DE102017202224A1

DE102017202224A1 - Filament und Druckkopf für 3D-Druck und 3D-Druckverfahren

Info

Publication number: DE102017202224A1
Application number: DE102017202224.8A
Authority: DE
Inventors: Björn Weigel; Boris Heberle
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2017-02-13
Filing date: 2017-02-13
Publication date: 2018-08-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Filament (1) für 3D-Druck bei dem ein 3D-druckbares Material (3) einen elektrisch leitfähigen Draht (2) umgibt. Sie betrifft auch einen Druckkopf (4) für einen 3D-Drucker mit einer Durchtrennvorrichtung (9) zum Durchtrennen eines solchen Filaments (1). Sie betrifft auch ein 3D-Druckverfahren zur Erzeugung einer dreidimensionalen Struktur (5) mit mehreren Druckköpfen, bei dem ein erster der Druckköpfe mit einem solchen Filament (1) beschickt wird, während zumindest ein zweiter der Druckköpfe mit einem anderen Filament beschickt wird, und bei dem der erste Druckkopf (4) eine elektrische Leiterbahn der Struktur (5) druckt und zumindest der zweite Druckkopf einen weiteren Teil der Struktur (5) druckt, insbesondere den verbleibenden Teil der Struktur (5).

Description

Die Erfindung betrifft ein Filament für 3D-Druck sowie einen Druckkopf für einen 3D-Drucker und ein 3D-Druckverfahren.
Unter einer additiven Fertigung ist ein Prozess zu verstehen, bei dem auf der Basis von digitalen 3D-Konstruktionsdaten durch das Ablagern von Material schichtweise eine dreidimensionale Struktur aufgebaut wird. Dies wird auch als dreidimensionaler Druck, kurz 3D-Druck, bezeichnet. Hierdurch sind konventionell nicht fertigbare dreidimensionale Strukturen herstellbar.
Ein 3D-Drucker bzw. ein Druckkopf hierfür ist aus der DE 102014226425 A1 bekannt.
Beim bekannten Freiraumverfahren FDM (Fused Deposition Modeling) wird ein Filament aus Kunststoff mittels einer beheizten Düse aufgeschmolzen und aus dem Schmelzstrang schichtweise das Bauteil aufgebaut. Aktuell ist es nicht möglich, durchgängige, niederohmige elektrische Leiterbahnen oder Litzen in das Bauteil per 3D-Druck einzuarbeiten. Es sind zwar elektrisch leitfähige Filamente bekannt, mittels denen elektrisch leitfähige Strukturen im 3D-Druck erzeugbar sind. Dieses Filament und die daraus erzeugten Strukturen sind allerdings relativ hochohmig. Somit können damit keine hohen elektrischen Leistungen übertragen werden.
Elektrischen Leiterbahnen werden daher meist erst nachträglich in die fertig gedruckte Struktur eingefügt oder extern darauf verlegt. Zum Einfügen der elektrischen Leiterbahnen werden in der Struktur Hohlräume bereits beim Druck vorgesehen oder nachträglich eingearbeitet. Diese Vorgehensweise ist jedoch aufwändig und schöpft das Potential des 3D-Druckes nicht voll aus.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Stand der Technik zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch die in den Hauptansprüchen angegebenen Gegenstände gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen hiervon sind den Unteransprüchen entnehmbar.
Demnach wird ein Filament für 3D-Druck vorgeschlagen. Dieses zeichnet sich dadurch aus, dass es einen von 3D-druckbarem Material umgebenen elektrisch leitfähigen Draht aufweist. Der elektrisch leitfähige Draht bildet also den Kern des Filaments, während das 3D-druckbare Material die Hülle hierzu bildet. Der Draht ist also in das 3D-druckbare Material eingebettet. Ein solches Filament bildet das Ausgangsmaterial zu einem 3D-Druckvorgang.
Das 3D-druckbare Material des Filaments ist insbesondere durch einen gewöhnlichen Druckkopf eines 3D-Druckers aufschmelzbar oder anderweitig zu einer dreidimensionalen Struktur aufbringbar. Bei dem 3D-druckbaren Material kann es sich insbesondere um einen Thermoplasten handeln, wenn das Filament zum 3D-Druck im FDM-Verfahren (Fused Deposition Modeling) eingesetzt werden soll. Es kann jedoch auch aus einem anderen 3D-druckbaren Material bestehen, je nachdem, für welches 3D-Druckverfahren das Filament vorgesehen ist.
Der elektrisch leitfähige Draht liegt insbesondere in Form eines Volldrahtes vor, also in Form einer einzigen Faser aus Vollmaterial. Oder er liegt in Form einer Litze vor, also in Form einer Vielzahl paralleler Fasern aus Vollmaterial. Der Draht besteht insbesondere aus einem guten elektrischen Leiter, wie beispielsweise Kupfer oder Aluminium oder Silber (dies schließt entsprechende Legierungen hiervon ein). Litze hat den Vorteil, dass das Filament dadurch flexibler beim 3D-Druck ist. Jedoch besteht die Gefahr, dass sie ungewollt beim 3D-Druck ausfasert.
Bevorzugt liegt der Schmelzpunkt des Drahtes über demjenigen des 3D-druckbaren Materials. Hierdurch wird verhindert, dass der Draht beim 3D-Druck im FDM-Verfahren statt des umgebenden Materials ungewollt aufschmilzt. Insbesondere liegt der Schmelzpunkt des Drahtes daher deutlich über demjenigen des 3D-druckbaren Materials, beispielsweise >100°C. Insbesondere liegt der Schmelzpunkt des Drahtes über der üblichen Arbeitstemperatur eines für den 3D-Druckes im FDM-Verfahren eingesetzten Druckkopfes.
Bevorzugt erstreckt sich außerdem der Draht durchgängig entlang der gesamten Länge des Filaments. Der Draht im unverarbeiteten Filament weist also keine Unterbrechungen auf, durch die seine elektrische Leitfähigkeit beeinträchtigt wäre. Somit lassen sich damit besonders lange niederohmige elektrische Leiterbahnen in einer dreidimensionalen Struktur bilden.
Bevorzugt ist das 3D-druckbare Material ein elektrischer Isolator. Das Material kann insbesondere ein Polymer sein. Somit kann einfach während der Verarbeitung des Filaments im 3D-Druck eine isolierende Einbettung für den Draht in der gedruckten Struktur geschaffen werden.
Das Filament eignet sich besonders zur Herstellung von elektrischen Leiterbahnen im 3D-Druck innerhalb einer einzelnen Druckschicht der gedruckten Struktur. Um mehrere Druckschichten mit einer durchgehenden elektrischen Leiterbahn zu überwinden, ist es von Vorteil, wenn der zum Druck eingesetzte 3D-Drucker über mehrere (zumindest zwei) Druckköpfe verfügt. Einer der Druckköpfe dient dann zum Drucken des vorgeschlagenen leitfähigen Filaments innerhalb der Struktur, während der oder die anderen Druckköpfe zum Drucken der verbleibenden Struktur dienen. Um eine durchgängige Leiterbahnen durch eine oder mehrere Druckschichten hindurchzuführen wird also mittels des oder der anderen Druckköpfe die Umgebung um die die Druckschicht durchdringende elektrische Leiterbahn bzw. den Draht herum gedruckt. Diese Vorgehensweise wird auch in dem unten nochmals erläuterten 3D-Druckverfahren vorgeschlagen.
Vorgeschlagen wird außerdem ein Druckkopf für einen 3D-Drucker. Dieser ist gekennzeichnet durch eine Durchtrennvorrichtung zum Durchtrennen des vorgeschlagenen Filaments mit dem in das 3D-druckbare Material eingebetteten Draht. Dadurch dass die mechanischen Eigenschaften des Drahtes (insbesondere hinsichtlich Festigkeit, Schmelzpunkt etc.) normalerweise deutlich verschieden sind zu denjenigen des 3D-druckbaren Materials ergibt sich nämlich das Problem, dass das Filament von einem gewöhnlichen Druckkopf für 3D-Druck nicht ohne weiteres durchtrennbar ist. Die spezielle Durchtrennvorrichtung, die zum Durchtrennen des im Filament eingebetteten Drahtes ausgeführt ist, löst dieses Problem.
Bevorzugt ist die Durchtrennvorrichtung zum mechanischen oder thermischen Durchtrennen des Filaments ausgeführt. Insbesondere kann die Durchtrennvorrichtung also eine Vorrichtung zum Abscheren oder Durchkneifen oder Durchschneiden des Filaments mit dem Draht aufweisen oder eine Vorrichtung zum Druchbrennen (Schneidbrennen).
Bevorzugt weist der Druckkopf eine Aufschmelzvorrichtung zum Aufschmelzen des 3D-druckbaren Materials des Filaments auf. Dabei ist vorgesehen, dass die Durchtrennvorrichtung in Austrittsrichtung der Aufschmelzvorrichtung für das aufgeschmolzene 3D-druckbare Material liegt. Die Durchtrennvorrichtung liegt sozusagen dort, wo der Schmelzstrang des aufgeschmolzenen Filaments nach dem Aufschmelzen hinfließt, beispielsweise unterhalb der Aufschmelzvorrichtung. Durch diese Maßnahme kann das (aufgeschmolzene) Filament sehr genau dort abgetrennt werden, wo eine durch den darin befindlichen Draht gebildete elektrische Leiterbahn enden soll. Ein solcher Druckkopf dient also insbesondere für den 3D-Druck mit aufschmelzbarem Material, beispielsweise im FDM-Verfahren.
Vorgeschlagen wird außerdem ein 3D-Druckverfahren zur Erzeugung einer dreidimensionalen Struktur. Das Druckverfahren läuft mit mehreren Druckköpfen ab. Zumindest ein erster der Druckköpfe wird mit dem oben vorgeschlagenen Filament, aufweisend den Draht und das 3D-druckbarem Material, beschickt. Dieser Druckkopf druckt also mit diesem elektrisch leifähigen Filament. Dieser erste Druckkopf ist bevorzugt der oben vorgeschlagene Druckkopf mit der Durchtrennvorrichtung. Zumindest ein zweiter der Druckköpfe wird mit einem anderen Filament beschickt, insbesondere einem Filament aus 3D-druckbarem Vollmaterial. Dieser Druckkopf druckt dann also mit dem anderen Filament. Der erste Druckkopf wird nun dazu genutzt, um eine elektrische Leiterbahn der Struktur zu drucken. Zumindest der zweite Druckkopf druckt dann einen weiteren Teil der Struktur, insbesondere den verbleibenden Teil der Struktur. Somit kann eine durchgängige, elektrische leitfähige Leiterbahn in der Struktur gebildet werden, die auch mehrere Druckschichten der Struktur durchdringen kann.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert, aus welchen weitere bevorzugte Ausführungsformen und Merkmale der Erfindung entnehmbar sind. Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung:

1 ein Filament für 3D-Druck,
2 ein Druckkopf für 3D-Druck.

Das Filament 1 gemäß 1 dient als Ausgangsmaterial zum 3D-Druck. Es weist einen Kern aus einem elektrisch leitfähigen Draht 2 auf, sowie eine den Draht 2 umgebende Hülle aus 3D-druckbarem Material 3, beispielsweise aus einem Thermoplast. Das 3D-druckbare Material 3 ist insbesondere ein elektrischer Isolator. Das Filament kann auf einer Rolle aufgewickelt sein. Der Draht 2 weist einen deutlich höheren Schmelzpunkt auf, als das 3D-druckbare Material 3. Der Draht 2 kann aus Vollmaterial, insbesondere Vollmetall, oder Litze, insbesondere Metalllitze, bestehen. Das Material des Drahtes 2 kann insbesondere Kupfer sein.
Der Druckkopf 4 gemäß 2 dient zum Durchführen eines 3D-Druckverfahrens, wie insbesondere dem FDM-Verfahren, also zur Herstellung einer dreidimensionalen Struktur 5. Als Ausgangsmaterial für den 3D-Druck dient ein Filament 1 mit 3D-druckbarem Material.
Die Struktur 5 wird dadurch erzeugt, dass das Ausgangsmaterial additiv in mehreren Druckschichten durch den Druckkopf 4 auf den Drucktisch 6 bzw. das sich dort bereits befindende Material aufgetragen wird. Hierzu ist der Drucktisch 6 und/oder der Druckkopf 4 zur Seite und in der Höhe beweglich ausgeführt (siehe Pfeile am Drucktisch 6).
Der Druckkopf 4 verfügt über eine Aufschmelzvorrichtung 7 zum Aufschmelzen des 3D-druckbaren Materials. Wenn das Filament 1 gemäß 1 zum 3D-Druck genutzt wird, ist die Aufschmelzvorrichtung 7 dazu eingerichtet, nur das 3D-druckbare Material 3 des Filaments 1 aufzuschmelzen, nicht jedoch den darin enthaltenen Draht 2. Der Draht 2 dient dann insbesondere zur Erzeugung einer elektrischen Leiterbahn in der Struktur 5. Das Filament 1 verlässt die Aufschmelzvorrichtung 7 in Form eines fadenförmigen Schmelzstrangs, in dem das Material 3 aufgeschmolzen ist und (sofern vorhanden) der Draht 1 fest ist.
Der Druckkopf verfügt außerdem über eine Fördervorrichtung 8, um den Druckkopf mit dem Filament 1 zu beschicken, also um das Filament 1 der Aufschmelzvorrichtung 7 zuzuführen. Die Fördervorrichtung 8 kann beispielsweise Walzen oder Räder umfassen, welche das Filament 1 zwischen diesen einklemmen und durch eine Drehbewegung (siehe Pfeile an der Fördervorrichtung 8) fördern.
Der Druckkopf 4 verfügt des Weiteren über eine Durchtrennvorrichtung 9 zum Durchtrennen des von der Aufschmelzvorrichtung 7 verflüssigten Filaments 1. Die Durchtrennvorrichtung 9 wird vorliegend beispielhaft durch zwei gegenüberliegende Schneiden gebildet, die zufahrbar ausgeführt sind. Die Durchtrennvorrichtung 9 ist so ausgeführt und im Druckkopf 4 angeordnet, dass beim Zufahren der Schneiden sowohl das verflüssigte Material 3, als auch der darin vorhandene Draht 2 durchtrennt werden. Die Durchtrennvorrichtung 9 liegt also in Austrittsrichtung der Aufschmelzvorrichtung 7 für das aufgeschmolzene Filament 1. Somit kann der Draht 2 genau an der Stelle der Struktur 5 durchtrennt werden, wo die damit gebildete elektrische Leiterbahn der Struktur 5 enden soll.
Es kann vorgesehen sein, dass mehrere solcher oder vergleichbarer Druckköpfe 4 in einem 3D-Drucker eingesetzt werden. Somit kann ohne Durchtrennung des Drahtes 2 eine unterbrechungsfreie elektrische Leiterbahn, die sich über mehrere Druckschichten erstreckt, in der Struktur 5 erzeugt werden. Hierzu wird einer der Druckköpfe 4 mit dem Filament 1 gemäß 1 zur Erzeugung der elektrischen Leiterbahn beschickt, während der oder die anderen Druckköpfe mit einem Filament aus reinem 3D-druckbaren Material beschickt werden. Der erstere Druckkopf 4 erzeugt dann die elektrische Leiterbahn, während der oder die anderen Druckköpfe die restlichen Teile der Struktur 5 erzeugen, also die um die elektrische Leiterbahn herumliegenden Teile der Struktur 5.
Bezugszeichenliste

1: Filament
2: Draht
3: 3D-druckbares Material
4: Druckkopf
5: Struktur
6: Drucktisch
7: Aufschmelzvorrichtung
8: Fördervorrichtung
9: Durchtrennvorrichtung

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

DE 102014226425 A1 [0003]

Claims

Filament (1) für 3D-Druck, gekennzeichnet durch einen von 3D-druckbarem Material (3) umgebenen elektrisch leitfähigen Draht (2).
Filament (1) nach Anspruch 1, wobei der Draht (2) aus Volldraht oder als Litze ausgeführt ist.
Filament (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Schmelzpunkt des Drahtes (2) über dem des 3D-druckbaren Materials (3) liegt.
Filament (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich der Draht (2) durchgängig über die gesamte Länge des Filaments (1) erstreckt.
Filament (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das 3D-druckbare Material (3) ein elektrischer Isolator ist.
Druckkopf (4) für einen 3D-Drucker, gekennzeichnet durch eine Durchtrennvorrichtung (9) zum Durchtrennen eines Filaments (1) für 3D-Druck nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Druckkopf (4) nach Anspruch 6, wobei die Durchtrennvorrichtung (9) zum mechanischen oder thermischen Durchtrennen des Filaments (1) ausgeführt ist.
Druckkopf (4) nach Anspruch 6 oder 7, mit einer Aufschmelzvorrichtung (7) zum Aufschmelzen des 3D-druckbaren Materials (3) des Filaments (1), wobei die Durchtrennvorrichtung (9) in Austrittsrichtung der Aufschmelzvorrichtung (7) für das aufgeschmolzene 3D-druckbare Material (3) liegt.
3D-Druckverfahren zur Erzeugung einer dreidimensionalen Struktur (5) mit mehreren Druckköpfen, wobei ein erster der Druckköpfe, insbesondere ein Druckkopf (4) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, mit einem Filament (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 beschickt wird, während zumindest ein zweiter der Druckköpfe mit einem anderen Filament beschickt wird, wobei der erste Druckkopf (4) eine elektrische Leiterbahn der Struktur (5) druckt und zumindest der zweite Druckkopf einen weiteren Teil der Struktur (5) druckt, insbesondere den verbleibenden Teil der Struktur (5).