DE102013217825A1

DE102013217825A1 - Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils, 3D-Drucker und Verbundbauteil

Info

Publication number: DE102013217825A1
Application number: DE201310217825
Authority: DE
Inventors: Rainer Heinrich Hoerlein; Jens Koenig
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-09-06
Filing date: 2013-09-06
Publication date: 2015-03-12

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils umfassend die folgenden Verfahrensschritte: – Bereitstellen eines Einlegeteils – Aufbringen eines Kunststoffs zumindest auf Abschnitte des Einlegeteils mittels eines 3D-Druckers

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils nach Gattung des unabhängigen Anspruchs.
Zur raschen Herstellung von Prototypen (Rapid-Prototyping) oder der Herstellung von Kleinserien beziehungsweise Einzelstücken eines Bauteils sind aus dem Stand der Technik verschiedene Verfahren bekannt. Diese umfassen den Einsatz sogenannter 3D-Drucker, mit denen mit geringem Aufwand beliebige Kunststoffteile gedruckt werden können. Dabei unterscheidet man folgende Techniken: Stereolithografie (SLA), Selective Laser Sintering (SLS), Fused Deposition Modeling (FDM), Laminated Object Manufacturing (LOM) und 3-Dimensional Printing (3DP).
3D-Drucker sind zum Beispiel von der Firma Makerbot Industries, LLC (Brooklyn, NY USA) oder von der Firma 3D-Systems, Incorporated (USA) erhältlich. In diesen 3D-Druckern wird Strangkunststoff in einem Extruder aufgeschmolzen und durch eine Düse gepresst. Dabei verlässt der Kunststoff die Düse in Form eines dünnen Kunststofffadens und wird auf einer Basisplatte platziert. Nach einer gewissen Zeit kühlt das so aufgebrachte Material wieder ab und erstarrt. Durch entsprechendes Verfahren des Extruders relativ zur Basisplatte kann so mit dem entstandenen dünnen Kunststofffaden Schicht für Schicht eine beliebige Form aufgebaut werden. Der Extruder wird dazu nach einem Muster relativ zur Basisplatte bewegt, welches von einem Computer anhand einer Objektvorlage generiert wird.
Zur Erzielung einer festen und dichten Metall-Kunststoff-Verbindung ohne die Verwendung eines zusätzlichen Haftvermittlers ist aus der DE 10 2008 040 782 A1 ein Verfahren zur Laserstrukturierung der Metalloberfläche, durch das auf der Metalloberfläche eine Mikrostruktur erzeugt wird, die von einer Nanostruktur überlagert ist, mit anschließendem Umspritzen mit einem Kunststoff bekannt.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs bietet die Möglichkeit einer besonders schnellen Herstellung eines Bauteils mittels eines 3D-Druckers. Dadurch, dass ein Einlegeteil verwendet wird, brauchen lediglich Abschnitte des herzustellenden Bauteils mittels des 3D-Druckers aufgebracht werden. Somit kann durch das erfindungsgemäße Verfahren die Prozessdauer gegenüber einer vollständigen Herstellung des Bauteils mittels des 3D-Druckers verkürzt werden. Werden Einlegeteile aus einem besonders stabilen Material wie beispielsweise einem Stahl verwendet, kann ein Bauteil mit erhöhter Stabilität gegenüber einem reinen Kunststoffbauteil erzeugt werden.
Diese Vorteile werden erzielt durch ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils umfassend die folgenden Verfahrensschritte:

– Bereitstellen eines Einlegeteils
– Aufbringen eines Kunststoffs zumindest auf Abschnitte des Einlegeteils mittels eines 3D-Druckers.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Niets möglich.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn zumindest Abschnitte des Einlegeteils formschlüssig mit dem Kunststoff umdruckt werden. Durch die sich so einstellende formschlüssige Verbindung wird eine besondere Stabilität des Verbundbauteils erzielt.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das Verfahren zusätzlich den folgenden Verfahrensschritt:

– Erzeugen einer Oberflächenstruktur mittels elektromagnetischer Strahlung zumindest abschnittsweise an dem Einlegeteil, wobei die Oberflächenstruktur eine von einer Nanostruktur überlagerte Mikrostruktur aufweist,

Hierdurch stellt sich im Kontaktbereich des Kunststoffes und der die Oberflächenstruktur aufweisenden Bereiche des Einlegeteils eine besonders robuste Verbindung ein. Auch kann auf diese Art eine dauerhaft gegen das Eindringen von Medien dichte Verbindung geschaffen werden, wodurch beispielsweise korrosiver Angriff auf das Einlegeteil verhindert werden kann.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der 3D-Drucker zum Aufbringen des Kunststoffs einen Laser umfasst und die Oberflächenstruktur mittels dieses Lasers erzeugt wird. Hierdurch wird ein zusätzlicher Laser für die Erzeugung der Oberflächenstruktur eingespart.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgen das Erzeugen der Oberflächenstruktur und das Aufbringen des Kunststoffes unter einer Schutzgasatmosphäre. Hierdurch wird beispielsweise verhindert, dass sich eine während des Erzeugens der Oberflächenstruktur mittels der elektromagnetischen Strahlung abgetragene Oxidschicht auf der Oberfläche des Einlegeteils vor dem Aufbringen des Kunststoffes erneut bilden kann. Hierdurch kann sich eine besonders feste Verbindung zwischen dem Kunststoff und dem Einlegeteil einstellen.
Der erfindungsgemäße 3D-Drucker und das erfindungsgemäße Verbundbauteil zeigen ebenfalls die oben genannten Vorteile.
Ausführungsbeispiel
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und nachfolgend näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Ansicht eines Einlegeteils mit einer Oberflächenstruktur, die eine von einer Nanostruktur überlagerte Mikrostruktur aufweist,
2 eine Ansicht eines erfindungsgemäßen Verbundbauteils,
3 ein in einem 3D-Drucker befindliches Einlegeteil mit einer Oberflächenstruktur, die eine von einer Nanostruktur überlagerte Mikrostruktur aufweist, vor dem Start des Druckvorgangs.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
1 zeigt eine Ansicht eines Einlegeteils 1 mit einer Oberflächenstruktur 2, die eine von einer Nanostruktur überlagerte Mikrostruktur aufweist. Die Oberflächenstruktur 2 kann beispielsweise mittels eines Lasers in die Oberfläche eingebracht werden. Das exakte Verfahren zur Herstellung der Oberflächenstruktur 2 kann der DE 10 2008 040 782 A1 entnommen werden.
In diesem Ausführungsbeispiel ist das Einlegeteil 1 aus Stahl hergestellt. Allgemein eignen sich zur Herstellung des Einlegeteils 1 auch weitere Materialien, wie beispielsweise Metalle, Legierungen, Keramiken, Kunststoffe oder Halbleitermaterialien.
Das Einlegeteil 1 weist in diesem Ausführungsbeispiel eine Verbreiterung 3 auf.
In 2 ist ein erfindungsgemäßes Verbundbauteil 4 dargestellt, das mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit dem in 1 dargestellten Einlegeteil 1 hergestellt wurde. Mittels eines 3D-Druckers wurde die Verbreiterung 3 mit Kunststoff umdruckt, so dass sich eine formschlüssige Verbindung zwischen dem aus Kunststoff hergestellten Bereich 5 und dem Einlegeteil 1 ausgebildet hat. Im Bereich der Kontaktfläche 6 zwischen der Oberflächenstruktur 2 auf dem Einlegeteil 1 und dem Kunststoff hat sich eine besonders feste und dichte Verbindung eingestellt.
Für das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils 4, wie es in 2 dargestellt ist, soll im Folgenden ein Ausführungsbeispiel gegeben werden.
3 zeigt ein in einem 3D-Drucker 7 befindliches Einlegeteil 1 mit einer Oberflächenstruktur 2, die eine von einer Nanostruktur überlagerte Mikrostruktur aufweist, vor dem Start des Druckvorgangs. Somit ist in 3 der Verfahrensschritt des Bereitstellens des Einlegeteils 1 schon erfolgt. Unter dem Bereitstellen des Einlegeteils 1 ist gemäß der vorliegenden Erfindung zu verstehen, dass das Einlegeteil 1 vorgefertigt, das heißt außerhalb des 3D-Druckers 7 hergestellt, dem 3D-Drucker 7 zugeführt wird.
Ebenfalls erkennt man in 3 einen Laser 8 zur Erzeugung der Oberflächenstruktur 2, welche eine von einer Nanostruktur überlagerte Mikrostruktur aufweist. Mittels dieses Lasers 8 wurde im Anschluss an den Verfahrensschritt des Bereitstellens des Einlegeteils 1 die Oberflächenstruktur 2 erzeugt. In 3 ist die Erzeugung der Oberflächenstruktur 2 mittels des Lasers 8 abgeschlossen.
Es sind jedoch auch weitere Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens denkbar, in denen die Oberflächenstruktur 2 erzeugt wird, bevor das Einlegeteil für den 3D-Druckvorgang bereitgestellt wird. Die Oberflächenstruktur 2 kann beispielsweise an einem komplett anderen Ort in das Einlegeteil 1 eingebracht werden als die anschließenden Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Auch ist denkbar, dass im Rahmen einer Produktionslinie erst die Oberflächenstruktur 2 erzeugt wird und das Einlegeteil 1 anschließend direkt beispielsweise über einen Greifer in den 3D-Drucker 7 übergeben wird.
Auch sind Ausführungsbeispiele denkbar, in denen die Erzeugung der Oberflächenstruktur 2 mittels des Lasers 8 noch nicht abgeschlossen ist, wenn mit dem Verfahrensschritt des Aufbringens des Kunststoffes mittels des 3D-Druckers 7 begonnen wird. In diesen Fällen können diese beiden Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auch parallel erfolgen.
Der in 3 dargestellte 3D-Drucker 7 weist eine Düse 9 zum Aufbringen des Kunststoffes und ein Positioniersystem 10 auf, mittels dessen die Düse 9 in alle drei Raumrichtungen verfahren und gekippt werden kann.
Erfindungsgemäß erfolgt im nächsten Verfahrensschritt das Aufbringen des Kunststoffes mittels des 3D-Druckers 7. Als Kunststoff können beispielsweise Thermoplaste, Duroplaste oder Elastomere eingesetzt werden. Als Thermoplaste kommen beispielsweise Acrylnitril-Butadien-Styrol, Polyphenylsulfon, Polycarbonat-Acrylnitril-Butadien-Styrol, Polypropylen, Polyamid, Polybutylenterephthalat, Polyoxymethylen, Polyphenylensulfid und Polyetheretherketon in Frage. Auch können mit Füllstoffen, beispielsweise Kurzglasfasern, gefüllte Kunststoffe zum Einsatz kommen. Es ergibt sich das in 2 abgebildete Verbundbauteil 4.
In diesem Ausführungsbeispiel dient der Laser 8 lediglich zur Erzeugung der Oberflächenstruktur 2. Es sind jedoch auch Ausführungsbeispiele denkbar, bei denen ein 3D-Drucker 7 verwendet wird, in dem für den Prozess des Aufbringens des Kunststoffes ein Laser 8 verwendet wird. Dies ist beispielsweise bei 3D-Druckern 7, die auf dem Selective Laser Sintering(SLS)-Verfahren basieren, der Fall. In diesen Ausführungsbeispielen kann es möglich sein, den ohnehin in dem 3D-Drucker 7 vorhandenen Laser 8 auch für die Erzeugung der Oberflächenstruktur 2 einzusetzen.
In diesem Ausführungsbeispiel finden alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens an Luft statt. Es sind jedoch auch Ausführungsbeispiele möglich, in denen die Oberflächenstruktur 2 in einer Schutzgasatmosphäre erzeugt wird, die bis zum Aufbringen des Kunststoffes nicht gebrochen wird. Beispielsweise kann sich der 3D-Drucker in einer beispielsweise mit Argon und/oder Helium flutbaren Kammer befinden, die ein Fenster für das Eintreten des Laserstrahls aufweist.
Hierdurch wird erreicht, dass eine Oxidschicht, die sich auf der Oberfläche des beispielsweise aus Metall bestehenden Einlegeteils 1 gebildet hat und die durch die Bestrahlung mittels des Lasers 8 abgetragen wurde, nicht neu bilden kann, bevor der Kunststoff auf die Oberfläche aufgebracht wird. Dies kann zu einer besonders haltbaren Verbindung zwischen dem Einlegeteil 1 und dem Kunststoff beitragen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102008040782 A1 [0004, 0018]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils (4) umfassend die folgenden Verfahrensschritte: – Bereitstellen eines Einlegeteils (1) – Aufbringen eines Kunststoffs zumindest auf Abschnitte des Einlegeteils (1) mittels eines 3D-Druckers (7)
Verfahren nach Anspruch 1, wobei zumindest Abschnitte des Einlegeteils (1) formschlüssig mit dem Kunststoff umdruckt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, weiterhin umfassend den folgenden Verfahrensschritt: – Erzeugen einer Oberflächenstruktur (2) mittels elektromagnetischer Strahlung zumindest abschnittsweise an dem Einlegeteil (1), wobei die Oberflächenstruktur (2) eine von einer Nanostruktur überlagerte Mikrostruktur aufweist, wobei der Kunststoff zumindest abschnittsweise auf den mit der Oberflächenstruktur (2) versehenen Bereich (6) des Einlegeteils (1) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der 3D-Drucker (7) zum Aufbringen des Kunststoffs einen Laser (8) umfasst und die Oberflächenstruktur (2) mittels des Lasers (8) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei das Erzeugen der Oberflächenstruktur (2) und das Aufbringen des Kunststoffes unter einer Schutzgasatmosphäre erfolgen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Einlegeteil (1) aus Stahl vorgefertigt ist.
3D-Drucker (7) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
Verbundbauteil (4) hergestellt mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5.