DE102015007349A1

DE102015007349A1 - Verzugs-Reduzierung von Kunststoffteilen, Apparatur und Verfahren, insbesondere von im 3D-Druck erstellten Teilen, FDM-Drucker

Info

Publication number: DE102015007349A1
Application number: DE102015007349.4A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-06-14
Filing date: 2015-06-14
Publication date: 2016-12-15

Abstract

Behandlungsverfahren zur Reduktion von Verzug, zur Oberflächengestaltung von Bauteilen, die in einem 3D-Druckverfahren, Spritzgußverfahren oder Tiefzieh-Verfahren hergestellt werden und Apparat, vorzugsweise kombiniert mit einem 3D-Drucker dafür.

Description

Kunststoff-Produkte, die aus Thermoplasten, insbesondere Objekte, die nach dem FDM Verfahren in 3D-Druckern hergestellt werden, haben eine (je nach verwendetem Material) verschieden starke Neigung zum Verzug durch behinderte Schwindung. Das oft verwendete Material ABS (hohe Festigkeit) zeigt hierbei starken Verzug. Objekte, die gedruckt werden, verziehen sich durch „warping” schon während des Druckens so stark, daß sie oftmals nicht ohne Schaden bis zum Ende gedruckt werden können. Es kann passieren, daß ein ungünstig geformtes Objekt während des Druckens reißt oder von der Bauplattform abfällt. Weiterhin zeitigt sich addierend noch jene Schwindung, die erst in den folgenden 1–2 Tagen nach dem Druck sichtbar wird/auftritt.
Im allgemeinen wird als Stand der Technik verstanden, den Verzug in Kunststoffteilen zu minimieren, indem das gesamte Kunststoffteil einer besonders langsamen homogenen Abkühlung unterzogen wird, oder wie beim Spritzguß üblich, werden formgebende Möglichkeiten genutzt um den Verzug minimal zu halten, da lange Abkühlprozesse der Spritzgußform aus Kostensicht nicht effektiv sind.
Das langsame Abkühlen erfolgt bspw. in dem die beim 3D-Druck entstehende Wärme nur langsam abgeführt wird, (so etwa beim Lasersintern von Objekten aus Kunststoffpulvern, die nach dem Drucken in ihrem „Pulver-Bett” verbleiben um einen langsamen Spannungsabbau zu ermöglichen). Es ist aber auch gängige Praxis, Kunststoffteile, nach der beendeten Formgebung zu erwärmen, um die im Objekt vorhandenen Spannungen, erzeugt durch ungleichförmige Abkühlung, zu lösen.
3D-Drucker der US Firma Stratasys bauen beispielsweise das Objekt in einem beheizten Bauraum, wobei nach deren Patent US 5866058 ein Temperaturbereich um die Glasübergangstemperatur eingehalten wird um alle Spannungen durch thermische Ausdehnung, als auch durch Verwindung bei konstanter Temperatur zu beheben Eine andere Technik bedient sich einer beheizten Objekt-Unterlage (heated bed). Hierbei wird das Objekt auf die Objekt-Unterlage gedruckt und von Unten erwärmt. Diese Technik ist nur sinnvoll für Objekte mit kleiner Z-Ausdehnung (nach Oben), da die Wärme (von unten) im Objekt kaum nach Oben kriecht und somit keine homogene Wärmeverteilung gewährleistet ist.
Einige Anwender von 3D-Druckern ohne beheizten Bauraum beschreiben deshalb die Objekterwärmung mit Hilfe von Warmluft-Fönen. Dies gestaltet sich als machbar, hat aber Nachteile, da große Warmluftmengen, mit teils nicht definierten Temperaturen das Objekt und den Bauraum durchströmen und ggf. Teile des 3D-Druckers beaufschlagen, wodurch dieser Schaden nimmt.
Es wird hier vorgeschlagen, das Objekt mit freibeweglichen und steuerbaren Strahlern im sichtbaren oder unsichtbaren Spektrum (z. B. IR-Strahlern, Laser-Dioden) aufzuwärmen. Die freie Beweglichkeit ermöglicht die Bestrahlung des sich abkühlenden Objektes an nützlichen Stellen. Weiterhin sind Temperaturfühler vorhanden, welche aktuelle Temperaturen des Objektes messen und an eine Software weiterleiten, welche die Wärmestrahler steuert.
Es hat sich bei Versuchen zur Minimierung der Verzug/Verwindung des Kunststoffes mit FDM-Druckern ohne beheizten Bauraum gezeigt, daß Objekte mit geringerem Verzug gebaut werden können, wenn die geschmolzene Kunststoffmasse, die in Schichten auf eine Unterlage zum Bauen des Objektes aufgebracht wird, nicht per se auf dem kürzesten Weg eine gerade Linie extrudiert, sondern eine zu bauende Wand z. B. aus einer Ziegelsteinstruktur (4 > gerade Linien, 5 mit Ziegelsteinstruktur, ob versetzt oder nicht) zusammengesetzt wird. Die resultierenden Temperaturen, die zur gleichen Zeit im Material > einer < gedruckten Schicht herrschen, sind somit unterschiedlich, da Zeit vergeht, bis der Druckkopf beispielsweise Punkt a oder Punkt b (5) entlang eines Layers gedruckt hat. Diese unterschiedlichen Abkühlungszeiträume innerhalb eines Objektes bewirken bei kluger Anordnung des in Schichten zerlegten Objektes, nämlich in kleinere Segmente, einen stark verminderten Verzug, da selbstversteifende Effekte durch neu aufgelegte, Materialschichten auftreten. Nachteilig ist jedoch, das die gewünschte Außenhaut/Oberfläche des gebauten Objektes mit viel mehr als sonst nötigen Extrusionslinien verunstaltet ist (Ohne diese Objekt-Segmentierung) sieht man als Extrusionslinien nur die Layerschichten (üblich: 0,15–0,4 mm). Weiterhin wird durch dieses Segmentierungsverfahren mehr Material in das Objekt eingebracht als nötig wäre. Eine Analyse dieser Arbeitsweise brachte den Vorschlag, ein in nicht-segmentierter Layerbauweise gebautes Objekt mit partiell aufgebrachter Wärmestrahlung zu beaufschlagen, um die lokalen Temperaturunterschiede, wie beim Segmentierungsverfahren indirekt erzeugt, nun nachträglich bzw. während des Ausdruckes zu erzeugen. In 1 wird veranschaulicht, wie ein von einem Strahlengeber erzeugter Wärme-Strahl als Punkt oder sonstiger Geometrieform, auf das Objekt trifft. Es scheint nachvollziehbar, daß dieser Strahl das Objekt lokal begrenzt erwärmt.
Mehrere Strahlengeber können das Objekt somit zeitlich versetzt mit einer mosaikartigen oder unregelmäßigen Anordnung von angewärmten und nicht gewärmten Stellen (Nestern) überziehen.
Diese muß nicht unbedingt ein gleichartiges Muster und dazugehöriger Intensität erzeugen, da bedingt durch die Wandstärke des Objektes die nötige Wärme zur lokalen Entspannung des Kunststoffes differiert. In dieser Art kann das Objekt von punktförmigen Strahlenquellen beaufschlagt werden, Resultat ist beispielsweise ein Objekt dessen Temperatur an einer Stelle nur noch 60°C beträgt, 7 mm daneben in einem Nest 100°C.

Dieses Verfahren birgt damit die Möglichkeit, im Kunststoff gezielt lokale Spannungen zu erzeugen oder bestehende Spannungen zu reduzieren, quasi über deren Wirklänge zu zerschneiden. Unterstützt werden kann dieser Prozess durch Kälte-Quellen. Diese erzeugen Spannungen durch Schrumpfung und können lokal die Richtung erfolgten Verzuges umkehren. Der Effekt einer nachträglichen erneuten „Anschmelzung”/Aufwärmung der schon gelegten Schichten eines Objektes ist die zweite Neuerung in dieser Patentanmeldung. Werden bei FDM-Verfahren nacheinander Layer übereinander gelegt, so hat die gerade entstehende Schicht/Layer an der Stelle des Materialaustrittes der Düse lokal eine Temperatur wie auch die Schmelze in der Düse, bspw. 210° für PLA, die bereits abgekühlte Schicht darunter oder daneben aber nur noch von ca. 170°C, je nach Größe des Objektes aber auch nur noch von beispielsweise 60°C. Diese Temperatur-Unterschiede reichen nicht immer aus, Schichten wirkungsvoll miteinander untereinander zu verschmelzen. Man behilft sich bisher deshalb damit, die neue (oberste) Schicht mit 235° zu über-temparieren, um mehr Energieinhalt (Wärme) zum Anschmelzen der unteren Schicht (die ja schon kalt ist) zur Verfügung zu haben. Gelöst werden die Aufgaben durch Verwendung von beweglichen und unbeweglichen Strahlern, deren Strahlung im Objekt eine lokale Temperaturänderung bewirkt, welche einen layerübergreifenden Objekt-Bereich wieder anschmilzt. Die messbare Bindung/Festigkeit zwischen den Layern wird erhöht. Praktisch können dies Infrarot-Dioden, UV-Dioden oder Laserdioden, aber auch andere energiereiche Strahler oder heiße Luft sein. Diese werden vorzugsweise beweglich auf das Objekt ausgerichtet und erwärmen dieses an den Orten des Auftreffens der Strahlung und im benachbarten Material, an der Außenhaut, als auch in Richtung Objektinneres durch Wärmeleitung. Ein berührungsloser Thermofühler misst die aktuelle Objekttemperatur. Beschreibung/Legende

Fig. 1	Apparat zur Wärmebehandlung mit verschiedenen Strahlern und integriertem FDM-Drucker. 3d-Drucker mit Vorrichtungen zur Wärmebehandlung.
Fig. 2	Apparat zur Wärmebehandlung mit beweglicher Grundplatte/Plattform und Strahlen-Quellen
Fig. 3	schematisch: Ansicht eines rechteckigen Objektes mit Layern
Fig. 4	Wie Fig. 4, mit unterbrochen abgelegten Layern, zur Verdeutlichung, daß hier durch die Kappung der durchgehenden Layer auch die „durchgehenden „Spannungen” im Material gekappt werden.
Fig. 5	schematisch: typische Ansicht eines gedruckten Objektes (wie in Fig. 4) mit entstandenem Verzugseffekt, Warp.
Fig. 6	Objekt mit Ansicht der projizierten Energie-Mustern (Energieeintrag durch Strahlung oder temperierte Luft)
Fig. 7	Darstellung der möglichen Energie-Muster, welche Nester mit abweichender Temperatur erzeugen. Die Ziffern stellen symbolisch die mögliche Reihenfolge des Energieeintrages dar.
Fig. 8	Die gepunkteten Linien stellen mögliche Wege des Energieeintrages dar.
Fig. 9	Hier Darstellung der Nachbehandlung eines tiefgezogenen Bauteiles (6) mittels Kaltluft (D) und Wärmestrahlung (C)
A	Gehäuse des Apparates zur Wärmebehandlung
B	symbolisch 3D-Druck-Kopf, hier mit zweifacher Filamentzuführung und Filament-Mischkammer,
C	Wärmestrahler z. B. (Laser, IR, Warmluft)
D	Kaltluft-Quelle
T	berührungsloser Temperatursensor
1	Darstellung des Strahlenganges von (C)
2	Wärmestrahler C befindet sich außerhalb des Apparat zur Wärmebehandlung
3	Darstellung des Kaltluftstromes
4	Plattform zur Aufnahme des Bauteiles zwecks Wärmebehandlung, bzw. Druckplattform
5	Bauteil zur Wärmebehandlung, hier Darstellung eines Bauteiles welches simultan gedruckt und Wärmebehandelt wird.
6	symbolisch, ein tiefgezogenes Bauteil wird mit Wärme beaufschlagt, oder ein durch Spritzguß entstandenes Teil.
F1	Energie-Muster, punktförmig, wiederkehrend in Reihe
F2	Energie-Muster, gebogene Linie in Reihe wiederkehrend
F3	Energie-Muster, unregelmäßige Punktform
F4	Energie-Muster, zur Oberflächenstrukturierung, visuell erkennbar.

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

US 5866058 [0004]

Claims

Apparatur und Energie-Behandlungsverfahren für Produkte/Objekte/Bauteile, die in einem • 3D-Druckverfahren, z. B. der FDM-Technik oder im Pulver-Sinterverfahren • Spritzgußverfahren, Gießverfahren oder • Tiefzieh-Verfahren hergestellt werden oder wurden, gekennzeichnet dadurch, daß Teilbereiche des Bauteiles a) zur Behinderung, Verzögerung und der Steuerung von: Verzug, Deformationen (Warping), Schwindung und Kriechen im Objekt b) zur Erzeugung von Spannungs-Mustern im Material, c) zur Minimierung von existierenden Spannungen im Material, d) zur Verbesserung der Haftung von Schichten/Layern untereinander, e) zur Oberflächengestaltung, deren Aufrauhung, deren Strukturierung, f) zur Steigerung der Steifigkeit und Festigkeit, nach oder während des Erstellungsverfahrens, erwärmt oder abgekühlt werden.
Apparatur und Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Energie von beweglichen oder unbeweglichen Strahlen-, Wärme- oder Kälte-Quellen, welche sich im oder außerhalb des Bauraumes (des 3D-Druckers) oder Erstellungsraumes befinden, abgegeben wird, welche a) vorzugsweise in der Art wiederkehrender gleicher oder verschiedenartiger Muster, b) in zeitlicher Abfolge oder gleichzeitig, auf die Oberfläche des Objektes gerichtet/projiziert werden.
Apparatur und Verfahren nach Anspruch 1–2, gekennzeichnet dadurch, daß im zu behandelnden Objekt durch die Energieeinbringung/Energie-Abfuhr a) lokale Nester mit Temperatur-Unterschieden (warmer oder kälter) zum benachbarten Material von größer 10 K, vorzugsweise von > 30 K oder vorzugsweise von > 60 K, b) lokale Nester mit Temperaturen unter der verwendeten Extrusionstemperatur des Materiales, 0,1–200 K kleiner, vorzugsweise 0,1–100 K kleiner c) lokale Nester mit Temperaturen über der verwendeten Extrusionstemperatur des Materiales, vorzugsweise 0,1–30 K größer, d) lokale Nester mit Temperaturen zwischen 50° und 300°C, vorzugsweise zwischen 50° und 120°C entstehen.
Apparatur und Verfahren nach Anspruch 1–3, gekennzeichnet dadurch, daß a) die Nester mit erhöhter oder minimierter Temperatur im Material im Abstand von 1–20 mm, vorzugsweise 3–10 mm angeordnet sind, b) die erwärmte Fläche sich über 2 und mehr Layerschichten erstreckt.
Apparatur und Verfahren nach Anspruch 1–4, gekennzeichnet dadurch, daß bei 3D-Druckverfahren zur Verbesserung der Haftung der Schichten untereinander, der Energie-Eintrag zum Erreichen einer Temperatur führt, bei der das Material aufschmilzt, bzw. dessen Viskosität stark herabgesetzt wird, vorzugsweise um den Faktor > 10 sinkt, und vorzugsweise unter Einfluss der Schwerkraft und verringerter Viskosität eine Bewegung von > 1/100 mm, vorzugsweise > 10/100 mm vollführt.
Apparatur und Verfahren nach Anspruch 1–5, gekennzeichnet dadurch, daß der Energieeintrag, zwecks a) sichtbarer und oder haptisch erfahrbarer Oberflächengestaltung, b) Aufrauhung, c) Oberflächen-Strukturierung erfolgt.
Apparatur mit Strahlen-, Wärme oder Kälte-Quellen nach Anspruch 1–6, gekennzeichnet dadurch, daß die Quellen entweder: a) IR-Strahler, Laser-Dioden b) Warmluft, Kaltluft c) sonstige Strahler mit aktinischer Strahlung sind, welche per Algorithmus zur Berechnung der einzubringenden Energiemengen in die Nester gesteuert werden.
Apparatur mit Strahlen-, Wärme oder Kälte-Quellen nach Anspruch 1–7, gekennzeichnet dadurch, daß diese in einen 3D-Drucker, vorzugsweise nach dem FDM-Prinzip (schichtweises Aufschmelzen von Thermoplasten) integriert oder zugeordnet ist, wobei einzelne Strahlenquellen sich im oder außerhalb des Bauraumes des Druckers befinden.