DE102017210146A1

DE102017210146A1 - Vorrichtung und Verfahren zur additiven Herstellung eines Formteils aus Granulat

Info

Publication number: DE102017210146A1
Application number: DE102017210146.6A
Authority: DE
Inventors: Martin Hoffmann; Mathias Sommerer
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2017-06-19
Filing date: 2017-06-19
Publication date: 2018-12-20

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur additiven Herstellung eines Formteils aus Granulatmaterial, wobei zur Erhöhung der Formteilqualität lediglich ein Formteilträger gegenüber einer Granulatplastifiziereinheit bewegt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung eines Formteils, bei dem ein Granulatmaterial von einer Plastifiziereinheit plastifiziert und in Schichtbauweise zu dem Formteil aufgebaut wird.
Im Stand der Technik sind bereits verschiedene additive Fertigungsverfahren und insbesondere „3D-Druckverfahren“ bekannt. Bei einem Teil dieser Verfahren, wie beispielsweise dem „Fused Filament Fabrication“-Verfahren (FFF-Verfahren) werden Filamente aufgeschmolzen und die aufgeschmolzene Filamentmasse in Strängen oder Punkten zueinander in Schichtbauweise angeordnet, um das Formteil zu bilden. Die Filamente sind meist aus einem schmelzbaren drahtförmigen Kunststoff- oder Wachsmaterial.
Die Verarbeitung von Filamenten hat jedoch den Nachteil, dass das ursprüngliche Material von seiner in der Industrie verbreiteten Form als Granulat in eine Filamentform gebracht werden muss. Um einen gleichmäßigen Materialfluss und damit eine gleichmäßige Auftragsrate bei der Herstellung des Formteils zu gewährleisten, müssen die Filamente durchgehend einen vorherbestimmten Durchmesser aufweisen. Durch den Zwischenschritt der Herstellung der Filamente aus Granulat und die nötige Genauigkeit bei der Herstellung der Filamente werden bei der Verwendung von Filamenten durch die dafür nötigen Produktions- bzw. Herstellungsanlagen und die aufzuwendende Energie hohe, zusätzliche Kosten erzeugt.
Hinzukommt, dass ein einzelnes Filament endlich ist und dadurch das Ende eines Filaments mit dem Beginn eines neuen Filaments aufwändig verbrunden werden muss, ein Reststück des Filaments entsorgt werden muss oder das Formteil, bei dem das Ende des Filaments erreicht wird, unter Umständen nicht brauchbar ist.
Die Eigenschaften des Materials, aus dem das Filament hergestellt wird, können zudem durch das wiederholte Plastifizieren des Materials bei der Herstellung des Filaments und der späteren Weiterverarbeitung beim FFF-Verfahren verändert werden, sodass es sich bei der Verarbeitung durch das additive Fertigungsverfahren weniger gut miteinander verbindet oder sich bestimmte chemische oder optische Eigenschaften verändern bzw. verschlechtern.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die vorbesagten Nachteile zu überwinden und eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur additiven Herstellung eines Formteils aus einem Granulat bereitzustellen, das gegenüber den herkömmlichen additiven Fertigungsverfahren günstiger und schneller ist, wobei die Formteile eine höhere Qualität und Bauteilgüte aufweisen sollen als mit den herkömmlichen Verfahren hergestellte Formteile.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß den Patentansprüchen 1 und 8 gelöst.
Erfindungsgemäß wird hierzu eine Vorrichtung zur Herstellung eines Formteils vorgeschlagen. Die Vorrichtung umfasst zumindest einen Granulatvorratsbehälter zur Aufnahme von Granulatmaterial, zumindest eine Granulatplastifiziereinheit zur Extrusion und Plastifizierung des Granulatmaterials und einen Formteilträger zur Aufnahme des zu einer Formmasse plastifizierten Granulatmaterials. Durch die schichtweise Anordnung der Formmasse auf dem Formteilträger wird das Formteil sukzessive und Schicht für Schicht gebildet.
Die Plastifizierung des Granulatmaterials ist hierbei das Umwandeln des Granulatmaterials durch Temperatur und Druck von seiner granularen Form in eine homogene Formmasse, sodass die Formmasse extrudiert werden kann. Die Viskosität des Granulatmaterials wird durch das Plastifizieren bzw. Aufschmelzen reduziert bzw. verringert, sodass sich die Formmasse in einem im Wesentlichen homogenen, schmelzflüssigen Zustand befindet.
Der zumindest eine Granulatvorratsbehälter ist starr mit der zumindest einen Granulatplastifiziereinheit verbunden, sodass das Granulatmaterial von bzw. aus dem Granulatvorratsbehälter in die Granulatplastifiziereinheit förderbar ist. Der Granulatvorratsbehälter ist dabei ein Speicher, aus dem das Granulatmaterial über eine starre Förderverbindung, z.B. ein Rohr, durch Schwerkraftförderung oder einen aktiven Förderungen zu der Plastifiziereinheit gefördert werden kann. Das Granulatmaterial kann in verschiedenen Formen und Größen aus verschiedenen Rohstoffen vorliegen, wobei ein Granulatvorratsbehälter insbesondere Granulatmaterial einer Art aufnimmt. Beispielsweise kann das Granulatmaterial aus Thermoplasten wie Polyethylen, Polypropylen, ABS, PETG oder thermoplastischen Elastomeren bestehen und in Pellet, Kugel oder Zylinderform vorliegen. Die einzelnen Granulatkörper des Granulatmaterials haben jeweils Abmessungen zwischen 0,5 und 5 mm und können gegebenenfalls mit Zusatzmitteln vermengt sein.
Eine Position der zumindest einen Granulatplastifiziereinheit gegenüber dem zumindest einen Granulatvorratsbehälter ist ortsfest fixiert. Durch die Fixierung der Granulatplastifiziereinheit gegenüber dem Granulatvorratsbehälter bleiben die Förderstrecken des Granulatmaterials während der gesamten Herstellung gleich, sodass eine gleichmäßige Förderrate des Granulatmaterials zu der Plastifiziereinheit und der Formmasse aus der Plastifiziereinheit gegeben ist und eine gleichmäßige Extrusion mit höherer Qualität erreicht werden kann.
Der Formteilträger ist gegenüber der Granulatplastifiziereinheit durch zumindest einen Antrieb dreidimensional bewegbar. Dazu ist der Formteilträger ein Maschinentisch oder auf einem Maschinentisch montiert, der in die drei Raumachsen beispielsweise durch Linearantriebe bewegbar und durch Rotationsantriebe gegebenenfalls um eine oder mehrere Raumachsen drehbar ist. Alternativ kann der Formteilträger oder sein Antrieb auf einem Förderband bzw. einer Förderanlage angeordnet sein um das entstehende oder fertige Formteil auf dem Formteilträger zwischen verschiedenen Bearbeitungsstationen transportieren zu können. Ferner kann der Formteilträger an einem mehrachsigen Roboter montiert sein, sodass der Formteilträger frei im Raum positionier- und ausrichtbar ist. Durch einen Roboter kann der Formteilträger mit dem fertigen oder entstehenden Formteil ebenfalls zwischen verschiedenen Bearbeitungsstationen bewegt werden.
Der Formteilträger ist dazu ausgebildet, dass ein durch die Granulatplastifiziereinheit plastifiziertes Granulatmaterial als Formmasse durch eine Düse an der Granulatplastifiziereinheit auf den Formteilträger extrudiert, also unter Druck ausgespritzt werden kann. Durch die Extrusion der Formmasse und strang- oder punktweises Anordnen der extrudierten Formmasse zur Erzeugung des Formteils wird das Formteil schichtweise zu dem dreidimensionalen Bauteil aufgetragen bzw. aufgebaut. Neben dem eigentlichen Formteil ist durch das Verfahren eine Stützstruktur herstellbar, die dazu ausgebildet ist, während des Herstellungsverfahrens instabile Abschnitte des Formteils abzustützen. Diese Stützstruktur kann in nachfolgenden Arbeitsschritten entfernt werden.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Vorrichtung zur Herstellung eines Formteils sieht vor, dass eine Position der Granulatplastifiziereinheit gegenüber einem unbeweglichen Rahmen der Vorrichtung ortsfest fixiert ist. Der Rahmen nimmt den zumindest einen Granulatvorratsbehälter und die zumindest eine Granulatplastifiziereinheit auf und ist vorzugsweise selbst im Bearbeitungsbereich ortsfest fixiert, sodass im Wesentlichen die einzige Bewegung der Komponenten der Vorrichtung zur Herstellung des Formteils durch den Formteilträger durchgeführt wird. Dadurch, dass die Granulatplastifiziereinheit und damit das bereits plastifizierte Granulatmaterial in Form der Formmasse in der Granulatplastifiziereinheit nicht bewegt wird, ist die Förder- und Plastifizierrate gleichbleibend und die Genauigkeit bei der Positionierung lediglich von der Bewegung des Formteilträgers abhängig, wodurch die Qualität und die Materialeigenschaften des Formteils verbessert werden. Durch eine Bewegung können Temperatur- und Druckschwankungen in der Granulatplastifiziereinheit erzeugt sowie eine Luftblasenbildung in der Formmasse begünstigt werden, wodurch gleichbleibende Fördermengen der Formmasse auf den Formteilträger und gleichbleibende Materialeigenschaften der Formmasse nicht sichergestellt wären.
Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist die Vorrichtung eine Dosiereinheit auf. Die Dosiereinheit ist zwischen dem zumindest einem Granulatvorratsbehälter und der zumindest einen Granulatplastifiziereinheit angeordnet. Ferner ist die Dosiereinheit ausgebildet, das Granulatmaterial bei der Förderung des Granulatmaterials aus bzw. von dem zumindest einen Granulatvorratsbehälter zu der zumindest einen Granulatplastifiziereinheit zu dosieren.
Von Vorteil ist ferner eine Ausbildungsform, bei der die Vorrichtung zur Herstellung eines Formteils eine Granulatfördereinheit zwischen dem zumindest einen Granulatvorratsbehälter und der zumindest einen Granulatplastifiziereinheit aufweist. Die Granulatfördereinheit kann beispielsweise eine Pumpe sein, die aktiv das Granulatmaterial aus dem Granulatvorratsbehälter zu der Granulatplastifiziereinheit fördert. Die Granulatfördereinheit kann auch integral mit der Dosiereinheit ausgebildet sein, sodass beispielsweise eine Pumpe durch Regulierung der Fördermenge das geförderte Granulatmaterial dosiert.
Der Formteilträger ist bei einer alternativen Ausführungsform durch den zumindest einen insbesondere elektrischen Antrieb in drei Raumrichtungen bewegbar. Ferner ist seine Position gegenüber der Granulatplastifiziereinheit durch eine Messeinrichtung erfassbar und die Position, die Ausrichtung sowie die Bewegung des Formteilträgers durch eine Steuereinrichtung steuerbar. Die Steuereinrichtung, beispielsweise ein Computer, kann neben dem Formteilträger auch die Dosierung und die Förderraten durch die Dosiereinheit und die Fördereinheit sowie die Granulatplastifiziereinheit steuern.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Vorrichtung sieht zwei Granulatvorratsbehälter vor. Die Granulatvorratsbehälter sind jeweils ausgebildet ein Granulatmaterial aufzunehmen bzw. zu beinhalten, das sich von dem Granulatmaterial des anderen Granulatvorratsbehälters unterscheidet. Dadurch, dass die Vorrichtung zwei Granulatvorratsbehälter aufweist, können durch eine Dosiereinheit die Granulatmaterialien nach einem vorbestimmten Verhältnis gemischt werden. Beispielsweise kann durch eines der beiden sich voneinander unterscheidenden Granulatmaterialien eine elastische Komponente zu der Granulatmischung hinzugefügt werden. Die Elastizität der Granulatmischung bzw. der Formmasse ist dadurch gezielt steuerbar, wodurch bei dem Aufbau bzw. der Herstellung des Formteils an bestimmten Formteilabschnitte bestimmte Elastizitäten vorgesehen werden können und zwischen elastischen oder nicht elastischen Bereichen ein nahtloser Übergang entsteht. Die Dosiereinheit kann aus zwei einzelnen Untereinheiten bestehen, welche den Zufluss bzw. die Förderung jeweils eines Granulatmaterials bestimmen. Zusätzlich kann die Dosiereinheit eine Mischeinheit umfassen, welche die Granulatmaterialen miteinander mischt.
Von Vorteil ist eine weitere Ausbildungsvariante, bei der die Granulatplastifiziereinheit ein Schneckenextruder oder ein Doppelschneckenextruder ist. Die Plastifizierung in dem Schnecken- oder dem Doppelschneckenextruder, die durch den Druck und der damit entstehenden Temperatur in dem Granulatmaterial bestimmt ist, kann zusätzlich durch ein Heizelement unterstützt werden. Das Heizelement erhitzt das Granulatmaterial vor dem Extruder oder in dem Extruder. Bei einer Erhöhung der Temperatur in dem Extruder kann die Erwärmung von außen oder von innen, beispielsweise durch Erwärmung einer Schnecke im Inneren des Schnecken- oder Doppelschneckenextruders, durchgeführt werden.
Vorteilhafterweise ist das verwendete Granulat bzw. Granulatmaterial zur Herstellung des Formteils ein Kunststoffgranulat.
Erfindungsgemäß wird ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Formteils vorgeschlagen. Bei dem Verfahren wird

• zumindest ein Granulatmaterial von zumindest einem Granulatvorratsbehälter zu zumindest einer gegenüber dem Granulatvorratsbehälter ortsfest fixierten Granulatplastifiziereinheit gefördert,
• das zumindest eine Granulatmaterial in der zumindest einen Granulatplastifiziereinheit plastifiziert und
• das zumindest eine plastifizierte Granulatmaterial als Formmasse durch eine Düse an der zumindest einen Granulatplastifiziereinheit auf einen Formteilträger aufgebracht,
• wobei zur Herstellung des Formteils ausschließlich der Formteilträger gegenüber der Düse der zumindest einen Granulatplastifiziereinheit bewegt wird und auf dem Formteilträger aus der Formmasse schichtweise das Formteil als dreidimensionales Bauteil gebildet wird.

In einer Weiterbildung des Verfahren zur Herstellung eines Formteils werden zwei verschiedene Granulatmaterialien, die in jeweils einem Granulatvorratsbehälter enthalten sind, durch eine Dosiereinheit in einem vorherbestimmten Mischungsverhältnis gemischt und die Granulatmischung zu der zumindest einen Granulatplastifiziereinheit, beispielsweise durch eine Fördereinheit oder Schwerkraftförderung, gefördert und in der zumindest einen Granulatplastifiziereinheit plastifiziert. Das in dem vorherbestimmten Mischungsverhältnis plastifizierte Granulatmaterial wird als eine Mischformmasse aus der Düse der zumindest einen Granulatplastifiziereinheit extrudiert.
Eine weitere Ausbildung des Verfahrens sieht vor, dass der zumindest eine Granulatvorratsbehälter und/oder eine Förderstrecke zwischen dem zumindest einem Granulatvorratsbehälter und der zumindest einen Granulatplastifiziereinheit auf eine vorbestimmte Temperatur erhitzt und/oder unter einen vorbestimmten Druck gesetzt wird. Dadurch kann das Granulatmaterial bereits vor der Granulatplastifiziereinheit vorbehandelt werden, sodass es sich mit zugemischten Zusatzmitteln verbindet und/oder in seiner Viskosität erniedrigt wird. Durch die Vorbehandlung ist die Plastifizierung und Extrusion durch die Granulatplastifiziereinheit erleichtert, sodass die Formmasse gleichmäßiger aus der Düse extrudiert und auf dem Formteilträger geschichtet werden kann.
Die vorstehend offenbarten Merkmale sind beliebig kombinierbar, soweit dies technisch möglich ist und diese nicht im Widerspruch zueinander stehen.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Beispielsweise kann an der Düse oder an dem Formteilträger eine Kühlvorrichtung vorgesehen sein, die die extrudierte Formmasse auf eine vorbestimmte Temperatur kühlt.

Claims

Vorrichtung zur Herstellung eines Formteils, wobei die Vorrichtung zumindest einen Granulatvorratsbehälter zur Aufnahme von Granulatmaterial, zumindest eine Granulatplastifiziereinheit zur Extrusion und Plastifizierung des Granulatmaterials und einen Formteilträger umfasst, wobei der zumindest eine Granulatvorratsbehälter mit der zumindest einen Granulatplastifiziereinheit verbunden ist, sodass das Granulatmaterial von dem Granulatvorratsbehälter in die Granulatplastifiziereinheit förderbar ist, eine Position der zumindest einen Granulatplastifiziereinheit gegenüber dem zumindest einen Granulatvorratsbehälter ortsfest fixiert ist und der Formteilträger gegenüber der Granulatplastifiziereinheit durch zumindest einen Antrieb dreidimensional bewegbar und ausgebildet ist, dass ein durch die Granulatplastifiziereinheit plastifiziertes Granulatmaterial als Formmasse durch eine Düse an der Granulatplastifiziereinheit auf den Formteilträger zur Erzeugung des Formteils als dreidimensionales Bauteil schichtweise auftragbar ist.
Vorrichtung zur Herstellung eines Formteils nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Position der Granulatplastifiziereinheit gegenüber einem Rahmen der Vorrichtung, die zumindest den Granulatvorratsbehälter und die Granulatplastifiziereinheit aufnimmt, ortsfest fixiert ist, wobei der Rahmen unbeweglich ist.
Vorrichtung zur Herstellung eines Formteils nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Vorrichtung eine Dosiereinheit zwischen dem zumindest einem Granulatvorratsbehälter und der zumindest einen Granulatplastifiziereinheit zur Dosierung des Granulatmaterials bei der Förderung des Granulatmaterials aus dem zumindest einen Granulatvorratsbehälter zu der zumindest einen Granulatplastifiziereinheit aufweist.
Vorrichtung zur Herstellung eines Formteils nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung eine Granulatfördereinheit zwischen dem zumindest einen Granulatvorratsbehälter und der zumindest einen Granulatplastifiziereinheit aufweist.
Vorrichtung zur Herstellung eines Formteils nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Formteilträger durch den zumindest einen insbesondere elektrischen Antrieb in drei Raumrichtungen bewegbar, seine Position gegenüber der Granulatplastifiziereinheit durch eine Messeinrichtung erfassbar und die Position, die Ausrichtung sowie die Bewegung des Formteilträgers durch eine Steuereinrichtung steuerbar ist.
Vorrichtung zur Herstellung eines Formteils nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung zwei Granulatvorratsbehälter aufweist die jeweils ausgebildet sind, ein sich voneinander unterscheidendes Granulatmaterial zu beinhalten.
Vorrichtung zur Herstellung eines Formteils nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Granulatplastifiziereinheit ein Schneckenextruder ist.
Verfahren zur Herstellung eines Formteils, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Granulatmaterial von zumindest einem Granulatvorratsbehälter zu zumindest einer gegenüber dem Granulatvorratsbehälter ortsfest fixierten Granulatplastifiziereinheit gefördert wird, das zumindest eine Granulatmaterial in der zumindest einen Granulatplastifiziereinheit plastifiziert wird, das zumindest eine plastifizierte Granulatmaterial als Formmasse durch eine Düse an der zumindest einen Granulatplastifiziereinheit auf einen Formteilträger aufgebracht wird und wobei zur Herstellung des Formteils ausschließlich der Formteilträger gegenüber der Düse der zumindest einen Granulatplastifiziereinheit bewegt wird und auf dem Formteilträger aus der Formmasse schichtweise das Formteil als dreidimensionales Bauteil gebildet wird.
Verfahren zur Herstellung eines Formteils nach dem vorhergehenden Anspruch wobei zwei verschiedene Granulatmaterialien, die in jeweils einem Granulatvorratsbehälter enthalten sind, durch eine Dosiereinheit in einem vorherbestimmten Mischungsverhältnis gemischt werden und die Granulatmischung zu der zumindest einen Granulatplastifiziereinheit gefördert und in der zumindest einen Granulatplastifiziereinheit plastifiziert und aus der Düse der zumindest einen Granulatplastifiziereinheit extrudiert wird.
Verfahren zur Herstellung eines Formteils nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 oder 9, wobei der zumindest eine Granulatvorratsbehälter und/oder eine Förderstrecke zwischen dem zumindest einem Granulatvorratsbehälter und der zumindest einen Granulatplastifiziereinheit auf eine vorbestimmte Temperatur erhitzt und/oder unter einen vorbestimmten Druck gesetzt wird.