DE102017221687A1 - Method and device for the generative production of a workpiece by melt stratification with structural reinforcement by local punching and compaction of the layers - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur generativen Fertigung eines Werkstücks (200) nach der Schmelzschicht-Methode, wobei das zu fertigende Werkstück (200) schichtweise aus Kunststoff (K) aufgebaut wird. Erfindungsgemäß werden während des Aufbaus des Werkstücks (200) Stanzschnitte (S) eingebracht, die eine geschlossene Stanzkontur aufweisen und mehrere Schichten (210) des Werkstücks (200) durchdringen, und die dabei erzeugten Stanzbutzen (B) verdichtet.
Die Erfindung betrifft ferner eine zur Ausführung dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung (100) .
The invention relates to a method for the generative production of a workpiece (200) according to the melt-layer method, wherein the workpiece to be produced (200) is constructed in layers of plastic (K). According to the invention, during the construction of the workpiece (200), punched cuts (S) are made, which have a closed punching contour and penetrate a plurality of layers (210) of the workpiece (200) and compact the punched slugs (B) produced thereby.
The invention further relates to a device (100) suitable for carrying out this method.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur generativen Fertigung eines Werkstücks nach der Schmelzschicht-Methode.The invention relates to a method and a device for the additive production of a workpiece according to the melt layer method.
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.Generative or additive manufacturing of workpieces of all kinds is becoming increasingly important. A common method of generative production is the melt layer method or melt stratification (also referred to as FFF method or as Fused Filament Fabrication). In this method, the workpiece to be manufactured, quasi-original, is built up from a plastic, in particular a thermoplastic, computer-controlled (for example based on CAD data of the workpiece). The z. B. as a thread (filament) provided plastic is heated until it has reached a liquid or semi-liquid state, and discharged through at least one nozzle of a printhead. The production of the workpiece takes place in individual working planes, which are each traversed line by line with the print head, so that a layered or layered structure results. The deposited plastic cools, hardens and combines with the previously applied plastic.
In Werkstücken, welche mittels eines solchen 3D-Druckverfahrens hergestellt werden, entsteht eine ausgeprägte Anisotropie. D. h., das gefertigte 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.In workpieces which are produced by means of such a 3D printing process, a pronounced anisotropy results. In other words, the manufactured workpiece has different mechanical properties depending on the direction. Within a layer, the strength and impact resistance are comparatively high. Perpendicular to the layers or layers, the strength and impact resistance are significantly lower, so that the workpiece fails under mechanical stress mostly at the interfaces between the layers or layers.
In der
In der
In der
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.The invention has for its object to provide a method and apparatus for the generative production or production of a workpiece according to the melt-layer method, which do not have at least one associated with the prior art disadvantage or at least only reduced.
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.The object is achieved by the claimed with the independent claims invention. Further developments and embodiments of the invention will become apparent for all subject matter of the dependent claims, the following description of the invention and the figures.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass während des Aufbaus des Werkstücks, also beim Fertigen des Werkstücks bzw. noch während des Druckvorgangs, Stanzschnitte in das Werkstück eingebracht bzw. eingestanzt werden, welche eine geschlossene Stanzkontur aufweisen und mehrere (zuvor erzeugte) Schichten des bereits gefertigten Werkstücks durchdringen, und dass die dabei erzeugten Stanzbutzen verdichtet werden.The inventive method provides that during the construction of the workpiece, ie when manufacturing the workpiece or even during the printing process, punch cuts are punched or punched into the workpiece, which have a closed punch contour and multiple (previously generated) layers of the already manufactured Penetrate workpiece, and that the resulting punched slugs are compacted.
Beim Stanzschneiden bzw. Stanzen wird ein mehrere Schichten durchdringender Einschnitt mit geschlossener Schnittlinie bzw. Stanzkontur erzeugt. Bevorzugt durchdringen die Stanzschnitte wenigstens zwei, besonders bevorzugt wenigstens drei und insbesondere wenigstens fünf Schichten. Die Anzahl der durchstanzten Schichten kann auch variiert werden. Die von der Schnittlinie bzw. Stanzkontur eingeschlossene Fläche (= Butzenquerschnittsfläche) ist bevorzugt < 1 cm2, besonders bevorzugt < 0,5 cm2 und insbesondere < 0,25 cm2. Das sich innerhalb der Schnittlinie bzw. Stanzkontur befindende Kunststoffmaterial, das gewissermaßen aus mehreren aufeinanderliegenden Schichtstücken besteht, wird als Stanzbutzen bezeichnet. Durch das Verdichten bzw. Verpressen des Stanzbutzens werden Lufteinschlüsse reduziert und die Haftung an den Grenzflächen (zwischen den Schichtstücken) verbessert. Außerdem wird in Schichtungsrichtung ein Versatz zwischen den Schichtstücken und den umgebenden Schichten erzeugt. Entlang der Schnitt- bzw. Stanzflächen kommt es ferner zu plastischen Fließvorgängen über die Schichten bzw. Schichtstücken hinweg. Dabei können optional im Kunststoffmaterial enthaltene Verstärkungsfasern so verlagert werden, dass sich diese schließlich über Grenzflächen hinwegerstrecken und eine Überbrückung (Bridgeing) entsteht. Durch die Verdichtung bzw. Komprimierung des Stanzbutzens wird somit ein lokaler Versteifungs- bzw. Verstärkungseffekt erzielt, der insbesondere auch den Zusammenhalt der Schichten erheblich verbessert.When punching or punching a multiple layers penetrating incision with closed cutting line or punching contour is generated. Preferably, the die cuts penetrate at least two, particularly preferably at least three and in particular at least five layers. The number of punched layers can also be varied. The area enclosed by the cutting line or punching contour (= slug cross-sectional area) is preferably <1 cm 2 , particularly preferably <0.5 cm 2 and in particular <0.25 cm 2 . The plastic material located within the cutting line or punching contour, which as it were consists of a plurality of superimposed layer pieces, is referred to as a punching slug. The compression or compression of the stamped casing reduces air pockets and improves the adhesion at the interfaces (between the layer pieces). In addition, an offset between the layer pieces and the surrounding layers is generated in the direction of layering. Furthermore, plastic flow processes over the layers or layer pieces occur along the cutting or stamping surfaces time. Optionally, reinforcing fibers contained in the plastic material can be shifted in such a way that they finally extend beyond the boundary surfaces and bridging occurs. As a result of the compression or compression of the stamped casing, a local stiffening or reinforcing effect is achieved which, in particular, also considerably improves the cohesion of the layers.
Die erfindungsgemäß an den entsprechenden Stellen bzw. Positionen durch lokales (Ein)Stanzen und Verdichten der Schichten erzeugten Verstärkungsgebilde bewirken also ohne zusätzliche Verstärkungselemente eine strukturelle Verstärkung des Werkstücks, wodurch eine Verbesserung der Festigkeit senkrecht zu den Lagen bzw. Schichten erreicht wird, um vorhandene Anisotropie zu beseitigen oder zu reduzieren. Ferner werden aber auch in anderen Richtungen die Druckfestigkeit, Scherfestigkeit, Biegefestigkeit und dergleichen verbessert. Solche Verstärkungsgebilde können überall im Werkstück oder nur in besonders belasteten Bereichen eingebracht werden.The reinforcing structures produced according to the invention at the corresponding locations or positions by local punching and compacting of the layers thus bring about a structural reinforcement of the workpiece without additional reinforcing elements, whereby an improvement in the strength perpendicular to the layers or layers is achieved by existing anisotropy eliminate or reduce. Furthermore, but also in other directions, the compressive strength, shear strength, flexural strength and the like are improved. Such reinforcing structures can be introduced anywhere in the workpiece or only in particularly stressed areas.
Bevorzugt erfolgt das Einbringen bzw. Einstanzen der Stanzschnitte und Verdichten der dabei erzeugten Stanzbutzen direkt bzw. unmittelbar nach dem Ablegen des Kunststoffs durch wenigstens eine Düse, sodass die oberste Schicht (bzw. Zeile) noch nicht ausgehärtet ist und somit in einem noch formbaren Zustand auf die darunterliegenden Schichten bzw. Schichtstücken gedrückt wird.Preferably, the introduction or punching of the punched cuts and compressing the punched slugs thereby produced directly or immediately after the placement of the plastic by at least one nozzle, so that the top layer (or line) is not cured and thus in a still mouldable state the underlying layers or layer pieces is pressed.
An den entsprechenden Stellen erfolgt das Einbringen eines Stanzschnitts und das Verdichten des dabei erzeugten Stanzbutzens bevorzugt in einem Arbeitsgang, insbesondere mithilfe eines Werkzeugs, welches einen Schneid- bzw. Stanzstempel und einen im Inneren des Stanzstempels geführten Verdichtungs- bzw. Pressstempel aufweist. Der Stanzstempel weist eine ringartige Schneide, d. h. eine Klinge mit ringartig geschlossener Schnittlinie, auf und funktioniert in der Art einer Ausstechform (für Plätzchen) oder eines Apfelentkerners. Bevorzugt werden der Stanzstempel und der Pressstempel separat bewegt, z. B. durch Einzelantriebe, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass der Stanzstempel weggesteuert und der Pressstempel kraftgesteuert wird. Der Stanzstempel kann beheizt werden, um das Eindringen in die bereits ausgehärteten Schichten zu erleichtern. Optional kann an der betreffenden Stelle auch das Werkstück erwärmt werden, bspw. mittels Heißluft.At the corresponding points, the introduction of a stamped cut and the compacting of the stamping blank thus produced are preferably carried out in one operation, in particular by means of a tool which has a cutting or punching punch and a compacting or pressing punch guided in the interior of the punching punch. The punch has an annular cutting edge, d. H. a blade with ring-like closed cut line, on and works in the form of a cookie cutter (for cookies) or a Apfelentkerners. Preferably, the punch and the punch are moved separately, z. B. by individual drives, in particular provided that the punch is weggesteuert and the ram is force-controlled. The punch can be heated to facilitate penetration into the already cured layers. Optionally, the workpiece can also be heated at the relevant point, for example by means of hot air.
Bevorzugt werden beim laufenden Aufbau des Werkstücks die Stanzschnitte versetzt übereinander eingebracht. D. h., die Positionen für die Stanzschnitte werden beim schicht- bzw. lagenweisen Aufbau des Werkstücks und von Schicht zu Schicht variiert, bspw. nach einem vorbestimmten Muster.During the construction of the workpiece, the punched cuts are preferably placed offset one above the other. That is, the positions for the punch cuts are varied in the layered or layered structure of the workpiece and from layer to layer, for example, according to a predetermined pattern.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung (3D-Drucker) zur generativen Fertigung eines Werkstücks nach der Schmelzschicht-Methode, 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 Werkzeugkopf mit (wenigstens) einem Werkzeug (Stanz-Press-Werkzeug), welches einen Stanzstempel mit ringartiger Schneide und einen im Inneren des Stanzstempels geführten Pressstempel aufweist, wobei mit dem Werkzeug während des Aufbaus bzw. beim Fertigen des Werkstücks (also noch während des Druckvorgangs) Stanzschnitte in das Werkstück eingebracht und die dabei erzeugten Stanzbutzen verdichtet werden können;
- - gegebenenfalls eine Heizeinrichtung für den Stanzstempel und/oder ein Heißluftgebläse (Heißluftfön) zur lokalen Erwärmung des Werkstücks;
- - sowie gegebenenfalls noch eine Steuereinrichtung, die den Druckkopf und den Werkzeugkopf steuern kann, insbesondere verfahrensgemäß steuern kann.
- - A print head with which the workpiece to be produced in layers, ie layer by layer, can be made of plastic; and
- - A tool head with (at least) a tool (punch-press tool), which has a punch with ring-like cutting edge and a guided inside the punch punch, wherein the tool during assembly or when manufacturing the workpiece (ie still during the printing process) punched cuts introduced into the workpiece and the resulting punching slugs can be compressed;
- - If necessary, a heater for the punch and / or a hot air blower (Heißluftfönse) for local heating of the workpiece;
- - And possibly also a control device that can control the printhead and the tool head, in particular according to the method can control.
Der Stanzstempel und/oder der Pressstempel des Werkzeugs können eine Gleit- und/oder Antihaftbeschichtung, insbesondere eine Teflonbeschichtung oder dergleichen, aufweisen. Dadurch kann einerseits eine gute Führung des Pressstempels im Stanzstempel erreicht und andererseits das Anhaften von Kunststoff verhindert werden. Der Stanzstempel und/oder der Pressstempel können aus gehärtetem Stahl oder Keramik gebildet sein. Für den Druckkopf und den Werkzeugkopf sind bevorzugt separate Trägersysteme bzw. Portalsysteme vorgesehen, an denen die Köpfe befestigt bzw. gelagert sind, sodass der Druckkopf und der Werkzeugkopf autark beweg- bzw. verfahrbar sind.The punch and / or the punch of the tool may have a lubricious and / or non-stick coating, in particular a Teflon coating or the like. As a result, on the one hand good guidance of the press ram in the punch can be achieved and, on the other hand, the adhesion of plastic can be prevented. The punch and / or the punch can be made of hardened steel or ceramic. For the print head and the tool head separate carrier systems or portal systems are preferably provided, on which the heads are mounted or stored, so that the print head and the tool head are autonomously moved or moved.
Die Erfindung kann insbesondere bei der Herstellung eines Kraftfahrzeugbauteils angewendet werden. Die erfindungsgemäß hergestellten Kraftfahrzeugbauteile können insbesondere auch eine gute Crashperformance aufweisen.The invention can be used in particular in the manufacture of a motor vehicle component. The motor vehicle components produced according to the invention can in particular also have a good crash performance.
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 Werkstückkonstruktion (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).
- - at the interfaces between the layers, the rigidity, strength and impact strength are increased;
- - production-related anisotropies are eliminated or at least reduced, whereby the mechanical workpiece properties are improved and the workpiece design (design and calculation) is simplified - sometimes even almost isotropic workpiece or component properties can be achieved;
- - Local load-path-oriented reinforcement is possible, whereby both stress-appropriate workpiece or component structures are made possible and very high levels of lightweight can be achieved;
- - Extended range of applications for correspondingly manufactured components, especially in the automotive industry, preferably also as a replacement for conventionally produced metal parts (eg., Diecasting) and plastic parts (eg injection molded parts).
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 erfindungsgemäße Verfahren und zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens. -
2 zeigt mögliche Stanzgeometrien, die mit einem zur Vorrichtung der1 gehörenden Werkzeug erzeugbar sind.
-
1 illustrates the method according to the invention and shows an apparatus according to the invention for carrying out the method. -
2 shows possible punching geometries, the one with the device of1 belonging tool can be generated.
Mit dem Werkzeugkopf
Der Stanzstempel
Der Stanzstempel
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 100100
- Vorrichtungdevice
- 110110
- Portal-, TrägersystemPortal, carrier system
- 120120
- Druckkopfprinthead
- 125125
- Düsejet
- 130130
- Zuführsystemfeed
- 140140
- Portal-, TrägersystemPortal, carrier system
- 150150
- Werkzeugkopftool head
- 151151
- WerkzeugTool
- 152152
- Stanzstempelpunch
- 153 153
- Pressstempelpress die
- 154154
- Antriebdrive
- 155155
- Antriebdrive
- 200200
- Werkstückworkpiece
- 210210
- Schicht, LageLayer, location
- BB
- Stanzbutzenslug
- KK
- Kunststoffplastic
- RR
- Verfahrrichtungtraversing
- SS
- Stanzschnittchad
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- DE 102014110505 A1 [0005]DE 102014110505 A1 [0005]
- US 2016/0012935 A1 [0006]US 2016/0012935 A1 [0006]
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