DE10157758A1 - Laminatmaterial zur Verwendung bei dem Rapid-Prototyping Prozess des Laminated-Object-Manufacturing (LOM) und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Abstract

Die Herstellung eines Bauteils mittels des LOM-Prozesses erfolgt, in dem einzelne Materialschichten (Laminatmaterial) miteinander verbunden werden und aus jeder Schicht mittels eines Lasers eine - beispielsweise durch CAD-Daten - vorgegebene Form ausgeschnitten wird. Durch Wiederholung dieses Verfahrensschrittes wird ein dreidimensionales Bauteil aufgebaut. Das Laminatmaterial besteht üblicherweise aus Papier oder Kunststofffolien, die einseitig mit einem druck- oder temperatursensitiven Klebstoff beschichtet sind. DOLLAR A Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Laminatmaterial sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben, welches die thermischen und/oder mechanischen Eigenschaften eines mittels des LOM-Prozesses hergestellten Bauteils verbessert. DOLLAR A Die Aufgabe wird gelöst, in dem das Laminatmaterial mit einem aushärtbaren Fluid imprägniert wird. Dadurch, dass die einzelnen Schichten imprägniert sind, wird das gesamte Bauteil während des LOM-Prozesses durchgehend verbunden. Eine Delamination an den Grenzflächen zwischen Klebstoff und Laminatmaterial wird vermieden, da durch die Imprägnierung keine Grenzflächen mehr auftauchen, sondern eine durchgehende Fluidfüllung des Laminatmaterials vorliegt. Die sonst unvermeidbare Richtungsabhängigkeit der mechanischen Eigenschaften des Bauteils wird nahezu vollständig beseitigt und es entsteht ein Bauteil mit hoher homogener Belastbarkeit, welches ohne weitere Prozessschritte eingesetzt werden kann.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Laminatmaterial zur Verwendung bei dem Rapid-Prototyping Prozess des Laminated-Object-Manufacturing (LOM) und ein Verfahren zu dessen Herstellung gemäß der Oberbegriffe der Patentansprüche 1 und 9. Eine solches Laminatmaterial ist bereits aus US 5 730 817 bekannt.
• Die Herstellung eines Bauteils mittels des LOM-Prozesses erfolgt, in dem einzelne Materialschichten (Laminatmaterial) miteinander verbunden werden und aus jeder Schicht mittels eines Lasers eine - beispielsweise durch CAD-Daten - vorgegebene Form ausgeschnitten wird. Durch Wiederholung dieses Verfahrensschrittes wird ein dreidimensionales Bauteil aufgebaut. Das Laminatmaterial besteht üblicherweise aus Papier oder Kunststofffolien, die einseitig mit einem druck - oder temperatursensitiven Klebstoff beschichtet sind.
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Laminatmaterial sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben, welches die thermischen und/oder mechanischen Eigenschaften eines mittels des LOM-Prozesses hergestellten Bauteils verbessert.
• Die Erfindung ist in Bezug auf die das Laminatmaterial durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 wiedergegeben. Die weiteren Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Laminatmaterials (Patentansprüche 2 bis 8) sowie das zu schaffende Verfahren (Patentanspruch 9). Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens enthält der Patentanspruch 10.
• Die Aufgabe wird bezüglich des zu schaffenden Laminatmaterials erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß es mit einem aushärtbaren Fluid imprägniert wird. Die Imprägnierung unterscheidet sich von einer üblichen Beschichtung dadurch, daß ein wesentlicher Anteil des Laminatmaterials (bis zu circa 50 Volumen-%) einen wesentlichen Anteil an Fluid enthält (bis zu circa 50 Gewicht %), also das Fluid nicht nur oberflächlich aufgetragen ist. Insofern unterscheidet sich das imprägnierte Laminatmaterial deutlich von einem üblichen beschichteten Laminatmaterial, bei dem evtl. Anteile an Klebstoff in das Material eindiffundieren, jedoch in wesentlich geringeren prozentualen Anteilen.
• Während des LOM-Prozesses werden die imprägnierten Materialschichten übereinander plaziert und das aushärtbare Fluid der einzelnen Schichten tritt miteinander in Kontakt. Durch Energiezufuhr wird die Aushärtung angeregt. Dadurch, daß die einzelnen Schichten imprägniert sind, werden wesentlich größere Volumenanteile des Bauteils miteinander verbunden. Eine sonst mitunter auftretende Delamination an den Grenzflächen zwischen Klebstoff und Laminatmaterial wird vermieden, da durch die Imprägnierung keine scharfen Grenzflächen mehr auftauchen sondern breite Übergangsbereiche. Dadurch wird die sonst unvermeidbare Richtungsabhängigkeit der mechanischen Eigenschaften des Bauteils stark vermindert und es entsteht ein Bauteil mit deutlich homogenerer Belastbarkeit.
• In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Laminatmaterials ist es von dem aushärtbaren Fluid vollständig durchdrungen. Das bedeutet, das gesamte Laminatmaterial weist einen wesentlichen Anteil an Fluid (bis zu circa 50 Gewicht %) auf.
• Dadurch, daß die einzelnen Schichten vollständig imprägniert sind, wird das gesamte Bauteil während des LOM-Prozesses durchgehend verbunden. Im Extremfall dient das Laminatmaterial nur als Träger für das Fluid, so daß das fertige Bauteil im wesentlichen aus dem ausgehärteten Fluid besteht. In jedem Sättigungsgrad des Laminatmaterials wird eine Delamination an den Grenzflächen zwischen Klebstoff und Laminatmaterial vermieden, da durch die Imprägnierung keine Grenzflächen mehr auftauchen sondern eine durchgehende Fluidfüllung des Laminatmaterials vorliegt. Die sonst unvermeidbare Richtungsabhängigkeit der mechanischen Eigenschaften des Bauteils wird nahezu vollständig beseitigt und es entsteht ein Bauteil mit hoher homogener Belastbarkeit, welches ohne weitere Prozeßschritte eingesetzt werden kann.
• In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Laminatmaterials ist das aushärtbare Fluid ein duroplastischer Klebstoff.
• Der Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, daß der Duroplast - im Gegensatz zu einem Thermoplast - nachdem er einmal ausgehärtet ist nicht wieder aufweicht sondern sich erst bei sehr hohen Temperaturen zersetzt.
• In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Laminatmaterials liegt das aushärtbare Fluid bei Raumtemperatur in einem Zwischenzustand vor, in dem es lagerfähig ist und vorzugsweise eine nicht-klebende Oberfläche aufweist.
• In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Laminatmaterials ist das aushärtbare Fluid während dem LOM-Prozess aushärtbar durch eine Temperaturerhöhung und/oder infolge einer UV-Bestrahlung. Eine derartige energetische Initierung der Aushärtung der Imprägnierung ist vorteilhaft, da geeignete Vorrichtungen aus anderen Anwendungsgebieten allgemein bekannt und mit geringem Aufwand an die speziellen Erfordernisse des LOM-Prozesses anpaßbar sind.
• In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Laminatmaterials weist das aushärtbare Fluid im ausgehärteten Zustand eine Zersetzungstemperatur von mehr als circa 150°C. Der Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, daß eine große Zahl derartiger Fluide, insbesondere auch duroplastischer Polymerkleber, mit dieser Eigenschaft bekannt und außerdem kostengünstig sind und daß der Einsatzbereich der meisten Bauteile unterhalb einer Temperatur von 150°C liegt.
• In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Laminatmaterials weist das Laminatmaterial eine poröse und/oder gewebeartige Struktur auf. Dies erleichtert die Imprägnierung.
• In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Laminatmaterials besteht das Laminatmaterial aus Naturfasern, vorzugsweise Papier, und/oder aus Kunststoff. Die Vorteile dieser Ausgestaltung bestehen in der Umweltverträglichkeit der Naturfasern und in der guten, insbesondere einstellbaren Kompatibilität der Kunststoffe zu dem verwendeten Fluid sowie darin, daß beide sehr kostengünstig sind.
• Die Aufgabe wird bezüglich des zu schaffenden Verfahrens zur Herstellung des Laminatmaterials erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Laminatmaterial mit poröser und/oder gewebeartiger Struktur mit einem aushärtbaren Fluid imprägniert wird.
• Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die gleichen, die bereits als Vorteile des erfindungsgemäßen Laminatmaterials aufgezählt wurden. Besonders vorteilhaft ist es, die Imprägnierung vor dem LOM-Prozess durchzuführen, da sie eine gewisse Minimalzeit benötigt und somit die Imprägnierung während dem LOM-Prozess einen wesentlichen Vorteil des LOM-Prozesses, nämlich die schnelle Bauteilherstellung, negativ beeinflussen würde.
• Nachfolgend werden anhand eines Ausführungsbeispiels das erfindungsgemäße Laminatmaterial und das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert.
• Ein Laminatmaterial aus porösem Papier wird mit einem handelsüblichen temperatursensitiven Duromer-Kleber vor dem LOM-Prozess vollständig imprägniert. Während des LOM-Prozesses wird die Aushärtung des Duromer-Klebers durch IR-Bestrahlung initiiert und das gesamte Bauteil wird durchgehend verbunden. Eine Delamination an den Grenzflächen zwischen Klebstoff und Laminatmaterial wird vermieden, da durch die Imprägnierung keine Grenzflächen mehr auftauchen sondern eine durchgehende Füllung des Laminatmaterials vorliegt. Die sonst unvermeidbare Richtungsabhängigkeit der mechanischen Eigenschaften des Bauteils wird nahezu vollständig beseitigt und es entsteht ein Bauteil mit hoher homogener Belastbarkeit, welches ohne weitere Prozeßschritte eingesetzt werden kann.
• Das erfindungsgemäße Laminatmaterial und das erfindungsgemäße Verfahren erweisen sich in den Ausführungsformen des vorstehend beschriebenen Beispiels als besonders geeignet für die schnelle und einfache LOM-Herstellung von homogen belastbaren Bauteilen, insbesondere von Werkzeugen.

Claims (10)

1. Laminatmaterial zur Verwendung bei dem Rapid-Prototyping Prozess des Laminated-Object-Manufacturing (LOM), dadurch gekennzeichnet, daß es mit einem aushärtbaren Fluid imprägniert ist.

2. Laminatmaterial nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß es von dem aushärtbaren Fluid vollständig durchdrungen ist.

3. Laminatmaterial nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß das aushärtbare Fluid ein duroplastischer Klebstoff ist.

4. Laminatmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet,
daß das aushärtbare Fluid bei Raumtemperatur
in einem Zwischenzustand vorliegt,
in dem es lagerfähig ist und
vorzugsweise eine nicht-klebende Oberfläche aufweist.

5. Laminatmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß das aushärtbare Fluid während dem LOM-Prozess aushärtbar ist infolge einer Temperaturerhöhung und/oder infolge einer UV-Bestrahlung.

6. Laminatmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß das aushärtbare Fluid im ausgehärteten Zustand eine Zersetzungstemperatur von mehr als circa 150°C aufweist.

7. Laminatmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß das Laminatmaterial eine poröse und/oder gewebeartige Struktur aufweist.

8. Laminatmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet,
daß das Laminatmaterial
aus Naturfasern, vorzugsweise Papier,
und/oder aus Kunststoff besteht.

9. Verfahren zur Herstellung eines Laminatmaterials zur Verwendung beim Laminated-Object-Manufacturing (LOM) dadurch gekennzeichnet, daß ein Laminatmaterial mit poröser und/oder gewebeartiger Struktur mit einem aushärtbaren Fluid imprägniert wird.

10. Verfahren zur Herstellung eines Laminatmaterials nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, daß die Imprägnierung vor dem LOM-Prozess erfolgt.