DE102012012463A1

DE102012012463A1 - Method for computer-controlled printing of thermoplastic parts

Info

Publication number: DE102012012463A1
Application number: DE102012012463A
Authority: DE
Inventors: Robert Heinrich Kurt Reichert; Nicolaus Stephan Börsch; Waldemar Christians
Original assignee: Bcr Patent Ug (haftungsbeschrankt); BCR PATENT UG HAFTUNGSBESCHRAENKT
Current assignee: Bcr Patent Ug (haftungsbeschrankt); BCR PATENT UG HAFTUNGSBESCHRAENKT
Priority date: 2012-06-21
Filing date: 2012-06-21
Publication date: 2013-12-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum computergesteuerten Drucken von thermoplastischen Kunststoffteilen. Der Kunststoffteil weist dabei eine organische Form auf. Zunächst wird der Kunststoff aufgeschmolzen und über eine Extruderdüse zu Kunststofffäden extrudiert. Diese werden dann computergesteuert in Kraftrichtung aufgebracht und formen so den Kunststoffteil. Mittels der Kunststofffäden werden sowohl eine dünnwandige Außenhülle, als auch eine in der Außenhülle angeordnete Stützstruktur gedruckt, um den Kunststoffteil zu bilden.The invention relates to a method for computer-controlled printing of thermoplastic plastic parts. The plastic part has an organic form. First, the plastic is melted and extruded through an extruder die to plastic filaments. These are then applied computer-controlled in the direction of force and thus form the plastic part. By means of the plastic threads, both a thin-walled outer shell and a support structure arranged in the outer shell are printed in order to form the plastic part.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum coputergesteuerten Drucken von thermoplastischen Kunststoffteilen. Solche Verfahren sind grundsätzlich bereits bekannt. Die so gedruckten Kunststoffteile sind jedoch häufig spröde und wenig schlagzäh und weisen eine geringe mechanische Belastbarkeit auf. Sie können daher lediglich als Muster oder ähnliches dienen. Darüber hinaus sind solche Teile üblicherweise auf herkömmliche Art konstruiert und weisen somit rechte Winkel, glatte Kanten, plane Seiten und Wände u. ä. auf.The invention relates to a method for coputergesteuerten printing of thermoplastic plastic parts. Such methods are already known in principle. However, the printed plastic parts are often brittle and low impact and have a low mechanical strength. They can therefore serve only as a pattern or the like. In addition, such parts are usually constructed in a conventional manner and thus have right angles, smooth edges, flat sides and walls u. on.

In vielen Bereichen ist es heute erforderlich, Bauteile vorzusehen, die möglichst zug- und druckbeständig und mechanisch belastbar sind, dabei jedoch trotzdem ein geringes Gewicht aufweisen. Solche Bauteile sind für viele Bereiche notwendig, unter anderem auch in der Automobilindustrie. Dabei ist es notwendig, dass die Bauteile unterschiedlichste Formen und Ausprägungen haben können. Derartige Bauteile werden heute üblicherweise aus Aluminium gefertigt. Dies ist jedoch schwerer als Kunststoff, wobei den entsprechenden Kunststoffteilen die notwendige mechanische Belastbarkeit fehlt. Darüber hinaus ist Aluminium vergleichsweise teuer und aufgrund der steigenden Rohstoffpreise ist in den nächsten Jahren eine weitere Verteuerung zu erwarten.In many areas, it is necessary today to provide components that are as tensile and pressure resistant and mechanically strong, while still having a low weight. Such components are necessary for many areas, including in the automotive industry. It is necessary that the components can have different shapes and characteristics. Such components are usually made of aluminum today. However, this is heavier than plastic, with the corresponding plastic parts missing the necessary mechanical strength. In addition, aluminum is comparatively expensive and due to the rising raw material prices, a further rise in prices is expected over the next few years.

Aufgabe der Erfindung ist es daher Kunststoffteile sowie ein Verfahren zum Drucken von Kunststoffteilen dahingehend zu verbessern, dass diese mechanisch belastbar sind und trotzdem ein geringes Gewicht aufweisen. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst, denen folgende besondere Bedeutung zukommt.The object of the invention is therefore to improve plastic parts and a method for printing plastic parts to the effect that they are mechanically strong and still have a low weight. This object is solved by the features of claim 1, which have the following special significance.

Es werden Kunststoffteile in organischer Form hergestellt. Unter organischen Formen sind Formen zu verstehen, wie sie in der Natur vorkommen, beispielsweise bei Bäumen, Ästen, Knochen, Schädeln, Spinnennetzen u. ä. natürlich gewachsenen Teilen. Diese weisen häufig wenig rechte Winkel oder gerade Kanten oder plane Seitenflächen auf. Dies kann jedoch auch vorkommen. Die entsprechenden organischen Formen sind solchen natürlich gewachsenen Formen angenähert. Eine genaue mechanische Berechnung solcher Formen ist oft schwierig. Solche organischen Formen sind oft deutlich stabiler als auf herkömmliche Weise konstruierte.Plastic parts are produced in organic form. Organic forms are to be understood as occurring in nature, for example in trees, branches, bones, skulls, spider webs and the like. Ä. Naturally grown parts. These often have little right angles or straight edges or flat side surfaces. However, this can also happen. The corresponding organic forms are approximated to such naturally grown forms. Accurate mechanical calculation of such shapes is often difficult. Such organic forms are often much more stable than conventionally constructed ones.

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der thermoplastische Kunststoff zunächst aufgeschmolzen und über eine Extruderdüse in Form von Kunststofffäden computergesteuert in Kraft- bzw. Belastungsrichtung aufgebracht. Die Kunststofffäden werden dabei derart angeordnet, dass eine dünnwandige Außenhülle entsteht, sowie eine in der Außenhülle angeordnete Stützstruktur. Der so gebildete organisch geformte Kunststoffteil ist durch den geringeren Materialaufwand und die Verwendung von Kunststoff sehr leicht, aber sowohl durch die organische Form, als auch durch die Außenhülle mit Stützstruktur sehr stabil. Vorteilhaft bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist auch, dass die für das Verfahren benötigten Ausstattungen und Anlagen nur einmalig angeschafft werden müssen. Auch wenn dann anders geformte Bauteile gefertigt werden sollen, entfällt eine bei herkömmlichen Herstellungsverfahren erforderliche Anschaffung neuer und teurer Werkzeuge. Unter thermoplastischem Material wird auch ein thermoplastisch – also unter Wärmeeinwirkung schmelzbarer – wirkender Verbundwerkstoff verstanden, dessen wenigstens eine Komponente ein klassischer thermoplastischer Kunststoff ist, während andere Komponenten auch nicht-thermoplastischer Natur sein können.In carrying out the method according to the invention, the thermoplastic material is first melted and applied via an extruder nozzle in the form of plastic threads computer-controlled in force or loading direction. The plastic threads are arranged such that a thin-walled outer shell is formed, as well as arranged in the outer shell support structure. The thus formed organically shaped plastic part is very easy due to the lower cost of materials and the use of plastic, but very stable both by the organic form, as well as by the outer shell with support structure. Another advantage of the method according to the invention is that the equipment and systems required for the method need only be purchased once. Even if then differently shaped components are to be manufactured, eliminating the need to purchase new and expensive tools in conventional manufacturing processes. Thermoplastic material is also understood to mean a thermoplastic material which is meltable by the action of heat and whose at least one component is a classic thermoplastic material, while other components may also be non-thermoplastic in nature.

Besonders bewährt hat sich die Verwendung eines Kunststoffs mit geringem Wärmeausdehnungskoeffizienten, welcher druckstabil ist. Hier ist beispielsweise PLA (Polylactid) vorteilhaft. Dieser Kunststoff wird aus organischen Materialien, nämlich aus Milchsäure und Stärke, hergestellt und ist somit unabhängig von Erdölvorkommen. Darüber hinaus ist er auch voll kompostierbar. Der Kunststoff weist eine geringe Dichte auf und hat einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten, so dass die gedruckten Kunststoffteile beim Abkühlen nicht schrumpfen. Dies ist wichtig, um die genauen Abmaße der Kunststoffteile sicher zu stellen oder auch Serien von Kunststoffteilen zuverlässig herstellen zu können.Has proven particularly useful the use of a plastic with a low coefficient of thermal expansion, which is pressure stable. Here, for example, PLA (polylactide) is advantageous. This plastic is made of organic materials, namely lactic acid and starch, and is thus independent of oil deposits. In addition, it is also fully compostable. The plastic has a low density and has a low coefficient of thermal expansion, so that the printed plastic parts do not shrink on cooling. This is important in order to ensure the exact dimensions of the plastic parts or to reliably produce series of plastic parts.

Die im Kunststoffteil befindliche Stützstruktur kann unterschiedliche Ausprägungen haben. So können die einzelnen Kunststofffäden der Stützstruktur chaotisch verlaufen oder auch geordnet bzw. symmetrisch ausgebildet sein. Schließlich ist es auch denkbar, das Innere der Außenhülle vollständig mit Kunststofffäden auszufüllen. Welche Variante von Stützstruktur gewählt wird, ist vom jeweiligen Anwendungsfall abhängig. Je mehr Kunststofffäden in der Stützstruktur vorhanden sind, desto höher ist das jeweilige Gewicht des Kunststoffteiles. Es ist selbstverständlich auch möglich verschieden geformte Stützstrukturen in dem gleichen Kunststoffteil vorzusehen. Dadurch hat der Kunststoffteil an verschiedenen Stellen verschiedene Eigenschaften, wie Festigkeit oder Elastizität. Diese können so konstruktiv gesetzt werden.The support structure located in the plastic part can have different characteristics. Thus, the individual plastic threads of the support structure can be chaotic or even ordered or symmetrical. Finally, it is also conceivable to completely fill the interior of the outer shell with plastic threads. Which variant of supporting structure is chosen depends on the respective application. The more plastic threads are present in the support structure, the higher the respective weight of the plastic part. It is of course also possible to provide differently shaped support structures in the same plastic part. As a result, the plastic part has different properties at different points, such as strength or elasticity. These can be set so constructive.

Um eine passende organische Form für den Kunststoffteil zu finden bzw. zu entwickeln, gibt es mehrere Möglichkeiten. Selbstverständlich kann die organische Form direkt gezeichnet bzw. skizziert werden und als Vorlage für das Steuerprogramm des Druckprozesses dienen. Es ist jedoch auch möglich, eine beliebige nichtorganische Form zu zeichnen, skizzieren, einzuscannen oder zu fotografieren und dann mit Hilfe eines Computerprogrammes in eine organische Form umzuwandeln. Darüber hinaus ist es auch möglich, ein dreidimensionales Modell herzustellen, welches dann eingescannt oder fotografiert wird. Auch dieses dreidimensionale Modell kann dann mit Hilfe eines Computerprogrammes in eine organische Form umgewandelt werden. Diese umgewandelten organischen Formen werden dann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gedruckt. Selbstverständlich ist es auch möglich, ein organisches dreidimensionales Modell herzustellen und einzuscannen bzw. zu fotografieren und direkt dem Steuerungsprogramm für den Druckprozess zuzuführen. Als Scanner sind neben herkömmlichen zweidimensionalen Scannern auch, insbesondere für dreidimensionale Modelle, 3D-Scanner denkbar. Ist die organische Form des Kunststoffteiles nicht ausreichend stabil bzw. soll diese noch verstärkt werden, so kann in dem Computerprogramm auf einfache Art und Weise eine Änderung Druckvorlage durchgeführt und die genaue Form des Kunststoffteils angepasst werden. Dies ist bei den hier verwendeten organischen Formen deutlich einfacher als bei herkömmlichen Herstellungsprozessen, bei denen zunächst Berechnungen angestellt und dann neue Zeichnungen mit geänderter Bemaßung angefertigt werden müssen. Auch die Anschaffung neuer geänderter Werkzeuge entfällt.In order to find or develop a suitable organic form for the plastic part, there are several possibilities. Of course, the organic form can be directly drawn or sketched and used as a template for the control program of the printing process. However, it is also possible to draw, sketch, scan or photograph any non-organic form and then convert it to an organic form using a computer program. In addition, it is also possible to produce a three-dimensional model, which is then scanned or photographed. This three-dimensional model can then be converted into an organic form with the help of a computer program. These converted organic forms are then printed by the method of the invention. Of course, it is also possible to produce and scan an organic three-dimensional model or photograph and feed directly to the control program for the printing process. In addition to conventional two-dimensional scanners, 3D scanners are also conceivable as scanners, in particular for three-dimensional models. If the organic form of the plastic part is not sufficiently stable or if it is to be reinforced, then a change in the printing original can be carried out in the computer program in a simple manner and the exact shape of the plastic part can be adapted. This is much easier with the organic molds used here than with conventional manufacturing processes, where calculations are first made and then new drawings with changed dimensions must be made. The purchase of new modified tools is eliminated.

Je nach Anwendungsfall können während des Druckens auch elektrische bzw. elektronische Komponenten, Anschlussbuchsen, Leitungen oder Ähnliches in den Kunststoffteil mit eingebaut werden. Hierzu werden diese Komponenten vor oder während des Druckvorganges eingelegt und zumindest bereichsweise mit Kunststoff umdruckt. Hierdurch ist es nicht notwendig, noch derartige Komponenten noch nachträglich an dem Kunststoffteil zu befestigen.Depending on the application, electrical or electronic components, connection sockets, lines or the like can be incorporated into the plastic part during printing. For this purpose, these components are inserted before or during the printing process and reprinted at least partially with plastic. As a result, it is not necessary even later to attach such components to the plastic part.

Um neben der Druckbelastbarkeit, die insbesondere durch die Stützstruktur gegeben ist, auch noch eine zusätzliche stärkere Zugbelastbarkeit des Kunststoffteiles sicherzustellen, kann dieses nach dem Druck zumindest bereichsweise mit Kohlenstofffasern, insbesondere in Kraftrichtung, umwickelt werden. Hierfür existieren spezielle Wickeltechniken, um einen Kunststoffteil gezielt in Kraft- bzw. Belastungsrichtung zu verstärken und für Zugkräfte belastbarer zu machen. Die verwendeten Kohlenstofffasern werden dabei nicht mehr nachträglich durch Bohrungen o. ä. verletzt, so dass sie – anders als bei anderen Verwendungen von Kohlenstofffasern – nicht geschwächt werden, sondern besonders stark und strapazierfähig bleiben. Die durch die Stützstruktur bewirkte Druckbelastbarkeit und die durch die Kohlenstofffasern bewirkte Zugbelastbarkeit ergänzen sich dabei und schaffen so ein sehr belastbares stabiles Bauteil.In order to ensure an additional stronger tensile strength of the plastic part in addition to the compressive strength, which is given in particular by the support structure, this can be at least partially wrapped with carbon fibers, in particular in the direction of force after printing. For this purpose, there are special winding techniques to selectively reinforce a plastic part in force or load direction and make it more resilient for tensile forces. The carbon fibers used are no longer subsequently injured by drilling o. Ä., So that they - unlike other uses of carbon fibers - are not weakened, but remain particularly strong and durable. The pressure load-bearing capacity brought about by the support structure and the tensile load caused by the carbon fibers complement each other, thus creating a stable component which is very resilient.

Weiterhin bevorzugt ist es, dann den umwickelten Kunststoffteil mit einem flüssigen aushärtenden Material zu ummanteln, wie beispielsweise einem Epoxidharz oder Cyanakrylat. Dies verbindet den durch den Druckvorgang hergestellten Kunststoffteil besser mit den Wicklungen aus Kohlenstofffaser. Hierdurch wird ein komplexes Verbundwerkstück hergestellt, welches noch stärkeren Belastungen standhalten kann.It is further preferred then to coat the wound plastic part with a liquid hardening material, such as an epoxy resin or Cyanakrylat. This better bonds the plastic part made by printing with the carbon fiber windings. As a result, a complex composite piece is produced, which can withstand even greater loads.

In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das gesamte Verfahren robotergesteuert durchgeführt. So können beispielsweise die Entnahme des fertig gedruckten Kunststoffteiles nach dem Drucken, die Zuführung von elektrischen bzw. elektronischen Komponenten bzw. Buchsen oder Leitungen, die Umwicklung des Kunststoffteiles mit Kohlenstofffasern oder auch der weitere Einbau des fertigen Kunststoffteiles in ein komplexeres System robotergesteuert durchgeführt werden.In a particularly preferred embodiment, the entire process is performed robotically controlled. Thus, for example, the removal of the finished printed plastic part after printing, the supply of electrical or electronic components or sockets or lines, the wrapping of the plastic part with carbon fibers or the further installation of the finished plastic part in a more complex system are performed robotically controlled.

Abschließend sei noch darauf hingewiesen, dass die hier dargestellten Ausführungsformen lediglich beispielhafte Verwirklichungen der Erfindung sind. Diese kann auch noch weitere Verfahren umfassen. Es sind noch weitere Abwandlungen und Änderungen möglich.Finally, it should be pointed out that the embodiments shown here are merely exemplary realizations of the invention. This may also include other methods. There are still other modifications and changes possible.

Claims

Method for computer-controlled printing of thermoplastic parts wherein the plastic part has an organic form, wherein initially the plastic is melted and produced via an extruder die plastic threads, which are then applied computer-controlled in the direction of force or in the loading direction, and wherein by means of the plastic threads, a thin-walled outer shell and a support structure arranged in the outer shell are printed, which form the plastic part.

A method according to claim 1, characterized in that the course of the plastic threads is chaotically formed in the support structure.

Method according to one of claims 1 or 2, characterized in that the course of the plastic threads in the support structure is symmetrical or ordered.

Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the support structure completely fills the interior of the outer shell.

Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that initially drawn any non-organic form, outlined, scanned, photographed or produced as a three-dimensional model and then scanned or photographed, which is then converted by means of a computer program into an organic form, which is then printed.

Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that electrical or electronic components and / or sockets are inserted before or during printing and at least partially reprinted with.

Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the plastic part is wrapped after printing at least partially with carbon fiber in the direction of force.

A method according to claim 7, characterized in that the wrapped plastic part is coated in a liquid hardening material, such as an epoxy resin or cyanoacrylate, which connects the plastic part with the windings.

Method according to one of claims 1 to 8, characterized in that a pressure-resistant plastic with a low coefficient of thermal expansion is used as the plastic, such as PLA (polylactide).

Method according to one of claims 1 to 9, characterized in that the method is carried out wholly or partially robotically controlled.