DE102017100258A1

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

Info

Publication number: DE102017100258A1
Application number: DE102017100258.8A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-08-10
Filing date: 2017-01-09
Publication date: 2018-02-15

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

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.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeeintrag mittels Laserstrahl eingebracht wird, dessen Energiemenge und Wellenlänge dem Druckkunststoff angepasst werden kann.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeeintrag mittels gezieltem und dosierbaren Heißluftstrahl eingebracht wird.