DE102019001199A1 - Process and 3D printer for additional stiffening of 3D printed objects built up in layers using stiffening elements - Google Patents

Process and 3D printer for additional stiffening of 3D printed objects built up in layers using stiffening elements Download PDF

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Abstract

Verfahren und Gerät (3d-Drucker) zur Versteifung von schichtweise aufgebauten 3D-Druckobjekten, gekennzeichnet dadurch, daß ein oder weitere Baumaterialien schichtübergreifend verwendet werden, wobei die Schichten untereinander verankert werden.Method and device (3D printer) for stiffening 3D printed objects built up in layers, characterized in that one or more building materials are used across layers, the layers being anchored to one another.

Description

Schichtweise mittels z.B. der FDM-Methode erstellte Objekte leiden unter dem Nachteil, daß diese nicht über anisotrope Festigkeitswerte verfügen. Das heißt, ein Objekt wird in der Achse des Druckkopfes deutlich geringere Werte aufweisen, als im rechten Winkel dazu.Layer by layer by means of e.g. Objects created using the FDM method suffer from the disadvantage that they do not have anisotropic strength values. This means that an object will have significantly lower values in the axis of the printhead than at right angles to it.

Unter Spannung reißt eine Schicht, da die Schichten untereinander nicht optimal miteinander verbunden sind.A layer tears under tension because the layers are not optimally connected to one another.

Abhilfe kann geschafft werden, indem Schwachstellenbereiche besonders langsam gedruckt werden (um ein besseres Verschmelzen der Layer untereinader zu gewährleisten) oder die Temperaturen in der Extruder (hot end) soweit erhöht werden, dies zu ermöglichen. Außerdem kann beim Prozess des Slicen genannten Berechnens der Layerschichten, die Fläche des Layers erhöht werden, indem partiell breitere oder mehr Druckspuren (Pfade) gelegt werden, oder die % des Infills maximiert werden (aber unerwünschte Gewichtszunahme)This can be remedied by printing weak point areas particularly slowly (to ensure that the layers merge better) or by increasing the temperatures in the extruder (hot end) to allow this. In addition, in the process of calculating the layer layers, called slicing, the area of the layer can be increased by laying partially wider or more pressure tracks (paths), or the% of the infill can be maximized (but undesirable weight increase)

Nachteil: lange Druckdauer, hoher Wärmeeintrag (Verzugsneigung), Material zersetzt sich, und nichterreichen des Zieles des gewünschten Festigkeit.Disadvantage: long printing time, high heat input (tendency to warp), material decomposes, and the goal of the desired strength is not achieved.

Die hier ausgeführte Erfindung zeigt einen einfachen Weg, die Festigkeit des Objektes zu erhöhen.The invention embodied here shows a simple way of increasing the strength of the object.

Im einfachsten Fall wird dies erreicht, in dem Hohlräume eingefügt werden, welche vom kurzzeitig stehenden (oder sehr geringer Geschwindigkeit fahrenden) Druckkopf mit heißem Material befüllt werden (hineinlaufen lassen).In the simplest case, this is achieved by inserting cavities, which are filled with hot material (let run into them) by the print head which is temporarily standing (or moving at very low speed).

Das erkaltete Material in ausgedehnter Form (siehe Abbildungen) kann nun mit Kräften beaufschlagten Objekt Kräfte aufnehmen, die sonst zum Bruch führen würden.The cooled material in an expanded form (see illustrations) can now absorb forces that would otherwise lead to breakage.

Varianten des Verfahrens, layerübergreifende Hohlräume auszufüllen, nutzen weitere Materialien und nicht nur ein oder zwei in benachbarten HotEnds zur Verfügung stehende FDM-Materialien, welches keiner Umbauten sondern nur eines verenderten Slicimg Algorythmus bedarf.Variants of the process of filling cross-layer cavities use additional materials and not just one or two FDM materials available in neighboring HotEnds, which do not require any modifications but only a modified slicing algorithm.

Das Verfahren, Hohlräume verschiedenartig zu befüllen kann bei verschiedenen 3D-Drucktechniken angewendet werden. Siehe Anspruch 1.The process of filling cavities in various ways can be used in various 3D printing techniques. See claim 1.

Weitere Materialien werden in Anspruch 2 beschrieben.Further materials are described in claim 2.

So kann z.B ein faserverstärkter Streifen in einen Hohlraum eingeschoben und mittels FDM-Material (oder einem separat gelieferten Harzes) eingeklebt werden.For example, a fiber-reinforced strip can be pushed into a cavity and glued in using FDM material (or a separately supplied resin).

Siehe auch die betextete Liste der Bezugszeichen-Liste.See also the texted list of the reference symbol list.

  • 1a Der Prüfkörper (specimen) für die Zugprüfung wurde parallel zur Achse der Zugkräfte gesliced. D.h. die Bahnen, auf denen der Druckkopf der FDM Technik das geschmolzene Material ablegt. 1a The specimen for the tensile test was sliced parallel to the axis of the tensile forces. That means the paths on which the FDM technology print head deposits the melted material.
  • 1b In 1b wurden die Bahnen im rechten Winkel zu dieser Achse gesliced. Es zeigt sich, daß der Prüfstab in 1a deutlich höhere Festigkeitswerte liefert als der aus 1b Grund hierfür sind die geringere Festigkeit, mit der die einzelnen Bahnen übereinander gelegt und miteinander verschmelzen. Ein Objekt hat immer eine geringere Festigkeit entlang der Layerebene und kann an diesen Stellen besonders schnell brechen oder auseinanderreißen. Siehe auch 13 und dortige Erläuterungen. 1b In 1b the tracks were sliced at right angles to this axis. It turns out that the test rod in 1a delivers significantly higher strength values than the one 1b The reason for this is the lower strength with which the individual strips are laid on top of one another and melt together. An object always has a lower strength along the layer level and can break or tear apart particularly quickly at these points. See also 13th and explanations there.
  • 1a+b Prüfkörper nach 1b wird entlang er Schichten eher auseinander. Der Schichtzusammenhalt (Layerhaftung) wird von mehreren Bedingungen beeinflußt, hauptsächlich: Druckgeschwindigkeit, Temperatur der aufgelegten Schicht, Temperatur der schon erkalteteten Schicht, Materialparametern, wie Schmelz-Viskosität, sowohl Parametern, welche den Aufbau der Füllung (Form und Fill-Prozent) betreffen. Sind alle diese Parameter optimiert, so ist kaum eine weitere Erhöhung der Gesamtfestigkeit des Objektes möglich, wenn nur (wie üblich nach dem FDM-Methode) schichtweise das Material abgelegt wird. Schichtweise ablegen in Richtung der Z-Achse (übliche Auswahl im System XYZ) 1a + b test specimen according to 1b tends to separate along the layers. The cohesion of the layer (layer adhesion) is influenced by several conditions, mainly: printing speed, temperature of the applied layer, temperature of the layer that has already cooled down, material parameters such as melt viscosity, as well as parameters relating to the structure of the filling (shape and fill percentage). If all of these parameters have been optimized, it is hardly possible to further increase the overall strength of the object if the material is only deposited in layers (as is usual with the FDM method). Store layer by layer in the direction of the Z-axis (usual selection in the XYZ system)
  • 2 Druckobjekt Ansicht von vorn. Im Inneren, dünner liniert, zwei ausgedehnte Hohlräume, mit perlenartigen Bauchungen, die, wenn mit Material befüllt, als versteifende, verankernde Elemente fungieren sollen. 2 Print object view from the front. Inside, more thinly lined, two extensive cavities, with pearl-like bulges, which, when filled with material, are supposed to act as stiffening, anchoring elements.
  • 2a Druckobjekt Seitenansicht, 2a Print object side view,
  • 2b Druckobjekt perspekt. Sicht; auf der Deckfläche erscheinen die beiden Hohlraumstrukturen R1. 2 B Print object perspect. View; the two cavity structures appear on the top surface R1 .
  • 2c Druckobjekt Ansicht von der Seite, mit R2, angedeutet die Zerlegung in Schichten (Layer) 2c Print object view from the side, with R2 , indicated the breakdown into layers
  • 2d Druckobjekt Frontansicht, mit R2, 2d Print object front view, with R2 ,
  • 2e Druckobjekt perspekt. Sicht; Detail: R2 ist nicht bis zur Decke ausgedehnt, beginnt aber am Boden 2e Print object perspect. View; Detail: R2 does not extend to the ceiling, but starts at the floor
  • 2f perspekt. Blick in ein Objekt 2, welches keine erfindungsgemäße besondere Hohlraumstruktur zur Versteifung besitzt, sondern nur die typische Füllungsstruktur (7), hier etwa 15% Füllung, wie sie beim Druck nach der FDM-Methode (auch FFM) in einer Prozedur des „Slicens“ entsteht. Hier mit rechteckiger Füll-Struktur. Es sei darauf hingewiesen, daß auch diese nach bisherigen Sclicing-Methoden erstellte typische Struktur oder Teile davon, mit einem Material nach Anspruch 1-7 aufgefüllt werden kann und somit als erfindungsgemäße Hohlraumstruktur nach Ansprüchen 1-7, beansprucht wird. 2f perspective. Look into an object 2 , which does not have a special hollow structure according to the invention for stiffening, but only the typical filling structure ( 7th ), here about 15% filling, as it is created when printing according to the FDM method (also FFM) in a "slicing" procedure. Here with a rectangular filling structure. It should be pointed out that this typical structure or parts thereof, created according to previous sclicing methods, can also be filled with a material according to claims 1-7 and is thus claimed as a cavity structure according to the invention according to claims 1-7.
  • 2g perspekt. Blick in ein Objekt 2, welches eine erfindungsgemäße besondere Hohlraumstruktur R2 zur Versteifung besitzt 2g perspective. Look into an object 2 , which is a particular cavity structure according to the invention R2 for stiffening
  • 3 vereinfachte Darstellung FDM-Verfahren, schichtweiser Aufbau nicht gesondert eingezeichnet, ein schrägstehendes Objekt besitzt Hohlraum-Strukturen R, die im oberen Teil des Objektes mit dem Baumaterial des Objektes aufgefüllt wurden (mit R4 bezeichnet) 3 Simplified representation of the FDM process, layered structure not shown separately, an oblique object has cavity structures R. , which were filled in the upper part of the object with the building material of the object (with R4 designated)
  • 4 FDM-Verfahren Hohlraumstrukturen leer, gefüllt; verschiedene Versionen 4th FDM process cavity structures empty, filled; different versions
  • 4a ungefüllte, hier gebauchte Hohlraumstrukturen R3, schräg oder senkrecht im Objekt; gebauchte Formen verankern sich besser mit dem Objekt 4a unfilled cavity structures bulging here R3 , oblique or perpendicular in the object; Bulged forms anchor better with the object
  • 4b ungefüllte, Hohlraumstrukturen R3, schräg oder senkrecht im Objekt 4b unfilled, cavity structures R3 , oblique or perpendicular in the object
  • 4c Darstellung mit zwei hotends (Dual-Drúcker), die zwei verschiedene Materialien fördern. Eines für das Objekt. (10), eines für die Hohlraumstrukturen (11) Anmerkung.: Die Hohlraumstrukturen können auch von FDM-Druckern mit nur einem Material (10) gefüllt werden. Das heißt, es sind keinerlei Umbauten nötig. (18) weißt auf entweichende Luft hin, die beim Befüllen mit Material entweichen will. R4 ist somit ein Hohlraum mit einer zusätzlichen Öffnung (Loch in der Wandung), bevorzugt am anderen Ende angeordnet, als die Öffnung zum Befüllen. siehe 6a 4c Representation with two hotends (dual pushers) that convey two different materials. One for the property. ( 10 ), one for the cavity structures ( 11 ) Note: The cavity structures can also be used by FDM printers with only one material ( 10 ) are filled. That means that no modifications are necessary. ( 18th ) indicates escaping air that wants to escape when filling with material. R4 is thus a cavity with an additional opening (hole in the wall), preferably arranged at the other end than the opening for filling. please refer 6a
  • 4d gefüllte, ungebauchte Hohlraum-Struktur. 4d filled, unbuilt cavity structure.
  • 4e das dünnflüssige Material 12a wird in den Hohlraum R gefüllt, je dünnflüssiger (hier Darstellung als kleine Tröpfchen) desto besser die Ausfüllung des Hohlraumes und Verhakung (Verankerung) an den Wänden der Hohlraumstruktur. 4e the thin fluid material 12a gets into the cavity R. filled, the more fluid (shown here as small droplets) the better the filling of the cavity and entanglement (anchoring) on the walls of the cavity structure.
  • 5 Darstellung FDM-Verfahren, ein Strang aus dem hotend austretend wird in Schichten abgelegt 5 Representation of the FDM process, a strand emerging from the hotend is stored in layers
  • 6 befindet sich unter dem hotend im Layerabstand keine Unterlage, so wird das Filament „in die Luft“ extrudiert. Typischerweise verkringelt sich das austretende Material, da dieses sehr schnell (je nach Bauraumtemperatur) auskühlt und schwindet. 6th if there is no base under the hotend in the layer spacing, the filament is extruded "into the air". The escaping material typically becomes curled up because it cools down and shrinks very quickly (depending on the installation space temperature).
  • 6a Gilt für FDM und Sinterverfahren. Hohlraum-Struktur, bereits gefüllt, gebaucht und eingeschnürt, mit einem Luftaustritt (18) am unteren Ende, drei Pfeile symbolisch für austretende Luft. 6a Applies to FDM and sintering processes. Cavity structure, already filled, bulged and constricted, with an air outlet ( 18th ) at the bottom, three arrows symbolizing escaping air.
  • 7 Das gezeigte Kringeln des austretenden Stranges führt zu inhomogener Ausfüllung des Hohlraumes. 7th The shown curling of the exiting strand leads to inhomogeneous filling of the cavity.
  • 8 Wird die Temperatur des Strangmateriales jedoch erhöht, so geht dies sehr oft mit einer Redzierung der Viskosität einher, dieses fließt besser und das Material kann den Bauraum gleichmäßiger ausfüllen. Beispielsweise, das Material 1 wird mit 240°C zum Objekt verdruckt, jedoch werden die erfindungsgemäßen Hohlraumstrukturen (mit Material 1) bei 260° verdruckt. Alternativ wird Baumaterial 1 mit 240°C verdruckt, ein weiteres Baumaterial 2 hat aber bei gleicher Temperatur wie Material 1 eine geringere Viskosität (fließt deshalb besser) und wird deshalb aus einem zweiten hotend ausgebracht. Bevorzugt wird ein Material 3 verwendet, welches zudem auch höhere FestigkeitsKennwerte als Material 1 besitzt. Dies ist aber nicht zwingend nötig, da die erfindungsgemäße Hohlraum-Struktur bereits festigkeitserhöhend, durch Verankerung der Schichten unteeinander wirkt. 8th However, if the temperature of the strand material is increased, this is very often accompanied by a reduction in viscosity, this flows better and the material can fill the installation space more evenly. For example, the material 1 is printed to the object at 240 ° C, but the cavity structures according to the invention (with material 1 ) printed at 260 °. Alternatively, is building material 1 Printed at 240 ° C, another building material 2 but has the same temperature as the material 1 a lower viscosity (therefore flows better) and is therefore applied from a second hotend. One material is preferred 3 used, which also has higher strength values than material 1 owns. However, this is not absolutely necessary, since the cavity structure according to the invention already has a strength-increasing effect by anchoring the layers to one another.
  • 9 FDM-Verfahren Alternativ zur Befüllung mit geschmolzenem Filament wird hier auch die Befüllung mit Profil-Segmenten, die vom Vorrat (13) geschnitten in die Hohlraumstrukturen gesteckt werden, vorgeschlagen. Werden diese mit einem Harz beträufelt oder vergossen, nach folgend aktinisch belichtet, so ergibt sich eine feste, stabil gefüllte Hohlraumstruktur. Das Harz kann ebensogut ein thermisch härtendes oder Mehrkomponenten-Harz sein. 9 FDM method As an alternative to filling with molten filament, filling with profile segments that are taken from the supply ( 13th ) cut into the cavity structures are proposed. If these are sprinkled with a resin or cast, and then exposed to actinic light, a solid, stably filled cavity structure results. The resin can just as well be a thermosetting or multi-component resin.
  • 9a ein Profilstab in Hohlraumstruktur ohne Verfüllung mit Harz 9a a profile bar in a cavity structure without filling with resin
  • 9b Hohlraumstruktur mit mehreren Profilstücken 9b Cavity structure with several profile pieces
  • 9c Hohlraumstruktur, enger gepackt mit Profilstücken 9c Cavity structure, more closely packed with profile pieces
  • 9d schräg angeordnete Hohlraumstruktur 9d obliquely arranged cavity structure
  • 9e Hohlraumstruktur, eng bepackt, Harz fließt ein (stilisert durch Tropfen) 9e Cavity structure, tightly packed, resin flows in (stylized by drops)
  • 9f Hohlraumstruktur, befüllt, die Aushärtung, hier durch UV-Licht findet statt 9f Cavity structure, filled, the curing, here by UV light, takes place
  • 10 stilisiert ein SLS-Verfahren, die Schichten werden durch Sintern mit einem Laser aus einem pulverförmigen Ausgangsstoff hergestellt. 10 stylized an SLS process, the layers are produced by sintering with a laser from a powdery starting material.
  • 11 stilsiert: Binder Jetting, pulverförmiges Ausgangsmaterial an ausgewählten Stellen mit einem Binder aus einem Druckkopf (15) verklebt. 11 stylized: Binder Jetting, powdery starting material at selected points with a binder from a print head ( 15th ) glued.
  • 12 Das Druckobjekt wird aus einem pulverförmigen Ausgangsmaterial erstellt, siehe 10 und 11. 12 The print object is created from a powdery starting material, see 10 and 11 .
  • 12a eine Saugvorrichtung (16) saugt hierfür das nicht verfestigte Pulver aus der Hohlraumstruktur 12a a suction device ( 16 ) sucks the non-solidified powder out of the cavity structure
  • 12b Profilstücke werden eingefüllt 12b Profile pieces are filled
  • 12c Profilstücke wurden eingefüllt, aber nicht mit einem Harz wie in 12d, vergossen 12c Profile pieces were filled in, but not with a resin as in 12d , shed
  • 12d Harz fließt in die Hohlraumstruktur, die schon mit Profilstücken befüllt wurde 12d Resin flows into the cavity structure, which has already been filled with profile pieces
  • 12e Aushärtung durch UV-Licht oder sonstige aktinische Strahlung, oder durch Wärme, oder durch den Einsatz selbsthärtender Harze (2K) 12e Curing by UV light or other actinic radiation, or by heat, or by using self-curing resins (2K)
  • 13 Stilisierte Veranschaulichung obere Reihe: • links, Objekt im FDM-Verfahren schichtweise aufgebaut • mitte: Beaufschlagung durch Kräfte; Objekt zerbricht entlang von Layerschichten da diese meist die geringste Festigkeit untereinander aufweisen • rechts: die erfindungsgemäßen Hohlraumstrukturen wirken wie Zuganker, welche die Schichten des Objektes zusammenhalten untere Reihe: • links: Objekt im SLS-Verfahren oder nach der Binder Jetting Methode schichtweise aufgebaut. • mitte: Das Objekt zerbricht nicht an der Linie von parallelen Layern, sondern unregelmäßig • rechts: die erfindungsgemäßen Hohlraumstrukturen wirken wie Zuganker, welche die Schichten und das Objekt generell zusammenhalten 13th Stylized illustration, top row: • left, object built up in layers in the FDM process • middle: application of forces; Object breaks along layers as these usually have the lowest strength among each other • right: the cavity structures according to the invention act like tie rods that hold the layers of the object together lower row: • left: object built up in layers using the SLS method or the binder jetting method. • middle: the object does not break on the line of parallel layers, but rather irregularly • right: the cavity structures according to the invention act like tie rods which generally hold the layers and the object together
  • 14 stilisert, FDM-Drucker mit mehr als den üblichen Freiheitsgraden, üblicherweise können 3 Achsen angefahren werden, hier sind zusätzlich das Druckbett beweglich, als auch das hotend. Die Layerdicken können variieren. 14th Stylized, FDM printer with more than the usual degrees of freedom, usually 3 axes can be approached, here the print bed is also movable, as well as the hotend. The layer thicknesses can vary.
  • 15 Vorrichtung zur Zuführung von heißer Luft, zwecks Vorwärmung der Hohlraumstruktur. Sind dessen Wände vorgewärmt, kann geschmolzenes Material besser fließen und kühlt langsamer aus. 15th Device for supplying hot air for the purpose of preheating the cavity structure. If its walls are preheated, molten material can flow better and cools down more slowly.
  • 16 Links: Ein besonderer Hohlraum in einem FDM-Objekt wird nach dem 3d-Druckvorgang mittels einer Dosiervorrichtung 26 mit einem Harz befüllt. Die besondern Hohlräume haben für diesen Vorgang Befüllungsöffnungen 20 an der Außenseite des Objektes. Das Objekt kann ebenso mit Hohlräumen 21 ausgestattet sein, die über keine Befüllungsöffnung verfügen. An der Öffnung 22 tritt entweder überschüssiges Harz aus, oder es entweicht verdrängte Luft. Rechts: Ein Objekt aus gesinterten, verschmolzenen oder verklebten Partikeln kann in gleicher Weise wie ein FDM-Objekt mit Harz befüllt werden. 16 Left: A special cavity in an FDM object is created using a dosing device after the 3D printing process 26th filled with a resin. The special cavities have filling openings for this process 20th on the outside of the property. The object can also have cavities 21st that do not have a filling opening. At the opening 22nd either excess resin escapes or displaced air escapes. Right: An object made of sintered, fused or bonded particles can be filled with resin in the same way as an FDM object.
  • 17 Ist das Harz elektrisch leitfähig, so führt als Resultat ein Stromkreis durch das Objekt. 17th If the resin is electrically conductive, the result is an electric circuit through the object.
  • 18 ein Hotend 24, ist schlank ausgeführt und senkt sich in den Hohlraum (FDM-Objekt) und befüllt diesen, während es sich wieder aus dem Hohlraum heraus bewegt. Hierdurch wird gewährleistet, daß sich auch ein Filament, welches nicht sehr dünnflüssig aufschmilzt, bis an den Boden des Hohlraumes gebracht wird und somit diesen vollständig ausüllen kann 18th a hotend 24 , has a slim design and sinks into the cavity (FDM object) and fills it as it moves out of the cavity again. This ensures that even a filament which does not melt very thinly is brought to the bottom of the cavity and can thus fill it completely
  • 19 ein Hotend 24 der (FDM-Methode) ist schlank ausgeführt und senkt sich in den Hohlraum eines SLS-Objektes (auch Binder-Jet oder Jet-Fusion-Objekt und befüllt diesen, während es sich wieder aus dem Hohlraum heraus bewegt. 19th a hotend 24 The (FDM method) has a slim design and sinks into the cavity of an SLS object (also known as a binder jet or jet fusion object) and fills it while it moves out of the cavity again.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
Vorrat an Material, hier spulenförmig dargestellt, enthält ein Filament für das FDM-VerfahrenThe supply of material, shown here in the form of a coil, contains a filament for the FDM process
22
stilisiert dargestelltes Druckobjekt, zwei Hohlraumstrukturen R1 enthaltend,stylized printed object, two hollow structures R1 containing,
2a2a
Druckobjekt mit R1,Print object with R1 ,
33
Hotend, auch Verflüssiger (für das Filament) genanntHotend, also called liquefier (for the filament)
44th
Filament bevor es einem Führungs-Röhrchen zugeführt wird.Filament before it is fed to a guide tube.
55
Führungs-RöhrchenGuide tube
66th
Bau-PlattformConstruction platform
77th
Füllstruktur (nach einer Slicingprozedur) eines Objektes, hier quadratischer FormFilling structure (after a slicing procedure) of an object, here with a square shape
88th
stilisiert, Rakel, bewegt die losen Körnchen zu einer glatten Flächestylized, squeegee, moves the loose grains to a smooth surface
99
aktinisches Licht, z.B. UV-Licht zwecks Aushärung härtbarer Harzeactinic light, e.g. UV light for curing curable resins
1010
Filament Material 1 Filament material 1
1111
Filament Material 2 Filament material 2
1212
Filament, welches mit geringer Viskosität aufschmilztFilament that melts with a low viscosity
12a12a
Filament sehr dünnflüssig, Viskosität sehr gering, tropfenförmiger Ausstoß aus dem Hotend, es ist zu erwarten, das ein solches dünnflüssiges Filament den Hohlraum homogen ausfüllt und mit den Wandungen verschmilzt (verankert)Filament very thin, viscosity very low, drop-shaped ejection from the hotend, it is to be expected that such a thin filament fills the cavity homogeneously and fuses with the walls (anchored)
1313
symbolisch Material-Vorrat (ob gewickelt oder ungewickelt) , welches aufgeschnitten (stückweise) in den Hohlraum gefüllt wird. Das Material kann ein Profil aus einem thermoplastischen Polymer, einem duroplastischen Kunststoff, ein metallisches Material, etwa ein Stahl-Profil, ein faserverstärktes Profil, z.B. in Rechteckform, ein flaches Band (z.B. faserverstärkt) oder sonstiger Feststoff, z.B. aus Keramik sein. Möglichst mit vergleichsweise hohen Festigkeitswertensymbolic material reserve (whether wound or unwrapped), which is cut open (piece by piece) and filled into the cavity. The material can be a profile made of a thermoplastic polymer, a thermosetting plastic, a metallic material such as a steel profile, a fiber-reinforced profile, e.g. in rectangular shape, a flat band (e.g. fiber-reinforced) or other solid, e.g. be made of ceramic. If possible with comparatively high strength values
1515th
symbolisch, Druckkopf, der einen tropfenförmigen Binder abgibt Binder Jetting Verfahren)symbolic, print head that emits a teardrop-shaped binder binder jetting process)
1616
Absaugung, zur Entfernung von Partikeln. Absaugung von nicht versinterten Körnern eines Laser Sinter Verfahrens oder von nicht verklebten Körner eines Binder-Jetting Verfahrens. Diese Körner sind metallisch, aus Kunststoffen oder mineralischen Ursprungs.Extraction, to remove particles. Extraction of non-sintered grains from a laser sintering process or from non-bonded grains from a binder jetting process. These grains are metallic, made of plastics or of mineral origin.
1717th
Röhrchen zur Abgabe einer aushärtbaren Flüssigkeit, z.B. einem aktinisch aushärtenden Harz, einem Photopolymer, oder einem thermisch härtenden Polymer in Harzform.Tubes for dispensing a hardenable liquid, e.g. an actinic curing resin, a photopolymer, or a thermosetting polymer in resin form.
1818th
Luft (drei kleine Pfeile) entweicht durch eine erfindungsgemäße Öffnung der HohlraumstrukturAir (three small arrows) escapes through an opening according to the invention in the cavity structure
1919th
stilisiert, Laserstrahl bei einem Lasersinter-Prozeß stylized, laser beam in a laser sintering process
2020th
BefüllungsöffnungFilling opening
2121st
Hohlräum, ankerförmig, der über keine Befüllungsöffnung verfügtCavity, anchor-shaped, which has no filling opening
2222nd
Öffnung, Austritt für Luft oder überflüssiges MaterialOpening, outlet for air or superfluous material
2323
elektrische Kontaktflächeelectrical contact surface
2424
schlank ausgeführtes Hotend,slim designed hotend,
2525th
Filament-VorratFilament supply
2626th
stilisiert, Dosiervorrichtung mit hier zweifacher Zuführung und Mischelementen stylized, dosing device with here double feed and mixing elements
RR.
Kennzeichnung für eine Hohlraumstruktur, unterteilt in R1-R5 Identification for a cavity structure, divided into R1-R5
R1R1
Hohlraumstruktur, mit perlenartigen Bauchungen, erstreckt sich in dieser Abbildung von Boden bis Deckel des Objektes. R1 wird in das Objekt beim Entwurf des Objektes bereits als verstärkende Struktur bereits „eingeplant“. Beispielsweise vom Designer, Architekten oder Statiker.A cavity structure with pearl-like bulges extends in this illustration from the bottom to the top of the object. R1 is already "planned" into the object as a reinforcing structure when the object is designed. For example from the designer, architect or structural engineer.
R2R2
Die Hohlraumstruktur R2 hingegen wird in der Druckvorbereitung, also wenn diese Hohlraumstruktur vom Designer etc. nicht mit in das Objekt eingeplant wurde, sondern erst mittels einer SoftwareProzedur berechnet und mit den aufzubauenden Layern kombiniert. R1 und R2 können unterschiedliche, aber auch gleiche Formen haben.The cavity structure R2 on the other hand, in the print preparation, i.e. if this cavity structure was not planned into the object by the designer etc., but only calculated using a software procedure and combined with the layers to be built up. R1 and R2 can have different, but also the same forms.
R3R3
ungefüllte Hohlraumstrukturunfilled cavity structure
R4R4
Hohlraumstruktur bereits mit Baumaterial layerübergreifend aufgefülltCavity structure already filled with building material across layers
R5R5
Hohlraumstruktur, die gerade befüllt wirdVoid structure that is currently being filled

Claims (7)

Verfahren und Gerät (3d-Drucker) zur Versteifung von schichtweise aufgebauten 3D-Druckobjekten, gekennzeichnet dadurch, daß ein oder weitere Baumaterialien schichtübergreifend verwendet werden, wobei die Schichten durch das a) FDM-Verfahren mit Filamenten b) Selektive Laser Sintern Verfahren (SLS) c) Direct Metal Laser Sintering d) Binder Jetting e) Jet Fusion f) pastöse Ablagerung gebildet werden und untereinander verankert werden.Method and device (3D printer) for stiffening 3D printed objects built up in layers, characterized in that one or more building materials are used across layers, the layers being characterized by the a) FDM process with filaments b) Selective Laser Sintering Process (SLS) c) Direct Metal Laser Sintering d) Binder Jetting e) Jet Fusion f) pasty deposits are formed and anchored to one another. Verfahren und Gerät (3d-Drucker) nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß zur Versteifung des zu erstellenden Druckobjektes, 1) besondere Hohlräume, noch vor einer SlicingProzedur in das Objekt hineinkonstruiert werden oder 2) bei der Berechnung der Anordnung der Schichten (Layer) für den 3D-Druck des Objektes mittels eines Slicing-Programmes, besondere Hohlräume berechnet werden. Diese sind über mehrere Layer hinweg ausgedehnt und werden in einem folgenden Prozess mit einem oder verschiedenen Materialien teilweise oder vollständig gefüllt, wobei eines der Materialien ein a) FDM-Filament A (erstes Haupt-Baumaterial) oder weitere FDM-Baumaterialien B+C oder mehr, b) nicht-thermoplastisches Material, z.B. vernetzend härtendes Harz (2K), durch Prozeßwärme oder aktinisch-härtendes Harz c) ein wässrig, pastöses Material, z.B. Zement, Keramikmeische, Holzbeton, ein d) ein faserverstärkter Streifen (Band), (z.B. aus Kohlefasern, Glasfasern oder Kevlar) e) ein aufschmelzbares Pulver, metallisch, aus Kunststoffen oder Keramik (Laser Sintern) f) ein mittels Binder verklebbares Pulver (Binder Jetting) g) Profilstäbe (rund, rechteckig, vieleckig, aus Metall, Kunststoff, faserverstärktem Material) h) eine Kombination aus a - g, z.B. ein FDM-Filament und ein faserverstärkter Streifen, oder eine Kombination aus einem härtenden Harz und einem ProfilStab i) oder ein elektrisch leitfähiges Harz oder leitfähiges Pulver sein kann. Procedure and device (3d printer) Claim 1 , characterized in that to stiffen the print object to be created, 1) special cavities are constructed in the object before a slicing procedure or 2) when calculating the arrangement of the layers for the 3D printing of the object by means of a slicing Program, special cavities are calculated. These are extended over several layers and are partially or completely filled in a subsequent process with one or different materials, one of the materials being a) FDM filament A (first main building material) or further FDM building materials B + C or more , b) non-thermoplastic material, e.g. crosslinking hardening resin (2K), by process heat or actinic hardening resin c) an aqueous, pasty material, e.g. cement, ceramic mix, wood concrete, a d) a fiber-reinforced strip (tape), (e.g. made of carbon fibers, glass fibers or Kevlar) e) a meltable powder, metallic, made of plastics or ceramics (laser sintering) f) a powder that can be bonded with a binder (binder jetting) g) Profile bars (round, rectangular, polygonal, made of metal, plastic, fiber-reinforced material) h) a combination of a - g, e.g. an FDM filament and a fiber-reinforced strip, or a combination of a hardening resin and a profile bar i) or may be an electrically conductive resin or conductive powder. Besondere Hohlräume nach Anspruch 1-2, gekennzeichnet dadurch, daß diese sich über entweder über 1) mehr als eine angrenzende Layerschicht, 2) vorzugsweise über mehr als 2 - 10 Schichten, am bevorzugtesten 10-500 oder je nach Objektgröße noch mehr ausdehnen oder 3) über mehr als 1 - 5 mm in einer Richtung der Achse des Baufortschrittes, Schichtablegeachse (üblicherweise z-Achse genannt), vorzugsweise 5 - 20 mm oder am bevorzugtesten über 20 - 500 mm oder oder je nach Objektgröße ein Vielfaches davon ausdehnen, 4) nebeneinander betrachtet, in Richtung der Schichtablegeachse einander vorzugweise überlappen. (4) und 5) eine Öffnung (Loch) zum Entweichen von verdrängter Luft verfügen, 6a, (18) 6) wahlweise über eine oder mehrere Befüllungs-Öffnungen 20, sowie wahlweise Austritts-Öffnungen 22 für verdrängte Luft oder überschüssiges Material an der Außenseite des Objektes verfügen, und die Schichten untereinander verankern.Special cavities after Claim 1 - 2 , characterized in that these extend over either 1) more than one adjacent layer, 2) preferably more than 2 - 10 layers, most preferably 10-500 or even more, depending on the object size, or 3) more than 1 - 5 mm in one direction of the axis of construction progress, layer laying axis (usually called the z-axis), preferably 5 - 20 mm or most preferably over 20 - 500 mm or or a multiple thereof depending on the object size, 4) viewed side by side, in the direction of the layering axis preferably overlap one another. ( 4th ) and 5) have an opening (hole) for the escape of displaced air, 6a , (18) 6) optionally have one or more filling openings 20, and optionally exit openings 22 for displaced air or excess material on the outside of the object, and anchor the layers to one another. Besondere Hohlräume nach Anspruch 1-3, gekennzeichnet dadurch, daß diese vor dem Befüllen mit einem Material nach Anspruch 2 a) mittels heißem Gas z.B. Luft oder einer strahlenden Wärmequelle angewärmt, b) ausgeblasen oder ausgesaugt (zur Entfernung von losen Partikeln der Sintertechnik), c) angefeucht (zwecks besserem Fließen einer Paste, Meische) d) oder mit einem Primer (Haftvermittler) befüllt werden.Special cavities after Claim 1 - 3 , characterized in that this after filling with a material Claim 2 a) warmed up using hot gas, e.g. air or a radiant heat source, b) blown out or sucked out (to remove loose particles from the sintering technique), c) moistened (for the purpose of better flow of a paste, mixture) d) or filled with a primer (adhesion promoter) become. Hohlräume nach Anspruch 1-4, gekennzeichnet dadurch, daß diese mit einem Material befüllt werden, dessen Viskosität bei der Temperatur des Befüllens um den Faktor 1.5, vorzugsweise Faktor 2 - 10, besonders bevorzugt 10 - 50 oder 50 - 100, oder 100 - 10.000 fach höher ist, als die Viskosität des Baumateriales bei der Arbeitstemperatur des hotends (beim FDM-Verfahren).Cavities after Claim 1 - 4th , characterized in that these are filled with a material whose viscosity at the temperature of the filling is by a factor of 1.5, preferably a factor of 2-10, particularly preferably 10-50 or 50-100, or 100-10,000 times higher than that Viscosity of the building material at the working temperature of the hotend (with the FDM process). 3d-Drucker nach Ansprüchen 1-5, gekennzeichnet dadurch, daß dieser nach der Bauart FDM-Drucker über eine Vorrichtung zum Befüllen eines Hohlraumes entweder mit a) Profilstäben (rund, rechteckig, vieleckig, aus Metall, Kunststoff, faserverstärktem Material) und vorzugsweise einer Schnitt-Vorrichtung hierfür oder b) faserverstärkten Streifen (Band), (z.B. aus Kohlefasern, Glasfasern oder Kevlar) und vorzugsweise einer Schnitt-Vorrichtung hierfür verfügt. Diese (Profile und oder Bänder) werden vorzugsweise in einem Winkel größer 1 ° zur Layerschicht, besonders bevorzugt größer als 30°, 45° oder besonders bevorzugt im Winkel von 90° in den Hohlraum abgelegt, oder c) einem flüssigen Harz, d) über ein Hotend 24 besonders schlanker Bauform verfügt, welches durch Abwärtsbewegung in den Hohlraum eintaucht (18) und flüssiges Filament einfließen läßt, e) sowie eine Vorrichtung zum Zuführen von warmer, heißer Luft (vorzugsweise nahe der Temperatur eines Baumateriales verfügt.3d printer after Claims 1 - 5 , characterized in that this according to the type FDM printer via a device for filling a cavity either with a) profile rods (round, rectangular, polygonal, made of metal, plastic, fiber-reinforced material) and preferably a cutting device for this or b) fiber-reinforced Strip (tape), (e.g. made of carbon fibers, glass fibers or Kevlar) and preferably a cutting device for this. These (profiles and / or strips) are preferably placed in the cavity at an angle greater than 1 ° to the layer, particularly preferably greater than 30 °, 45 ° or particularly preferably at an angle of 90 °, or c) a liquid resin, d) over a hotend 24 has a particularly slim design, which dips into the cavity by moving downwards ( 18th ) and liquid filament can flow in, e) and a device for supplying warm, hot air (preferably close to the temperature of a building material. 3d-Drucker nach Ansprüchen 1-6, gekennzeichnet dadurch, daß dieser nach der Bauart Laser-Sinter Drucker, Binder Jetting oder Jet Fusion, über eine Vorrichtung zum Befüllen eines Hohlraumes entweder mit a) Profilstäben (rund, rechteckig, vieleckig, aus Metall, Kunststoff, faserverstärktem Material) und vorzugsweise einer Schnitt-Vorrichtung hierfür oder b) faserverstärkten Streifen (Band), (z.B. aus Kohlefasern, Glasfasern oder Kevlar) und vorzugsweise einer Schnitt-Vorrichtung hierfür verfügt. Diese (Profile und oder Bänder) werden vorzugsweise in einem Winkel größer 1° zur Layerschicht, besonders bervorzugt größer als 30°, 45° oder besonders bevorzugt im Winkel von 90° in den Hohlraum abgelegt, oder c) einem flüssigen Harz, d) einem aufgeschmolzenen Filament, vorzugsweise unter Nutzung eines hotends 24 (siehe 19), sowie • eine Absaugvorrichtung für lose Partikel • eine Vorrichtung zum Zuführen von warmer, heißer Luft (vorzugsweise nahe der Temperatur eines Baumateriales verfügt.3d printer after Claims 1 - 6th , characterized in that this according to the type laser-sinter printer, binder jetting or jet fusion, via a device for filling a cavity either with a) profile rods (round, rectangular, polygonal, made of metal, plastic, fiber-reinforced material) and preferably one Cutting device for this or b) fiber-reinforced strips (tape) (for example made of carbon fibers, glass fibers or Kevlar) and preferably a cutting device for this. These (profiles and / or strips) are preferably placed in the cavity at an angle greater than 1 ° to the layer, particularly preferably greater than 30 °, 45 ° or particularly preferably at an angle of 90 °, or c) a liquid resin, d) a melted filament, preferably using a hotend 24 (see 19th ), as well as • a suction device for loose particles • a device for supplying warm, hot air (preferably close to the temperature of a building material.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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