DE102017100258A1 - Verfahren und Vorrichtung zur durch Wärmeeintrag unterstützten Schichtverschweißung in 3D-Druckverfahren mit schichtweisem Aufbau - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur durch Wärmeeintrag unterstützten Schichtverschweißung in 3D-Druckverfahren mit schichtweisem Aufbau Download PDF

Info

Publication number
DE102017100258A1
DE102017100258A1 DE102017100258.8A DE102017100258A DE102017100258A1 DE 102017100258 A1 DE102017100258 A1 DE 102017100258A1 DE 102017100258 A DE102017100258 A DE 102017100258A DE 102017100258 A1 DE102017100258 A1 DE 102017100258A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
layer
workpiece
printing
heat input
application
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE102017100258.8A
Other languages
English (en)
Inventor
Anmelder Gleich
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of DE102017100258A1 publication Critical patent/DE102017100258A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/10Processes of additive manufacturing
    • B29C64/188Processes of additive manufacturing involving additional operations performed on the added layers, e.g. smoothing, grinding or thickness control
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/10Processes of additive manufacturing
    • B29C64/106Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33YADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00Processes of additive manufacturing

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)

Abstract

Verfahren zur Erstellung 3-dimensionaler Werkstücke mit einem 3D-Druckverfahren, bei dem das Werkstück (durch Auftragen eines Werkstoffs aufgebaut wird, vorzugsweise in dem der Werkstoff, der bei Raumtemperatur fest ist, vor dem Auftragen verflüssigt wird und nach dem Auftragen wieder erstarrt, wobei der Werkstoff schichtweise aufgetragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass – vor dem Auftrag einer Schicht ein lokaler Wärmeeintrag mittels geeigneter Energiequelle auf die darunter liegende Schicht eingebracht wird, so dass sich hier eine Aufschmelzung der unteren Schicht ergibt, die mit der Schmelze der darauf gedruckten neuen Schicht eine Verschweißung ergibt. – die Vorrichtung zum Einbringen der Wärme in das Werkstück auf einer mehrachsig verfahrbaren Einrichtung installiert ist, um das Einbringen des lokalen Wärmeeintrags in allen gewünschten Positionen und Winkeln zu erlauben – die einzubringenden Energiemenge sowohl in Stärke als auch in Eintragswinkel und -position steuerbar ist.

Description

  • ANWENDUNGSGEBIET
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • TECHNISCHER HINTERGRUND
  • Derzeit werden in verschiedenen 3D-Druckverfahren schichtweise Materialien aufgetragen, die entweder vorher aufgeschmolzen und mit Düsen aufgetragen werden oder durch selektives Erwärmen wie beim Lasersinterverfahren, bei dem ebenfalls schichtweise Kunststoff in Pulverform aufgetragen wird, das im zweiten Schritt dann durch Erwärmung verfestigt wird.
  • Bei dem hier beschriebenen Verfahren des 3D-Drucks Fused Deposition Modeling wird das Werkstück durch schichtweises Auftragen eines Werkstoffs aufgebaut.
  • Die dreidimensionale Form des Werkstücks entsteht durch das Verfahren des Material auftragenden Druckkopfs in mehreren Achsen relativ zum Werkstück. Häufig sind dies kartesische 3-Achsmaschinen, bei denen der Druckkopf und der Drucktisch, auf dem das Werkstück entsteht, in verschiedenen Konstellationen in x-/y- und z bewegt werden. Möglich ist auch wie in 1 dargestellt ein auf einem mehrachsigen Roboterarm montierter Druckkopf.
  • Nachteilig am Stand der Technik ist, dass die Festigkeit zwischen den Schichten, die durch Verschweißen entsteht, deutlich schwächer ist als die Festigkeiten des Materials an sich und als die Festigkeit des Druckkörpers in Schichtebene. Dies resultiert aus der Tatsache, dass der Wärmeeintrag durch das Auftragen der neuen Schichten relativ gering für die Verschweißung ist und die darunter liegenden Schichten bereits weitgehend abgekühlt und verfestigt sind. Dazu kommt, dass die Lagen auch nicht vollflächig auf einander liegen, sondern Lücken bilden (2). Das gleiche Problem besteht zwischen den einzelnen abgelegten Fäden. Diese berühren sich nur teilweise und hierdurch ist dort keine große Festigkeit zu erreichen.
  • Durch die schlechte Festigkeit und den nicht definierten Grad der Verschweißung der Lagen und der nebeneinander liegenden Fäden, stellt dieser Bereich die Schwachstelle der Druckkörper dar.
  • Deutlich verbessert wird die Verschweißung der Schichten miteinander durch die lokale Erwärmung der darunter liegenden Schicht direkt vor dem Auftrag der neuen Schicht in Fadenform.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, durch Einbringen von gezielter lokaler Erwärmung der unteren Schicht diese lokal anzuschmelzen, so dass die aufgetragene fadenförmige Kunststoffschmelze mit der unten wieder aufgeschmolzenen Lage durch gemeinsame Schmelzbereiche eine festere Verbindung eingeht.
  • Durch den gleichzeitigen mechanischen Druck der Düse auf die Schweißraupe, entsteht so eine starke Schmelzverbindung
  • DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • TECHNISCHE AUFGABE
  • Es ist daher die Aufgabe gemäß der Erfindung, ein 3D-Druckverfahren mit Wärmeeinbringung gezielt vor dem Materialauftrag durch die Düse für die Schichtenverschweißung sowie eine dafür geeignete Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die die Schichtverbindung der einzelnen Schichten erhöht durch Einbringen von Wärme in Form von Heißluft oder Laserenergie.
  • LÖSUNG DER AUFGABE
  • Diese Aufgabe wird, ausgehend von einem 3D-Drucker mit einem Druckkopf bzw. einer Extruderdüse der eingangs genannten Art, durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
  • Die folgende Beschreibung konzentriert sich auf die Verwendung von thermoplastischem Druckmaterial. Es ist jedoch nicht ausgeschlossen, anderweitige Verfahren und Materialien zu verwenden, welche sich durch entsprechende Vorrichtungen als 3-dimensionales Werkstück aufbringen und anschließend aushärten lassen. Hierdurch wird die Erfindung weder beschränkt noch sind diese Materialien vom erfindungsgemäßen Gedanken einer verbesserten Lagenverschweißung zwischen den Druckschichten ausgenommen. Beispielhaft, jedoch nicht abschließend seien hier Materialien mit lichthärtenden Eigenschaften, Trocknung durch Lösungsmittelverdampfung und Quervernetzung von Kunststoffen angegeben, die in entsprechenden Zeitskalen nach der Abgabe aus der Extruderdüse erfolgen.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird in Maschinen zum Drucken mittels Schmelzschichtung (engl. Abkürzung FDM: Fused Deposition Modeling) integriert – dabei wird ein Kunststoffteil erzeugt, in dem heiße Kunststoffmasse in Form von Fäden oder Punkten auf eine Unterlage aufgebracht wird. In der Regel wird durch schichtweisen Auftrag, teilweise auch im 3-Dimensionalen Raum somit ein Körper gebildet. Hierfür wird ein Druckkopf mit beheizter Düse und Materialvorschub eingesetzt, der sich in mehreren Achsen relativ zum Druckkörper bzw. dem Drucktisch bewegt.
  • Erfindungsgemäß ist nun eine Vorrichtung vorgesehen, die lokal gezielt und dosiert die entsprechende Energiemenge in die darunter liegende Schicht einbringt, so dass diese in dem Bereich wieder aufgeschmolzen wird und die Verbindung der Lagen durch diese verbesserte Verbindung verstärkt wird.
  • Hierfür wird vor dem Drucken eines Fadens und/oder einer Schicht mit dem Druckkopf die erfindungsgemäße Vorrichtung eingesetzt, um lokal die notwendige Zusatzenergie einzubringen, die die darunter liegende Schicht direkt vor dem Auftragen der Kunststoffschmelze durch den Druckkopf lokal aufgeschmolzen. Dies wird dadurch erreicht, dass diese Vorrichtung unabhängig vom Druckkopf mehrachsig verfährt und dadurch in der Lage ist, die Wärme-/Energie in allen gewünschten Richtungen auf die obere Schicht des Druckkörpers einzubringen. Dies ist sowohl mit Robotersystemen als auch mit einer Maschine mit mehreren Linear- und Drehachsen möglich.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht damit, ein Werkstück in Form eines dreidimensionalen Druckkörpers zu erzeugen, der durch die eingebrachten Wärme in allen gewünschten Richtungen eine Verbindung der einzelnen Schichten und Fäden, damit auch eine erhöhte Festigkeit der Lagenverbindung miteinander und auch eine erhöhte Schubfestigkeit und somit eine deutlich höhere Gesamtfestigkeit erreicht als Druckkörper nach dem bisherigen Stand der Technik.
  • AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
  • Beschreibung des Verfahrens und der Vorrichtung zur Laser- oder Heißluftunterstützten Schichtverschweißung in 3D-Druckverfahren mit schichtweisem Aufbau:
  • 1 stellt links den Roboterarm 2 mit der darauf angebrachten Vorrichtung mit Wärmequelle in Form von Laservorrichtung 3 oder gezieltem Heißluftstrahl und rechts den Roboterarm 2' mit dem darauf angebrachten Druckkopf 4 dar. Dazwischen ist das Werkstück 5 zu sehen, das auf dem Drucktisch 1 liegt.
  • Der Druckkopf 4 druckt einen Faden bzw. eine Schicht und die Vorrichtung mit der Wärmequelle fährt direkt vor dieser Düse, so dass gezielt vor dem Auftrag der Schmelze-Raupe die untere Schicht 11 gezielt aufgeschmolzen wird und so die lokale Aufschmelzung 10 entsteht. Durch den Roboterarm ist es möglich, diese Eneregie-Einbringung in allen gewünschten Winkeln von oben und auch von den Seiten einzubringen. Dies ist beispielhaft auch von einer mehrachsigen Maschine vorzunehmen, die durch geeignete Anordnung der Achsen die Ausrichtung auf die zu erwärmende Stelle des Werkstücks ermöglicht.
  • 2 stellt ein Werkstück 5 in Seitenansicht dar, in der der Auftrag der Schmelzeraupe (Fadenauftrag aus der Düse) und die lokale Erwärmung mittels gezieltem Wärmeeintrag dargestellt ist.
  • Hier ist die Druckerdüse 9 dargestellt, die eine ovale Schmelzeraupe auf das Werkstück aufträgt. Direkt vor der Druckerdüse in Druckrichtung schmilzt ein gerichteter Laserstrahl 8 die untere Schicht 11 auf, es entsteht die lokale Aufschmelzung der unteren Schicht 10, so dass sich Schmelze aus der Düse mit dem aufgeschmolzenen Bereich der unteren Schicht verbinden können. Zusätzlich bringt die Düse als Begrenzung nach oben einen Druck auf die verschweißenden Schichten auf.
  • Eine geeignete Software steuert sowohl die Richtungen des Lasers oder des Heißluftstrahls, als auch die Position und den Winkel für das Verfahren der Roboterarme um die gewünschte Wärmeeinbringung ohne Kollisionen durchzuführen.
  • Es zeigen:
  • 1 Beispielhafte Installation einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
  • 2: perspektivische Ansicht eines schichtweisen Druck-Werkstücks mit punktuellem Wärmeeintrag
  • Bezugszeichenliste
  • 1
    Drucktisch
    2
    Roboterarm für Wärmequellenvorrichtung
    2'
    Roboterarm für Druckkopf
    3
    Laservorrichtung
    4
    Druckkopf
    5
    Werkstück
    6
    Schichtdicke
    7
    Abgelegte Kunststoff-Fäden des Druckkörpers
    8
    Laserstrahl
    9
    Druckerdüse
    10
    Lokale Aufschmelzung untere Schicht
    11
    Untere Schicht

Claims (3)

  1. Verfahren zur Erstellung 3-dimensionaler Werkstücke mit einem 3D-Druckverfahren, bei dem das Werkstück (durch Auftragen eines Werkstoffs aufgebaut wird, vorzugsweise in dem der Werkstoff, der bei Raumtemperatur fest ist, vor dem Auftragen verflüssigt wird und nach dem Auftragen wieder erstarrt, wobei der Werkstoff schichtweise aufgetragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass – vor dem Auftrag einer Schicht ein lokaler Wärmeeintrag mittels geeigneter Energiequelle auf die darunter liegende Schicht eingebracht wird, so dass sich hier eine Aufschmelzung der unteren Schicht ergibt, die mit der Schmelze der darauf gedruckten neuen Schicht eine Verschweißung ergibt. – die Vorrichtung zum Einbringen der Wärme in das Werkstück auf einer mehrachsig verfahrbaren Einrichtung installiert ist, um das Einbringen des lokalen Wärmeeintrags in allen gewünschten Positionen und Winkeln zu erlauben – die einzubringenden Energiemenge sowohl in Stärke als auch in Eintragswinkel und -position steuerbar ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeeintrag mittels Laserstrahl eingebracht wird, dessen Energiemenge und Wellenlänge dem Druckkunststoff angepasst werden kann.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeeintrag mittels gezieltem und dosierbaren Heißluftstrahl eingebracht wird.
DE102017100258.8A 2016-08-10 2017-01-09 Verfahren und Vorrichtung zur durch Wärmeeintrag unterstützten Schichtverschweißung in 3D-Druckverfahren mit schichtweisem Aufbau Withdrawn DE102017100258A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102016010039.7 2016-08-10
DE102016010039 2016-08-10

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102017100258A1 true DE102017100258A1 (de) 2018-02-15

Family

ID=61018369

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102017100258.8A Withdrawn DE102017100258A1 (de) 2016-08-10 2017-01-09 Verfahren und Vorrichtung zur durch Wärmeeintrag unterstützten Schichtverschweißung in 3D-Druckverfahren mit schichtweisem Aufbau

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102017100258A1 (de)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109177149A (zh) * 2018-07-28 2019-01-11 华中科技大学 一种聚合物多材料高柔性激光增材制造系统及其方法
CN109571939A (zh) * 2019-01-29 2019-04-05 浙江大学 一种多机器人协同三维打印方法
DE102020131584A1 (de) 2020-11-28 2022-06-02 Hans Weber Maschinenfabrik Gmbh Vorrichtung zur extrusionsbasierten Herstellung eines dreidimensionalen Objekts
DE202023001329U1 (de) 2023-06-19 2023-07-07 Hochschule Mittweida (FH), Körperschaft des öffentlichen Rechts Werkstück oder Bauteil mit wenigstens einem mittels eines Schmelzschicht-3D-Druckverfahrens hergestellten Körper und Verwendung wenigstens eines Faserbandes mit thermoplastischem Kunststoff

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109177149A (zh) * 2018-07-28 2019-01-11 华中科技大学 一种聚合物多材料高柔性激光增材制造系统及其方法
CN109571939A (zh) * 2019-01-29 2019-04-05 浙江大学 一种多机器人协同三维打印方法
DE102020131584A1 (de) 2020-11-28 2022-06-02 Hans Weber Maschinenfabrik Gmbh Vorrichtung zur extrusionsbasierten Herstellung eines dreidimensionalen Objekts
DE102020131584B4 (de) 2020-11-28 2023-09-28 Hans Weber Maschinenfabrik Gmbh Vorrichtung und Verfahren zur extrusionsbasierten Herstellung eines dreidimensionalen Objekts
DE202023001329U1 (de) 2023-06-19 2023-07-07 Hochschule Mittweida (FH), Körperschaft des öffentlichen Rechts Werkstück oder Bauteil mit wenigstens einem mittels eines Schmelzschicht-3D-Druckverfahrens hergestellten Körper und Verwendung wenigstens eines Faserbandes mit thermoplastischem Kunststoff

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3374157B1 (de) Verfahren zur additiven fertigung eines bauteils
EP3538301B1 (de) 3d-druckvervorrichtung und 3d-druckverfahren
DE102017100258A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur durch Wärmeeintrag unterstützten Schichtverschweißung in 3D-Druckverfahren mit schichtweisem Aufbau
DE102016105200B4 (de) Additiver energierichtungsgeber und herstellverfahren
EP2739456B1 (de) Verfahren zur herstellung eines dreidimensionalen gegenstandes aus verfestigbarem material sowie damit hergestellter gegenstand
DE102015002967A1 (de) 3D-Druckwerkzeug und 3D-Druck von Bündeln
EP3160669A1 (de) Generatives herstellungsverfahren und vorrichtung hierzu mit entgegengesetzt gerichteten schutzgasströmen parallel zur pulverschicht
EP2720853A1 (de) Vorrichtung und verfahren zur herstellung eines dreidimensionalen gegenstandes
DE102006037927A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstandes sowie Verwendung einer kunststofftechnischen Einheit zu dessen Herstellung
WO2018024757A1 (de) Vorrichtung zur generativen fertigung eines dreidimensionalen körpers in einem pulverbett mit mehreren rakeln
EP2860020B1 (de) Verfahren zur herstellung eines dreidimensionalen gegenstands sowie zugehöriger gegenstand
DE102016200522A1 (de) Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Objekte und Vorrichtung zur Durchführung des besagten Verfahrens
DE102005018727A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Verschweißen von zwei Werkstücken aus thermoplastischen Kunststoffen mittels Laserstrahlung
EP3386661B1 (de) Vorrichtung und verfahren zur herstellung eines dreidimensionalen metallischen formkörpers
WO2016150559A1 (de) Einrichtung und verfahren zum 3d-drucken von werkstücken
DE102017205741A1 (de) Beschichtungseinrichtung, Verfahren zum Herstellen eines beschichteten Bauteils und Kraftfahrzeug
AT521066B1 (de) Verfahren zur Fertigung eines Formkörpers
DE102019129378A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur generativen Fertigung eines Formkörpers
EP2860021A1 (de) Dreidimensionaler Gegenstand mit wenigstens einer einen Innenraum umgebenden Wandung
DE102017126698B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zur additiven Fertigung
DE102019131423A1 (de) Additives Fertigungsverfahren
DE10257173A1 (de) Verfahren zum Aufbringen von Lotmaterial, Verwendung einer Anlage zur laserunterstützten direkten Metallabscheidung hierfür und Kontaktflächen mit Lotdepots
DE102018210129A1 (de) Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörpers
DE102018132441A1 (de) Verfahren zur Bearbeitung einer Oberfläche mit energetischer Strahlung
EP2922639B1 (de) Befüllvorrichtung mit einstellbarem auftragswinkel und verfahren zum befüllen eines bauteils

Legal Events

Date Code Title Description
R079 Amendment of ipc main class

Free format text: PREVIOUS MAIN CLASS: B29C0064106000

Ipc: B29C0064188000

R119 Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee