DE102017124360A1

DE102017124360A1 - Verfahren zur herstellung eines verbundgegenstandes

Info

Publication number: DE102017124360A1
Application number: DE102017124360.7A
Authority: DE
Inventors: Xiaoling Jin
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2016-10-19
Filing date: 2017-10-18
Publication date: 2018-04-19
Also published as: CN107962771A; US20180104917A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Verbundgegenstandes unter Verwendung einer schnellen Wärmebehandlung von duroplastischen Harzmaterialien für 3D-Druckgegenstände, einschließlich Gegenständen mit komplexer Geometrie. Das Verfahren beinhaltet die Verwendung von Vakuumimprägnierung und anschließender Wärmebehandlung als Nachdruckverfahren, um die Funktionalität des Gegenstandes weiter zu verstärken und zu verbessern.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Vorrichtungen in Übereinstimmung mit Ausführungsbeispielen betreffen ein Verfahren zur Herstellung eines Gegenstandes. Insbesondere beziehen sich Vorrichtungen, die mit einem Ausführungsbeispiel übereinstimmen, auf ein Verfahren zur dreidimensionalen (3D) Druck-/Additivherstellung eines Verbundgegenstandes mit Einführung einer Nachdruckimprägnierung, um den Gegenstand zu verstärken.
HINTERGRUND
Die Erklärungen in diesem Abschnitt stellen lediglich Hintergrundinformationen bereit, die die vorliegende Offenbarung betreffen und dem bisherigen Stand der Technik entsprechen können oder auch nicht.
Im Bereich der Prototypenentwicklung wird der 3D-Druck als ein schnelles und effizientes Mittel zur Herstellung von Teilen, bevor die Teile in die Fertigungsphase der Entwicklung übergehen, hoch geschätzt.
Während 3D-Druck eine tragfähige Technologie in Bezug auf die Prüfung von Teilen für Form und Passform ist, um sicherzustellen, dass keine Design- und Technik-Verbesserungen notwendig sind, bevor ein Produkt für die Produktion freigegeben ist, gibt es bei der Verwendung der Technologie auch Nachteile.
Diese reichen von Bedenken über die begrenzte Verwendung von Materialien zur Herstellung von Teilen hinzu Bedenken darüber, ob die physikalischen Eigenschaften der Teile nützliche Informationen bezüglich ihrer Funktionalität in der Entwicklung liefern.
Beim herkömmlichen 3D-Druck ist das gewählte Material ein thermoplastisches Harz, da es in geschmolzenen Schichten abgeschieden werden kann, um das endgültige Teil zu bilden. Jedoch hat ein aus thermoplastischem Harzmaterial erzeugtes Teil eine Tendenz, Mikroporen und signifikante Richtungsabhängigkeiten aufzuweisen, die die Funktionalität des Teils einschränken. Aufgrund der starken Beschränkungen der Verarbeitbarkeit nach dem Bedrucken von thermoplastischen Materialien ist ein solcher Funktionsmangel des bedruckten Teils schwer zu korrigieren. Es wäre nützlich, einfachere Werkzeuge oder Verfahren zu entwickeln, um solche Funktionsmängel zu korrigieren.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein oder mehrere Ausführungsbeispiele behandeln das obige Problem durch ein Verfahren zur Herstellung eines Gegenstandes. Insbesondere beziehen sich Vorrichtungen, die mit Ausführungsbeispielen übereinstimmen, auf ein Verfahren zum dreidimensionalen (3D) Druck eines Verbundgegenstandes mit Nachdruckimprägnierung mithilfe eines duroplastischen Harzes.
Gemäß einem Aspekt eines Ausführungsbeispiels beinhaltet ein Verfahren zum Herstellen eines Verbundgegenstandes das Herstellen eines dreidimensionalen (3D) virtuellen Modells des Gegenstandes. Ein weiterer Aspekt des Ausführungsbeispiels beinhaltet das Aufteilen des virtuellen Modells in mehrere zusammenhängende zweidimensionale Schichten. Noch ein weiterer Aspekt gemäß dem Ausführungsbeispiel beinhaltet das Laden des geteilten virtuellen Modells in eine dreidimensionale Druckvorrichtung, die betreibbar ist, um einen dreidimensionalen Gegenstand herzustellen, der aus einem duroplastischen Polymerharzmaterial hergestellt ist. Ein weiterer Aspekt des Ausführungsbeispiels beinhaltet das Laden des geteilten virtuellen Modells in eine dreidimensionale Druckvorrichtung, die betreibbar ist, um einen dreidimensionalen Gegenstand herzustellen, der aus einem thermoplastischen Polymerharz hergestellt ist.
Und weitere Aspekte des Ausführungsbeispiels beinhalten das Imprägnieren des dreidimensionalen Gegenstandes mit einem verstärkenden Duroplastmaterial und die Wärmebehandlung des imprägnierten 3D-Gegenstandes für eine bestimmte Zeitdauer.
Gemäß weiteren Aspekten des Ausführungsbeispiels, worin das duroplastische Polymerharzmaterial ein Epoxidharz ist. Gemäß noch weiteren Aspekten des Ausführungsbeispiels, worin das duroplastische Polymerharz ein Phenolharz ist. Und ein weiterer Aspekt des Ausführungsbeispiels, worin die Epoxidharz- oder Phenolharz-Systeme die Verwendung mindestens eines verstärkenden Füllstoffmaterial beinhaltet.
Noch weitere Aspekte des Ausführungsbeispiels, worin das duroplastische Polymerharz ein ungesättigtes Polyester-basiertes Harzsystem ist. Und ein weiterer Aspekt des Ausführungsbeispiels, worin das ungesättigte Polyester-basierte Harzsystem die Verwendung mindestens eines verstärkenden Füllstoffmaterial beinhaltet. Noch ein weiterer Aspekt des Ausführungsbeispiels, worin das verstärkende Füllstoffmaterial Glasfaser ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt des Ausführungsbeispiels, worin das Imprägnieren des dreidimensionalen Gegenstandes ferner die Verwendung einer duroplastischen Harzflüssigkeit mit Kurativa aufweist. Und ein weiterer Aspekt, worin das Imprägnieren des dreidimensionalen Gegenstandes mit einem Vakuumimprägnierverfahren erfolgt. Noch weitere Aspekte des Ausführungsbeispiels, worin das Imprägnieren des dreidimensionalen Gegenstandes mit einem druckbeaufschlagten Imprägnierverfahren erfolgt.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt des Ausführungsbeispiels, worin die duroplastische Harzflüssigkeit ein Epoxidharz ist. Und ein weiterer Aspekt des Ausführungsbeispiels, worin die duroplastische Harzflüssigkeit ein Phenolharz ist. Ein weiterer Aspekt gemäß dem Ausführungsbeispiel, worin die duroplastische Harzflüssigkeit ein ungesättigtes Polyester-basiertes Harzsystem ist.
Ein weiterer Aspekt gemäß dem exemplarischen Verfahren, worin die duroplastische Harzflüssigkeit mindestens ein verstärkendes Füllstoffmaterial beinhaltet. Noch ein weiterer Aspekt des Ausführungsbeispiels, worin die Wärmebehandlung des imprägnierten Gegenstands ferner die Wärmebehandlung des imprägnierten dreidimensionalen Gegenstandes umfasst. Und noch ein weiterer Aspekt des Ausführungsbeispiels, worin die Wärmebehandlungsbedingungen von der Gegenstandgröße und dem Harzmaterial abhängig sind, mit dem es hergestellt wird.
Figurenliste
Das vorliegende Ausführungsbeispiel wird aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen besser verständlich, in denen:

1 eine Darstellung eines Gegenstands zur Fertigung ist, der durch die Verwendung eines 3D-Druckverfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel hergestellt wurde;
1A eine Darstellung einer vergrößerten Ansicht eines Teilabschnitts des Gegenstandes ist, der mithilfe von 3D-Drucken gemäß dem Ausführungsbeispiel hergestellt wurde;
2 eine Darstellung einer Explosionsansicht von mehreren aneinander angrenzenden Schichten ist, die den 3D gedruckten Gegenstand gemäß dem Ausführungsbeispiel bilden;
3 eine Darstellung eines Algorithmus des Verfahrens zum 3D-Drucken eines Gegenstandes mithilfe einem duroplastischen Harz gemäß dem Ausführungsbeispiel ist;
4 eine Darstellung einer Vorrichtung ist, die verwendet wird, um das 3D-Drucken eines Gegenstandes mit einem duroplastischen Harz gemäß einem Ausführungsbeispiel zu erleichtern; und
4A eine Darstellung eines Gegenstandes ist, der mithilfe des Verfahrens zum 3D-Drucken eines Gegenstandes mithilfe eines duroplastischen Harzes gemäß dem Ausführungsbeispiel hergestellt ist.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die folgende Beschreibung ist ihrer Art nach lediglich exemplarisch und soll die vorliegende Offenbarung, Anwendung oder Verwendungen davon in keiner Weise einschränken.
1 zeigt eine Darstellung 100 eines Fertigungsgegenstandes 110, der mithilfe eines herkömmlichen 3D-Druckverfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel hergestellt wurde, worin 110a ein Teilabschnitt ist, der nachfolgend beschrieben wird. Es versteht sich, dass der hierin dargestellte Fertigungsgegenstand 110 als Basiswürfel lediglich dem Zwecke der Erläuterung des Verfahrens zum 3D-Drucken eines Gegenstandes gemäß dem Ausführungsbeispiel dient und den Umfang in Bezug auf Vielfalt oder geometrische Komplexität von 3D-Gegenständen, die aus ihrer Verwendung hergestellt werden können, nicht beschränken soll. Gemäß Aspekten des Ausführungsbeispiels wird der Gegenstand mithilfe eines duroplastischen Harzmaterials hergestellt, kann aber auch mithilfe eines thermoplastischen Harzmaterials hergestellt werden, wenn eine geeignete Imprägnierung und Wärmebehandlung zum Nutzen der Funktionalität und Struktur des Gegenstandes verwendet werden.
Unter Bezugnahme 1A wird eine Darstellung einer vergrößerten Ansicht eines Teilabschnitts 110a des Gegenstandes aus 1, der mithilfe von 3D-Drucken gemäß dem Ausführungsbeispiel hergestellt wurde, dargestellt. Es versteht sich, dass der Fertigungsgegenstand 110 aus mehreren ultrafeinen Mikroteilchen 120 gebildet ist, die über ein Sinterverfahren miteinander verbunden sind, um den 3D-Gegenstand 110 herzustellen, der sehr kleine Zwischenräume 130 zwischen den Teilchen 120 beinhaltet, sodass der 3D-Gegenstand 110 auf mikroskopischer Ebene hochporös ist. Diese Mikrozwischenräume 130 machen den 3D-Gegenstand 110 nicht nur für Flüssigkeiten durchlässig, sondern verringern, im Vergleich zu einem vollständig festen Gegenstand der gleichen Form und des gleichen Materials, seine strukturelle Festigkeit.
Unter Bezugnahme auf 2 wird eine Darstellung einer Explosionsansicht 200 von mehreren aneinander angrenzenden Schichten 210₁, 210₂, 2103 bis 210_n, die den 3D gedruckten Gegenstand 110 gemäß dem Ausführungsbeispiel bilden, dargestellt. Während des 3D-Druckverfahrens wird die Herstellung des 3D-Gegenstandes 110 mithilfe additiver Verfahren erzielt.
In einem additiven Verfahren wird ein Objekt hergestellt, indem die aufeinanderfolgenden zusammenhängenden Schichten 210₁, 210₂, 210₃ bis 210_n eines schnell wärmebehandelten duroplastischen Harzmaterials aufgetragen werden, bis der 3D-Gegenstand 110 hergestellt ist. Duroplastisches Harzmaterial ist weitaus hitzebeständiger als thermoplastisches Material, welches die Verwendung von Nachdruckverfahren erlaubt, um die Festigkeit des 3D-Gegenstandes 110 zu verbessern.
Jede dieser zusammenhängenden Schichten 210₁, 210₂, 210₃ bis 210_n kann als ein dünn zerschnittener horizontaler Querschnitt des 3D-Gegenstandes 110 erkennbar sein. Abhängig von der Größe des 3D-Gegenstandes, dem 3D-Drucker und den verwendeten Materialien kann dieses Verfahren einige Minuten bis Stunden oder sogar Tage dauern.
3 ist eine Darstellung eines Algorithmus 300 des Verfahrens zum 3D-Drucken eines Gegenstandes mithilfe einem duroplastischen Harz gemäß dem Ausführungsbeispiel. Bei Block 310 beginnt das Verfahren mit dem Herstellen eines dreidimensionalen virtuellen Modells des 3D-Gegenstandes 110. Dieses virtuelle Modell kann als computergestütztes Design (CAD - Computer Aided Design), Stereo-Lithographie (STL) oder VRML-Datei (Virtual Reality Modeling Language) erstellt werden.
Bei Block 320 setzt das Verfahren das Aufteilen des virtuellen Modells in mehrere zusammenhängende zweidimensionale Schichten, wie in 2 dargestellt, fort. Dann fährt das Verfahren bei Block 330 mit dem Laden des geteilten virtuellen Modells in eine dreidimensionale Druckvorrichtung fort, die betreibbar ist, um den 3D-Gegenstand 110 herzustellen, der aus einem duroplastischen Polymerharzmaterial gemäß dem Ausführungsbeispiel hergestellt ist. Die duroplastischen Harzmaterialien, die verwendet werden, um den 3D-Gegenstand 100 gemäß dem Ausführungsbeispiel zu bilden, beinhalten, sind aber nicht beschränkt auf Epoxid-, Phenol- oder ungesättigte Polyester-basierte Harzsysteme. Ein thermoplastisches Harzmaterial kann bei geeigneter Imprägnierung und Wärmebehandlung zum Nutzen der Funktionalität und Struktur des Gegenstandes verwendet werden. Es versteht sich, dass der Gegenstand auch aus einem thermoplastisches Harzmaterial hergestellt werden kann, wenn geeignete Imprägnierung und Wärmebehandlung zum Nutzen der Funktionalität und Struktur des Gegenstandes verwendet werden.
Bei Block 340 fährt das Verfahren mit dem Imprägnieren des 3D-Gegenstandes 110 mit einem Verstärkungsmaterial fort, um die Vielfalt und Festigkeit des Gegenstandes zu verbessern. Die Nachdruckimprägnierung kann gemäß dem Ausführungsbeispiel eine duroplastische Harzflüssigkeit, einschließlich Epoxid-, Phenol- oder ungesättigten Polyestersystemen mit verschiedenen Kurativa, verwenden. Das Imprägnierverfahren kann durch eine Vakuumimprägnierung oder ein druckbeaufschlagten Imprägnierverfahren erreicht werden. Es versteht sich, dass andere duroplastische Harzflüssigkeiten und Imprägnierverfahren für den hierin beschriebenen Verwendungszweck verwendet werden können, ohne vom Umfang des Ausführungsbeispiels abzuweichen.
Bei Block 350 endet das Verfahren durch Wärmebehandlung des imprägnierten dreidimensionalen Gegenstands, vorzugsweise durch ein Wärmebehandlungsverfahren. Die Temperatur und Zeit für die Wärmebehandlung des 3 D-Gegenstandes 110 hängt von der Größe des Gegenstandes und dem Material ab, das verwendet wird, um es zu bilden. Die Aushärtungs-/ Wärmebehandlungsbedingungen gemäß dem Ausführungsbeispiel können zwischen einer Umgebungstemperatur von - 180 °C liegen. Die Härtezeit reicht von etwa 30 Minuten bis zu mehreren Stunden.
4 ist eine Darstellung einer Vorrichtung, die verwendet wird, um das Verfahren zum Imprägnieren eines 3D gedruckten Gegenstandes mit einem duroplastischen Harz gemäß einem Ausführungsbeispiel zu erleichtern. Ein Harzbehälter 410 hält das duroplastische Material, das aus dem Harzbehälter 410 durch eine Pumpe 420 in eine Vakuumimprägnierkammer 430 gezogen wird. Der 3D-Gegenstand 110 wird mit dem duroplastischen Harzmaterial imprägniert, wenn Luft aus der Vakuumkammer 430 durch eine Vakuumpumpe 440 gezogen wird. Nach dem Imprägnierverfahren wird der gründlich imprägnierte 3D-Gegenstand 460 in eine Wärmebehandlungskammer, wie etwa den Ofen 450, zur Wärmebehandlung unter Wärmebehandlungsbedingungen, anhand der Größe und dem Material des 3D-Gegenstandes 460a, platziert.
4A ist eine Darstellung eines Gegenstandes 460a, der mithilfe des Verfahrens zum 3D-Drucken eines mit einem duroplastischen Harz imprägnierten Gegenstandes gemäß dem Ausführungsbeispiel hergestellt ist. Ein 3D-Gegenstand 460a, ist mit duroplastischem Harz bedruckt und mit Nachdruckimprägnierung und Wärmebehandlung verbunden, um vielseitige Komponenten mit gleichmäßigerer Festigkeit und verbesserter Funktionalität herzustellen.
Die Beschreibung der Erfindung ist nur als Beispiel zu verstehen und Variationen, die nicht vom Kern der Erfindung abweichen, werden als im Rahmen der Erfindung befindlich vorausgesetzt. Diese Variationen sollen nicht als eine Abweichung vom Sinn und Umfang der Erfindung betrachtet werden.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Verbundgegenstandes, umfassend: das Herstellen eines dreidimensionalen virtuellen Modells des Gegenstandes; das Aufteilen des virtuellen Modells in mehrere aneinander angrenzende zweidimensionale Schichten; das Laden des aufgeteilten virtuellen Modells in eine dreidimensionale Druckvorrichtung, die betreibbar ist, um einen dreidimensionalen Gegenstand aus duroplastischem Polymerharzmaterial herzustellen; das Imprägnieren des dreidimensionalen Gegenstandes mit einem Verstärkungsmaterial; und das Wärmebehandeln des imprägnierten dreidimensionalen Gegenstandes.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das duroplastische Polymerharzmaterial ein Epoxidharz mit oder ohne verstärkende Füllstoffe ist.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das duroplastische Polymerharz ein Phenolharz mit oder ohne verstärkende Füllstoffe ist.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das duroplastische Polymerharz ein ungesättigtes Polyester-basiertes Harzsystem mit oder ohne verstärkende Füllstoffe ist.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Imprägnieren des dreidimensionalen Gegenstandes ferner die Verwendung einer duroplastischen Harzflüssigkeit mit Kurativa aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Imprägnieren des dreidimensionalen Gegenstandes mit einem Vakuumimprägnierverfahren erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Imprägnieren des dreidimensionalen Gegenstandes mit einem druckbeaufschlagten Imprägnierverfahren erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5, worin die duroplastische Harzflüssigkeit ein Epoxidharz ist.
Verfahren nach Anspruch 5 worin die duroplastische Harzflüssigkeit ein Phenolharz ist.
Verfahren nach Anspruch 5, worin die duroplastische Harzflüssigkeit ein ungesättigtes Polyester-basiertes Harzsystem ist.