DE102016008656A1

DE102016008656A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von 3D- Formteilen mit stabilisiertem Pulverkuchen

Info

Publication number: DE102016008656A1
Application number: DE102016008656.4A
Authority: DE
Inventors: Daniel Günther; Tobias Reinold
Original assignee: Voxeljet AG
Current assignee: Voxeljet AG
Priority date: 2016-07-20
Filing date: 2016-07-20
Publication date: 2018-01-25
Anticipated expiration: 2036-07-21
Also published as: WO2018014898A1; DE102016008656B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von 3D-Formteilen mittels Schichtaufbautechnik, wobei der Pulverkuchen stabilisiert wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren geeignet zum Einsatz bei 3D-Druckverfahren.
In der europäischen Patentschrift EP 0 431 924 B1 wird ein Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Objekte aus Computerdaten beschrieben. Dabei wird ein Partikelmaterial in einer dünnen Schicht auf eine Plattform aufgetragen und dieses selektiv mittels eines Druckkopfes mit einem Bindermaterial bedruckt. Der mit dem Binder bedruckte Partikelbereich verklebt und verfestigt sich unter dem Einfluss des Binders und gegebenenfalls eines zusätzlichen Härters. Anschließend wird die Plattform um eine Schichtdicke in einen Bauzylinder abgesenkt und mit einer neuen Schicht Partikelmaterial versehen, die ebenfalls, wie oben beschrieben, bedruckt wird. Diese Schritte werden wiederholt, bis eine gewisse, erwünschte Höhe des Objektes erreicht ist. Aus den bedruckten und verfestigten Bereichen entsteht so ein dreidimensionales Objekt.
Dieses aus verfestigtem Partikelmaterial hergestellte Objekt ist nach seiner Fertigstellung in losem Partikelmaterial eingebettet und wird anschließend davon befreit. Dies erfolgt beispielsweise mittels eines Saugers. Übrig bleiben danach die gewünschten Objekte, die dann vom Restpulver z. B. durch Abbürsten befreit werden.
Ein Problem bei bekannten Verfahren und hierbei verwendeten Vorrichtungen ist das Herausfahren des Pulverkuchens mit den darin befindlichen 3D-Formteilen auf der Bauplattform aus der 3D-Druckmaschine zum Entpacken der 3D-Formteile. Der Pulverkuchen weist nur eine geringe Festigkeit auf und kann leicht zerbrechen. Dabei kommt es nicht nur zu einer Zeitverzögerung im weiteren Herstellungsprozess, sondern die 3D-Druckmaschine kann auch verschmutzt oder beschädigt werden. Weiterhin können die hergestellten 3D-Formteile aus dem Pulverkuchen herausfallen und dabei beschädigt werden.
Es war deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, konstruktive Mittel bereitzustellen, die ein verbessertes 3D-Druckverfahren erlauben oder zumindest die Nachteile des Standes der Technik zu verbessern oder ganz zu vermeiden.
Kurze Zusammenfassung der Erfindung
In einem Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen von 3D-Formteilen, wobei partikelförmiges Baumaterial in einer definierten Schicht mittels Beschichter auf ein Baufeld aufgetragen wird, selektiv eine oder mehrere Flüssigkeiten eines Binders aufgebracht werden und so selektiv eine Verfestigung der Schichten erfolgen, wobei diese Schritte solange wiederholt werden, bis das oder die 3D-Formteile hergestellt sind und der Pulverkuchen erfindungsgemäß stabilisiert wird, um den Pulverkuchen aus dem 3D-Drucker herauszufahren und dann die hergestellten 3D-Formteile von dem nicht verfestigten Partikelmaterial zu befreien.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Vorrichtung geeignet für den 3D-Druck oder zur Verwendung in bekannten 3D-Druckmaschinen.
Kurze Beschreibung der Figuren
1a und 1b zeigen einen beispielhaften 3D-Drucker (3D-Druckmaschine) des Standes der Technik. Der Beschichter (101) bringt das Pulvermaterial in dünnen Schichten auf, wodurch der Pulverkuchen (104) auf der Bauplattform (103) hergestellt wird. Die Beschichterbewegung (108) ist mittels Pfeil dargestellt. Der Druckkopf (100) bringt selektiv Binder in Pfeilrichtung (102) in Schichten auf, wodurch 3D-Formteile im Bereich der bedruckten Fläche (107) entstehen. Es wird hierbei eine Wandung (105) gedruckt, die den Pulverkuchen (104) stabilisiert.
1c beschreibt ein Zerbrechen bzw. ein unkontrolliertes Aufbrechen des Pulverkuchens (104) an einer Ecke. Das unkontrolliert auslaufende Pulver (112) sowie die gebrochene Wandung (110) und Bruch (111) sind dargestellt.
2a und 2b stellen das Anlegen von Unterdruck an den Pulverkuchen dar und die Abläufe innerhalb des Pulverkuchens. Unterdruck (PU/201) führt zu einem Luftstrom durch den Pulverkuchen (104) in Pfeilrichtung (203), wobei P0/200 den Umgebungsdruck darstellt, PU den angelegten Unterduck und PM/202 den Unterdruck zwischen den Partikeln (205).
2b stellt die Partikel (205) in dem Pulverkuchen dar, wenn Unterdruck (201) angelegt wurde oder angelegt ist.
3 zeigt den Pulverkuchen mit den einzelnen Partikeln (205) an seiner Kontaktstelle mit dem Unterdruckanschluss (301) mit Filter (300) und dem auftretenden Luftstrom (302).
4a stellt den Unterdruckanschluss (301) mit Filter (300) in einer Ausführungsform der Erfindung mit Folienaufbringung (401) dar, wobei die Kraftwirkung (400) in Richtung Pulverkuchen dargestellt ist.
4b ist eine Seitenansicht von 4a, die den Pulverkuchen (104) mit darüber liegender Folie (401) und Unterdruckanschluss (301) sowie die Übergänge zwischen Folie (401) und Bauplattform (103) zeigt, der zu einem im wesentlichen dichten Abschluss um den Pulverkuchen (104) führt.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird die der Anmeldung zugrunde liegenden Aufgabe durch einen Gegenstand von Anspruch 1 und 8 gelöst.
Im Folgenden werden zunächst einige Begriffe der Erfindung näher erläutert.
„3D-Formteil”, „Formkörper” oder „Bauteil” im Sinne der Erfindung sind alle mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens oder/und der erfindungsgemäßen Vorrichtung hergestellte dreidimensionale Objekte, die eine Formfestigkeit aufweisen.
„Bauraum” ist der geometrische Ort, in dem die Partikelmaterialschüttung während des Bauprozesses durch wiederholtes Beschichten mit Partikelmaterial wächst oder durch den die Schüttung bei kontinuierlichen Prinzipien durchläuft. Im Allgemeinen wird der Bauraum durch einen Boden, die Bauplattform, durch Wände und eine offene Deckfläche, die Bauebene, begrenzt.
Als „Partikelmaterialien” oder „Partikel” oder „partikelförmige Baumaterialien” oder „Baumaterialien” können alle für den Pulverbasierten 3D-Druck bekannten Materialien verwendet werden, insbesondere Polymere, Keramiken und Metalle. Das Partikelmaterial ist vorzugsweise ein trocken frei fließendes Pulver, es kann aber auch ein kohäsives schnittfestes Pulver oder eine partikelbeladene Flüssigkeit verwendet werden. In dieser Schrift werden Partikelmaterial und Pulver synonym verwendet.
Der „Partikelmaterialauftrag” ist der Vorgang, bei dem eine definierte Schicht aus Pulver erzeugt wird. Dies kann entweder auf der Bauplattform oder auf einer geneigten Ebene relativ zu einem Förderband bei kontinuierlichen Prinzipen erfolgen. Der Partikelmaterialauftrag wird im Weiteren auch „Beschichtung” oder „Recoaten” genannt.
„Selektiver Flüssigkeitsauftrag” kann im Sinne der Erfindung nach jedem Partikelmaterialauftrag erfolgen oder je nach den Erfordernissen des Formkörpers und zur Optimierung der Formkörperherstellung auch unregelmäßig, beispielsweise mehrfach bezogen auf einen Partikelmaterialauftrag, erfolgen. Dabei wird ein Schnittbild durch den gewünschten Körper aufgedruckt.
Als „Vorrichtung” zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann jede bekannte 3D-Druckvorrichtung verwendet werden, die die erforderlichen Bauteile beinhaltet. Übliche Komponenten beinhalten Beschichter, Baufeld, Mittel zum Verfahren des Baufeldes oder anderer Bauteile bei kontinuierlichen Verfahren, Dosiervorrichtungen und Wärme- und Bestrahlungsmittel und andere dem Fachmann bekannte Bauteile, die deshalb hier nicht näher ausgeführt werden.
Das Baumaterial wird immer in einer „definierten Schicht” oder „Schichtstärke” aufgebracht, die je nach Baumaterial und Verfahrensbedingungen individuell eingestellt wird. Sie beträgt beispielsweise 0,05 bis 0,5 mm, vorzugsweise 0,1 bis 0,3 mm.
„Pulverkuchen” im Sinne der Erfindung ist die mittels Beschichter hergestellte dreidimensionale Form, in der die 3D-Formteile selektiv verfestigt werden oder sind und der die Gesamtheit von selektiv verfestigtem und Pulvervolumen einschließt.
„Unterdruckmittel” im Sinne der Erfindung sind Mittel, die dazu beitragen oder in Zusammenhang stehen mit dem Anlegen des Unterdruckes einschließlich aller hierzu nötigen Rohrleitungen, Motoren, Dichtungen, und weiterer Teile, die dazu bestimmt sind einen Unterdruck zu erzeugen. Hierbei können bekannte Materialien und Vorrichtungen zum Einsatz kommen.
Bei den „Druckverhältnissen” in dem und um den Pulverkuchen kann man den „Umgebungsdruck” „P0”, den „Unterdruck” „PU” und „Unterdruck” „PM” zwischen den Partikeln unterscheiden. PU und PM sind nach Anlegen des Unterdruckes geringer als P0. PU und PM werden in Abhängigkeit der übrigen Parameter wie z. B. gewähltes Partikelmaterial so gewählt, dass eine ausreichende Stabilisierung des Pulverkuchens erreicht wird. Der angelegte Unterdruck kann 0,5 bar bis 3 bar betragen und zu einem PM oder/und PU von bspw. –0,5 bis –0,1 bar führen. PM kann innerhalb des Pulverkuchens je nach Pulvermaterial, Volumen, Pulverkuchenform gleichmäßig sein oder in unterschiedlichen Bereichen des Pulverkuchens unterschiedliche Werte aufweisen.
Die Aspekte der Erfindung werden im Folgenden näher beschrieben.
Die Erfindung betrifft in einem Aspekt eine Vorrichtung zum Herstellen von 3D-Formteilen mittels 3D-Druckverfahren, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein oder mehrere Unterdruckmittel umfasst, die mit dem 3D-gedruckten Pulverkuchen, vorzugsweise an mindestens einer Wandung, in Kontakt stehen oder in Kontakt gebracht werden. Wahlweise und je nach Aufbau des 3D-Druckers können an mehreren Wandungen, z. B. an zwei, drei oder vier Wandungen der Bauplattform Unterdruckmittel angeordnet sein. Es ist auch möglich, mehrere Unterdruckmittel an einer Wandung vorzusehen oder mehrere Unterdruckmittel an mehreren Wandungen. Möglich sind z. B. 2, 3, 4, 5, 6 derartige Unterdruckmittel je Wandung. In einer Ausführungsform kann das oder können die Unterdruckmittel an der Unterseite, d. h. an der Bauplattform, angeordnet sein. Die Unterdruckmittel sind dabei so ausgeführt, dass sie Luft aus dem Pulverkuchen ansaugen und so im Pulverkuchen einen Unterdruck erzeugen. Hierzu wird z. B. ein Absaugstutzen verwendet oder andere geeignete Mittel. Es kann auch vorteilhaft sein, Mittel vorzusehen, die verhindern, dass Pulvermaterial mit abgesaugt wird. Hierzu kann ein Netz, Gitter oder eine Art Membran verwendet werden, so dass im Wesentlichen verhindert wird, dass Pulvermaterial mit abgesaugt wird.
Die erfindungsgemäße Lösung kann vorteilhafter Weise im Pulverkuchen eine erhöhte Stabilität erzielen, so dass dieser stabilisiert wird und aus der 3D-Druckmaschine herausgefahren werden kann und dabei im Wesentlichen stabil bleibt und im Wesentlichen ohne auseinanderzufallen z. B. in einer Montagehalle verfahren werden kann.
Es kann ausreichen, wenn nach Abschluss des Druckvorganges der Unterdruck kurz oder der Unterdruck für 1 bis 20 Minuten, vorzugsweise 5 bis 10 Minuten, mehr bevorzugt 5 Minuten, angelegt wird. Die Erfindung kann auch so ausgeführt werden, dass der Unterdruck beim Verfahren und bis zum Auspackvorgang ununterbrochen oder in Abständen mit dazwischenliegenden Pausen angelegt wird.
Es kann dabei ausreichend sein, dass der Unterdruck zumindest partiell zu einer vorübergehenden Verfestigung im Pulverkuchen sorgt und so den Pulverkuchen stabilisieren hilft.
In einer weiteren Ausführungsform wird eine Folie (401) oder mehrere Folien über dem Pulverkuchen angebracht, so dass der Pulverkuchen an den Seiten oder/und an seiner Oberseite im Wesentlichen bedeckt ist. Es kann in alternativen Ausführungsformen z. B. durch eine partielle Bedeckung mit einer Folie oder gleichwirkenden Mitteln eine partielle Verfestigung des Pulverkuchens zu erreichen und so die erfinderische Idee zu verwirklichen. Vorzugsweise wird die Folie oder die Folien den Pulverkuchen im Wesentlichen ganz bedecken, mehr bevorzugt an fünf Flächen überdecken.
Es kann weiterhin vorteilhaft sein und stellt eine weitere Ausführungsform der Erfindung dar, wenn die Bauplattform (103) und die Folie (401) beim Anlegen eines Unterdruckes im Wesentlichen luftdicht abschließen, vorzugsweise die Vorrichtung Mittel zum im Wesentlichen luftdichten Abschließen zwischen Bauplattform (103) und die Folie (401) aufweist.
Diese Ausführungsform kann insbesondere bei großen Pulverkuchenvolumina vorteilhaft sein und die Stabilität im Pulverkuchen weiter erhöhen helfen.
Die Folie oder andere vergleichbare und geeignete Mittel können aus jedem Material gefertigt sein, dass im Wesentlichen luftdicht ist oder zumindest den Luftstrom beim Anlegen des Unterdruckes soweit verlangsamt, dass ein zumindest partieller Unterdruck im Pulverkuchen entsteht und somit zur Stabilisierung im Pulverkuchen führt.
Bevorzugt besteht die Folie (401) aus oder enthält Polypropylen, Polyethylen, Carbon, Polyurethan, Teflon, gewachstes Gewebe, Gummi, Silikon, Metallfolie.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Unterdruckmittel einen Filter (300) und/oder einen Unterdruckanschluss (301) und/oder ein luftdichtes Verschlussmittel.
Der anzulegende Unterdruck bzw. der im Pulverkuchen oder partiell im Pulverkuchen aufzubauende Unterdruck kann je nach Größe des Pulverkuchens variiert werden. Er kann kleiner –0,01 bar bis 0,1 bar betragen. Vorzugsweise wird ein Unterdruck (PU/201) von < –0,1 bar angelegt.
In einem weiteren Aspekt kann das Unterdruckmittel im Pulverkuchen (104), d. h. zwischen den Partikeln einen Unterdruck (PM/202) durch Strömung erzeugen.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein 3D-Druckverfahren zum Herstellen von 3D-Formteilen, in dem die Erfindung zur Anwendung kommt.
In einem Aspekt ist die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen von 3D-Formteilen mittels 3D-Druckverfahren, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Aufbauprozess oder/und vor dem Entpacken oder/und vor dem Verfahren des Pulverkuchens ein Unterdruck angelegt wird oder eine Folie (401) über den Pulverkuchen (104) aufgebracht wird und ein Unterdruck angelegt wird.
In einem weiteren Aspekt ist die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen von 3D-Formteilen mittels 3D-Druckverfahren, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulverkuchen nach dem Aufbauprozess oder/und vor dem Entpacken oder/und vor dem Verfahren mit einem Unterdruckmittel kontaktiert wird.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Unterdruck so eingestellt, dass eine ausreichende Stabilisierung des Pulverkuchens erreicht werden kann. Vorzugsweise liegt der angelegte Unterdruck (PU/201) im Bereich von weniger als –0,01 bis –0,1 bar, vorzugsweise bei weniger als –0,1 bar.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird in dem Verfahren nach dem Erzeugen des Unterdrucks (PU/201) das luftdichte Verschlussmittel verschlossen oder die Unterdruckquelle wird angeschlossen und bleibt eingeschaltet. Der Pulverkuchen (104) kann dann aus der Vorrichtung herausgefahren werden und vorzugsweise anschließend entpackt werden.
In einem weiteren Aspekt ist die Erfindung die Verwendung einer Folie oder/und eines Unterdruckmittels zur Stabilisierung eines Pulverkuchens bei einem 3D-Druckverfahren.
Mit der oben dargestellten erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem Verfahren konnten überraschender Weise sehr vorteilhafte Verfahrensergebnisse erreicht werden. Es kann zum einen erreicht werden, dass die Herstellungszeit vermindert wird, da das Verfahren oder Herausfahren eines Batches schneller durchgeführt werden kann. Andererseits kann der Ausschuss vermindert werden, der durch unkontrolliertes Auseinanderfallen des Pulverkuchens und Beschädigungen der hergestellten 3D-Formteile in Vorrichtungen und Verfahren des Standes der Technik auftritt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch in bestehende 3D-Druckmaschinen nachträglich eingebaut werden und diese können so verbessert werden.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und Verfahren werden die oben ausgeführten Probleme oder Nachteile zumindest vermindert oder ganz vermieden.
Bezugszeichenliste

100: Druckkopf
101: Beschichter
102: Druckkopfbewegung
103: Bauplattform
104: Pulverkuchen
105: gedruckte Wandung
106: Noch nicht bedruckte Fläche
107: Bedruckte Fläche
108: Beschichterbewegung
109: Neue Pulverschicht
110: Gebrochene Wand
111: Bruch
112: Unkontrolliert auslaufendes Pulver
200: Umgebungsdruck
201: Unterdruck
202: Druck zwischen Partikeln
203: Kraftwirkung
205: Partikel
300: ”Filter”
301: Unterdruckanschluss
302: Illustration der Luftströmung
400: Kraftwirkung
401: Folie

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

EP 0431924 B1 [0002]

Claims

Vorrichtung zum Herstellen von 3D-Formteilen mittels 3D-Druckverfahren, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein oder mehrere Unterdruckmittel umfasst, die mit dem 3D-gedruckten Pulverkuchen, vorzugsweise an einer Wandung, in Kontakt stehen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Folie (401) den Pulverkuchen im wesentlichen ganz bedeckt, vorzugsweise an fünf Flächen überdeckt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauplattform (103) und die Folie (401) beim Anlegen eines Unterdruckes im wesentlichen luftdicht abschließen, vorzugsweise die Vorrichtung Mittel zum im wesentlichen luftdichten Abschließen zwischen Bauplattform (103) und die Folie (401) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie (401) besteht aus oder enthält Polypropylene, Polyethylene, Carbon, Polyurethan, Teflon, gewachstes Gewebe, Gummi, Silikon, Metallfolie.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterdruckmittel einen Filter (300) und/oder einen Unterdruckanschluss (301) und/oder ein luftdichtes Verschlussmittel umfasst oder/und dadurch gekennzeichnet, dass ein Unterdruck (PU/201) von < –0,1 bar angelegt wird oder/und dadurch gekennzeichnet, dass das Unterdruckmittel im Pulverkuchen (104) zwischen den Partikeln einen Unterdruck (PM/202) durch Strömung erzeugen kann.
Verfahren zum Herstellen von 3D-Formteilen mittels 3D-Druckverfahren, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Aufbauprozess oder/und vor dem Entpacken oder/und vor dem Verfahren des Pulverkuchens eine Folie (401) über den Pulverkuchen (104) aufgebracht wird und ein Unterdruck angelegt wird.
Verfahren zum Herstellen von 3D-Formteilen mittels 3D-Druckverfahren, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulverkuchen nach dem Aufbauprozess oder/und vor dem Entpacken oder/und vor dem Verfahren mit einem Unterdruckmittel kontaktiert wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der angelegte Unterdruck (PU/201) im Bereich von < –0,1 bar liegt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Erzeugen des Unterdrucks (PU/201) das luftdichte Verschlussmittel verschlossen wird oder die Unterdruckquelle angeschlossen und eingeschaltet bleibt und der Pulverkuchen (104) aus der Vorrichtung herausgefahren wird und vorzugsweise anschließend entpackt wird.
Verwendung einer Folie oder/und eines Unterdruckmittels zur Stabilisierung eines Pulverkuchens bei einem 3D-Druckverfahren.