DE102021102154A1

DE102021102154A1 - Verfahren zur additiven Fertigung von 3D-Objekten aus thermoplastischem Kunststoff

Info

Publication number: DE102021102154A1
Application number: DE102021102154.5A
Authority: DE
Inventors: gleich Anmelder Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: BRZESKI, MARKUS, DR., DE
Priority date: 2021-01-29
Filing date: 2021-01-29
Publication date: 2022-08-04

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur additiven Fertigung von 3D-Objekten aus thermoplastischem Kunststoff. Im Rahmen der Erfindung wird vorgeschlagen, dass auf ein Druckbett mittels Vakuums eine Kunststofffläche fixiert wird, auf die das herzustellende 3D-Objekt schichtweise aufgetragen wird.Auf der durch das Vakuum fixierten Kunststofffläche kann schichtweise das 3D-Objekt verzugsfrei aufgebaut werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur additiven Fertigung von 3D-Objekten aus thermoplastischem Kunststoff.
Bei der additiven Fertigung oder auch dreidimensionalen Drucken wird ein Material Schicht für Schicht aufgetragen, um einen dreidimensionalen Gegenstand zu erzeugen. Der Aufbau des Gegenstands erfolgt dabei aus einer Reihe von physikalischen oder chemischen Härtungs- und Schmelzprozessen. Beispielsweise kann geschmolzenes Material in Schichten aufgetragen werden, wobei das aufgetragene Material sich verfestigt. Durch diesen schichtweisen Aufbau können komplexe dreidimensionale Formen aufgebaut werden. Die Materialien können dabei beispielsweise Kunststoffe, Kunstharze, Keramiken oder Metalle sein.
Das Herstellen der 3D-Objekte erfogt in 3D-Druckern. Dabei sollen an einem Computer erstellte dreidimensionale Formen durch den 3D-Drucker aus dem zu druckenden Material hergestellt werden.
Besonders wichtig für Verfahren zum additiven Fertigen von von 3D-Objekten ist das Fixieren des zu druckenden Gegenstandes auf dem Druckbett. Durch das Fixieren des zu druckenden Gegenstands kann insbesondere während eines langen Druckvorgangs der korrekte Aufbau des Gegenstands sichergestellt werden. Dabei ist es wichtig, dass der zu druckende Gegenenstand sich nicht relativ zum Druckbett bewegt, um Abweichungen des zu druckenden Gegenstands von dem am Computer erstellten Modell zu verhindern. Das Fixieren des zu druckenden Gegenstands an dem Druckbett kann durch einen Klebstoff, ein Klebeband oder durch ein Aufschmelzen des Druckbetts erfolgen. Nachteilig muss dabei vor jedem Druck ein Klebstoff oder Klebeband auf das Druckbett aufgetragen werden, wodurch das Druckbett verschmutzt oder auch beschädigt werden kann. Insbesondere beim Anschmelzen des Druckbetts wird dieses beschädigt, wodurch die erste Lage des schichtweisen Aufbaus des Gegenstands Unebenheiten aufweisen kann. Hinzu kommt, dass die Haftung des Klebstoffs mit steigender Druckbetttemperatur abnimmt und bei höheren Temperaturen nicht mehr ausreichend ist, um den zu druckenden Gegenstand sicher auf dem Druckbett zu fixieren. Zudem ist die Haftung des Klebstoffs auf dem Druckbett dadurch beschränkt, dass der Klebstoff nach dem Druckvorgang von dem Druckbett lösbar ausgestaltet ist.
Es sind mehrere Verfahren zum additiven Fertigen von von 3D-Objekten bekannt. Zu diesen Verfahren gehören besipielsweise das selektive Lasersintern und das Schichtschmelzverfahren.
Beim selektiven Lasersintern werden 3D-Objekte durch Sintern mit einem Laser aus einem pulverförmigen Ausgangsstoff hergestellt. Der pulverförmige Ausgangsstoff wird auf ein Druckbett mit Hilfe einer Rakel oder Walze vollflächig in einer Dicke von 1 bis 200 µm aufgebracht. Die Schichten werden durch eine Ansteuerung des Laserstrahles entsprechend der Schichtkontur des zu druckendenden 3D-Objekts schrittweise in das Pulverbett gesintert oder eingeschmolzen. Das Druckbett wird nun geringfügig abgesenkt und eine neue Schicht aus pulverförmigen Ausgangsstoff aufgezogen. Der pulverförmigen Ausgangsstoff wird durch Anheben einer Pulverplattform oder als Vorrat in der Rakel zur Verfügung gestellt.
Beim Schichtschmelzverfahren wird das Material durch beheizbare Düsen geleitet und dadurch geschmolzen. Anschließend wird das aufgeschmolzene Material in einzelnen Schichten auf das Druckbett aufgetragen und erhärtet nach dem Auftrag. Bei dem Auftrag wird die Grenzschicht der darunter liegenden Schicht erhitzt, wodurch die Haftung der einzelnen Schichten zustandekommt und/oder verbessert wird. Auf diese Weise wird schichtweise ein dreidimensionaler Gegenstand aufgebaut. Verfahren zum additiven Fertigen von von 3D-Objekten werden beispielsweise in der Industrie zur schnellen Herstellung von Modellen oder Prototypen verwendet.
Als Materialien zum dreidimensionalen Drucken werden thermoplastische Kunststoffe wie beispielsweise Acrylnitril-Butadien-Styrole, Polymilchsäuren, Acrylnitril-Styrolacrylate, Polyethylenterephthalate, glykolisiertes Polyester, Polycarbonate, olyaryletherketonen oder Polyetherimide verwendet. Diese Materialien liegen meist als Filamente vor, die durch eine beheizbare Düse vor dem Auftrag geschmolzen werden.
Ein bevorzugtes Material ist Polypropylen. Polypropylen zeichnet sich durch seinen geringen Preis und seine geringe Dichte aus. Durch seine hohe Schrumpfung kommt es bei der Verwendung von Polypropylen zum dreidimensionalen Drucken von größeren Gegenständen zu Verzugsproblemen. Des Weiteren benötigt Polypropylen eine haftende Oberfläche, wie beispielsweise ein Klebeband, auf dem Druckbett.
Es sind Verfahren und Vorrichtungen zum Drucken von 3D-Objekten bekannt.
In der WO 2018/041839 A1 sind ein Verfahren und ein Druckersystem zum Drucken von dreidimensionalen Objekten offenbart. Das Verfahren umfasst ein unvernetztes Peroxydicarbonat-verzweigtes Polypropylen-Filament, welches für den Filament-3D-Druck in einem 3D-Drucker angepasst ist.
Die DE 10 2019 110 332 A1 beschreibt eine Druckplattform und ein Verfahren zur Herstellung einer Druckplattform für extrusionsbasiertes 3D-Drucken von Polyolefinen und polyolefinbasierten Materialien. Die Druckplattform weist dabei mindestens chemisch vernetzte Gummimaterialien, chemischvernetzte Elastomercompounds oder Mischungen aus diesen Materialien auf.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstellung von 3D-Objekten aus thermoplastischen Kunststoffen zu optimieren.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem Oberbergriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass auf ein Druckbett mittels Vakuum eine Kunststofffläche fixiert wird, auf die das herzustellende 3D-Objekt schichtweise aufgetragen wird.
Die Kunststofffläche kann dabei eine Kunststofffolie oder eine Kunststoffplatte sein.
Das Vakuum wird durch Absaugen der Luft zwischen dem Druckbett und der Kunststofffläche erzeugt. Durch das Absaugen der Luft entsteht ein Unterdruck, durch den die Kunststofffläche fixiert wird. Dazu weist das Druckbett Öffnungen auf, durch die die Luft zwischen dem Druckbett und der Kunststofffläche abgesaugt werden kann. Auf die Kunststofffläche kann das herzustellende 3D-Objekt schichtweise aufgetragen werden, wenn diese mit dem Material des 3D-Objektes insoweit kompatibel ist, dass der Kunststoff auf der Kunststofffläche haftet. Besonders vorteilhaft kann die Kunststofffläche nach dem Druckvorgang besonders einfach durch das Aufheben des Unterdrucks gelöst werden. Vorteilhaft bleiben dabei - im Gegensatz zu Klebstoffen - keine Rückstände an dem Druckbett haften. Die Kunststofffläche kann besonders schnell für den nächsten Druck gewechselt werden.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass der thermoplastische Kunststoff Polypropylen oder Polyethylen ist.
Vorteilhaft ist Polypropylen und Polyethylen besonders günstig. Polypropylen weist eine geringe Dichte sowie eine gute Haltbarkeit gegenüber mechanischem Verschleiß auf. Polyethylen zeichnet sich durch eine hohe chemische Beständigkeit aus.
Besonders vorteilhaft wird durch das Bedrucken mit Polypropylen oder Polyethylen auf die mit Vakuum fixierte Kunststofffläche der Verzug des 3D-Objektes verhindert, womit der verzugfreie Druck größerer 3D-Objekte möglich wird.
Eine Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass der thermoplastische Kunststoff vor dem Aufdrucken in einer Heizstrecke über einen Temperaturgradienten erwärmt wird.
Über das Erwärmen in einer Heizstrecke kann das zu druckende Filament besonders schonend geschmolzen werden. Dabei kann das Schmelzen des Filaments über einen Temperaturgradienten erfolgen. Durch das schonende Erhitzen des Filaments verbessern sich die Materialeigenschaften des zu druckenden Materials.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die Kunststofffläche aus dem gleichen thermoplastischen Kunststofftyp wie das 3D-Objekt besteht.
Dadurch, das die Kunststoffschicht aus dem gleichen thermoplastischen Kunststofftyp wie das zu druckende Material besteht, kann zwischen der Kunststofffläche und dem zu druckenden Material eine besonders gute Haftung sichergestellt werden. Ein Entfernen der Kunststofffläche nach dem Druck ist nicht notwendig, da diese aus dem gleichen Kunststofftyp wie der zu druckende Gegenstand besteht. Insbesondere bei der Verwendung von Polypropylen als zu druckendes Material haftet dieses besonders gut an einer Polypropylenfolie.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass das Druckbett beheizt ist.
Durch das beheizte Druckbett wird die Kunststofffläche auf dem Druckbett erwärmt, wodurch die Haftung das zu druckenden Materials auf der Kunststofffläche verbessert wird. Vorteilhaft wird durch das beheizte Druckbett ein zu schnelles Auskühlen des zu druckenden Materials verhindert, wodurch Lunker in dem 3D-Objekt verhindert werden.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die Fixierung der Kunststofffläche mittels Elektrostatik unterstützt wird.
Vorteilhaft kann dadurch der Halt der Kunststofffläche auf dem Druckbett verbessert werden.
Die Aufgabe wird auch durch eine Vorrichtung zum additiven Fertigen von 3D-Objekten aus thermoplastischem Kunststoff, bestehend aus einer beheizbaren Düse und einem Druckbett dadurch gelöst, dass das Druckbett Mittel zum Aufbringen eines Vakuums aufweist und eine mit dem Kunststoff des 3D-Objektes kompatible Kunststofffläche mittels Vakuum lösbar mit dem Druckbett verbindbar ist.
Eine Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die Kunststofffläche von einer Speichervorrichtung abrollbar ist.
Vorteilhaft kann die Kunststofffläche auf dem Druckbett dadurch schnell und einfach vor dem nächsten Druck erneuert werden.
Schließlich ist es zur Erfindung gehörig, dass auf dem Druckbett Geometrien vorgesehen sind, die von der Kunststofffläche überdeckbar sind.
Diese Geometrien können beispielsweise Unebenheiten sein, die durch die Kunststofffläche überdeckt werden können. Vorteilhaft können durch die Geometrien individuelle Druckebenen gebildet werden. Diese Ebenen können auch während des Druckvorgangs auf verschiedenen Ebenen des Drucks hinzugefügt werden.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung anhand von Zeichnunen näher erläutert.
Es zeigen

1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäße Vorrichtung zum additiven Fertigen von 3D-Objekten aus thermoplastischem Kunststoff,
2 eine perspektifische Ansicht einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung zum additiven Fertigen von 3D-Objekten aus thermoplastischem Kunststoff,
3 eine perspektifische Ansicht einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung zum additiven Fertigen von 3D-Objekten aus thermoplastischem Kunststoff.

In 1 ist eine Vorrichtung 1 zum additiven Fertigen von 3D-Objekten aus thermoplastischem Kunststoff dargestellt. Die Vorrichtung 1 weist ein Druckbett 2 auf. Das Druckbett 2 weist einen Anschluss zum Aufbringen eines Vakuums 3 auf, der mittels eines Vakuumschlauchs 4 mit Mitteln zum Aufbringen eines Vakuums verbunden ist. Eine Kunststofffläche 5 ist mittels Vakuum lösbar mit dem Druckbett 2 verbindbar. Der Rand der Kunststofffläche 5 weist eine Abdichtung 6 auf.
In 2 ist eine weitere Vorrichtung 1 zum additiven Fertigen von 3D-Objekten aus thermoplastischem Kunststoff dargestellt. Die Vorrichtung weist die gleichen Merkmale wie die Vorrichtung aus 1 auf. Zusätzlich besitzt die Vorrichtung 1 eine Speichervorrichtung 7. Von der Speichervorrichtung 7 ist Kunststofflolie 5 auf das Druckbett 2 abrollbar.
In 3 ist eine weitere Vorrichtung 1 zum additiven Fertigen von 3D-Objekten aus thermoplastischem Kunststoff dargestellt. Die Vorrichtung weist die gleichen Merkmale wie die Vorrichtung aus 2 auf. Zusätlich befinden sich Geometrien 8 und 9 auf dem Druckbett 2. Die Geometrien 8 und 9 werden von der Kunststofffläche 5 überdeckt. Die Geometrien 8 und 9 bilden individuelle Druckebenen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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.
Zitierte Patentliteratur

WO 2018/041839 A1 [0011]
DE 102019110332 A1 [0012]

Claims

Verfahren zur additiven Fertigung von 3D-Objekten aus thermoplastischen Kunststoffen, dadurch gekennzeichnet, dass auf ein Druckbett (2) mittels Vakuums eine Kunststofffläche (5) fixiert wird, auf die das herzustellende 3D-Objekt schichtweise aufgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoplastische Kunststoff Polypropylen oder Polyethylen ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoplastische Kunststoff vor dem Aufdrucken in einer Heizstrecke über einen Temperaturgradient erwärmt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststofffläche (5) aus dem gleichen thermoplastischen Kunststofftyp wie das 3D-Objekt besteht.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckbett (2) beheizt ist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fixierung der Kunststofffläche (5) mittels Elektrostatik unterstützt wird.
Vorrichtung (1) zum additiven Fertigen von 3D-Objekten aus thermoplastischem Kunststoff mit einem Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bestehend aus einer beheizbaren Düse und einem Druckbett (2), dadurch gekennzeichnet, dass das Druckbett (2) Mittel zum Aufbringen eines Vakuums aufweist und eine Kunststofffläche (5) mittels Vakuum lösbar mit dem Druckbett (2) verbindbar ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststofffläche (5) von einer Speichervorrichtung (7) abrollbar ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Druckbett (2) Geometrien (8, 9) vorgesehen sind, die von der Kunststofffläche (5) überdeckbar sind.