DE20005997U1

DE20005997U1 - Drop-on-demand Tropfenausstoßvorrichtung

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Publication number: DE20005997U1
Application number: DE20005997U
Authority: DE
Original assignee: Generis GmbH
Current assignee: Voxeljet GmbH
Priority date: 2000-04-04
Filing date: 2000-04-04
Publication date: 2000-09-21
Anticipated expiration: 2010-04-05

Description

Drop-on-Demand Tropfenausstoßvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Drop-on-Demand Tropfenausstoßvorrichtung.

Drop-on-Demand Tropfenausstoßvorrichtungen sind bekannt aus dem. Tintendruck. Sie finden ausserdem Verwendung z.B. bei der Dosierung von Flüssigkeiten, beim Auftragen von Lacken und in Rapid-Prototyping Verfahren, bei denen in ausgewählten &iacgr;&ogr; Bereichen ein Bindemittel, ein Härter oder ein Baumaterial flüssig aufgetragen wird.

Bei herkömmlichen Drop-on-Demand Tropfenausstoßvorrichtungen ist eine Kammer an einen Flüssigkeitsvorrat angeschlossen. In der Kammerwandung ist eine Tropfenausstoßdüse ausgebildet. In der Kammer ist ein piezoelektrischer Wandler angeordnet, der mit Spannungspulsen beaufschlagt wird. Die daraufhin erfolgende Verformung des piezoelektrischen Wandlers führt dazu, dass durch die Düse ein Flüssigkeitstropfen ausgestoßen wird.

Bei einer aus WO 95/05943 bekannten Vorrichtung ist die Düse von einem sich verjüngenden Kanalende gebildet. Dem Kanalende, vorgelagert ist ein zylinderförmiger Kanal, der von einem als Aktor dienenden Piezoröhrchen umgeben ist. Zum Tropfenausstoß wird das Piezoröhrchen zusammengezogen.

Mit dieser Tropfenausstoßvorrichtung ist kein befriedigender Tropfenausstoß erzielbar, wenn dickflüssige Materialien verspritzt werden sollen, wie z.B. flüssiges Wachs.

Alternativ zu Piezoröhrchen werden Piezobiegewandler verwendet. Piezobiegewandler sind mehrschichtig aufgebaute Piezowandler-Strukturen, bei denen aufgrund des Spannungspulses eine der Schichten parallel zur Schichtgrenze gedehnt wird. Infolgedessen kommt es zu einer Biegung des Schichtaufbaus um eine Achse parallel zur Schichtgrenze und senkrecht zu der Dehnrichtung. Ein Piezozungenwandler ist ein Piezobiegewandler in Gestalt einer Piezozunge, d.h. einer Platte, deren eines

Ende fest eingespannt ist und deren anderes Ende durch Anlegen von Spannungspulsen auslenkbar ist.

DE 25 27 647 C3 zeigt eine Drop-on-Demand Tropfenausstoßvorrichtung mit einem Piezozungenwandler als Aktor. Die Piezozunge liegt dabei über ihre gesamte Länge an der Kammerwandung an. Im Bereich des auslenkbaren Endes der Piezozunge ist eine die Kammerwandung durchtretende,Düse angeordnet.

Aus DE 196 26 428 Al sind Vorrichtungen bekannt, bei denen eine Piezozunge ein Feld von mehreren Düsen beaufschlagt. Bei einer aus Figuren IA₁ B der DE 196 26 428 Al ersichtlichen Ausführungsform ist die Piezozunge derart angeordnet, dass deren nicht eingespannter Teil frei auskragt und über seine gesamte Länge mit einem Abstand zur Kammerwandung verläuft.

Bei einer aus Figuren 2A, B der DE 196 26 428 Al ersichtlichen Ausführungsform liegt das äußerste Ende des nicht eingespannten Teils des Piezozungenwandlers an einem an der Innenseite der Kammerwand ausgebildeten Vorsprung an, der von den Düsen des Düsenfelds durchtreten ist.

Aus Figur 13A der DE 196 26 428 Al ist eine Ausführungsform ersichtlich, bei der an der Innenseite der Kammerwand ein Vorsprung mit einem Düsenfeld von 80 dicht beieinander angeordneten Düsen vorgesehen ist. Der Vorsprung und das Düsenfeld erstrecken sich etwa von der Mitte des nicht eingespannten Teils des Piezozungenwandlers bis annähernd zu dem Ende des nicht eingespannten Teils des Piezozungenwandlers.

Bei diesen Ausführungsformen von Piezozungenwandlern lässt sich mit dickflüssigen Materialien ebenfalls kein regelmäßiger und exakter Tropfenausstoß erzielen.

Mit der Erfindung wird die Aufgabe gelöst, eine Drop-on-Demand Tropfenausstoßvorrichtung zu schaffen, mit der eine zuverlässige Tropfenbildung und ein störungsfreier Betrieb beim

Verspritzen von Materialien höherer Viskosität gewährleistet ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst mit einer Drop-on-Demand Tropfenausstoßvorrichtung, aufweisend eine mit einem Fluidvorrat in Verbindung stehende Kammer und einen einseitig eingespannten in der Kammer angeordneten Piezozungenwandler, dessen nicht eingespannter Teil zum Tropfenausstoß zu einer in der Kammerwandung ausgebildeten Einzeldüse hin auslenkbar ist, wobei der nicht eingespannte Teil einen an den eingespannten Teil anschließenden ersten Abschnitt aufweist, der von der Kammerwandung beabstandet verläuft und einen an diesen anschließenden und sich bis zu der Einzeldüse hin erstreckenden zweiten Abschnitt aufweist, der an eine geschlossene Anflutflache der Kammerwandung flächig anlegbar ist, wobei die Länge des zweiten Abschnitts 30% bis 250%, vorzugsweise 50% bis 150%, weiter vorzugsweise 70% bis 90%, der Länge des ersten Abschnitts beträgt.

Unter Einzeldüse ist zu verstehen, dass von demselben Piezozungenwandler nur eine Düse beaufschlagt wird. Es ist möglich, dass mehrere Piezozungenwandler mit jeweils zugeordneten Einzeldüsen vorgesehen sind.

Der erste Abschnitt des nicht eingespannten Teils des Piezozungenwandlers ist von der Kammerwandung beabstandet, unabhängig davon, ob der Piezozungenwandler zu der Einzelaüse hin oder von dieser weg ausgelenkt ist. Dabei genügt es, wenn die wesentliche Fläche des ersten Abschnitts von der 0 Kammerwandung beabstandet ist. Es ist erfindungsgemäß möglich, dass einzelne Abstützstellen vorgesehen sind, an denen der erste Abschnitt und die Kammerwandung einander berühren, wenn der zweite Abschnitt an der Anflutflache anliegt.

Unter einer geschlossenen Anflutflache ist im Sinne der Erfindung eine Fläche zu verstehen, an der keine die Kammerwandung durchtretenden Düsen münden. Es können durchaus Unebenheiten oder die Anflutungsbewegung kanalisierende

Ausnehmungen, z.B. parallel zu der Auskragrichtung des Piezozungenwandlers verlaufende Kanäle, vorgesehen sein. Bevorzugt ist die Anflutflache glatt und eben ausgebildet.

Flächiges Anlegen des ersten Abschnitts des nicht eingespannten Teils des Piezozungenwandlers an die Anflutfläche bedeutet Anlegen des ersten Abschnitts über dessen wesentliche Länge. Flächiges Anlegen schließt dabei nicht aus, dass im Bereich von Unebenheiten und Ausnehmungen noch Lücken zwischen dem Piezozungenwandler und der Anflutfläche verbleiben.

Bevorzugt weist der erste Abschnitt von der Kammerwandung einen Abstand von 50 bis 300, vorzugsweise von 100 bis 200 Mikrometer auf, wenn der zweite Abschnitt an der Anflutfläche anliegt.

Die Einzeldüse kann erfindungsgemäß z.B. zylinderförmig ausgebildet sein. Bevorzugt ist die Einzeldüse kegelförmig ausgebildet.

Weiter bevorzugt weist die Drop-on-Demand Tropfenausstoßvorrichtung eine in der Kammerwandung ausgebildete schließbare Entgasungsöffnung auf. Bevorzugt ist eine Heizvorrichtung vorgesehen, so dass schmelzbare Wachse verspritzbar sind.

Die Kammerwandung ist bevorzugt aus einem gut wärmeleitenden Material, z.B. Metall, weiter bevorzugt aus Messing, gefertigt.

Erfindungsgemäß ist ferner eine Vorrichtung zum Erzeugen von Bauteilen vorgesehen, die eine Drop-on-Demand Tropfenausstoßvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung aufweist. Diese Vorrichtung kann ferner z.B. eine verfahrbare Bauplattform, eine XY-Verfahrvorrichtung zum Verfahren der Tropfenausstoßvorrichtung, eine Glättvorrichtung und/oder eine Steuervorrichtung aufweisen.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung

zeigt:

Figur 1 eine geschnittene Prinzipdarstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Drop-on-Demand Tropfenausstoßvorrichtung;

Figur 2A eine kammerseitige Draufsicht auf einen Gehäusetopf gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Drop-on-Demand Tropfenausstoßvorrichtung;

Figur 2B eine Schnittdarstellung des Gehäusetopfs aus Figur 2A entlang der Linie B-B;

Figur 2C eine perspektivische Darstellung des Gehäusetopfs aus Figur 2A;

Figur 3A eine kammerseitige Draufsicht auf einen Gehäusedeckel gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Drop-on-Demand Tropfenausstoßvorrichtung;

Figur 3B eine Schnittdarstellung des Gehäusedeckels aus Figur 3A entlang der Linie C-C; und

Figur 3C eine perspektivische Darstellung des Gehäusedeckels aus Figur 3A.

Aus Figur 1 ist der prinzipielle Aufbau einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Drop-on-Demand Tropfenausstoßvorrichtung ersichtlich. Eine Kammer 1 ist über eine Zuführleitung 15 an einen Flüssigkeitsvorrat (nicht gezeigt) angeschlossen. In der Kammerwandung ist eine Einzeldüse 11 ausgebildet. In der Kammer 1 ist ein Piezozungenwandler 2 angeordnet, dessen nicht eingespannter Teil 21 zum Tropfenäusstoß von der Einzeldüse 11 weg bzw. zu dieser hin auslenkbar ist. Die Auslenkbewegung ist durch einen Doppelpfeil angedeutet. Aus Figur 1 ist die Stellung des Piezozungenwandlers 2 ersichtlich, in der dieser zu der Einzeldüse 11 hin bewegt ist. Der nicht eingespannte Teil 21

weist einen an den eingespannten Teil 25 anschließenden ersten Abschnitt 22 und einen an diesen anschließenden und sich bis zu der Einzeldüse 11 hin erstreckenden zweiten Abschnitt 23 auf. Der erste Abschnitt 22 erstreckt sich von der Kaminerwandung beabstandet parallel zu dieser. Im Bereich des zweiten Abschnitts 23 ist an der Kammerwandung ein ins Kammerinnere vorstehender Bereich mit einer geschlossenen Anflutflache ausgebildet. Im Rahmen der Tropfenausstoßbewegung des Piezozungenwandlers ist der zweite Abschnitt 23 an die &iacgr;&ogr; Anflutflache 12 der Kammerwandung flächig anlegbar. Aus Figur ist die Stellung des Piezozungenwandlers 2 ersichtlich, in der der zweite Abschnitt 23 an der Anflutflache 12 anliegt. Die Länge des zweiten Abschnitts 23 beträgt 2/3, d.h. 66,6 % der Länge des ersten Abschnitts 22.

Die beschriebene Drop-on-Demand Tropfenausstoßvorrichtung arbeitet wie folgt: Die Kammer 1 wird mit dem zu verspritzenden Medium befüllt. Der Piezozungenwandler 2 wird über elektrische Leitungen und eine Steuervorrichtung (nicht gezeigt) von der Einzeldüse 11 weg ausgelenkt. Medium fließt in den Bereich· zwischen dem nicht eingespannten Teil 21 des Piezozungenwandlers 2 und der Kammerwandung, insbesondere in den Bereich zwischen dem ersten Abschnitt 22 und der Kammerwandung. Dann wird der Piezozungenwandler 2 zu der .

Einzeldüse 11 hin ausgelenkt. Das Volumen des Bereichs zwischen dem nicht eingespannten Teil 21 des Piezozungenwandlers 2 und der Kammerwandung wird dadurch vermindert. Das Medium wird verdrängt. Da die Öffnung der Einzeldüse die nächste Ausweichmöglichkeit bietet, fließt das Medium zu dieser hin.

Insbesondere wird das zwischen dem ersten Abschnitt 22 und der Kammerwandung vorhandene Medium zu dem Bereich zwischen dem zweiten Abschnitt 23 und der Anflutflache 12 hin gedrückt. Mit fortschreitender Auslenkbewegung wird gleichzeitig der Raum zwischen dem zweiten Abschnitt 23 und der Anflutfläche 12 immer geringer und zunehmend Medium aus dem Bereich des ersten Abschnitts 22 zugeführt. Das Medium wird daher immer stärker zu der Einzeldüse 11 hin beschleunigt und schließlich mit hoher Strömungsenergie durch diese gedrückt. Auch bei hoher

Viskosität kommt es zu einem zuverlässigen Tropfenausstoß. Über die Zuführleitung 15 wird dann aus dem (nicht gezeigten) Flüssigkeitsvorrat Medium nachgeführt.

Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, weist die Zuführleitung 15 an ihrem der Kammer 1 zugewandten Ende eine Drosselstelle 16 auf. In der Kammerwandung ist eine Entgasungsöffnung 3 ausgebildet. Diese ist schließbar (nicht gezeigt). Die Kammer 1 hat einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt. Die Einzeldüse 11 und die Anflutflache 12 sind an der in Figur 1 unteren Seite des Querschnitts ausgebildet. Der eingespannte Teil 25 des Piezozungenwandlers 2 ist in Figur 1 rechts von der Kammer 1 angeordnet. Der nicht eingespannte Teil 21 erstreckt sich über etwa drei Viertel der Kammerlänge und nimmt etwa die halbe Kammerhöhe ein. Die Zuführleitung 15 mündet in der in Figur 1 rechten oberen Ecke des rechteckigen Querschnitts, d.h. oberhalb des Übergangs vom eingespannten Teil 25 zu dem nicht eingespannten Teil 21 des Piezozungenwandlers. Die Entgasungsöffnung 3 mündet an der Oberseite des rechteckigen Querschnitts der Kammer 1 etwa gegenüber dem freien Ende des Piezozungenwandlers 2.

Die Kammerwandung ist von Bauteilen aus Messing gebildet. Die Kammerlänge beträgt 7,5 mm, die Kammerhöhe insgesamt 1,5 mm, die Kammerbreite 3 mm. Der Abstand von der Anflutflache 12 bis zum Kammerboden beträgt 0,15 mm. Der erste Abschnitt 22 hat eine Länge von 3,3 mm, der zweite Abschnitt 23 eine Länge von 2,7mm

Ferner weist die bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Tropfenausstoßvorrichtung eine (nicht gezeigte) Heizvorrichtung auf, so dass schmelzbare Wachse verspritzbar sind.

Wie aus den Figuren 1, 2A, B, C und 3A, B, C ersichtlich ist, ist die Kammer von einem Gehäusetopf 13 und einem Gehäusedeckel 14 gebildet. Der Gehäusetopf 13 und der Gehäusedeckel 14 sind mittels einer Dichtung (nicht gezeigt) gegeneinander

• ·

abgedichtet und miteinander verschraubt. Der eingespannte Teil 25 des Piezozungenwandiers 2 ist eingespannt, indem er zwischen dem Gehäusetopf 13 und dem Gehäusedeckel 14 eingeklemmt ist.

Claims

1. Drop-on-Demand Tropfenausstoßvorrichtung, aufweisend eine mit einem Fluidvorrat in Verbindung stehende Kammer (1) und einen einseitig eingespannten in der Kammer (1) angeordneten Piezozungenwandler (2), dessen nicht eingespannter Teil (21) zum Tropfenausstoß zu einer in der Kammerwandung ausgebildeten Einzeldüse (11) hin auslenkbar ist, wobei der nicht eingespannte Teil (21) einen an den eingespannten Teil (25) anschließenden ersten Abschnitt (22) aufweist, der von der Kammerwandung beabstandet verläuft und einen an diesen anschließenden und sich bis zu der Einzeldüse (11) hin erstreckenden zweiten Abschnitt (23) aufweist, der an eine geschlossene Anflutfläche (12) der Kammerwandung flächig anlegbar ist, wobei die Länge des zweiten Abschnitts (23) 30% bis 250%, vorzugsweise 50% bis 150%, weiter vorzugsweise 60% bis 90%, der Länge des ersten Abschnitts (22) beträgt.

2. Drop-on-Demand Tropfenausstoßvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der erste Abschnitt (22) von der Kammerwandung einen Abstand von 50 bis 300, vorzugsweise von 100 bis 200 Mikrometer aufweist, wenn der zweite Abschnitt (23) an der Anflutfläche (12) anliegt.

3. Drop-on-Demand Tropfenausstoßvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Einzeldüse (11) kegelförmig ausgebildet ist.

4. Drop-on-Demand Tropfenausstoßvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, aufweisend eine in der Kammerwandung ausgebildete schließbare Entgasungsöffnung (3).

5. Drop-on-Demand Tropfenausstoßvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, aufweisend eine Heizvorrichtung.

6. Vorrichtung zum Erzeugen von Bauteilen aufweisend eine Drop- on-Demand Tropfenausstoßvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5.