DE102013217825A1 - Method for producing a composite component, 3D printer and composite component - Google Patents

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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-DruckersThe invention relates to a method for producing a composite component, comprising the following method steps: Providing an insert part Applying a plastic at least to sections of the insert part by means of a 3D printer

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils nach Gattung des unabhängigen Anspruchs. The invention relates to a method for producing a composite component according to the preamble of the independent claim.

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).For the rapid production of prototypes (rapid prototyping) or the production of small series or individual pieces of a component, various methods are known from the prior art. These include the use of so-called 3D printers, with which any plastic parts can be printed with little effort. A distinction is made between the following techniques: stereolithography (SLA), selective laser sintering (SLS), fused deposition modeling (FDM), laminated object manufacturing (LOM) and 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.3D printers are available, for example, from Makerbot Industries, LLC (Brooklyn, NY USA) or from 3D Systems, Incorporated (USA). In these 3D printers extruded plastic is melted in an extruder and pressed through a nozzle. The plastic leaves the nozzle in the form of a thin plastic thread and is placed on a base plate. After a certain time, the material thus applied cools down again and solidifies. By appropriate method of the extruder relative to the base plate can be constructed layer by layer any form with the resulting thin plastic thread. The extruder is moved to a pattern relative to the base plate, which is generated by a computer based on an object template.

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. To obtain a solid and tight metal-plastic compound without the use of an additional primer is out of the DE 10 2008 040 782 A1 a method of laser structuring the metal surface, by which on the metal surface a microstructure is generated, which is superimposed by a nanostructure, with subsequent encapsulation with a plastic known.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Vorteile der Erfindung Advantages of the invention

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. The method according to the invention with the features of the independent claim offers the possibility of a particularly fast production of a component by means of a 3D printer. Because an insert is used, only portions of the component to be produced need to be applied by means of the 3D printer. Thus, the process duration can be shortened compared to a complete production of the component by means of the 3D printer by the inventive method. If inserts made of a particularly stable material such as a steel used, a component with increased stability compared to a pure plastic component can be produced.

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.
These advantages are achieved by a method for producing a composite component comprising the following method steps:
  • - Providing an insert
  • - Applying a plastic at least on portions of the insert by means of a 3D printer.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Niets möglich.The measures listed in the dependent claims advantageous refinements and improvements of the main claim rivet are possible.

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.It is particularly advantageous if at least sections of the insert are form-closed with the plastic. By so adjusting positive connection a special stability of the composite component is achieved.

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,
wobei der Kunststoff zumindest abschnittsweise auf den mit der Oberflächenstruktur versehenen Bereich des Einlegeteils aufgebracht wird.In a further advantageous development of the method according to the invention, the method additionally comprises the following method step:
  • Generating a surface structure by means of electromagnetic radiation at least in sections at the insert, wherein the surface structure has a microstructure superposed by a nanostructure,
wherein the plastic is at least partially applied to the provided with the surface structure portion of the insert.

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.As a result, in the contact region of the plastic and the surface structure having areas of the insert a particularly robust connection. Also can be created in this way a permanent against the ingress of media dense connection, whereby, for example, corrosive attack on the insert can be prevented.

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.It is particularly advantageous if the 3D printer for applying the plastic comprises a laser and the surface structure is produced by means of this laser. As a result, an additional laser for the generation of the surface structure is saved.

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.In an advantageous development of the method according to the invention, the production of the surface structure and the application of the plastic take place under a protective gas atmosphere. In this way, for example, prevents one during the generation of the surface structure formed by the electromagnetic radiation ablated oxide layer on the surface of the insert again before applying the plastic. This can set a particularly strong connection between the plastic and the insert.

Der erfindungsgemäße 3D-Drucker und das erfindungsgemäße Verbundbauteil zeigen ebenfalls die oben genannten Vorteile.The 3D printer according to the invention and the composite component according to the invention likewise show the above-mentioned advantages.

Ausführungsbeispielembodiment

Zeichnungendrawings

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und nachfolgend näher erläutert. Es zeigen: Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and explained in more detail below. Show it:

1 eine Ansicht eines Einlegeteils mit einer Oberflächenstruktur, die eine von einer Nanostruktur überlagerte Mikrostruktur aufweist, 1 a view of an insert with a surface structure having a superimposed by a nanostructure microstructure,

2 eine Ansicht eines erfindungsgemäßen Verbundbauteils, 2 a view of a composite component according to the invention,

3 ein in einem 3D-Drucker befindliches Einlegeteil mit einer Oberflächenstruktur, die eine von einer Nanostruktur überlagerte Mikrostruktur aufweist, vor dem Start des Druckvorgangs. 3 an insert located in a 3D printer having a surface structure having a nanostructure overlaid microstructure prior to the start of the printing operation.

Beschreibung des AusführungsbeispielsDescription of the embodiment

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. 1 shows a view of an insert 1 with a surface structure 2 having a microstructure overlaid by a nanostructure. The surface structure 2 For example, it can be introduced into the surface by means of a laser. The exact method for producing the surface structure 2 can he DE 10 2008 040 782 A1 be removed.

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.In this embodiment, the insert is 1 made of steel. Generally suitable for the production of the insert 1 also other materials, such as metals, alloys, ceramics, plastics or semiconductor materials.

Das Einlegeteil 1 weist in diesem Ausführungsbeispiel eine Verbreiterung 3 auf. The insert 1 has a broadening in this embodiment 3 on.

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.In 2 is a composite component according to the invention 4 represented by a method according to the invention with the in 1 illustrated insert 1 was produced. By means of a 3D printer was the broadening 3 overprinted with plastic, so that a positive connection between the area made of plastic 5 and the insert 1 has trained. In the area of the contact surface 6 between the surface structure 2 on the insert 1 and the plastic has set a particularly strong and tight connection.

Für das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils 4, wie es in 2 dargestellt ist, soll im Folgenden ein Ausführungsbeispiel gegeben werden.For the inventive method for producing a composite component 4 as it is in 2 is shown, an embodiment will be given below.

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. 3 shows one in a 3D printer 7 located insert 1 with a surface structure 2 having a microstructure overlaid by a nanostructure, prior to the start of the printing operation. Thus, in 3 the step of providing the insert 1 already done. Under the provision of the insert 1 is to be understood according to the present invention that the insert 1 prefabricated, that is outside of the 3D printer 7 manufactured, the 3D printer 7 is supplied.

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.You can also see in 3 a laser 8th for producing the surface structure 2 which has a microstructure superposed by a nanostructure. By means of this laser 8th was following the process step of providing the insert 1 the surface structure 2 generated. In 3 is the generation of the surface structure 2 by means of the laser 8th completed.

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. However, other embodiments of the method according to the invention are conceivable in which the surface structure 2 is generated before the insert is provided for the 3D printing process. The surface structure 2 For example, at a completely different location in the insert 1 are introduced as the subsequent steps of the method according to the invention.

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.It is also conceivable that in the context of a production line, only the surface structure 2 is generated and the insert 1 then directly, for example via a gripper into the 3D printer 7 is handed over.

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.Embodiments are also conceivable in which the generation of the surface structure 2 by means of the laser 8th not yet completed when with the process step of applying the plastic by means of the 3D printer 7 is started. In these cases, these two steps of the method according to the invention can also take place in parallel.

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. The in 3 illustrated 3D printer 7 has a nozzle 9 for applying the plastic and a positioning system 10 by means of which the nozzle 9 can be moved and tilted in all three spatial directions.

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. According to the invention, the application of the plastic by means of the 3D printer takes place in the next method step 7 , As plastic, for example, thermoplastics, thermosets or elastomers can be used. Suitable thermoplastics are, for example, acrylonitrile-butadiene-styrene, polyphenylsulfone, polycarbonate-acrylonitrile-butadiene-styrene, polypropylene, polyamide, polybutylene terephthalate, polyoxymethylene, polyphenylene sulfide and polyether ether ketone. Also filled with plastics, such as short glass fibers, filled plastics can be used. This results in the 2 Pictured composite component 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 this embodiment, the laser is used 8th only for the production of the surface structure 2 , However, embodiments are also conceivable in which a 3D printer 7 is used, in which for the process of applying the plastic a laser 8th is used. This is for example with 3D printers 7 based on the Selective Laser Sintering (SLS) method, the case. In these embodiments, it may be possible anyway in the 3D printer 7 existing laser 8th also for the production of the surface structure 2 use.

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. In this embodiment, all steps of the method according to the invention take place in air. However, embodiments are also possible in which the surface structure 2 is generated in a protective gas atmosphere, which is not broken until the application of the plastic. For example, the 3D printer may be in a floodable, for example, argon and / or helium chamber having a window for the entry of the laser beam.

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. This ensures that an oxide layer, which is on the surface of the existing example of metal insert 1 has formed and by the irradiation by means of the laser 8th has been removed, can not recreate before the plastic is applied to the surface. This can lead to a particularly durable connection between the insert 1 and contribute to the plastic.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102008040782 A1 [0004, 0018] DE 102008040782 A1 [0004, 0018]

Claims (8)

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)Method for producing a composite component ( 4 ) comprising the following steps: - providing an insert ( 1 ) - Applying a plastic at least on portions of the insert ( 1 ) by means of a 3D printer ( 7 ) Verfahren nach Anspruch 1, wobei zumindest Abschnitte des Einlegeteils (1) formschlüssig mit dem Kunststoff umdruckt werden.Method according to claim 1, wherein at least portions of the insert ( 1 ) are positively coated with the plastic. 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.The method of claim 1 or 2, further comprising the following method step: - generating a surface structure ( 2 ) by means of electromagnetic radiation at least in sections on the insert ( 1 ), the surface structure ( 2 ) has a microstructure superposed by a nanostructure, wherein the plastic is at least partially coated with the surface structure ( 2 ) ( 6 ) of the insert ( 1 ) is applied. 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.The method of claim 3, wherein the 3D printer ( 7 ) for applying the plastic a laser ( 8th ) and the surface structure ( 2 ) by means of the laser ( 8th ) is produced. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei das Erzeugen der Oberflächenstruktur (2) und das Aufbringen des Kunststoffes unter einer Schutzgasatmosphäre erfolgen. Method according to claim 3 or 4, wherein the generation of the surface structure ( 2 ) and the application of the plastic under a protective gas atmosphere. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Einlegeteil (1) aus Stahl vorgefertigt ist.Method according to one of claims 1 to 5, wherein the insert part ( 1 ) is prefabricated from steel. 3D-Drucker (7) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5.3D printer ( 7 ) for carrying out the method according to one of claims 1 to 5. Verbundbauteil (4) hergestellt mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5.Composite component ( 4 ) prepared by a method according to any one of claims 1 to 5.
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