DE102018001145A1 - 3D printer with extendable support structure elements - Google Patents
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Abstract
Einen wesentlicheren Aspekt beim Herstellen eines Bauteils mittels eines 3D-Druckverfahrens sind Stützstrukturen. Stützstrukturen werden dazu verwendet temporär Halt an einer Stelle zu geben, wo ansonsten das Modell im freien Raum gedruckt werden müsste. Diese Struktur ist dabei häufig aus dem gleichen Material wie das Modell selbst und muss nach dem Drucken entfernt werden.
Des Weiteren gibt es Pulver-gestützte Rapid-Prototyping-Prozesse, wie z. B. das selektive Lasersintern oder das Elektron-Beam-Sintern, bei denen jeweils ein loses Partikelmaterial schichtweise aufgetragen und mit einem gesteuerten Laser selektiv verfestigt wird.
Die Kosten der Nachbearbeitung machen derzeit etwa 70 Prozent der Gesamtausgaben für 3D-Druckteile aus wo im Nachhinein die Stützstruktur entfernt werden muss.
Des Weiteren können bei pulverbasierte Druckverfahren, Teilweise nur 50% des überflüssigen Pulvers wiederverwendet werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein 3D Drucker derart zu gestalten, dass sich eine einfache und kostensparende Möglichkeit bietet, die Kosten für die Nachbearbeitung und für das Material zu reduzieren
2.2. Lösung des Problems bzw. der technischen Aufgabe
Diese Aufgabe wird durch ein 3D-Druckverfahren und einen zur Durchführung des vorgestellten Verfahrens konfigurierten 3 D-Drucker gemäß der Ansprüche 1 bis 10 gelöst. Der Kern dieser Erfindung sind ausfahrbaren Stützstrukturelementen die die Funktionen des Stützens, des Kühlens und des Füllens von Holräumen erfüllen.
2.3. Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung eignet sich insbesondere als Verfahren und Vorrichtung für das Drucken von dreidimensionalen Bauteilen.
A more significant aspect of fabricating a component by means of a 3D printing process are support structures. Support structures are used to temporarily stop at a location where otherwise the model would have to be printed in free space. This structure is often made of the same material as the model itself and must be removed after printing.
Furthermore, there are powder-based rapid prototyping processes, such. As the selective laser sintering or the electron beam sintering, in each case a loose particulate material is applied in layers and selectively solidified with a controlled laser.
The cost of post-processing currently accounts for about 70 percent of the total spend on 3D printing parts, which in retrospect requires the support structure to be removed.
Furthermore, in powder-based printing processes, in part, only 50% of the excess powder can be reused.
The invention is therefore based on the object of designing a 3D printer in such a way that it offers a simple and cost-saving possibility of reducing the costs for post-processing and for the material
2.2. Solution of the problem or the technical task
This object is achieved by a 3D printing method and a configured for performing the presented method 3D printer according to claims 1 to 10. At the heart of this invention are extendable support structure elements that perform the functions of supporting, cooling and filling hollows.
2.3. field of use
The present invention is particularly useful as a method and apparatus for printing three-dimensional components.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils mittels eines 3D-Druckverfahrens und einen zur Durchführung des vorgestellten Verfahrens konfigurierten 3D-Drucker.The present invention relates to a method for producing a component by means of a 3D printing method and a 3D printer configured to carry out the method presented.
Stand der Technik:State of the art:
Als Stand der Technik wird z.B. im Patentschrift
Das, aus verfestigtem Pulvermaterial hergestellte Bauteil ist dann in losem Partikelmaterial eingebettet und wird anschließend davon befreit. Übrig bleibt danach das gewünschte Modell.The component made of solidified powder material is then embedded in loose particulate material and is subsequently freed from it. What remains is the desired model.
So arbeiten auch andere Pulver-gestützte Rapid-Prototyping-Prozesse, wie z. B. das selektive Lasersintern oder das Elektron-Beam-Sintern bei denen jeweils ebenso ein loses Partikelmaterial schichtweise aufgetragen und mit einem gesteuerten Laser selektiv verfestigt wird.So work other powder-based rapid prototyping processes, such. As the selective laser sintering or the electron beam sintering in each of which also a loose particulate material is applied in layers and selectively solidified with a controlled laser.
Ein weiteres, weit verbreitetes, 3D Druckverfahren ist das Fused Deposition Modeling (FDM; oder Fused Filament Fabrication (FFF), dass ein Fertigungsverfahren aus dem Bereich des Rapid Prototyping beschreibt, bei dem ein Werkstück schichtweise aus einem schmelzfähigen Kunststoff (Filament) aufgebaut wird.Another widespread 3D printing process is Fused Deposition Modeling (FDM), or Fused Filament Fabrication (FFF), which describes a rapid prototyping process in which a workpiece is built up in layers from a meltable plastic (filament).
Im „Schmelzschicht“-Verfahren wird zunächst, ähnlich wie bei einem normalen Drucker, ein Raster von Punkten auf eine Fläche aufgetragen. Erzeugt werden die Punkte dabei durch die Verflüssigung eines drahtförmigen Kunststoff- oder Wachsmaterials durch Erwärmung, der Aufbringung durch Extrudieren mittels einer Düse sowie einer anschließenden Erhärtung durch Abkühlung an der gewünschten Position in einem Raster der Arbeitsebene.In the "melt layer" method, a grid of dots is first applied to a surface, similar to a normal printer. The points are generated by the liquefaction of a wire-shaped plastic or wax material by heating, the application by extrusion through a nozzle and a subsequent hardening by cooling at the desired position in a grid of the working plane.
Der Aufbau eines Körpers erfolgt üblich indem wiederholt, jeweils zeilenweise eine Arbeitsebene abgefahren und dann die Arbeitsebene ,stapelnd‘ nach oben verschoben wird, sodass eine Form schichtweise entsteht.The structure of a body is carried out by repeated, in each case one line by line traversed work plane and then the working plane, stacking 'is moved upwards, so that a form is formed in layers.
Bei der schichtweisen Modellherstellung verbinden sich damit die einzelnen Schichten zu einem komplexen Teil. Auskragende Bauteile können mit diesem Verfahren unter Umständen nur mit Stützkonstruktionen, die Größtenteils ebenfalls Schichtweise im Druckverfahren entstehen, erzeugt werden.In layered model making, the individual layers combine to form a complex part. Under certain circumstances, cantilevered components can only be produced with supporting structures, which for the most part also arise in layers in the printing process.
Einen wesentlichen Aspekt beim Herstellen eines Bauteils mittels eines 3D-Druckverfahrens ist die richtige Orientierung des Modells. Ziel der Vorbereitungsmaßnahmen ist die Gewährleistung einer hohen Qualität. Zugleich sollen mit der richtigen Orientierung des Bauteils so wenig Stützstruktur wie möglich verwendet werden. Stützstruktur wird dazu verwendet temporär Halt an einer Stelle zu geben, wo ansonsten das Modell im freien Raum gedruckt werden müsste. Diese Struktur ist dabei häufig aus dem gleichen Material wie das Modell selbst und muss nach dem Drucken entfernt werden.An important aspect when producing a component by means of a 3D printing process is the correct orientation of the model. The aim of the preparatory measures is to ensure a high quality. At the same time as little support structure as possible should be used with the correct orientation of the component. Support structure is used to temporarily stop at a place where otherwise the model would have to be printed in free space. This structure is often made of the same material as the model itself and must be removed after printing.
Problem:Problem:
Die Kosten der Nachbearbeitung machen derzeit etwa 70 Prozent der Gesamtausgaben für 3D-Druckteile aus. Dabei müssen gedruckten Objekte, zum Teil mehrere Tage nachbearbeitet werden. Die Nachbearbeitung selbst ist einer der wichtigsten Bereiche für die Optimierung des 3D-Drucks, insbesondere, wenn es sich um robuste Materialien handelt.The cost of post-processing currently accounts for about 70 percent of total 3D printing spend. Hereby, printed objects have to be reworked, sometimes several days. Post-processing itself is one of the most important areas for optimizing 3D printing, especially when dealing with robust materials.
Des Weiteren können bei pulverbasierte Druckverfahren, bei dem mit Hilfe eines Lasers Kunststoff- oder Metallpulver zu einem fertigen Bauteil zusammengeschweißt werden, nur 50% des überflüssigen Pulvers wiederverwendet werden.Furthermore, in powder-based printing processes, which use a laser to weld plastic or metal powders into a finished component, only 50% of the excess powder can be reused.
Lösungsolution
Vor diesem Hintergrund wird ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils in einem 3D-Druckprozess vorgestellt, bei dem während des 3D-Druckprozesses an mindestens einem Punkt der Grund- oder Seitenflächen selektiv mindestens ein Stützelement ausgefahren wird, um temporär Halt an einer Stelle zu geben, wo ansonsten das Modell im freien Raum gedruckt werden müsste oder einen Hohlraum zu füllen.Against this background, a method for manufacturing a component in a 3D printing process is presented in which at least one support element is selectively extended at least one point of the base or side surfaces during the 3D printing process to temporarily stop at a location where otherwise the model would have to be printed in free space or fill a cavity.
Diese Aufgabe wird durch ein 3D Druckverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.This object is achieved by a 3D printing method with the features of
Erreichte Vorteile: Achieved benefits:
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch ausfahrbare Stützstrukturelemente weniger Material für Stützstrukturen beim Drucken von 3D Bauteilen verwendet wird und dadurch auch weniger Zeit für die Nachbearbeitung aufgewendet werden muss.The advantages achieved by the invention are, in particular, that less material is used for support structures in the printing of 3D components by retractable support structure elements and thereby less time must be expended for the post-processing.
Der zweite wesentliche Vorteil ist, dass die ausfahrbaren Stützstrukturelemente einen Raum einnehmen, die sonst bei pulverbasierten Druckverfahren durch nicht wieder verwendbares Pulvermaterial gefüllt werden müssen.The second major advantage is that the extendable support structure elements occupy a space that otherwise would have to be filled in powder-based printing processes by non-reusable powder material.
Ein weiterer Vorteil der mit dieser Erfindung erzielt wird ist, dass die ausfahrbaren Stützelemente als Kühlkörper für das 3D Bauteil fungieren und so aktiv das Verziehen während des Drucks verhindern.Another advantage achieved with this invention is that the extendable support members act as heatsinks for the 3D component and thus actively prevent warping during printing.
Figurenlistelist of figures
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
-
1 3D-Drucker mit hydraulisch ausfahrbare Stützelementen
-
1 3D printer with hydraulically extendable support elements
Im Unteren Teil sind mehrere Hydraulikzylinder fixiert, aus denen die Stützelemente (
Ein Großteil der Stützstrukturen für das Druckobjekt (
Um eine Kühlwirkung zu erzielen, werden um das Druckobjekt (
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1.1.
- Hydraulikzylinderhydraulic cylinders
- 2.Second
- Ausfahrbare StützelementeRetractable support elements
- 3.Third
- Druckbett mit DurchgangsbohrungenPrint bed with through holes
- 4.4th
- Druckobjektprint object
- 5.5th
- Druckkopfprinthead
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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