以液态材料。
优选地，借助促动器，例如借助磁致伸缩的、压电陶瓷的和/或磁性的促动器使活塞置于振动中。在此，尤其可以是这样的促动器，借助该致动器使活塞往复运动，以便产生对于排出液态材料所需的压力脉冲。以这种方式可以节省促动器。
在本发明的扩展方案中提出，通过声波的耦入在液态材料中产生气泡。气泡可以在限界排挤室和/或喷射孔的至少一个表面的区域中引起内爆，使得表面通过内爆的气泡而被平滑。这意味着，通过气蚀而有针对性地实现原始粗糙表面的平整，其中，所述平整或者说平滑导致液态材料和表面之间的接触面的希望的增大。因为以这种方式不能消除所有空穴，所以作为对气蚀的补充利用了以液态材料填充表面空穴的优点。因为两个效果能够通过声波的耦入实现，所以两个效果可以同时被利用。
此外，为了解决开头所述的任务而提出的设备包括能填充以液态材料的排挤室，该排挤室在一侧被可往复运动的活塞限界，而在另一侧被具有喷射孔的陶瓷体限界。在此，陶瓷体具有限界排挤室和/或喷射孔的至少一个表面，该表面具有暂时被修改的可润湿性。通过使用用于执行根据本发明的方法的设备来实现该暂时被修改的可润湿性。因此，然后出现之前结合所述方法所说明的效果或优点。
因此，所提出的设备优选用于执行根据本发明的方法。
因为喷射孔构造在陶瓷体中，所以该喷射孔被至少一个较粗糙的表面限界。通过根据本发明的方法使声波耦入，可以改善表面的可润湿性，使得在喷射孔中存在具有轴对称的速度轮廓的管通流。即避免了液柱在自由射束中、即在喷射孔出口之后的偏转。在此形成的液滴的下落线因此相应于喷射孔轴线。
优选地，所述设备的喷射孔具有D≤500μm、优选≤300μm、进一步优选≤100μm的直径。因此，喷射孔也可以称为毛细管。然而，不会形成在毛细管中出现的、可能导致液态材料不受控地从喷射孔流出的力，使得不须关闭喷射孔。喷射孔的相对较小的直径导致小的液滴直径，该液滴直径能够实现三维工件的非常精确的制造。
此外优选地，活塞与促动器，例如磁致伸缩的、压电陶瓷的和/或磁性的促动器作用连接，使得活塞能够借助促动器置于振动中和/或往复运动。优选地，使用同一促动器，用于振荡激励并且用于活塞的往复运动，使得可以节省促动器。
附图说明
在下面根据附图详细地阐述本发明。附图示出了：
图1根据本发明的用于由液态材料增材制造三维工件的设备的剖视图，
图2图1的设备的喷射孔的示意性纵截面，
图3图1的设备的喷射孔的另一示意性纵截面，
图4在液态材料与形成喷射孔的陶瓷体的接触区域中的放大的截面示图，
图5在液态材料与形成喷射孔的陶瓷体的接触区域中的第二放大的截面示图，和
图6在液态材料与形成喷射孔的陶瓷体的接触区域中的第三放大的截面示图。
具体实施方式
图1示例性地示出根据本发明的用于由液态的、尤其液化的材料增材制造三维工件的设备的一个优选实施方式。该设备尤其适合于执行根据本发明的方法。在此，所示的设备当前是3D打印机或3D打印机的打印头。
设备的组成部分是壳体10和可往复运动地接收在壳体10中的活塞3，该活塞限界构造在壳体10中的排挤室2。在设备运行中，排挤室2被填充以液态材料1、尤其是液态的或液化的金属，例如铝熔融物。通过活塞3的往复运动能够产生压力脉冲，该压力脉冲导致，液态材料1通过喷射孔4被排出。喷射孔4构造在陶瓷体7中，该陶瓷体具有一个面向排挤室22的第一表面5和一个面向基底室9的第二表面8。喷射孔4被陶瓷体7的表面6限界。当前板状构造的陶瓷体7通过夹紧套筒11与壳体10连接。
构造在陶瓷体7中的喷射孔4在基底空间侧具有小于500μm的直径D。即需要明显的压力脉冲，以便将液态材料1挤压通过狭窄的喷射孔4。压力脉冲借助活塞3产生，为此，该活塞与促动器(未示出)连接。
在液态材料1从喷射孔4排出时，形成离散的液滴，该液滴在陶瓷体7的表面8上脱落并且在自由落体的情况下朝向工件载体运动。在此，在自由落体情况下的下落线理想地相应于喷射孔4的纵轴线，以便能够实现液滴在工件载体上的精确定位。因此，待制造的三维工件在工件载体上逐滴地构建。
因为陶瓷体7由制造决定地是相对多孔的，所以表面5、6和8关于液态材料1具有小的可润湿性，使得在液态材料1和陶瓷体7之间的接触面不是非常大(参见图4)。在面向基底室9的表面8的情况下，这经证明为有利的，因为小的可润湿性促进液滴的快速且均匀的脱落。然而，在表面5和6的情况下，小的可润湿性经证明为不利的，因为液态材料1在表面5、6上的表面摩擦或者说表面附着同时减小。
如在图2和图3中示例性地示出的那样，这可能导致，位于喷射孔4中的、由液态材料1构成的液柱的速度轮廓(通过箭头表示)不是轴对称的，使得从喷射孔4出来的液柱或者说随后形成的液滴被偏转(参见图3)。液滴的自由落体线则不再相应于喷射孔4的纵轴线，使得不再能够精确地定位液滴。
为了防止这种情况，在所提出的方法中在真正的制造过程开始之前执行初始化，在该初始化时借助促动器短时间地激励活塞3用于高频振动。所述高频振动引起液态材料1被压到陶瓷体7的表面5、6的空穴12中，使得这些空穴完全填充有液态材料1(参见图5)。以这种方式，液态材料1和陶瓷体7之间的接触面增大并且从而液态材料1在喷射孔4的区域中的表面摩擦或者说表面附着增大，使得液滴在从喷射孔4排出时偏转的危险明显降低。
此外，通过活塞3的振动激励可以在液态材料1中产生气泡，这些气泡在陶瓷体7的表面5、6上内爆并且通过气蚀导致使粗糙表面5、6变平滑(参见图6)。表面5、6的该平滑或者说平整也有助于改善表面5、6的可润湿性。
当前，在图1中所示的设备的喷射孔4之前存在具有增大的直径D‘的区域，排挤室2延伸到该区域中。因此，前置的区域被表面5限界，该表面的可润湿性也通过使用根据本发明的方法来改善。