DE102017217383A1 - Device for carrying out a melt layer process and melt layer process - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Verbesserung von herkömmlichen Vorrichtungen zur Durchführung eines Schmelzschichtverfahrens oder Fused Deposition Modeling® FDM®-Verfahrens sowie ein Schmelzschichtverfahren. Durch die hier vorliegende Erfindung wird erstmals eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Durchführung eines Schmelzschichtverfahrens offenbart, bei dem durch gezielte Plasmabehandlung die Oberfläche einer ersten Schicht chemisch und/oder physikalisch so modifiziert und/oder aktiviert wird, dass die Haftung der zweiten Schicht verbessert wird und beide Schichten untereinander im Körper eine deutlich verbesserte Haftung zeigen.The invention relates to an improvement of conventional devices for carrying out a melt layer method or fused deposition modeling FDM® process and a melt layer method. By means of the present invention, an apparatus and a method for carrying out a melt layer method are disclosed for the first time in which the surface of a first layer is chemically and / or physically modified and / or activated by targeted plasma treatment in such a way that the adhesion of the second layer is improved and both layers show a significantly improved adhesion to one another in the body.
Description
Die Erfindung betrifft eine Verbesserung von herkömmlichen Vorrichtungen zur Durchführung eines Schmelzschichtverfahrens oder Fused Deposition Modeling® FDM®-Verfahrens sowie ein Schmelzschichtverfahren.The invention relates to an improvement of conventional devices for carrying out a melt layer method or fused deposition modeling FDM® process and a melt layer method.
Beim Schmelzschichtverfahren - auch FDM® Verfahren genannt - wird zunächst, ähnlich wie bei einem normalen Drucker, ein Raster von Punkten und/oder Linien auf eine Trägerplatte, insbesondere eine Bodenplatte, Bahnen über- und/oder nebeneinander geschmolzen und/oder aufgetragen. Erzeugt werden die Punkte und/oder Linien dabei durch die Verflüssigung eines meist draht- und/oder fadenförmigen Kunststoff- und/oder Wachsmaterials, welcher in einer Heizvorrichtung aufgeschmolzen und mittels einer Materialzufuhr wie beispielsweise einer Düse abgesetzt wird. Die Verfestigung des Materials erfolgt durch Abkühlung an der gewünschten Position in einem Raster auf der Trägerplatte oder auf der unteren oder einfach „älteren“ ersten Schicht.In the melt-layer process - also called FDM® process - first, similar to a normal printer, a grid of dots and / or lines on a support plate, in particular a bottom plate, tracks over and / or melted next to each other and / or applied. The dots and / or lines are produced by the liquefaction of a mostly wire and / or filamentary plastic and / or wax material, which is melted in a heating device and deposited by means of a material supply such as a nozzle. The solidification of the material is carried out by cooling at the desired position in a grid on the support plate or on the lower or simply "older" first layer.
Der Aufbau eines Körpers erfolgt üblich indem wiederholt, jeweils zeilenweise eine Arbeitsebene abgefahren und dann die Arbeitsebene beispielsweise „stapelnd“ nach oben oder seitlich verschoben wird, so dass eine Form schichtweise entsteht. Die Schichtdicken liegen je nach Anwendungsfall beispielsweise zwischen 0,025 mm und 1,25 mm.The structure of a body is customary by repeated traversing a working plane line by line and then the working plane, for example, "stacking" up or moved laterally, so that a shape is formed in layers. The layer thicknesses are depending on the application, for example, between 0.025 mm and 1.25 mm.
Bei der schichtweisen Herstellung verbinden sich damit die einzelnen Schichten zu einem Körper. Auf diese Weise hergestellte Körper weisen stark mechanisch anisotrope Materialeigenschaften auf. So beträgt beispielsweise die Zugfestigkeit senkrecht zur Auftragsrichtung nur die Hälfte oder sogar weniger als in Auftragsrichtung. Im Vergleich zu einem spritzgegossenen Bauteil müssen somit Abstriche bei der Verwendbarkeit FDM®-gefertigter Bauteile gemacht werden. Hinzu kommt, dass gelegentlich die Oberfläche eines Körpers nachbearbeitet wird, wenn entsprechende hohe Anforderungen die Oberfläche des Körpers gestellt werden.In the layered production, the individual layers combine to form a body. The bodies produced in this way have strongly mechanical anisotropic material properties. For example, the tensile strength perpendicular to the application direction is only half or even less than in the application direction. Compared to an injection-molded component, it is therefore necessary to reduce the usability of FDM®-manufactured components. In addition, occasionally the surface of a body is reworked, if appropriate high demands are placed on the surface of the body.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Durchführung eines Schmelzschicht-Verfahrens zur Verfügung zu stellen, durch die damit gebildete Körper eine verbesserte Isotropie der Materialeigenschaften und bessere Oberflächenbeschaffenheit aufweisen, insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zum Schmelzschichtverfahren zu schaffen, durch die der Zusammenhalt der einzeln gefertigten Schichten verbessert und eine Möglichkeit zur Behandlung der Oberfläche gegeben wird. Schließlich ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Körpers mittels Schmelzschichtverfahrens mit verbesserter Isotropie der Eigenschaften des Körpers und gezielt einstellbaren Oberflächeneigenschaften bereit zu stellen.It is therefore an object of the present invention to provide an apparatus for carrying out a melt layer method, by means of which bodies formed therewith have improved isotropy of the material properties and better surface finish, in particular the object of the present invention to provide a device for the melt layer method, which improves the cohesion of the individually manufactured layers and gives a possibility of treating the surface. Finally, it is an object of the present invention to provide a method for producing a body by means of a melt layer method with improved isotropy of the properties of the body and specifically adjustable surface properties.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, wie er in der Beschreibung und den Ansprüchen offenbart wird, gelöst.This object is solved by the subject matter of the present invention as disclosed in the specification and the claims.
Dementsprechend ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung eines Schmelzschichtverfahrens, mindestens eine Trägerplatte und einen Druckkopf mit zumindest einer Materialzufuhr derart umfassend, dass sich schichtweise ein Körper auf der Trägerplatte bildet, wobei zwischen der Materialzufuhr und dem bereits gebildeten Körper mindestens eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmas derart angeordnet ist, dass zumindest teilweise unmittelbar vor dem Auftrag einer zweiten Schicht auf eine schon aufgetragene erste Schicht die Oberfläche der ersten Schicht durch das Plasma behandelbar und/oder chemisch und/oder physikalische aktivierbar ist.Accordingly, the subject of the present invention is an apparatus for carrying out a melt layer method comprising at least one carrier plate and a printhead with at least one material supply such that a body forms on the carrier plate in layers, wherein between the material supply and the already formed body at least one device for generating a plasma is arranged such that at least partially immediately before the application of a second layer to an already applied first layer, the surface of the first layer is treatable by the plasma and / or chemically and / or physically activated.
Außerdem ist Gegenstand der Erfindung ein Schmelzschichtverfahren, bei dem in einem ersten Prozessschritt auf einer Trägerplatte durch Aufschmelzen eines Kunststofffadens zumindest eine erste Schicht gebildet wird, in einem weiteren Prozessschritt darauf oder daran eine zweite Schicht durch wiederum Aufbringung der Schmelze eines Kunststofffadens aufgebracht wird, wobei in einem zwischen die beiden vorgenannten Prozessschritte zwischengeschalteten Prozessschritt die Oberfläche der ersten Schicht vor dem Aufbringen der zweiten Schicht durch Applikation eines Plasmas chemisch und/oder physikalisch behandelt und/oder chemisch und/oder physikalisch aktiviert wird.The invention further provides a melt layer method in which at least one first layer is formed on a carrier plate by melting a plastic thread in a first process step, applied thereto in a further process step or a second layer is applied by again applying the melt of a plastic thread, wherein a process step interposed between the two aforementioned process steps, the surface of the first layer is treated chemically and / or physically before the application of the second layer by application of a plasma and / or activated chemically and / or physically.
Durch die Plasma-Behandlung der Oberfläche der ersten Schicht kann während des Aufbaus des Körpers eine bessere Schichtauf-Schicht-Haftung des mittels Schmelzschichtverfahren hergestellten Körpers und vor allem auch eine in ihren Eigenschaften gezielt einstellbare Oberfläche des mittels Schmelzschichtverfahren hergestellten Körpers sichergestellt werden.By the plasma treatment of the surface of the first layer, a better layer-to-layer adhesion of the body produced by the melt layer method and, above all, a surface of the body produced by the melt layer method can be ensured during the construction of the body.
Allgemeine Erkenntnis der Erfindung ist es, dass die Anisotropie der mittels Schmelzschichtverfahrens hergestellten Körper daraus resultiert, dass die Materialanbindung der zweiten Schicht auf der ersten Schicht, auf deren Oberfläche sie zumindest zum Teil zu liegen kommt, aufgrund von praktisch nicht vorhandener chemischer und/oder physikalischer Reaktivität zwischen bereits aus-, zumindest an-gehärteter und/oder gelierter erster Schicht und frisch aufgetragener zweiter Schicht gering ist. Hinzu kommt, dass die Kontaktfläche im Vergleich zum Durchmesser der Einzellage und/oder Wandstärke des Körpers aus Benetzungsgründen immer geringer ausgebildet ist.General knowledge of the invention is that the anisotropy of the body produced by melt layer method results from the fact that the material connection of the second layer on the first layer on the surface of which at least partially comes to rest, due to virtually non-existent chemical and / or physical Reactivity between already off, at least hardened and / or gelled first layer and freshly applied second layer is low. In addition, the contact surface in comparison to the diameter of the individual layer and / or wall thickness of the body is made smaller and smaller for wetting reasons.
Durch die hier aufgezeigte Möglichkeit über Plasma unmittelbar vor Auftrag der zweiten Schicht die Oberfläche der ersten Schicht zu behandeln, wird die Reaktivität der Oberfläche der ersten Schicht erhöht und es kommt zu einer deutlich besseren chemischen und/oder physikalischen Anbindung der angrenzenden Schichten und damit zu einer Abnahme der Anisotropie des mittels Schmelzschichtverfahren hergestellten Körpers. As a result of the possibility shown here of treating the surface of the first layer by means of plasma immediately before application of the second layer, the reactivity of the surface of the first layer is increased, resulting in a significantly better chemical and / or physical connection of the adjacent layers and thus to one Decrease in the anisotropy of the body produced by the melt layer method.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Vorrichtung zur Erzeugung von Plasma eine Plasma-Düse, insbesondere eine Atmosphärendruckplasma-Düse.According to an advantageous embodiment of the invention, the device for generating plasma is a plasma nozzle, in particular an atmospheric pressure plasma nozzle.
Der Einsatz von Atmosphärendruckplasma ist insbesondere vorteilhaft, weil im Gegensatz zu einem Niederdruck- oder Hochdruck-Plasma dabei kein Reaktionsgefäß wie ein Reaktor zur Plasmabehandlung der unteren Schicht erforderlich ist.The use of atmospheric pressure plasma is particularly advantageous because, in contrast to a low-pressure or high-pressure plasma, no reaction vessel such as a reactor for plasma treatment of the lower layer is required.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Plasmadüse, eine Düse in miniaturisierter Form ist, so dass sie in der Vorrichtung, insbesondere im Druckkopf der Vorrichtung platzsparend integrierbar ist.Furthermore, it is advantageous if the plasma nozzle is a nozzle in miniaturized form, so that it can be integrated in a space-saving manner in the device, in particular in the print head of the device.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung arbeitet die Atmosphärendruckplasma-Düse nach dem Konzept der Lichtbogenentladung.According to an advantageous embodiment of the invention, the atmospheric pressure plasma nozzle works on the concept of arc discharge.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird kontinuierlich - also während des gesamten Aufbauprozesses des Körpers - die Oberfläche einer ersten Schicht vor Aufbringung einer zweiten Schicht durch Plasma behandelt.According to an advantageous embodiment of the method, the surface of a first layer is treated continuously - ie during the entire body building process - by plasma prior to the application of a second layer.
Nach einer anderen Ausführungsform des Verfahrens wird die Oberfläche der ersten Schicht nur zeit-, stellen- und/oder teilweise, also an durch die Steuerung der Vorrichtung und/oder manuell vorgegebenen Stellen durch Plasma vor der Aufbringung der zweiten Schicht behandelt und/oder aktiviert.According to another embodiment of the method, the surface of the first layer is treated and / or activated only temporarily, partially and / or partially, that is to say by the control of the device and / or manually predetermined locations by plasma prior to the application of the second layer.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung arbeitet die Atmosphärendruckplasma-Düse nach dem Konzept der dielektrischen Barriereentladung. Eine derartige Düse weist den Vorteil auf, dass sie sehr kompakt vorliegt. Darüber hinaus ist auch der Temperatureintrag durch eine Plasmaaktivierung, insbesondere eine Atmosphärendruckplasma-Aktivierung der ersten Schicht bei der dielektrischen Barriereentladung geringer als bei anderen Arten der Plasmaerzeugung und insbesondere der Atmosphärendruckplasma-Erzeugung.According to a further advantageous embodiment of the invention, the atmospheric pressure plasma nozzle works on the concept of dielectric barrier discharge. Such a nozzle has the advantage that it is very compact. In addition, the temperature input by a plasma activation, in particular an atmospheric pressure plasma activation of the first layer in the dielectric barrier discharge is lower than in other types of plasma generation and in particular the atmospheric pressure plasma generation.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Plasmadüse der Vorrichtung zur Durchführung eines Schmelzschichtverfahrens an eine Hochfrequenzzuleitung angeschlossen.According to an advantageous embodiment of the invention, the plasma nozzle of the apparatus for performing a melt layer method is connected to a high-frequency supply line.
Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn die Plasmadüse über einen Schleifkontakt an einer Hochfrequenzzuleitung angeschlossen ist.It is particularly advantageous if the plasma nozzle is connected via a sliding contact to a high-frequency supply line.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Plasmadüse der Vorrichtung zur Durchführung eines Schmelzschichtverfahrens an einen Gasanschluss angeschlossen.According to an advantageous embodiment of the invention, the plasma nozzle of the device for carrying out a melt layer process is connected to a gas connection.
Dabei ist es insbesondere vorteilhafte, wenn die Plasmadüse über eine Gelenkkupplung an einen Gasanschluss angeschlossen ist.It is particularly advantageous if the plasma nozzle is connected via an articulated coupling to a gas connection.
Für das Prozessgas zur Plasmaerzeugung ist grundsätzlich die Reaktivität des Kunststoffes und/oder Wachses, das mittels Schmelzschicht verarbeitet wird, ausschlaggebend. Bei der Herstellung eines Körpers mittels Schmelzschichtverfahrens an Luft wird der Einfachheit halber beispielsweise und auch bevorzugt mit Druckluft als Prozessgas gearbeitet. Daneben kommen jedoch auch andere Gase als Prozessgas, wie die bekannten Gase, also Precursorgas, Stickstoff, Sauerstoff und/oder Edelgase sinnvollerweise zum Einsatz.In principle, the reactivity of the plastic and / or wax, which is processed by means of the melt layer, is decisive for the process gas for plasma generation. In the production of a body by means of a melt layer process in air, for the sake of simplicity, for example, and also preferably with compressed air as the process gas is used. In addition, however, gases other than process gas, such as the known gases, ie precursors, nitrogen, oxygen and / or noble gases, are usefully used.
Als Precursorgas wird dabei ein Gas oder ein Gasgemisch bezeichnet, dessen Atome, Ionen, Moleküle und/oder Molekülteile nach Beendigung der Plasmabehandlung als Schicht oder Beschichtung ganz, in Teilen und/oder in neuen Kombinationen auf der Plasma-behandelten Oberfläche wieder zu finden sind. As a precursor gas, a gas or a gas mixture is referred to, the atoms, ions, molecules and / or molecular parts after completion of the plasma treatment as a layer or coating to find all, in parts and / or in new combinations on the plasma-treated surface again.
Durch die Wahl des oder der Prozessgase(s) kann auch die Funktionalität und/oder Eigenschaften der Oberfläche der ersten Schicht gezielt (nach-)behandelt werden, so dass eine Oberflächenmodifikation durch die Plasmabehandlung möglich ist.By the choice of the process gas (s) or the functionality and / or properties of the surface of the first layer can be targeted (post) treated, so that a surface modification by the plasma treatment is possible.
Die Anbringung der Plasmadüse kann beispielsweise direkt bei der Materialzufuhr erfolgen. Es ist dabei denkbar, dass der Druckkopf, durch den die Materialzufuhr erfolgt, neben einer Düse aus der verflüssigtes und verdruckbares Material tritt noch eine Düse zur Erzeugung des Plasmas hat.The attachment of the plasma nozzle can for example be done directly in the supply of material. It is conceivable that the print head, through which the material is supplied, next to a nozzle from the liquefied and verdruckbares material still occurs a nozzle for generating the plasma has.
Beispielsweise kann die Plasma-Düse auch mittels eines Auslegearms, der bevorzugt schwenkbar ist, am Druckkopf angeordnet sein.For example, the plasma nozzle can also be arranged on the print head by means of a delivery arm, which is preferably pivotable.
Bevorzugt werden im Schmelzschichtverfahren schmelzbare Kunststoffe und/oder Formwachse, die in Form von Fäden und/oder Drähten in den Druckkopf eingespeist werden, verarbeitet. Beispielsweise eignen sich zur Verarbeitung mittels Schmelzschichtverfahren Thermoplaste wie Polyethylen, Polypropylen, Polylactid, Acrylnitril-Butadien-Styrol -kurz ABS-, Polyethylentherephthalat und beispielsweise thermoplastische Elastomere. Diese können mit oder ohne Füllstoffe und Additive verflüssigt werden und so im Druckkopf vorliegen. Auch können Verstärkungsfasern durch den Druckkopf der ein oder mehrere Materialzufuhren haben kann, mittels eines Schmelzschichtverfahrens verarbeitet werden.In the melt-layer process, meltable plastics and / or shaped waxes, which are fed into the print head in the form of threads and / or wires, are preferably processed. For example, thermoplastics such as polyethylene, polypropylene, polylactide, acrylonitrile butadiene styrene, short ABS, polyethylene terephthalate and, for example, thermoplastic elastomers are suitable for processing by means of melt layer processes. These can be liquefied with or without fillers and additives and thus be present in the print head. Also, reinforcing fibers may be processed by the printhead, which may have one or more material feeds, by means of a melt layer process.
Durch die hier vorliegende Erfindung wird erstmals eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Durchführung eines Schmelzschichtverfahrens offenbart, bei dem durch gezielte Plasmabehandlung die Oberfläche einer ersten Schicht chemisch und/oder physikalisch so modifiziert und/oder aktiviert wird, dass die Haftung der zweiten Schicht verbessert wird und beide Schichten untereinander im Körper eine deutlich verbesserte Haftung zeigen.By means of the present invention, an apparatus and a method for carrying out a melt layer method are disclosed for the first time in which the surface of a first layer is chemically and / or physically modified and / or activated by targeted plasma treatment in such a way that the adhesion of the second layer is improved and both layers show a significantly improved adhesion to one another in the body.
Durch die Plasmabehandlung entsteht der Vorteil, dass die erste, aktuell zu bedruckende, Schicht in ihrer Benetzbarkeit verbessert wird. Die aufzubringende Flüssigkeit für die zweite Schicht wird eine größere Kontaktfläche zur ersten Schicht ausbilden und damit eine verbesserte Zwischenschicht-Haftung ergeben. Die chemische und/oder physikalische Anbindung der beiden Schichten untereinander wird verbessert und je nach Führung des Schmelzschichtverfahrens kann die Plasmabehandlung auch dazu verwendet werden, die zu überdruckende Schicht anzuschmelzen, so dass eine weitere Verbesserung der Zwischenschichthaftung resultiert.The plasma treatment has the advantage that the first, currently to be printed, layer is improved in its wettability. The liquid to be applied to the second layer will form a larger contact area with the first layer and thus result in improved interlayer adhesion. The chemical and / or physical connection of the two layers to each other is improved and depending on the leadership of the melt layer process, the plasma treatment can also be used to melt the layer to be overprinted, so that a further improvement of the interlayer adhesion results.
Schließlich ist bei gefüllten Kunststoffen und/oder Zweikomponenten-Kunststoffen, beispielsweise Faser-verstärkten Kunststoffen, eine deutliche Steigerung der Anbindung des noch flüssigen Kunststoffes an die Faserbereiche der unteren Schicht also eine verbesserte Haftung beim Materialübergang durch die Plasmabehandlung der ersten Schicht zu erreichen.Finally, in the case of filled plastics and / or two-component plastics, for example fiber-reinforced plastics, a significant increase in the binding of the still liquid plastic to the fiber regions of the lower layer is thus to be achieved in improved adhesion during the material transfer by the plasma treatment of the first layer.
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