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Die Erfindung betrifft zwei Verfahren und eine Vorrichtung zur generativen Fertigung eines Werkstücks nach der Schmelzschicht-Methode.
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Die generative bzw. additive Fertigung von Werkstücken aller Art gewinnt zunehmend an Bedeutung. Ein gängiges Verfahren der generativen Fertigung ist die Schmelzschicht-Methode bzw. Schmelzschichtung (auch als FFF-Methode bzw. als Fused Filament Fabrication bezeichnet). Bei dieser Methode wird computergesteuert (z. B. basierend auf CAD-Daten des Werkstücks) das zu fertigende Werkstück, quasi urformend, nach und nach aus einem Kunststoff, insbesondere einem Thermoplast, aufgebaut. Der z. B. als Faden (Filament) bereitgestellte Kunststoff wird erwärmt, bis er einen flüssigen oder halbflüssigen Zustand erreicht hat, und durch wenigstens eine Düse eines Druckkopfs ausgebracht. Die Fertigung des Werkstücks erfolgt in einzelnen Arbeitsebenen, die jeweils mit dem Druckkopf zeilenweise abgefahren werden, sodass sich ein lagen- bzw. schichtweiser Aufbau ergibt. Der dabei abgelegte Kunststoff kühlt ab, härtet aus und verbindet sich mit dem zuvor aufgetragenen Kunststoff.
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In Werkstücken, welche mittels eines solchen 3D-Druckverfahrens hergestellt werden, entsteht eine ausgeprägte Anisotropie. D. h., ein gefertigtes Werkstück weist richtungsabhängig unterschiedliche mechanische Eigenschaften auf. Innerhalb einer Lage bzw. Schicht sind die Festigkeit und Schlagzähigkeit vergleichsweise hoch. Senkrecht zu den Lagen bzw. Schichten sind die Festigkeit und Schlagzähigkeit deutlich geringer, sodass das Werkstück bei mechanischer Belastung zumeist an den Grenzflächen zwischen den Lagen bzw. Schichten versagt.
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In der
WO 2016/083797 A1 wird ein mit dimensionierten Glasflocken gefüllter Kunststoff für das Drucken von Werkstücken beschrieben. Abgewinkelte Glasflocken, die über die Oberfläche einer ersten gedruckten Schicht hervorstehen, stellen eine raue Oberfläche bereit, sodass eine zweite gedruckte Schicht, die auf die erste Schicht aufgebracht wird, eine bessere Haftung hat.
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In der
DE 10 2014 110 505 A1 wird vorgeschlagen, pulverförmige Feststoffpartikel als Haftvermittler zu verwenden, welche auf eine zuvor aufgetragene Polymerzusammensetzung, die insbesondere unmittelbar zuvor die Extrudierdüse verlassen hat, aufgestreut werden.
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In der
US 2016/0012935 A1 ist eine Methode zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Objekts und ein hierfür verwendbares Ausgangsmaterial beschrieben. Das Ausgangsmaterial beinhaltet eine in ein Matrixmaterial eingebettete Faser, welche ein zentrales Filament und davon nach außen abstehende Strukturen aufweist. Zur Formung des dreidimensionalen Objekts kann das Ausgangsmaterial durch eine Extrusionsdüse ausgebracht werden. Danach können, bevor das Matrixmaterial verfestigt, die zunächst noch eingeklappten Strukturen radial nach außen expandieren, wodurch ein Gerüst gebildet wird, das das Matrixmaterial verstärkt und die Oberfläche verbessert für die Ablage der nächsten Schicht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur generativen Fertigung bzw. Herstellung eines Werkstücks nach der Schmelzschicht-Methode anzugeben, die wenigstens einen mit dem Stand der Technik einhergehenden Nachteil nicht oder zumindest nur vermindert aufweisen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die mit den unabhängigen Patentansprüchen beanspruchten Erfindungsgegenstände. Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich analog für alle Erfindungsgegenstände aus den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Erfindungsbeschreibung und den Figuren.
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Der Erfindung liegt die einheitliche Idee zugrunde, die beim generativen Fertigen eines Werkstücks nach und nach erzeugten Schichten bzw. Lagen schon bei der Fertigung mittels mehrere Schichten durchdringende Verstärkungselemente (nachfolgend noch näher erläuterter Art) form- und kraftschlüssig zu verbinden und dadurch das Werkstück strukturell zu verstärken. Dadurch wird eine Verbesserung der Festigkeit senkrecht zu den Lagen bzw. Schichten erreicht, um vorhandene Anisotropie zu beseitigen oder zu reduzieren. Ferner werden aber auch in anderen Richtungen die Druckfestigkeit, Scherfestigkeit, Biegefestigkeit und dergleichen verbessert. Die Verstärkungselemente können überall im Werkstück oder nur in besonders belasteten Bereichen eingebracht werden.
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Das erste erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass während des Aufbaus des Werkstücks, also beim Fertigen des Werkstücks bzw. noch während des Druckvorgangs, stäbchenförmige Verstärkungselemente (Pins) in das Werkstück eingebracht werden, die mehrere Schichten durchdringen und diese miteinander verbinden. Die stäbchenförmigen Verstärkungselemente können senkrecht und/oder schräg in die jeweils obersten Schichten eingebracht werden. Die betreffenden Schichten werden durch die stäbchenförmigen Verstärkungselemente quasi miteinander verstiftet, was den Zusammenhalt der Schichten erheblich verbessert. Die stäbchenförmigen Verstärkungselemente durchdringen dann zwei oder wenigstens zwei, bevorzugt drei oder wenigstens drei und insbesondere fünf oder wenigstens fünf benachbarte Schichten. Die Schichtdicke liegt bspw. in einem Bereich von 0,005 mm bis ≥ 1,0 mm (d. h. größer/gleich eins Komma null Millimeter). Die stäbchenförmigen Verstärkungselemente weisen eine entsprechende Länge auf.
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Die stäbchenförmigen bzw. stäbchenartigen Verstärkungselemente können aus Metall (z. B. Stahl, Aluminium oder Magnesium), Glas, Kohlenstoff, Keramik oder Kunststoff (auch faserverstärktem Kunststoff) gebildet sein. Die stäbchenförmigen Verstärkungselemente sind formstabil und weisen bevorzugt einen Durchmesser von ≤ 0,5 mm (d. h. kleiner/gleich null Komma fünf Millimeter) auf. Die stäbchenförmigen Verstärkungselemente können auch nagelartig, z. B. mit Spitze und abgeflachtem Ende, ausgebildet sein.
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Die stäbchenförmigen Verstärkungselemente können mit einem dem Druckkopf, der den Kunststoff ausbringt bzw. auf das Werkstück aufbringt, folgenden bzw. nachgeschalteten Setzkopf eingebracht werden, insbesondere direkt bzw. unmittelbar nach dem Ablegen des Kunststoffs. Der Setzkopf kann die stäbchenförmigen Verstärkungselemente einschießen, z. B. mittels Druckluft, oder eindrücken bzw. einschlagen, z. B. mittels elektromechanisch angetriebenem Hammer. Der Setzkopf kann einen Ultraschallerreger (Ultraschalleinrichtung) aufweisen, der durch Vibration bzw. Schwingungen ein lokales Aufschmelzen des Kunststoffs an der Eintragungsstelle (Einschuss- oder Einschlagstelle) des Werkstücks bewirkt, um das Eindringen der stäbchenförmigen Verstärkungselemente zu erleichtern. Die Vibration bzw. Schwingungen können mittels Sonotrode auf das Werkstück übertragen werden. Um das Einbringen zu erleichtern, können die stäbchenförmigen Verstärkungselemente auch erwärmt werden, z. B. mittels Induktion.
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Das zweite erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass während des Aufbaus des Werkstücks wenigstens ein endloses Verstärkungsgarn in das Werkstück eingestickt wird, welches mehrere Schichten durchdringt und diese miteinander verbindet.
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Das Verstärkungsgarn (oder der Verstärkungsfaden) kann eine Monofaser (Verstärkungsfaser) oder ein Roving (Faserbündel) sein und kann aus Kunststoff bzw. Kunststofffasern, Kohlenstoff bzw. Kohlenstofffasern, Glas bzw. Glasfasern, Naturfaser bzw. Naturfasern, Mineralfaser bzw. mineralischen Fasern, Metall bzw. Metallfasern und/oder dergleichen gebildet sein. Im Gegensatz zu den Verstärkungselementen ist das Verstärkungsgarn nicht formstabil, sondern formlabil bzw. biegeschlaff. Das Verstärkungsgarn weist bevorzugt einen Durchmesser von ≤ 0,3 mm (d. h. kleiner/gleich null Komma drei Millimeter) auf.
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Das Verstärkungsgarn kann mit einem dem Druckkopf folgenden bzw. nachgeschalteten Stick- bzw. Nähkopf, der wenigstens ein nadelartiges Werkzeug aufweist, eingestickt werden, insbesondere direkt nach dem Ablegen des Kunststoffs. Das Einsticken erfolgt insbesondere derart, dass das nadelartige Werkzeug wiederholt senkrecht und/oder schräg (winklig) in die jeweils obersten Schichten einsticht, wobei das Verstärkungsgarn in die Einstiche eingezogen und zum jeweils nächsten Einstich weitergezogen wird, sodass eine Sticknaht entsteht, durch welche die betroffenen Schichten quasi miteinander verstickt bzw. vernäht werden, was den Zusammenhalt der Schichten erheblich verbessert. Durch alternierende Schrägstellung des nadelartigen Werkzeugs (und einer entsprechenden Nadelführung) kann eine im Querschnitt V-förmige Sticknaht erzeugt werden, die besonders stabil ist.
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Das nadelartige Werkzeug kann beheizt werden, um das Einstechen zu erleichtern. Bevorzugt wird durch die Beheizung des nadelartigen Werkzeugs an der Einstichstelle am Werkstück ein lokales Aufschmelzen des Kunststoffs bewirkt. Der schmelzflüssige Kunststoff bettet dann das eingezogene Verstärkungsgarn ein, sodass eine stabile Verbindung entsteht.
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Der zum Aufbau des Werkstücks verwendete Kunststoff, insbesondere schmelzfähige Kunststoff, kann Verstärkungsfasern, insbesondere aus gängigen Fasermaterialien gebildete Kurz- und/oder Langfasern, aufweisen, die beim Ablegen des Kunststoffs eine Vorzugsrichtung erfahren. Beim Einbringen der stäbchenförmigen Verstärkungselemente oder beim Einsticken des Verstärkungsgarns werden diese Verstärkungsfasern lokal an den Eintragungsstellen bzw. Einstichstellen entsprechend der Eintragungs- bzw. Einstichachse verlagert und/oder neu ausgerichtet. Bei dieser Ausrichtung werden die Verstärkungsfasern auch durch die Grenzflächen zwischen benachbarten Schichten gedrückt, wodurch eine den Zusammenhalt der Schichten verstärkende Überbrückung (Bridgeing) entsteht.
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Die Erfindung kann insbesondere bei der Herstellung eines Kraftfahrzeugbauteils angewendet werden. Erfindungsgemäß hergestellte Kraftfahrzeugbauteile können insbesondere auch eine gute Crashperformance aufweisen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung (3D-Drucker) zur generativen Fertigung eines Werkstücks umfasst zumindest die folgenden Komponenten:
- - einen Druckkopf, mit dem das zu fertigende Werkstück schichtweise, d. h. Schicht für Schicht, aus Kunststoff aufgebaut werden kann; und
- - einen Setzkopf oder Stickkopf, der insbesondere dem Druckkopf nachgeschaltet ist, mit dem während des Aufbaus des Werkstücks stäbchenförmige Verstärkungselemente oder wenigstens ein Verstärkungsgarn in das Werkstück eingebracht bzw. eingestickt werden kann, wie vorausgehend erläutert;
- - sowie gegebenenfalls noch eine Steuereinrichtung, die den Druckkopf und den Setzkopf bzw. Stickkopf steuern kann, insbesondere verfahrensgemäß steuern kann.
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Die Erfindung bietet folgende Vorteile (keine abschließende Aufzählung):
- - an den Grenzflächen zwischen den Schichten werden die Steifigkeit, Festigkeit und Schlag- bzw. Bruchzähigkeit erhöht;
- - herstellungsbedingte Anisotropien werden beseitigt oder zumindest verringert, wodurch die mechanischen Werkstückeigenschaften verbessert werden und die Werkstück- bzw. Bauteilkonstruktion, insbesondere die Auslegung und Berechnung, vereinfacht wird - mitunter können sogar nahezu isotrope Werkstück- bzw. Bauteileigenschaften erzielt werden;
- - lokale lastpfadgerechte Verstärkung ist möglich, wodurch sowohl beanspruchungsgerechte Werkstück- bzw. Bauteilaufbauten ermöglicht werden als auch sehr hohe Leichtbaugrade erzielbar sind;
- - erweitertes Anwendungsspektrum für entsprechend hergestellte Bauteile, insbesondere im Automobilbau, vorzugsweise auch als Ersatz für konventionell hergestellte Metallteile (bspw. Druckgussteile) und Kunststoffteile (bspw. Spritzgussteile).
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Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft und in nicht einschränkender Weise mit Bezug auf die schematischen Figuren näher erläutert. Die in den Figuren gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale können, auch unabhängig von konkreten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein und die Erfindung entsprechend weiterbilden.
- 1 veranschaulicht das erste erfindungsgemäße Verfahren und zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ausführung dieses Verfahrens.
- 2 veranschaulicht das zweite erfindungsgemäße Verfahren und zeigt eine andere erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ausführung dieses Verfahrens.
- 3 zeigt ein nadelartiges Werkzeug für die Vorrichtung aus 2.
- 4 zeigt eine V-förmige Sticknaht, die mit der Vorrichtung aus 2 hergestellt ist.
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1 zeigt eine Vorrichtung 100 zur generativen Fertigung eines Werkstücks 200 nach der Schmelzschicht-Methode. Die Vorrichtung 100 weist einen Druckkopf 120 auf, der über eine Düse (Extrudierdüse) 125 geschmolzenen Kunststoff K ausbringt (extrudiert) und dabei das Werkstück 200 schichtweise aufbaut bzw. aufschichtet. Dem Druckkopf 120 ist ein Zuführsystem 130 für das Kunststoffmaterial zugeordnet. Die Vorrichtung 100 weist ferner einen dem Druckkopf 120 nachgelagerten bzw. in Verfahrrichtung R folgenden Setzkopf 140 auf, der insbesondere in direkter Nachbarschaft zum Druckkopf 120 angeordnet ist. Der Druckkopf 120 und der Setzkopf 140 sind verfahrbar an einem gemeinsamen Träger- bzw. Portalsystem 110 befestigt bzw. gelagert. Mit dem Setzkopf 140 werden während der laufenden Fertigung des Werkstücks 200 fortlaufend stäbchenförmige Verstärkungselemente 300 in das Werkstück 200 eingebracht, insbesondere bevor die oberste, unmittelbar zuvor abgelegte Schicht (oder Zeile bzw. Bahn) 210 ausgehärtet ist, wobei die stäbchenförmigen Verstärkungselemente 300 mehrere Schichten 210 durchdringen und diese dauerhaft miteinander verbinden bzw. verstiften. Dies ist sehr gut in der Detaildarstellung erkennbar.
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Die stäbchenförmige Verstärkungselemente 300 werden bspw. eingeschossen oder eingeschlagen. Dabei werden an den betreffenden Stellen auch die im Kunststoffmaterial K gegebenenfalls enthaltenen Verstärkungsfasern F neu ausgerichtet, wodurch ein zusätzlicher Verstärkungseffekt herbeigeführt wird. Auf die oberste Schicht 210 des Werkstücks 200 können in analoger Weise noch weitere Schichten aufgebracht werden, d. h., auch hierbei werden stäbchenförmige Verstärkungselemente 300 eingebracht. Dem Setzkopf 140 ist ein Zuführsystem 150 für die Zuführung der stäbchenförmigen Verstärkungselemente 300 zugeordnet. Der Setzkopf 140 kann einen Ultraschallerreger 145 aufweisen, der am Werkstück 200 ein lokales Aufschmelzen des Kunststoffs K bewirkt, um das Einbringen der stäbchenförmigen Verstärkungselemente 300 zu vereinfachen.
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Die in 2 gezeigte Vorrichtung 100 weist anstelle des zuvor erläuterten Setzkopfes einen Stickkopf 160 auf. Mit dem Stickkopf 160 wird während des laufenden schichtweisen Aufbaus des Werkstücks 200 fortlaufend ein endloses Verstärkungsgarn 400 in das Werkstück 200 eingestickt oder eingenäht, welches mehrere Schichten 210 durchdringt und diese miteinander verbindet. Dies geht anschaulich aus der Detaildarstellung hervor. Dem Stickkopf 160 ist ein Zuführsystem 170 für die Zuführung des Verstärkungsgarns 400 zugeordnet.
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Der Stickkopf 160 weist wenigstens ein nadelartiges Werkzeug 161 auf, wie schematisch in der 3 gezeigt. Das nadelartige Werkzeug 161 ist mit einem Halter 162, einem Schaft 163 und einer Spitze 164 ausgebildet. Das Garn 400 wird in einer Schlaufe 410 außen entlanggeführt und dann im Einstich durch Reibung zurückgehalten, sodass die Garnschlaufe im Einstich verbleibt. Das nadelartige Werkzeug 161 kann auch anders ausgebildet sein. Der Stickkopf 160 kann ferner eine Heizeinrichtung 165 zur Beheizung des nadelartigen Werkzeugs 161 aufweisen. Ebenso kann das nadelartige Werkzeug 161 auch direkt beheizt werden, z. B. mithilfe einer Heizdrahtwendel.
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Beim Sticken kann durch abwechselndes Schrägstellen des nadelartigen Werkzeugs 161 die in 4 gezeigte V-förmige Sticknaht erzeugt werden. Auch die stäbchenförmigen Verstärkungselemente 300 können V-förmig eingebracht werden.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Vorrichtung
- 110
- Portal-, Trägersystem
- 120
- Druckkopf
- 125
- Düse
- 130
- Zuführsystem
- 140
- Setzkopf
- 145
- Ultraschallerreger
- 150
- Zuführsystem
- 160
- Stickkopf
- 161
- Werkzeug, Nadel
- 162
- Halter
- 163
- Schaft
- 164
- Spitze
- 165
- Heizeinrichtung
- 170
- Zuführsystem
- 200
- Werkstück
- 210
- Schicht, Lage
- 300
- Verstärkungselement
- 400
- Verstärkungsgarn
- 410
- Schlaufe
- F
- Verstärkungsfasern
- K
- Kunststoff
- R
- Verfahrrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2016/083797 A1 [0004]
- DE 102014110505 A1 [0005]
- US 2016/0012935 A1 [0006]
