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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, insbesondere 3D-Druckverfahren zur Herstellung dreidimensionaler Objekte mit frei wählbarer Formgebung, sowie einen 3D-Drucker zur Durchführung eines Verfahrens und einem Objekt hergestellt mit einem 3D-Drucker zur Durchführung eines Verfahrens.
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Stand der Technik
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Beim herkömmlichen 3D-Druck (Fused Deposition Modeling, FDM) wird ein thermoplastisches Druckmaterial aufgeschmolzen und im flüssigen Zustand selektiv an die Stellen, die zu dem herzustellenden Objekt gehören, verbracht. Wenn das Druckmaterial anschließend erkaltet, erstarrt es wieder. Auf diese Weise können Objekte mit frei wählbarer Formgebung schichtweise aufgebaut werden.
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Derart hergestellte Objekte können als Bauteile, beispielsweise in Maschinen eingesetzt werden, wodurch diese Bauteile mechanischen Belastungen ausgesetzt sind. Dabei tritt Verschleiß auf, im Speziellen abrasiver Verschleiß. Dieser Abtrag von Material an der Oberfläche eines Bauteils ist eine typische Alterungserscheinung in Bauteilen, bzw. in deren Gefüge, die Bewegungen gegen ein anderes Bauteil ausführen. Typischerweise schreitet der Verschleiß langsam voran, und die Eigenschaften des Gefüges verändern sich schleichend. Es ist daher im Alltag nur mit viel Aufwand möglich, den optimalen Zeitpunkt für den Austausch des Bauteils zu ermitteln. Ein zu früher Austausch verursacht unnötigen Materialverbrauch und damit unnötig hohe Kosten, wobei ein zu später Austausch zu Beschädigungen im Gefüge und somit an der kompletten Maschine führen kann.
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Gängige Verschleißanzeiger sind eingelegte Metall- oder Kunststoffteile, die in die mechanisch beanspruchte Materialschicht hineinreichen (passive Verschleißanzeige), oder elektronische Messsysteme, in denen Drucksensoren, Leitfähigkeitssonden oder Methoden der Schichtdickenbestimmung zum Einsatz kommen. In komplexeren Maschinenumgebungen kann auch die Messung der auftretenden bzw. aufzubringenden Kraft ein zuverlässiger Verschleißindikator sein. Manuelles Vermessen der relevanten Bauteildimensionen ist ebenfalls eine gängige Methode der Verschleißkontrolle. Ebenfalls bekannt sind Diagnosesysteme für Gleitlager, welche auf spektroskopischen Methoden basieren. Hier werden definiert ins Verschleißteil eingebrachte Elemente, welche ins Schmiermittel gelangen, im Schmiermittel nachgewiesen (
US 4620185 A ).
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Verschleißanzeiger aus Kunststoff sind bereits für spezielle Anwendungen bekannt, wie z.B. in Brems- und Kupplungsbeläge (
DE 50200561 D1 ), in rutschhemmenden Überzügen für Förderbandantriebe (
US 2015300959 A ).
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Neben der Verschleißanzeige für Bremsen, ist die Verschleißanzeige für Autoreifen sicherlich die bekannteste Verschleißanzeige. Bei Reifen wird meist die verbleibende Profiltiefe gemessen, optische Signalgeber, die ein Messen unnötig machen sollen, bestehen zumeist aus definierten Erhöhungen im Profil, oder auch aus eingebrachten Hohlräumen, die erst nach definiertem Materialabtrag sichtbar werden (
US 2016221400 A ).
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Der Verschleiß von Kunststoffbauteilen lässt sich häufig schwer abschätzen oder erkennen. Oben aufgeführte Lösungen beinhalten entweder mindestens eine zweite Materialkomponente in der Fertigung, was zu entsprechend komplexen und teuren Anlagen führt und auch im Betrieb zu negativen Einflüssen führen kann (z.B. Lockerung oder Lösen der Verbindung zwischen den zwei Materialien), oder machen ein integriertes Messsystem notwendig, welches die Kosten der jeweiligen Maschine erhöht oder führen zu erhöhtem Wartungsaufwand durch regelmäßig durchzuführende Messungen. Damit verbunden sind erhöhte Anschaffungskosten für Messgeräte, Maschinenstillstand, Demontage und Montage des Bauteils, um nur einige Nachteile zu nennen.
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Die Aufgabe ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Objekts, sowie einen Drucker zur Durchführung des Verfahrens und ein Objekt bereitzustellen, wobei durch diese eine einfache Verschleißanzeige eines Objekts ermöglicht wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren, insbesondere 3D-Druckverfahren zur Herstellung dreidimensionaler Objekte mit frei wählbarer Formgebung, sowie einen 3D-Drucker zur Durchführung eines Verfahrens und einem Objekt hergestellt mit einem 3D-Drucker zur Durchführung eines Verfahrens erfüllt.
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Im Rahmen der Erfindung wurde ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts entwickelt. Bei diesem Verfahren wird zunächst eine Druckstruktur mittels 3D-Druck aus einem Druckmaterial gefertigt. Diese Druckstruktur definiert einen Innenraum. Anschließend wird ein Füllmaterial, welches mindestens ein flüssiges oder pastöses Monomer umfasst, in den Innenraum eingebracht. Schließlich wir das Monomer zu einem Polymer polymerisiert, wobei das Polymer eine Objektstruktur bildet, die einen Kern des Objekts darstellt. Erfindungsgemäß wird das Druckmaterial für die Druckstruktur aus einer anderen Farbe als das Füllmaterial für die Objektstruktur gebildet.
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Die Funktion des Innenraums ist in diesem Zusammenhang zudem, beim Befüllen mit dem Füllmaterial dessen Ausbreitung räumlich zu begrenzen.
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Der Innenraum kann insbesondere die Negativform einer aus dem Polymer herzustellenden Objektstruktur, oder einen Teil einer solchen Objektstruktur, definieren.
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Der Begriff „mittels 3D-Druck gefertigt“ schließt jede Fertigung ein, bei der 3D-Druck zum Einsatz kommt. Die Druckstruktur ist also auch im Sinne der Erfindung mit 3D-Druck gefertigt, wenn das Druckmaterial beispielsweise in eine Form gegossen wurde, die ihrerseits unmittelbar mittels 3D-Druck hergestellt wurde.
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Es wurde erkannt, dass mit dem Verfahren gemäß der Erfindung deutlich feinere Objektstrukturen aus dem Polymer gefertigt werden können als nach dem bisherigen Stand der Technik und dass eine größere Klasse von Objektstrukturen überhaupt fertigbar wird. Die hohe Präzision, mit der die Druckstruktur durch 3D-Druck gefertigt werden kann, überträgt sich auf die Konturen des Innenraums, die wiederum die Orte festlegen, an die das Füllmaterial vordringt. Dabei besteht nicht mehr die Randbedingung, dass die Objektstrukturen bis zur Polymerisation eigenständig stabil bleiben müssen. Gleichwohl ist es nach wie vor möglich, das Monomer en bloc zu polymerisieren, so dass es innerhalb der Objektstrukturen, die aus dem Polymer bestehen, keine Grenzflächen zwischen zeitlich nacheinander polymerisierten Bereichen gibt. An derartigen Grenzflächen ist das Polymer am schwächsten und bricht bei mechanischer Belastung des Objekts bevorzugt. Die Festigkeit lässt sich an diesen Grenzflächen auch durch den Einsatz von Verstärkungsfasern nicht verbessern, da die Fasern diese Grenzflächen nicht überspannen.
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Es wurde weiterhin erkannt, dass gerade massive Objekte aus dem Polymer, die zugleich filigrane Strukturen aufweisen, auf diese Weise besonders schnell gefertigt werden können. Zum Herstellen filigraner Strukturen mittels 3D-Druck ist eine Düse mit einer kleinen Austrittsöffnung für das flüssige Druckmaterial erforderlich. Dies bringt wiederum mit sich, dass der Massenstrom durch die Austrittsöffnung begrenzt ist und das Ausfüllen eines Objekts sehr lange dauert. Indem nun der Innenraum zunächst mittels 3D-Druck in fester Form definiert und anschließend mit dem Füllmaterial belegt wird, sind die Feinheit der letztendlichen Objektstrukturen und der Massenstrom an Füllmaterial voneinander entkoppelt.
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Das Füllmaterial hat beim Einlass in den Innenraum vorteilhaft eine Temperatur, die geringer ist als die Schmelztemperatur TM des erstarrten Druckmaterials. Dann wird die Druckstruktur nicht durch das Füllmaterial angegriffen. Das Füllmaterial darf jedoch auch wärmer sein, wenn und insoweit durch die Druckstruktur genügend Wärme abgeführt werden kann, um die Temperatur der Druckstruktur unterhalb ihrer Schmelztemperatur TM zu halten.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein Füllmaterial gewählt, welches mindestens einen festen Füllstoff enthält. Dieser Füllstoff kann eine beliebige Funktion erfüllen. Beispielsweise kann der Füllstoff ein Recyclingmaterial sein, dessen Verwendung die Materialkosten des hergestellten Objekts senkt. Der Füllstoff kann auch beispielsweise ein Material sein, das dem Objekt ein für seine Verwendung gefordertes Gewicht verleiht.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein Verstärkungsstoff, insbesondere in Form von Fasern, als Füllstoff gewählt. Geeignet sind beispielweise Glasfasern. Die Verwendung derartiger Verstärkungsstoffe in Druckmaterialien führte bislang zu einem weiteren Zielkonflikt in Bezug auf filigrane Strukturen, da eine für filigrane Strukturen erforderliche Düse mit kleiner Austrittsöffnung dazu neigt, durch die Verstärkungsstoffe zu verstopfen. Durch die Faserbeimischung können funktionsfähige Verstärkungseffekte erzielt werden, die eine deutliche Steigerung der mechanischen Eigenschaften bewirken. Gleichzeitig ist durch die Polymerisation in einem Stück die mechanische Festigkeit des Polymers isotrop.
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In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Druckmaterial mit einem ersten 3D-Druckkopf zu der Druckstruktur zusammengesetzt, und das Füllmaterial wird mit einem zweiten 3D-Druckkopf in den Innenraum eingebracht. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass das Füllmaterial nur in den Innenraum gelangt und andere Bereiche an der Außenseite der Druckstruktur nicht verunreinigt werden. Derartige Verunreinigungen sind nach der Polymerisation des Monomers möglicherweise nur noch schwer entfernbar.
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In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein Monomer gewählt, das zu einem Polymer polymerisiert, welches mit dem Druckmaterial stoffgleich ist. Das Polymer im Innenraum verbindet sich dann auch chemisch mit der Druckstruktur. Somit entsteht insgesamt ein massives Objekt aus dem Polymer, das gleichzeitig filigrane Außenkonturen aufweist, schnell mit dem Polymer ausfüllbar ist und im Hinblick auf die mechanische Festigkeit als fast einstückig anzusehen ist, wobei das Druckmaterial für die Druckstruktur aus einer anderen Farbe als das Füllmaterial für die Objektstruktur gebildet wird.
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Dies wird insbesondere dadurch möglich, dass die Druckstruktur zum Zeitpunkt der Befüllung mit dem Füllmaterial „frisch“ gefertigt ist, d.h. dass die Polymerketten der Druckstruktur noch über chemische Potentiale verfügen, die eine Verbindung mit dem aus dem Füllmaterial hervorgegangenen Polymer ermöglichen. Hierzu trägt bei, dass die Druckstruktur vergleichsweise schnell mit dem Füllmaterial gefüllt werden kann.
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Alternativ kann das Monomer zunächst Monomer bleiben und erst zu einem späteren Zeitpunkt polymerisiert werden. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn das zusätzlich aufgebrachte Druckmaterial einen weiteren Innenraum definiert, der gemeinsam mit dem ersten Innenraum einen zusammenhängenden, mit Füllmaterial gefüllten Bereich bildet. Das Monomer kann dann in diesem Bereich en bloc polymerisieren, so dass in dem letztendlich erhaltenen Polymer keine durch die Grenze zwischen den beiden Innenräumen gebildete Grenzfläche, und damit auch keine mögliche Schwachstelle, entsteht.
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In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Innenraum während des Polymerisierens des Monomers mit einer unter Druck stehenden Quelle für das Füllmaterial verbunden. Auf diese Weise kann die bei der Polymerisation entstehende Schrumpfung dadurch kompensiert werden, dass im Umfang der Schrumpfung weiteres Füllmaterial nachgeschoben wird. Diese Schrumpfung kann in der Größenordnung 10 % liegen. Wenn die Polymerisation beispielsweise bei erhöhter Temperatur erfolgt und das fertige Objekt auf Raumtemperatur abgekühlt wird, entsteht nur noch eine weitere Schrumpfung in der Größenordnung 1 %.
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Der Zugang zu dem Innenraum für die Zuführung des Füllmaterials kann beim 3D-Druck der Druckstruktur bewusst offen gelassen werden. Beispielsweise kann die Druckstruktur auf einer Grundplatte aufgebaut werden, die eine Durchführung für die Zuführung des Füllmaterials aufweist. Die Druckstruktur kann dann so gestaltet werden, dass ein Kanal von dieser Zuführung in den Innenraum offen bleibt. Der Zugang kann aber auch nachträglich durch einen Anschnitt, eine Bohrung oder eine ähnliche in den Innenraum führende Öffnung hergestellt werden.
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In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Druckstruktur unter Zuhilfenahme einer nicht zum Objekt gehörenden und vom Objekt trennbaren Trägerstruktur aufgebaut. Die Trägerstruktur kann beispielsweise als formgebendes Element für den 3D-Druck der Druckstruktur dienen, indem sie entsprechende Überhänge des Druckmaterials stützt. Das Objekt kann beispielsweise von der Trägerstruktur getrennt werden, indem es von ihr abgebrochen wird oder indem die Trägerstruktur aufgelöst wird. Dementsprechend kann die Trägerstruktur vorteilhaft wieder aus einem wasserlöslichen Material bestehen, welches vorteilhaft biologisch abbaubar ist, damit insbesondere bei der Anwendung des Verfahrens im industriellen Maßstab keine umweltgefährlichen Abfälle entstehen.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird Caprolactam als Monomer gewählt und zu dem Polyamid PA6 als Polymer polymerisiert. Insbesondere in Verbindung mit Fasern als Verstärkungsstoffen kann ein gemäß der Erfindung hergestelltes Objekt aus PA6 den mechanischen und technischen Eigenschaften von spritzgegossenem PA6 sehr nahekommen und diese sogar übertreffen. Somit wird die gestalterische Freiheit und funktionsorientierte Konstruktion im Sinne von Additive Manufacturing mit den verfahrensspezifischen Vorteilen von Spritzguss kombiniert, ohne Inkaufnahme der spezifischen Nachteile, die diese Technologien jeweils für sich genommen mit sich bringen.
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Alternativ oder auch in Kombination kann Propen als Monomer gewählt und zu PBT als Polymer polymerisiert werden. Es kann zyklisches PBT oder CBT als Monomer gewählt und zu PBT als Polymer polymerisiert werden. Schließlich kann beispielsweise auch Laurinlactam als Monomer gewählt und zu dem Polyamid PA12 als Polymer polymerisiert werden.
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Allgemein kann das Verfahren gemäß der Erfindung alle 3D-Druckverfahren, die mit thermoplastischen Kunststoffen arbeiten, aufwerten. Zugleich kann insbesondere im Prototyping und in Kleinserien der Spritzguss substituiert werden. Insbesondere können der Zeitaufwand und die Kosten, die bei jeder Herstellung und Änderung der Spritzgussform anfallen, vermieden werden.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich die Hülle eines Bauteiles mit einer präzise definierten Dicke in einer anderen Farbe herzustellen als den Kern des Bauteils, wobei das eigentlich verwendete Material das gleiche bleiben kann. Somit lässt sich ein tolerierbarer Verschleiß auf den Mikrometer genau farblich markieren und der Farbwechsel im Material ist ohne zusätzliches Messgerät sofort erkennbar. Da die Fertigungsmethode generell eine getrennte Materialauswahl für die Hülle und den Kern erlaubt, ist kein zusätzlicher Fertigungsschritt notwendig. Durch die weitere spezielle Eigenheit der Fertigungsmethode bleibt weiterhin gewährleistet, dass der gleiche Kunststoff für Kern und Hülle verwendet werden kann, der sich lediglich im zugesetzten Farbstoff unterscheidet. Es entstehen keine nachteiligen Effekte durch den Aufbau aus Hülle und Kern. Des Weiteren haben die Bauteile eine Qualität die mit dem Spritzguss vergleichbar ist.
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Nach dem zuvor Gesagten bezieht sich die Erfindung auch auf einen 3D-Drucker, der dadurch besonders zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist, dass ein erster Druckkopf für das Druckmaterial und ein zweiter Druckkopf für das Füllmaterial vorgesehen sind.
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Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Objekt, insbesondere ein Bauteil hergestellt mit einem 3D-Drucker zur Durchführung des Verfahrens, wobei das Druckmaterial für die Druckstruktur des Objekts aus einer anderen Farbe als das Füllmaterial für die Objektstruktur des Objekts gebildet ist.
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Besonders vorteilhaft ist es, dass die Dicke der Druckstruktur des Objekts in Abhängigkeit eines abrasiv von außen wirkenden Verschleißes derart gewählt ist, dass die Druckstruktur bei Erreichen eines maximal zulässigen Verschleißes abgetragen ist und dadurch die andersfarbige Objektstruktur sichtbar ist.
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Dadurch, dass die Objektstruktur, bzw. der Kern des Objekts, bzw. des Bauteils eine andere Farbe als die Druckstruktur, bzw. die Hülle des Objekts aufweist, kann in vorteilhafter Weise über die Dicke der Hülle der maximal zulässige Abrieb eingestellt werden.
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Wenn die Hülle durch Verschleiß abrasiv abgetragen wird, kommt die Farbe des Kerns zum Vorschein. Diese Farbe gilt dann in vorteilhafter Weise als Indikator dafür, dass das Bauteil beispielsweise ausgetauscht werden muss.
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Dadurch wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass das Bauteil erst dann ausgetauscht wird, wenn der maximale Verschleiß erreicht ist und nicht schon davor, oder erst nachdem das Bauteil defekt ist.
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Dieser optische Indikator ermöglicht in vorteilhafter Weise einen günstigen Einsatz dort, wo die oben genannten Überwachungsmethoden nicht möglich oder wirtschaftlich unrentabel sind. Durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Objekts ist es auch einem Laien ohne Messgerät möglich, den Verschleißzustand des Objekts zu erkennen.
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Die erfindungsgemäßen Objekte, bzw. Bauteile werden in dem oben beschriebenen additiven Fertigungsverfahren gefertigt, welches es erlaubt, unterschiedliche Materialien für die Bauteilhülle und den Bauteilkern zu verwenden. Im speziellen kann sich das Material lediglich durch die Farbe unterscheiden. Es ist somit möglich, materialspezifisch homogene Bauteile herzustellen, die lediglich einen Farbwechsel in einer definierten Tiefe zeigen. Dadurch wird in vorteilhafter Weise ein Objekt bereitgestellt, dessen Eigenschaften mit spritzgegossenen Materialien vergleichbar sind. Wobei das erfindungsgemäße Objekt nicht durch Spritzguss oder ähnliche Verfahren herstellbar ist.
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Die o.g. erfindungsgemäßen Bauteile mit Farbwechsel in definierter Tiefe zeigen somit in vorteilhafter Weise präzise den Zeitpunkt des maximal tolerierbaren Verschleißes an, ohne dass zusätzliche Produktionsschritte in der Herstellung notwendig sind.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Bauteile ist die ortsaufgelöste Verschleißanzeige. Es ist z.B. erkennbar, ob der Verschleiß, also der Farbwechsel, gleichmäßig über das gesamte Bauteil auftritt, oder immer wieder an den gleichen begrenzten Stellen. Somit kann eine optimale Einstellung der jeweiligen Maschine gefunden werden in der das erfindungsgemäße Objekt eingesetzt wird. Dadurch wird in vorteilhafter Weise die gesamte Maschine so verschleißarm wie möglich, wodurch längere Wechselintervalle der Verschleißteile erreicht und in Summe Kosten gespart werden können.
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.
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Ausführungsbeispiele
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Es zeigt:
- 1 Ablaufdiagramm des Verfahrens 100 gemäß der Erfindung;
- 2 Ausführungsbeispiel des Verfahrens 100 gemäß der Erfindung ausgeführt mit einem erfindungsgemäßen 3D-Drucker 30;
- 3 Variante des Verfahrens 100, ausgeführt mit weiteren 3D-Drucker 30.
- 4 Beispiel eines erfindungsgemäßen Objekts 10 in einer Anwendung.
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Nach 1 wird in Schritt 110 zunächst eine Druckstruktur 11 in einer Farbe gefertigt. Diese Druckstruktur 11 enthält einen Innenraum 12, der in Schritt 120 mit einem Füllmaterial 22, welches Verstärkungsfasern 25 enthält, gefüllt wird, wobei die Farbe des Füllmaterials 22 eine andere Farbe als die Farbe der Druckstruktur 11 aufweist. Hierbei wird das Füllmaterial optional in Eingriff mit Hinterschnitten 13 in der Druckstruktur gebracht. Optional können nun weitere Iterationen stattfinden, in denen die Druckstruktur 11 erweitert und entsprechende Innenräume 12 mit Füllmaterial 22 belegt werden.
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In Schritt 130 wird das im Füllmaterial 22 enthaltene Monomer 23 zu einem Polymer 24 polymerisiert, wobei optional (Schritt 135) während der Polymerisation weiter Füllmaterial 22 zugeführt wird.
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Anschließend kann nach Wahl des Anwenders das Komposit aus Druckstruktur 11 und im Innenraum 12 derselben enthaltenem, mit Fasern 25 verstärktem Polymer 24 als fertiges Objekt 10 verwendet werden.
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2 verdeutlicht exemplarisch, wie mit einem erfindungsgemäßen 3D-Drucker 30 ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens 100 durchgeführt wird.
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Nach 2a umfasst der 3D-Drucker 30 eine Grundplatte 33, auf der die Druckstruktur 11 aufzubauen ist. Die Grundplatte 33 ist in einem heizbaren Bauraum angeordnet, der in diesem Ausführungsbeispiel auf einer Temperatur von 160 °C ist. Weiterhin sind drei Druckköpfe 31, 32 und 36 vorgesehen. Der erste Druckkopf 31 heizt ein als Granulat vorliegendes Druckmaterial 21 in einer Farbe auf und gibt es in plastifizierter Form über eine Düse mit einer Austrittsöffnung 31a selektiv an den Stellen aus, die zur Druckstruktur 11 gehören. Der zweite Druckkopf 32 erhält sowohl ein Monomer 23 als auch Verstärkungsfasern 25. Im Inneren des zweiten Druckkopfes 32 mischen sich das Monomer 23 und die Verstärkungsfasern 25 zum Füllmaterial 22 mit einer anderen Farbe als das Druckmaterial 21, wobei das Füllmaterial 22 aus der Austrittsöffnung 32a austritt. Der dritte Druckkopf 36 heizt ein weiteres, als Granulat vorliegendes Material 27 bis zur Plastifizierung auf und gibt es durch seine Austrittsöffnung 36a aus. Der dritte Druckkopf 36 dient zum Aufbringen einer Trägerstruktur 14 auf der Grundplatte 33. In jeder aufgebauten Schicht wird an den zur Trägerstruktur 14 gehörenden Orten das Material 27 der Trägerstruktur 14 aufgebracht, und an den zur Druckstruktur 11 gehörenden Orten wird das Druckmaterial 21 aufgebracht.
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2b zeigt eine Momentaufnahme zu einem weiter fortgeschrittenen Zeitpunkt. Sowohl die Trägerstruktur 14 als auch die Druckstruktur 11 sind in die Höhe gewachsen, wobei zwei Schenkel 11a und 11b der Druckstruktur 11 in hierzu korrespondierende Einkerbungen 14a und 14b der Trägerstruktur 14 eingreifen. Die Trägerstruktur 14 hat hier die Funktion, die Druckstruktur 11 waagerecht zu halten, obwohl die Schenkel 11a und 11b unterschiedlich lang sind. In dem in 2b gezeigten Zustand ist die Herstellung der Trägerstruktur 14 abgeschlossen; daher ist der zugehörige dritte Druckkopf 36 nicht mehr eingezeichnet. Die Druckstruktur 11 definiert einen als Wanne ausgebildeten Innenraum 12, der von vier Wällen 12a, 12b, 12c und 12d begrenzt wird. Auch die Schenkel 11a und 11b sind innen hohl und mit Füllmaterial 22 füllbar, was in der gewählten Perspektive nicht sichtbar und daher auch nicht eingezeichnet ist.
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2c zeigt eine Momentaufnahme zu einem weiter fortgeschrittenen Zeitpunkt. Der wannenförmige Innenraum 12, sowie die hieran anschließenden Hohlräume in den Schenkeln 11a und 11b, sind mit dem Füllmaterial 22 gefüllt. Das Füllmaterial 22 ist hier flüssig genug, um auch in diese Hohlräume gegossen werden zu können. In anderen Ausgestaltungen kann es auch beispielsweise mit einer Konsistenz von weichem Wachs in Bahnen ausgelegt werden.
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2d zeigt eine Momentaufnahme zu einem weiter fortgeschrittenen Zeitpunkt. Der wannenförmige, mit Füllmaterial 22 gefüllte Innenraum 12 der Druckstruktur 11 wurde mit einem Deckel 11e aus Druckmaterial 21 verschlossen, in dem eine kreisförmige Nut 11f offen gelassen wurde. Radial beiderseits dieser Nut 11f wurden anschließend mit dem ersten Druckkopf 31 zwei konzentrische Zylinderwände 11c und 11d aufgebaut. Zwischen diesen beiden Zylinderwänden 11c und 11d befindet sich ein Hohlraum 12e, der fluidisch mit dem wannenförmigen Innenraum 12 verbunden ist und somit, wie auch die Hohlräume in den Schenkeln 11a und 11b, funktionell diesem Innenraum 12 zuzuordnen ist. In dem in 2d gezeigten Zustand ist der zweite Druckkopf 32 gerade dabei, den Hohlraum 12e mit weiterem Füllmaterial 22 zu füllen. Sobald dies abgeschlossen ist, wird das im gesamten Füllmaterial 22 enthaltene Monomer 23 zum Polymer 24 polymerisiert. Dies geschieht automatisch durch die im Bauraum herrschende Temperatur. Das Monomer 23 hat bei dieser Temperatur eine festgelegte Verarbeitungszeit, nach der die Polymerisation beginnt.
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In einer alternativen Ausgestaltung kann das Füllmaterial 22 auch mit zwei Druckköpfen 32, 32' im Wechsel eingebracht werden, die zwei Komponenten 22a, 22b des Füllmaterials 22 enthalten. Beispielsweise kann der Druckkopf 32 ein Gemisch 22a aus Monomer 23, Katalysator und Verstärkungsfasern 25 enthalten, und der Druckkopf 32' kann ein Gemisch 22b aus Monomer 23, Aktivator und Verstärkungsfasern 25 enthalten. Durch das wechselweise Auftragen kommt es dann innerhalb des Innenraums 12 zur Durchmischung. In dem auf diese Weise aktivierten Gemisch kann die Polymerisation durch kurzzeitige Erwärmung auf etwa 130 °C angestoßen und anschließend bei einer Bauraumtemperatur zwischen 40 °C und 70 °C fortgesetzt werden.
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Um das Ergebnis der Polymerisation isotrop und homogen zu halten, kann auch im Hochvakuum polymerisiert werden. Dadurch sind diverse Gefüge möglich, welche gezielt zur Veränderung der Bauteileigenschaften genutzt werden können.
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2e zeigt das erhaltene fertige Objekt 10 in perspektivischer Darstellung. Nach der Polymerisation wurde der Hohlraum (Innenraumteil) 12e mit Druckmaterial 21 aus dem ersten Druckkopf 31 mit einem Deckel 11g verschlossen. Anschließend wurde das Objekt 10 einschließlich der Trägerstruktur 14 aus dem 3D-Drucker 30 entnommen, und die Trägerstruktur 14 wurde aufgelöst.
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2f zeigt das fertige Objekt 10 in Schnittzeichnung. Überall dort, wo während des Aufbaus Füllmaterial 22 war, ist nunmehr Polymer 24, welches mit Fasern 25 verstärkt ist. Dieses faserverstärkte Polymer 24 bildet eine Objektstruktur 28, die einen Kern, insbesondere isotropen Kern des Objekts 10 darstellt.
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3 zeigt eine Momentaufnahme einer Variante des in 2 gezeigten Prozesses, bei der ein anderer speziell für die Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung konstruierter 3D-Drucker 30 eingesetzt wird, in teilgeschnittener Ansicht. Dieser 3D-Drucker 30 hat in seiner Grundplatte 33 eine Durchführung 34, die mit einer der Druckstruktur 11, und damit auch dem Objekt 10 insgesamt, abgewandten Seite mit einer unter Druck stehenden Quelle 26 für das Füllmaterial 22 verbindbar ist. In der Trägerstruktur 14 sowie im linken Schenkel 11a der Druckstruktur 11 wurde eigens ein Durchlass 11h gelassen, durch den das Füllmaterial 22 in den Innenraum 12 strömen kann. Diese teilgeschnittene Ansicht verdeutlicht, dass sich letztlich ein gemeinsamer Innenraum 12 durch die ganze Druckstruktur 11 erstreckt, von den Schenkeln 11a und 11b bis zu den konzentrischen Zylinderwänden 11c und 11d. Im Unterschied zu 2 wurde die Druckstruktur 11 hier nicht in Etappen gefertigt, die durch das Aufbringen von Füllmaterial 22 unterbrochen wurden, sondern in einem Arbeitsgang, einschließlich der letzten Deckschicht 11g. Die Überhänge können beispielsweise durch eine entsprechende Anpassung der Trägerstruktur 14, die in dem in 3 gezeigten Zustand nicht mehr sichtbar ist, realisiert werden.
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Es können Mischstrukturen aus dem Material 27 der Trägerstruktur 14 zur Herstellung des Gemisches 22 eingebaut werden. Diese können dann beim Entfernen der Trägerstruktur 14 mit entfernt werden. Dies ermöglicht ein einfacheres Handling bei der Polymerisation.
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4 zeigt ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Objekts 10 in einer Anwendung, wobei das Objekt 10 in diesem Beispiel ein Seil 10 auf einer umlaufenden Rolle 40 ist.
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Das Druckmaterial 21 für die Druckstruktur 11 des Objekts 10, bzw. des Seils 10 ist aus einer anderen Farbe als das Füllmaterial 22 für die Objektstruktur 28 des Seils 10 gebildet.
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Im Betrieb dieser Vorrichtung dreht sich die Rolle 40 um ihre Achse und fördert beispielsweise das Seil 10 in Drehrichtung. Alternativ wird das Seil 10 durch einen nicht gezeigten Motor bewegt und sorgt dadurch für eine Drehung der Rolle 40. Zwischen der Rolle 40 und dem Seil 10 entsteht Reibung, die für Verschleiß am Seil 10 verantwortlich ist.
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4a zeigt dabei das Seil 10 ohne Verschleiß und 4b mit Verschleiß.
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Die Dicke der Druckstruktur 11 des Seils 10 in Abhängigkeit eines abrasiv von außen wirkenden Verschleißes (hier die oben beschriebene Reibung) ist derart gewählt, dass die Druckstruktur 11 bei Erreichen eines maximal zulässigen Verschleißes abgetragen ist und dadurch die andersfarbige Objektstruktur 28 des Seils 10 sichtbar ist.
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Das Seil 10 mit Farbwechsel in definierter Tiefe zeigt somit präzise den Zeitpunkt des maximal tolerierbaren Verschleißes an. Ferner zeigt das Seil 10 eine sogenannte ortsaufgelöste Verschleißanzeige. Das heißt, es ist erkennbar, ob der Verschleiß, also der Farbwechsel, gleichmäßig über das gesamte Seil, bzw. Bauteil 10 auftritt, oder immer wieder an den gleichen begrenzten Stellen 50.
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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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- US 4620185 A [0004]
- DE 50200561 D1 [0005]
- US 2015300959 A [0005]
- US 2016221400 A [0006]
