DE102016222552A1

DE102016222552A1 - 3D printing process with higher speed and better final strength

Info

Publication number: DE102016222552A1
Application number: DE102016222552.9A
Authority: DE
Inventors: Markus Streicher; Markus Menacher; Hendrik Jahnle
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-11-16
Filing date: 2016-11-16
Publication date: 2018-05-17

Abstract

Verfahren (100) zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts (10) mittels 3D-Druck, mit den folgenden Schritten:aus einem ersten Druckmaterial (21) wird eine Außenstruktur (11) gedruckt (110), die einen Innenraum (12) definiert;in den Innenraum (12) wird ein Füllmaterial (22) mit mindestens einer flüssigen oder pastösen Komponente (23) eingebracht (120), wobei die flüssige oder pastöse Komponente (23) eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des ersten Druckmaterials (21) aufweist und/oder polymerisierbar ist;das Füllmaterial (22) wird durch Abkühlen und/oder durch Polymerisation der flüssigen oder pastösen Komponente (23) verfestigt (130).Method (100) for producing a three-dimensional object (10) by means of 3D printing, comprising the following steps: from a first printing material (21) an outer structure (11) is printed (110) which defines an interior space (12); Interior (12) is a filler (22) with at least one liquid or pasty component (23) introduced (120), wherein the liquid or pasty component (23) has a temperature above the melting point of the first printing material (21) and / or polymerizable The filler material (22) is solidified by cooling and / or by polymerization of the liquid or pasty component (23) (130).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren für den 3D-Druck von Objekten.The present invention relates to a method for the 3D printing of objects.

Stand der TechnikState of the art

Beim 3D-Druck wird ein dreidimensionales Objekt schichtweise aus einem Ausgangsmaterial aufgebaut. Das Ausgangsmaterial kann beispielsweise ein thermoplastisches Material sein, das aus der Düse eines Druckkopfes extrudiert wird. Indem eine Relativbewegung zwischen dem herzustellenden Objekt und dem Druckkopf ausgeführt wird, wird das Ausgangsmaterial genau an den den zum herzustellenden Objekt gehörenden Stellen aufgebracht.In 3D printing, a three-dimensional object is built up layer by layer from a source material. The starting material may be, for example, a thermoplastic material extruded from the nozzle of a printhead. By carrying out a relative movement between the object to be produced and the print head, the starting material is applied exactly to the locations belonging to the object to be produced.

Auf diese Weise lassen sich fast beliebige dreidimensionale Strukturen fertigen. Dies wird damit erkauft, dass 3D-Druck ein vergleichsweise langsames Herstellungsverfahren für Objekte ist. Weiterhin ist es nicht möglich, mit einem Druckkopf verschiedene Materialien im Wechsel zu drucken, so dass die meisten 3D-Drucker nur Objekte herstellen können, die komplett aus einem einzigen Material bestehen. Werden konfligierende Anforderungen an die hergestellten Objekte gestellt, muss daher vielfach eine Kompromisslösung für das beim 3D-Druck zu verwendende Ausgangsmaterial, oder eine teurere und/oder komplexere Anlage mit mehreren Druckköpfen, gewählt werden.In this way, almost any three-dimensional structures can be produced. This is paid for by the fact that 3D printing is a comparatively slow process of producing objects. Furthermore, it is not possible to use a printhead to print different materials alternately, so most 3D printers can only produce objects that are completely made of a single material. If conflicting demands are placed on the manufactured objects, it is therefore often necessary to choose a compromise solution for the starting material to be used in 3D printing, or a more expensive and / or more complex system with multiple print heads.

Aus der US 7 162 325 B2 sowie aus der US 2007 052 752 A1 sind 3D-Drucker mit mehreren Druckköpfen bekannt, die innerhalb einer herzustellenden Schicht gleichzeitig mehrere Materialien drucken können. Dabei können auch die Mechanismen, mit denen diese Materialien jeweils verfestigt werden, unterschiedlich sein.From the US 7 162 325 B2 as well as from the US 2007 052 752 A1 For example, 3D printers with multiple printheads are known that can simultaneously print multiple materials within a single layer. The mechanisms by which these materials are solidified may also be different.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Im Rahmen der Erfindung wurde ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts mittels 3D-Druck entwickelt. Bei diesem Verfahren wird aus einem ersten Druckmaterial eine Außenstruktur gedruckt, die einen Innenraum definiert. In den Innenraum wird ein Füllmaterial mit mindestens einer flüssigen oder pastösen Komponente eingebracht, wobei die flüssige oder pastöse Komponente eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des ersten Druckmaterials aufweist und/oder polymerisierbar ist. Das Füllmaterial wird durch Abkühlen und/oder durch Polymerisation der flüssigen oder pastösen Komponente verfestigt.In the context of the invention, a method for producing a three-dimensional object by means of 3D printing has been developed. In this method, an outer structure is printed from a first printing material, which defines an interior space. In the interior, a filler material is introduced with at least one liquid or pasty component, wherein the liquid or pasty component has a temperature above the melting point of the first printing material and / or is polymerizable. The filler material is solidified by cooling and / or by polymerization of the liquid or pasty component.

Die Funktion des Innenraums ist in diesem Zusammenhang, beim Befüllen mit dem Füllmaterial dessen Ausbreitung räumlich zu begrenzen. Hierfür ist es nicht erforderlich, dass der Innenraum allseitig umschlossen ist. Beispielsweise definiert auch eine aus dem ersten Druckmaterial gefertigte, nach oben offene Wanne einen Innenraum, der mit dem Füllmaterial ausfüllbar ist. Das Füllmaterial ist dann in dieser Wanne gefangen und kann nicht auslaufen.The function of the interior is in this context, when filling with the filling material to limit its spread spatially. For this it is not necessary that the interior is enclosed on all sides. For example, an upwardly open trough made from the first printed material also defines an interior which can be filled with the filling material. The filling material is then trapped in this tray and can not leak.

Somit beinhaltet der Begriff des Einbringens insbesondere, dass das Füllmaterial mit der durch die Außenstruktur vorgegebenen räumlichen Umgrenzung in Kontakt kommt, so dass die Form des Füllmaterials, die sich nach dem Verfestigen einstellt, zumindest teilweise durch diese Umgrenzung festgelegt wird. Zu diesem Zweck kann die Außenstruktur insbesondere bereits verfestigt sein, wenn das Füllmaterial in den Innenraum eingebracht wird.Thus, in particular, the term incorporation means that the filler material contacts the spatial boundary defined by the outer structure, so that the shape of the filling material that sets up after solidification is at least partially defined by this boundary. For this purpose, the outer structure may in particular already be solidified when the filling material is introduced into the interior.

Der Begriff „gedruckt“ schließt jede Fertigung ein, bei der 3D-Druck zum Einsatz kommt. Die Außenstruktur ist also auch im Sinne der Erfindung gedruckt, wenn das erste Druckmaterial beispielsweise in eine Form gegossen wurde, die ihrerseits unmittelbar gedruckt wurde.The term "printed" includes any manufacturing that uses 3D printing. Thus, the outer structure is also printed in accordance with the invention if the first printing material was cast, for example, in a mold which in turn was printed directly.

Während der Herstellung des Objekts können sich die Herstellung der Außenstruktur und das Einbringen des Füllmaterials beliebig häufig abwechseln und wiederholen. So kann beispielsweise zunächst mit dem Druck eines ersten Teils der Außenstruktur begonnen und dieser Teil anschließend mit Füllmaterial ausgefüllt werden. Wenn das Füllmaterial verfestigt ist, stabilisiert es wiederum den ersten Teil der Außenstruktur, so dass hierauf ein zweiter Teil der Außenstruktur aufgesetzt werden kann. Anschließend kann in den durch beide Teile der Außenstruktur sowie durch das bereits verfestigte Füllmaterial umgrenzten Innenraum wiederum Füllmaterial eingebracht werden.During the production of the object, the production of the outer structure and the introduction of the filling material can alternate and repeat as often as desired. Thus, for example, the printing of a first part of the outer structure can be started first and then this part can be filled with filling material. When the filler material is solidified, it in turn stabilizes the first part of the outer structure, so that a second part of the outer structure can be placed on top of it. Subsequently, filling material can again be introduced into the inner space delimited by both parts of the outer structure and by the already solidified filling material.

Die Aufteilung der Fertigung auf das Drucken einer Außenstruktur und das Einbringen von Füllmaterial entkoppelt zum Einen die Präzision, mit der sich die Außenkontur des Objekts fertigen lässt, von den Anforderungen, die die Herstellung eines ausgefüllten Volumens mit sich bringt. Die hohe Präzision, mit der die Außenkontur gedruckt gefertigt werden kann, überträgt sich auf die Konturen des Innenraums, die wiederum die Orte festlegen, an die das Füllmaterial vordringt. So kann beispielsweise auf die Herstellung filigraner Strukturen der Außenkontur vergleichsweise viel Zeit pro Volumen des ersten Druckmaterials verwendet werden, während das Füllmaterial sehr schnell eingebracht wird.The division of the manufacturing to the printing of an external structure and the introduction of filler decoupled on the one hand, the precision with which the outer contour of the object can be produced, from the requirements that brings the production of a filled volume with it. The high precision with which the outer contour can be printed printed, transfers to the contours of the interior, which in turn determine the places where the filler penetrates. For example, comparatively much time per volume of the first printing material can be used on the production of filigree structures of the outer contour, while the filling material is introduced very quickly.

Zum Anderen ist es nicht mehr zwingend, dass sich die beim schichtweisen Aufbau mittels 3D-Druck unvermeidlicherweise entstehende Lagenstruktur durch das komplette Objekt zieht, da der Aufbau des Füllmaterials gegenüber dem Aufbau der Außenstruktur versetzt erfolgen kann. Eine Grenze zwischen zwei Lagen ist ein mechanischer Schwachpunkt, an dem das Objekt leichter durchbrechen kann als an anderen Orten. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Außenstruktur daher aus mehreren Lagen des ersten Druckmaterials gebildet, und anschließend wird das Füllmaterial in den Innenraum eingebracht. Insbesondere kann die Festigkeit des Füllmaterials anisotrop sein.On the other hand, it is no longer imperative that the layer structure unavoidably created by means of 3D printing pulls through the entire object, since the structure of the filling material can be offset relative to the structure of the outer structure. A border between two layers is a mechanical one Weak point where the object can break more easily than in other places. In a particularly advantageous embodiment of the invention, the outer structure is therefore formed from a plurality of layers of the first printing material, and then the filler material is introduced into the interior. In particular, the strength of the filler material may be anisotropic.

Schließlich hat die Temperatur der flüssigen oder pastösen Komponente des Füllmaterials, und/oder die Polymerisierbarkeit dieser Komponente, auch die Wirkung, dass das Füllmaterial nach dem Verfestigen besonders gut am Material der Außenstruktur haftet und somit der Verbund aus beiden Materialien besonders stark ist.Finally, the temperature of the liquid or pasty component of the filler, and / or the polymerizability of this component, also the effect that the filler adheres particularly well to the material of the outer structure after solidification and thus the composite of the two materials is particularly strong.

Nach dem bisherigen Verständnis des Fachmanns ist es schlecht, wenn die zunächst mit hoher Präzision gefertigte Außenstruktur anschließend durch das heiße Füllmaterial thermisch angegriffen wird. Tatsächlich aber bewirkt gerade dies eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der Außenstruktur und dem Füllmaterial. Dies gilt insbesondere dann, wenn sowohl die Außenstruktur als auch die flüssige oder pastöse Komponente des Füllmaterials thermoplastisch sind. Die Durchmischung beider Materialien führt nach dem Verfestigen dazu, dass die Außenstruktur und das Füllmaterial an einer Vielzahl von Stellen ineinander auf molekularer Basis (stoffschlüssig) verhakt sind.According to the previous understanding of the skilled person, it is bad if the initially made with high precision outer structure is then thermally attacked by the hot filler. In fact, however, just this causes a material connection between the outer structure and the filling material. This is especially true when both the outer structure and the liquid or pasty component of the filling material are thermoplastic. The mixing of the two materials leads, after solidification, to the fact that the outer structure and the filling material are interlocked on a molecular basis (cohesively) at a large number of points.

Ist die flüssige oder pastöse Komponente des Füllmaterials hingegen polymerisierbar, so stellt sich ein qualitativ ähnlicher Effekt ein: Das Füllmaterial fließt in jede Unebenheit und benetzt jeden Hinterschnitt an der Innenwand des Innenraums, mit der es in Kontakt kommt. Nach dem Polymerisieren ist das Füllmaterial somit ebenfalls an einer Vielzahl von Stellen an der Innenwand der Außenstruktur verhakt. Dieses Verhaken geschieht mehr auf formschlüssiger Basis.On the other hand, if the liquid or pasty component of the filling material is polymerizable, a qualitatively similar effect arises: the filling material flows into every unevenness and wets every undercut on the inner wall of the interior with which it comes into contact. After polymerizing, the filler material is thus also entangled at a plurality of locations on the inner wall of the outer structure. This snagging happens more on a positive basis.

Die stoffschlüssige Verbindung zwischen Außenstruktur und Füllmaterial wird weiterhin dadurch begünstigt, dass die Außenstruktur zum Zeitpunkt der Befüllung mit dem Füllmaterial „frisch“ gefertigt ist, d.h. dass die Polymerketten der Außenstruktur noch über chemische Potentiale verfügen, die eine Verbindung mit dem aus dem Füllmaterial hervorgegangenen Polymer ermöglichen. Hierzu trägt zum Einen bei, dass die Außenstruktur vergleichsweise schnell mit dem Füllmaterial gefüllt werden kann. Zum Anderen können die Herstellung der Außenstruktur und das Ausfüllen mit dem Füllmaterial in ein und demselben Gerät erfolgen, ohne dass die Außenstruktur zwischendurch in ein anderes Klima gebracht wird. Wird beispielsweise eine Druckstruktur aus dem Bauraum eines ersten Geräts entfernt und durch die normale Atmosphäre in ein zweites Gerät verbracht, können beispielsweise chemische Potentiale der Polymerketten mit Wasser aus der Luftfeuchtigkeit gesättigt werden, was die Neigung der Außenstruktur, sich mit dem Füllmaterial zu verbinden, herabsetzt.The cohesive connection between outer structure and filling material is further promoted by the fact that the outer structure at the time of filling with the filling material is made "fresh", i. that the polymer chains of the outer structure still have chemical potentials that allow a connection with the resulting from the filler polymer. On the one hand, this contributes to the fact that the outer structure can be filled comparatively quickly with the filling material. On the other hand, the production of the outer structure and the filling with the filling material can be carried out in one and the same device, without the outer structure being brought into a different climate in between. For example, if a print pattern is removed from the packaging space of a first device and transferred to a second device through the normal atmosphere, chemical potentials of the polymer chains, for example, may be saturated with water from the air moisture, degrading the tendency of the exterior structure to bond to the fill material ,

Vorteilhaft wird insbesondere mindestens eine Grenze zwischen zwei Lagen des ersten Druckmaterials, die die Außenstruktur bilden, einstückig durch das Füllmaterial überspannt, und/oder mindestens eine Grenze zwischen zwei Lagen des Füllmaterials, die nacheinander verfestigt werden, wird einstückig durch das erste Druckmaterial überspannt. Die Grenze zwischen zwei Lagen des einen Materials wird also durch das jeweils andere Material stabilisiert.Advantageously, in particular, at least one boundary between two layers of the first printing material, which form the outer structure, is stiffened integrally by the filling material, and / or at least one boundary between two layers of the filling material, which are solidified one after the other, is covered in one piece by the first printing material. The boundary between two layers of one material is thus stabilized by the other material.

Hierzu kann beispielsweise das Füllmaterial mit einem leichten Überstand über die Oberkante des Innenraums in den Innenraum eingebracht werden. Alternativ kann das Einbringen des Füllmaterials gestoppt werden, bevor der Innenraum komplett ausgefüllt ist. Die bereits fertiggestellte Lage der Außenstruktur überspannt dann einstückig die Grenze zwischen dem soeben eingebrachten Füllmaterial und dem Füllmaterial, das später hieran anschließend eingebracht wird. Wird nun die Außenstruktur in einer weiteren Lage fortgesetzt, so wird das später eingebrachte Füllmaterial die Grenze zwischen der zuletzt fertiggestellten Lage und dieser weiteren Lage ebenfalls einstückig überspannen.For this purpose, for example, the filler can be introduced with a slight projection over the top of the interior in the interior. Alternatively, the introduction of the filling material can be stopped before the interior is completely filled. The already completed position of the outer structure then integrally spans the boundary between the just introduced filling material and the filling material, which is subsequently introduced thereafter. If the outer structure is then continued in a further position, the filling material introduced later will likewise span the boundary between the last finished layer and this further layer in one piece.

Vorteilhaft wird das Füllmaterial durch 3D-Druck in den Innenraum eingebracht. Dies ermöglicht zum Einen, ein thermoplastisches Material als Füllmaterial zu verwenden, da sich ein solches Material in einem 3D-Druckkopf plastifizieren lässt. Zum Anderen sind sowohl die Position, an der das Füllmaterial eingebracht wird, als auch die Menge mit einem 3D-Druckkopf sehr gut kontrollierbar. Die Außenseite der Außenstruktur wird somit nicht mit dem Füllmaterial verunreinigt.Advantageously, the filler material is introduced by 3D printing in the interior. On the one hand, this makes it possible to use a thermoplastic material as a filling material, since such a material can be plasticized in a 3D print head. On the other hand, both the position at which the filler is introduced, as well as the amount with a 3D print head are very easy to control. The outside of the outer structure is thus not contaminated with the filling material.

In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Füllmaterial dem Objekt mit einem größeren Massenstrom hinzugefügt wird als das erste Druckmaterial. Auf diese Weise kann die Geschwindigkeit, mit der sich das Objekt insgesamt herstellen lässt, wesentlich gesteigert werden.In a further particularly advantageous embodiment of the invention, the filling material is added to the object with a larger mass flow than the first printing material. In this way, the speed with which the object can be produced overall, can be significantly increased.

Vorteilhaft weist die Austrittsöffnung des zweiten Druckkopfes für das Füllmaterial eine um einen Faktor von mindestens 2, bevorzugt um einen Faktor von mindestens 5, größere Querschnittsfläche auf als die Austrittsöffnung des ersten Druckkopfes für das erste Druckmaterial. Diese Arbeitsteilung sorgt dafür, dass die feinen Konturen der Außenstruktur mit hoher Präzision gefertigt werden können, während zugleich der Innenraum mit einem hohen Massenstrom an Füllmaterial ausgefüllt wird.Advantageously, the exit opening of the second print head for the filling material has a larger cross-sectional area than the exit opening of the first print head for the first printing material by a factor of at least 2, preferably by a factor of at least 5. This division of labor ensures that the fine contours of the outer structure can be manufactured with high precision, while at the same time the interior is filled with a high mass flow of filling material.

Das Füllmaterial kann sich stofflich vom ersten Druckmaterial unterscheiden. Damit können insbesondere vorteilhaft die unterschiedlichen Eigenschaften beider Materialien zusammenwirken, um im Verbund in Bezug auf den Einsatzzweck des hergestellten Objekts eine bessere Leistung zu erzielen als eines dieser Materialien allein. The filler material may differ materially from the first printed material. Thus, the different properties of the two materials can cooperate particularly advantageously in order to achieve a better performance in combination with respect to the intended use of the object produced than one of these materials alone.

In einer alternativen Ausgestaltung wird die flüssige oder pastöse Komponente des Füllmaterials stofflich identisch mit dem ersten Druckmaterial gewählt. Dann kann das Objekt insbesondere mit nur einem 3D-Druckkopf hergestellt werden. Selbst in der einfachsten Ausgestaltung, in der dieser eine Druckkopf keine Änderung des Massenstroms (d.h., des Düsenquerschnitts) ermöglicht, lässt sich mindestens der Vorteil nutzen, dass sich nicht mehr zwangsläufig ein und dieselbe Lagenstruktur des schichtweisen Aufbaus durch das gesamte Objekt zieht und das Objekt somit besonders fest ist. Die stoffschlüssige Verbindung ist sogar am stärksten, wenn beide verbundenen Materialien stofflich identisch sind oder der gleichen Gruppe entsprechen. Damit die Innenwand der Außenstruktur teilweise angegriffen und auf diese Weise das molekulare Verhaken mit dem Füllmaterial herbeigeführt werden kann, kann das Füllmaterial insbesondere mit einer gegenüber seiner normalen Verarbeitungstemperatur erhöhten Temperatur in den Innenraum eingebracht werden. Bei einer solchermaßen erhöhten bzw. überhöhten Temperatur beginnt das Füllmaterial tendenziell, sich zu zersetzen. Die Verarbeitung erfolgt jedoch so schnell, dass die hierdurch entstehenden Nachteile durch den Vorteil der höheren Schmelzeenergie überkompensiert werden, da diese letztendlich zu einer höheren Festigkeit des hergestellten Objekts führt.In an alternative embodiment, the liquid or pasty component of the filling material is chosen to be materially identical to the first printing material. In particular, the object can then be produced with only one 3D print head. Even in the simplest embodiment, in which this printhead no change in the mass flow (ie, the nozzle cross-section) allows at least the advantage can be used that no longer inevitably pulls one and the same layer structure of the layered structure through the entire object and the object thus particularly firm. The cohesive connection is even strongest if both connected materials are materially identical or correspond to the same group. So that the inner wall of the outer structure partially attacked and in this way the molecular entanglement with the filler material can be brought about, the filler material can be introduced in particular with a relation to its normal processing temperature elevated temperature in the interior. At such elevated temperature, the filler tends to decompose. However, the processing takes place so fast that the resulting disadvantages are overcompensated by the advantage of higher melt energy, since this ultimately leads to a higher strength of the manufactured object.

Wenn der Druckkopf eine Änderung des Massenstroms ermöglicht, kann zusätzlich auch der Vorteil einer erhöhten Herstellungsgeschwindigkeit genutzt werden.In addition, if the printhead allows a change in mass flow, the advantage of increased production speed can also be utilized.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein Füllmaterial gewählt, welches mindestens einen festen Füllstoff enthält. Dieser Füllstoff kann eine beliebige Funktion erfüllen. Beispielsweise kann der Füllstoff ein Recyclingmaterial sein, dessen Verwendung die Materialkosten des hergestellten Objekts senkt. Der Füllstoff kann auch beispielsweise ein Material sein, das dem Objekt ein für seine Verwendung gefordertes Gewicht verleiht.In a particularly advantageous embodiment of the invention, a filler material is selected which contains at least one solid filler. This filler can fulfill any function. For example, the filler may be a recycled material whose use lowers the material cost of the manufactured article. The filler may also be, for example, a material which imparts to the object a weight required for its use.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein Verstärkungsstoff, insbesondere in Form von Fasern, als Füllstoff gewählt. Geeignet sind beispielweise Glas- oder Kohlefasern. Die Verwendung derartiger Verstärkungsstoffe in Druckmaterialien führte bislang zu einem weiteren Zielkonflikt in Bezug auf filigrane Strukturen, da eine für filigrane Strukturen erforderliche Düse mit kleiner Austrittsöffnung dazu neigt, durch die Verstärkungsstoffe zu verstopfen. Wenn nun die Außenstruktur mit einer kleinen Düse gedruckt wird und das Füllmaterial mit einer großen Düse in den von der Außenstruktur umgrenzten Innenraum eingebracht wird, besteht dieser Zielkonflitk nicht mehr. Durch die Faserbeimischung können funktionsfähige Verstärkungseffekte erzielt werden, die eine deutliche Steigerung der mechanischen Eigenschaften bewirken. Insbesondere können die Fasern Grenzen zwischen Lagen des ersten Druckmaterials überspannen und insoweit den Einfluss dieser Grenzen auf die Stabilität des Objekts kompensieren.In a particularly advantageous embodiment of the invention, a reinforcing material, in particular in the form of fibers, is selected as the filler. Suitable examples are glass or carbon fibers. The use of such reinforcing materials in printing materials has so far led to a further conflict of interest with regard to filigree structures, since a nozzle with a small outlet opening, which is required for filigree structures, tends to become clogged by the reinforcing materials. Now, if the outer structure is printed with a small nozzle and the filling material is introduced with a large nozzle in the space bounded by the outer structure, this Zielkonflitk no longer exists. The addition of fiber enables functional reinforcing effects to be achieved, which bring about a significant increase in the mechanical properties. In particular, the fibers can span boundaries between layers of the first printed material and thus compensate for the influence of these limits on the stability of the object.

In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Druckstruktur unter Zuhilfenahme einer nicht zum Objekt gehörenden und vom Objekt trennbaren Trägerstruktur aufgebaut. Die Trägerstruktur kann beispielsweise als formgebendes Element für den 3D-Druck der Außenstruktur dienen, indem sie entsprechende Überhänge des ersten Druckmaterials stützt. Das Objekt kann beispielsweise von der Trägerstruktur getrennt werden, indem es von ihr abgebrochen wird oder indem die Trägerstruktur aufgelöst wird. Dementsprechend kann die Trägerstruktur vorteilhaft wieder aus einem wasserlöslichen Material bestehen, welches vorteilhaft biologisch abbaubar ist, damit insbesondere bei der Anwendung des Verfahrens im industriellen Maßstab keine umweltgefährlichen Abfälle entstehen.In a further particularly advantageous embodiment of the invention, the printing structure is constructed with the aid of a non-object belonging to the object and separable support structure. The support structure can serve, for example, as a shaping element for the 3D printing of the outer structure by supporting corresponding overhangs of the first printing material. For example, the object may be separated from the support structure by breaking it off or by dislodging the support structure. Accordingly, the support structure can advantageously again consist of a water-soluble material, which is advantageously biodegradable, so that in particular when using the method on an industrial scale no environmentally hazardous waste.

In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung schließt der Innenraum einen in das Objekt einzubettenden Einleger sein. Derartige Einleger können beispielsweise Leiterbahnen, Buchsen und Stecker sein. Insbesondere können auch elektronische Bauelemente oder Permanentmagnete Einleger sein. Derartige Einleger sind hitzeempfindlich und daher mit vielen 3D-Druckverfahren, die das Druckmaterial auf Temperaturen von 200 °C und mehr erhitzen, nicht umbaubar. Das Ausfüllen des Innenraums mit dem Füllmaterial ist hingegen nicht zwingend auf eine bestimmte Mindesttemperatur angewiesen. Auch eine Verfestigung des Füllmaterials durch Polymerisation setzt nicht zwingend eine erhöhte Temperatur voraus, denn die Polymerisation kann auch durch einen Katalysator, einen Aktivator und/oder durch UV-Licht angestoßen und/oder unterhalten werden. Es ist auch möglich, die Polymerisation durch kurzzeitige Temperaturerhöhung zu aktivieren, so dass sie anschließend bei geringerer Temperatur selbsttätig weiterläuft. Der Einleger wird dann nur in geringem Maße wärmebelastet.In a further particularly advantageous embodiment of the invention, the interior includes an insert to be embedded in the object. Such depositors may be, for example, printed conductors, sockets and plugs. In particular, electronic components or permanent magnets can be depositors. Such inserts are heat-sensitive and therefore can not be converted with many 3D printing methods which heat the printing material to temperatures of 200 ° C and more. The filling of the interior with the filler, however, is not necessarily dependent on a certain minimum temperature. Also, solidification of the filler by polymerization does not necessarily require an elevated temperature, because the polymerization can also be initiated and / or maintained by a catalyst, an activator and / or by UV light. It is also possible to activate the polymerization by brief temperature increase, so that it then continues to run automatically at a lower temperature. The insert is then heat-loaded only to a small extent.

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.

Figurenliste list of figures

Es zeigt:

1 Ablaufdiagramm des Verfahrens 100;
2 Schrittweiser Aufbau eines beispielhaften Objekts 10;
3 Beispiel für ein fertig hergestelltes Objekt 10.

It shows:

1 Flowchart of the method 100;
2 Step-by-step construction of an exemplary object 10;
3 Example of a finished object 10.

Nach 1 wird zunächst in Schritt 110 die Außenstruktur 11 mit dem Innenraum 12 gedruckt. Dabei können insbesondere mehrere Lagen 21a, 21b, 21c des ersten Druckmaterials 21 nacheinander zu der Außenstruktur 11 zusammengesetzt werden. Anschließend wird in Schritt 120 das Füllmaterial 22 eingebracht, wobei auch dies in mehreren Lagen 22a, 22b geschehen kann. Dabei kann das Füllmaterial 22 nach dem Aufbringen jeder Lage 22a, 22b verfestigt werden, es können aber auch mehrere Lagen 22a, 22b zunächst nacheinander aufgebracht und gemeinsam verfestigt werden.To 1 will step in first 110 the external structure 11 with the interior 12 printed. In particular, several layers 21a . 21b . 21c of the first printing material 21 one after the other to the external structure 11 be assembled. Subsequently, in step 120 the filling material 22 introduced, although this in several layers 22a . 22b can happen. In this case, the filler 22 after applying each layer 22a . 22b solidified, but it can also be several layers 22a . 22b first applied successively and solidified together.

In Schritt 140 wird geprüft, ob das herzustellende Objekt 10 fertig ist. Wenn ja, ist das Verfahren beendet; wenn nein, wird zu Schritt 110 zurückverzweigt und die Außenstruktur 11 fortgesetzt.In step 140 it checks whether the object to be produced 10 is done. If so, the process is finished; if not, get to step 110 branched back and the outside structure 11 continued.

2 verdeutlicht den schrittweisen Aufbau eines beispielhaften Objekts 10 auf einer Grundplatte 33 mit Hilfe eines ersten Druckkopfes 31, der das erste Druckmaterial 21 enthält, und eines zweiten Druckkopfes 32, der das Füllmaterial 22 enthält. Dabei ist die Austrittsöffnung 32a des zweiten Druckkopfes 32 deutlich größer als die Austrittsöffnung 31a des ersten Druckkopfes 31. 2 illustrates the step-by-step structure of an exemplary object 10 on a base plate 33 with the help of a first printhead 31 , the first printed material 21 contains, and a second printhead 32 that's the filler material 22 contains. In this case, the outlet opening 32a of the second printhead 32 significantly larger than the outlet opening 31a of the first printhead 31 ,

Die 2a und 2b zeigen eine Momentaufnahme zu einem Zeitpunkt, zu dem eine erste Lage 21a des ersten Druckmaterials fertig aufgebracht ist und mit der Herstellung der zweiten Lage 21b begonnen wurde. 2a zeigt eine Seitenansicht, 2b zeigt eine Aufsicht. Zwischen den Lagen 21a und 21b bildet sich eine Grenze 21d.The 2a and 2 B show a snapshot at a time when a first location 21a of the first printing material is finished and with the production of the second layer 21b was started. 2a shows a side view, 2 B shows a top view. Between the layers 21a and 21b a border is formed 21d ,

Die 2c und 2d zeigen eine weitere Momentaufnahme zu einem Zeitpunkt, zu dem bereits drei Lagen 21a, 21b und 21c des ersten Druckmaterials 21 zur Außenstruktur 11 hinzugefügt wurden und zum ersten Mal Füllmaterial 22, bestehend aus flüssiger Komponente 23 und Verstärkungsfasern 24, in den Innenraum 12 eingebracht wird. Die erste Lage 22a des Füllmaterials 22 überspannt die Grenze 21d zwischen den Lagen 21a und 21b des ersten Druckmaterials 21 einstückig und stabilisiert diese Lagen 21a und 21b somit gegen Ablösung voneinander. 2c zeigt eine Seitenansicht, 2d die dazugehörige Aufsicht.The 2c and 2d show another snapshot at a time when already three layers 21a . 21b and 21c of the first printing material 21 to the external structure 11 were added and for the first time filling material 22 , consisting of liquid component 23 and reinforcing fibers 24 , in the interior 12 is introduced. The first location 22a of the filling material 22 spans the border 21d between the layers 21a and 21b of the first printing material 21 in one piece and stabilizes these layers 21a and 21b thus against separation from each other. 2c shows a side view, 2d the associated supervision.

Die 2e und 2f zeigen eine weitere Momentaufnahme zu einem Zeitpunkt, zu dem zwei Lagen 22a und 22b des Füllmaterials 22 in den Innenraum 12 eingebracht und nacheinander verfestigt worden sind. Die Grenze 22c zwischen den Lagen 22a und 22b wird einstückig von der zweiten Lage 21b des ersten Druckmaterials 21 in der Außenstruktur 11 überspannt. Insoweit werden die Lagen 22a und 22b des Füllmaterials dagegen stabilisiert, sich voneinander abzulösen. 2e zeigt eine Seitenansicht, 2f zeigt die zugehörige Aufsicht.The 2e and 2f show another snapshot at a time when two layers 22a and 22b of the filling material 22 in the interior 12 introduced and solidified one after the other. The border 22c between the layers 22a and 22b becomes one piece of the second layer 21b of the first printing material 21 in the external structure 11 spans. In that regard, the layers 22a and 22b the filling material, on the other hand, stabilizes to separate from one another. 2e shows a side view, 2f shows the associated supervision.

3 zeigt ein Beispiel für ein gemäß der Erfindung hergestelltes Objekt 10. Der Übersichtlichkeit halber sind hier Grenzen 21d und 21e zwischen Lagen 21a, 21b und 21c des ersten Druckmaterials sowie die Grenze 22c zwischen Lagen 22a und 22b des Füllmaterials nicht mehr eingezeichnet. In dem in 3 gezeigten Beispiel ist die Außenstruktur 11 unter Verwendung einer stabilisierenden Trägerstruktur 14 gebaut worden, die nicht zum Objekt 10 gehört und nach der Herstellung des Objekts 10 wieder entfernt wird. Weiterhin schließt der Innenraum 12 auch einen Permamentmagneten 15 als Einleger ein. 3 shows an example of an object made according to the invention 10 , For the sake of clarity, here are limits 21d and 21e between layers 21a . 21b and 21c of the first printing material as well as the border 22c between layers 22a and 22b the filling material is no longer drawn. In the in 3 The example shown is the external structure 11 using a stabilizing support structure 14 been built, which is not the object 10 heard and after the production of the object 10 is removed again. Furthermore, the interior closes 12 also a permanent magnet 15 as depositor.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 7162325 B2 [0004]
US 2007052752 A1 [0004]

Claims

Method (100) for producing a three-dimensional object (10) by means of 3D printing, characterized by the following steps: from a first printing material (21) an outer structure (11) is printed (110) defining an interior space (12); into the interior space (12) a filling material (22) having at least one liquid or pasty component (23) is introduced (120), wherein the liquid or pasty component (23) has a temperature above the melting point of the first printing material (21) and / or is polymerizable; the filling material (22) is solidified by cooling and / or by polymerization of the liquid or pasty component (23) (130).

Method (100) according to Claim 1 , characterized in that the outer structure (11) of several layers (21a-21c) of the first printing material (21) is formed (110) and then the filler material (22) in the interior (12) introduced (120).

Method (100) according to Claim 2 characterized in that at least one boundary (21d, 21e) between two layers (21a-21c) of the first printing material forming the outer structure is straddled integrally by the filling material (22), and / or that at least one boundary (22c) between two layers (22a, 22b) of the filling material (22), which are solidified successively, is integrally spanned by the first printing material (21).

Method (100) according to one of Claims 1 to 3 , characterized in that the filling material (22) by 3D printing in the interior (12) is introduced (120).

Method (100) according to one of Claims 1 to 4 , characterized in that the filling material (22) is added to the object (10) with a larger mass flow than the first printing material (21).

Method (100) according to one of Claims 1 to 5 , characterized in that the liquid or pasty component (23) of the filling material (22) is selected materially identical to the first printing material (21).

Method (100) according to one of Claims 1 to 6 , characterized in that a filler material (22) is selected which contains at least one solid filler (24).

Method (100) according to Claim 7 , characterized in that a reinforcing material, in particular in the form of fibers, as a filler (24) is selected.

Method (100) according to one of Claims 1 to 8th , characterized in that the outer structure (11) is constructed with the aid of a non-to the object (10) belonging to the object (10) separable support structure (14) (110).

Method (100) according to one of Claims 1 to 9 , characterized in that the interior (12) encloses an insert (15) to be embedded in the object (10).