-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils im Wege der additiven Fertigung, wobei als Werkstoff für das Bauteil vorzugsweise ein Polymer, insbesondere ein Thermoplast, verwendet wird, und wobei das Bauteil durch schichtweises Auftragen des Werkstoffs im Schmelzezustand erzeugt wird. Die additive Fertigung erfolgt in der Regel auf einem Drucktisch der entsprechenden Fertigungsanlage, welche eine ebene Auflagefläche für die additive Fertigung bildet.
-
Die Erfindung betrifft insbesondere auf Extrusion basierende additive Fertigungsverfahren, bei denen der z.B. als Granulat bereitgestellte Polymerwerkstoff zunächst in einer Extruderschnecke erhitzt und aufgeschmolzen wird. Diese Verfahren eignen sich vor allem zur Herstellung vergleichsweise großer Bauteile. In extrusionsbasierten additiven Fertigungsverfahren ist aufgrund der begrenzten Schmelzestabilität regelmäßig der Druck von Stützstrukturen vonnöten, um beispielsweise Überhänge bzw. freie Ebenen im Raum zu drucken. Dies bedarf einer parametrischen Abwägung von Materialmenge und Füllmuster etc., um möglichst schnell geschlossene Schichten im Raum aufbauen zu können. Die Stützstrukturen ermöglichen es, überhängende Strukturen des eigentlichen Bauteils im Druckprozess abzustützen, so dass ein Einstürzen des Bauteils verhindert wird.
-
Nachteilig bei den Stützstrukturen ist unter anderem der zusätzliche Materialbedarf hierfür sowie die verlängerte Druckdauer. Darüber hinaus wird das Gewicht des entsprechend hergestellten Bauteils durch die Stützstrukturen erhöht, sofern diese dauerhaft im bzw. am fertig hergestellten Bauteil verbleiben.
-
Der Erfindung liegt folglich die Aufgabe zugrunde, den durch Stützstrukturen bedingten Mehraufwand bei der Herstellung von Bauteilen im Wege der additiven Fertigung zu reduzieren.
-
Ausgehend von einem Verfahren mit der eingangs beschriebenen Merkmalen wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zur Vermeidung von additiv gefertigten Stützstrukturen ein während der additiven Fertigung entstehender Hohlraum im und/oder am Bauteil mittels mindestens einer vorgefertigten, eigenstabilen plattenförmigen Struktur abgedeckt wird, auf die im Wege der fortgesetzten Bauteilherstellung anschließend zumindest bereichsweise ein schichtweises Auftragen von Werkstoff erfolgt. Der Begriff Hohlraum im Rahmen der Erfindung umfasst auch offene Hohlräume und insbesondere auch Überstände. Solche erfindungsgemäßen Hohlräume erfordern regelmäßig die Anordnung von Stützstrukturen, welche durch die erfindungsgemäße Lehre entbehrlich werden. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass aufwändige, im Wege des additiven Schichtaufbaus zu erzeugende Stützstrukturen auf sehr einfache Weise durch Integration der erfindungsgemäßen plattenförmigen Struktur in das Bauteilherstellungsverfahren entbehrlich werden, da diese separate, vorgefertigte plattenförmige Struktur die entsprechende Stützfunktion übernimmt. Die plattenförmige Struktur fungiert erfindungsgemäß insbesondere als Prozesshilfsmittel, welches eine Stützfunktion gewährleistet, bis der additiv gefertigte Werkstoff abgekühlt und ausgehärtet ist, so dass dieser Werkstoff dann selbst die entsprechende tragende Funktion übernehmen kann. Die „Eigenfertigung“ der Stützkonstruktion im Rahmen des Bauteilherstellungsverfahren selbst wird somit durch den Einsatz einer im Rahmen des Herstellungsprozesses eingefügten Stützvorrichtung in Form der plattenförmigen Struktur ersetzt. Die geometrische Gestaltung und Materialwahl bzgl. der plattenförmigen Struktur ist damit in vorteilhafter Weise auch vollkommen unabhängig vom eigentlichen Bauteilherstellungsverfahren. Die plattenförmige Struktur kann als ebene Platte ausgebildet sein, wobei die Anordnung einer (oder ggf. auch mehrerer) sich z.B. auf dem Drucktisch bzw. der additiv gefertigten Basistruktur abstützenden Stütze an der plattenförmigen Struktur zur weiteren Verbesserung der Stützwirkung hierdurch jedoch nicht ausgeschlossen wird. In der Regel kommt die plattenförmige Struktur im Rahmen der Erfindung jedoch ohne eine Stütze aus. Die mittlere Dicke, also die mittlere Wandstärkte der plattenförmigen Struktur beträgt vorzugsweise maximal 2 cm, insbesondere maximal 1 cm.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfidnung wird der additive Fertigungsvorgang vor der Abdeckung des Hohlraums mit der plattenfömigen Struktur angehalten und nach der Hohlraumabdeckung durch die Struktur fortgesetzt. Der gesamte Herstellungsprozess besteht in diesem Fall folglich aus mindestens drei separaten Schritten: a) additive Fertigung, so dass mindestens ein Auflagebereich für die mindestens eine plattenförmige Struktur fertiggestellt ist, b) Auflegen der plattenförmigen Struktur auf diesen Auflagebereich und c) Fortsetzung der additiven Fertigung, wobei in diesem Zusammenhang eine zumindest bereichsweise Bedeckung der plattenförmigen Struktur mittels additiver Fertigung und ggf. die Fertigstellung des Bauteils erfolgt. Es versteht sich, dass bei Bedarf die Schritte b) und c) auch nacheinander mehrfach durchgeführt werden können, um beispielsweise mehrere übereinander angeordnete plattenförmige Strukturen in den Fertigungsprozess zu integrieren.
-
Insgesamt ist es vorteilhaft, wenn die plattenförmige Struktur trotz ihrer Eigenstabilität eine geringe Dichte aufweist. Vorzugsweise besitzt die plattenförmige Struktur ein Flächengewicht von weniger als 600 g / m2, insbesondere weniger als 400 g / m2. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht die plattenförmige Struktur aus Kartonage, insbesondere Kartonage mit inneren Hohlräumen. Kartonage kann sehr einfach auf die gewünschte Gestalt zugeschnitten werden und ist darüber hinaus sehr kostengüstig bzw. sogar als ohnehin in jedem Haushalt bzw. in jedem Betrieb anfallendes Abfallmaterial „kostenlos“. Andere, beispielsweise geschäumte Materialien, wie z.B. Polystyrol oder dergl. liegen jedoch ebenso im Rahmen der Erfindung. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, dass die plattenförmige Struktur ganz allgemein aus einem Kunststoffmaterial besteht. In diesem Zusammenhang - aber auch ganz generell - kann das Flächengewicht auch oberhalb der oben genannten 600 g / m2 liegen, z.B. wenn für die plattenförmige Struktur eine ungeschäumte Kunststoffplatte zum Einsatz kommt.
-
Im Rahmen der Erfindung liegt es insbesondere, dass die plattenförmige Struktur dauerhaft im fertig hergestellten Bauteil verbleibt, so dass auch eine ergänzende dauerhafte Stabilisierung des Bauteils durch die plattenförmige Struktur gewährleistet ist. Sofern es bei der erfindungsgemäßen Abstützung von geschlossenen Hohlräumen beispielsweise aus optischen oder auch aus anderen Gründen (z.B. Vermeidung von Medieneindrang in die plattenförmige Struktur, bspw. Feuchtigkeit) gewünscht ist, kann es zweckmäßig sein, dass die plattenförmige Struktur nach der Fertigstellung des Bauteils vollständig von Werkstoff umgeben ist.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die plattenförmige Struktur nach ihrer Einbringung in das Bauteil oberseitig in ihrem den Hohlraum überdeckenden Bereich zumindest bereichsweise mit dem Werkstoff bedeckt. Insbesondere kann die plattenförmige Struktur nach ihrer Einbringung in das Bauteil oberseitig vollständig mit dem Werkstoff bedeckt werden.
-
Zweckmäßigerweise entspricht die Dicke der plattenförmigen Struktur der lokalen Schichthöhe des schichtweise aufgetragenen Werkstoffes oder einem ganzzahligen Mehrfachen dieser Schichthöhe. Dies meint, dass der Unterschied zwischen der Dicke der plattenförmigen Struktur und der lokalen Werkstoff-Schichthöhe bzw. dem ganzzahligen Mehrfachen hiervon weniger als 10 % der Platten-Dicke beträgt, insbesondere weniger als 5 %, besonders bevorzugt weniger als 3 %. Dies hat den Vorteil, dass bei einer Anordnung von (ggf. mehrschichtigem) Werkstoff und Struktur nebeneinander der obere Rand des Werkstoffes und der obere Rand der Struktur miteinander abschließen, d.h. auf derselben Höhe liegen. Dies erleichtert die Aufbringung einer darauf aufzutragenen Werkstoffschicht, welche sowohl die darunter liegende Schicht als auch die plattenförmige Struktur bedecken soll.
-
Im Rahmen der Erfindung liegt es insbesondere, dass vor dem Auflegen der plattenförmigen Struktur mittels der additiven Fertigung mindestens ein geometrisch definierter Auflagesteg für die plattenförmige Struktur hergestellt wird. Auf diesen mindestens einen Auflagesteg wird die plattenförmige Struktur dann aufgelegt. Die plattenförmige Struktur kann randseitig eine (z.B. umlaufende) oder mehrere Auflagezunge/n aufweisen, die für eine Auflage auf den mindestens einen Auflagesteg vorgesehen ist/sind. Der Auflagesteg kann ringförmig umlaufend ausgebildet sein, wobei vorzugsweise die gesamte Außenberandung der plattenförmigen Struktur darauf aufliegt. Im Rahmen der Erfindung liegt es hierbei grundsätzlich, dass sich die plattenförmige Struktur ausschließlich auf dem bereits gedruckten Teil des gesamten, in der Herstellung befindlichen Bauteils abstützt, also insbesondere ausschließlich auf dem ggf. ringförmig umlaufend ausgebildeten, Auflagesteg. Zweckmäßigerweise steht der Auflagesteg an seinem Außenrand nach oben vor und ermöglicht damit vorzugsweise eine Zentrierung der plattenförmigen Struktur. Insbesondere kann die Höhe des Steges der Dicke der plattenförmigen Struktur entsprechen, so dass die Oberkante der Struktur und der Steg auf derselben Höhe abschließen und damit eine optimale Basis für die Aufbringung weiterer Werkstoffschichten auf Steg und Struktur geschaffen wird.
-
Die erfindungsgemäße Lehre ist insbesondere für die Herstellung von großen Bauteilen, z.B. mit einem Hüllvolumen von mindestens 100 Litern, geeignet, wobei hierdurch die Anwendung bei kleinen Bauteilen selbstredend nicht ausgeschlossen wird. Im Rahmen der Erfindung liegt es vorzugsweise, dass die plattenförmige Struktur eine Plattenoberfläche von mindestens 0,1 m2, z.B. mindestens 0,2 m2 aufweist. Hierdurch sind jedoch - je nach Anwendungsfall - kleinere Plattenoberflächen, z.B. im Bereich von 0,01 m2, nicht ausgeschlossen.
-
Die Erfindung betrifft ferner auch ein Bauteil, welches mit dem vorbeschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird.
-
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlich erläutert. Es zeigen schematisch:
- 1a eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
- 1b die Ansicht A in 1a
- 2 eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäß hergestelltes Bauteil,
- 3 eine weitere Ausführungsform der Erfindung in einer der 2 entsprechenden Darstellung,
- 4 der Schnitt B-B in 2,
- 5 der Schnitt C-C in 3,
- 6 eine dreidimensionale Darstellung eines weiteren erfindungsgemäß hergestellten Bauteils,
- 7 die Draufsicht X in 6 und
- 8 die Seitenansicht D in 7
-
Die 1a,b zeigen eine 3D-Druckvorrichtung 100 zur Herstellung eines Bauteils 1 im Wege der additiven Fertigung. Die 3D-Druckvorrichtung weist einen in vertikale Richtung z verschiebbaren Drucktisch 2 (1a) für das herzustellende Bauteil 1 sowie eine in horizontaler Ebene, also die Raumrichtungen x, y verfahrbare Düse 3 auf, aus der der Werkstoff 4 des Bauteils 1 in Form einer thermoplastischen (ggf. auch Verstärkungsfasern enthaltende) Polymerschmelze, z.B. aus einem Polyolefin (bspw. PP oder PE), Polyamid, einem Polyester, einem thermoplastischen Polyurethan oder einem Styrolcopolymer austritt. Die Polymerschmelze wird mit Hilfe eines nicht dargestellten Extruders bereitgestellt, mit dem z.B. in Granulatform vorliegendes Polymer aufgeschmolzen wird. Das Bauteil 1 wird durch schichtweises Auftragen des Polymers im Schmelzezustand erzeugt, wobei hierzu im Ausführungsbeispiel der Drucktisch 2 gemäß dem Fortschritt der Bauteilerzeugung immer weiter nach unten abgesenkt wird (1b). Die Düse 3 ist im Ausführungsbeispiel auf einem Schlitten 5 montiert, der in der Horizontalebene x, y an Schienen 6 geführt ist. Alternativ hierzu ist es auch denkbar, dass die Düse 3 an einem Roboterarm befestigt ist (nicht dargestellt). Ferner kann die Düse 3 auch auf einem Gestell montiert sein, welches eine Verfahrbarkeit in vertikale Raumrichtung z sowie eine horizontale Verfahrbarkeit in eine Raumrichtung x (also insgesamt in einer vertikalen Ebene) ermöglicht, wobei die Verfahrbarkeit in eine weitere horizontale Raumrichtung y (also quer, insbesondere senkrecht zur vertikalen Ebene) durch eine entsprechend bewegbare Auflageplatte gewährleistet ist (nicht dargestellt). Die Düse 3 ist beheizbar ausgebildet und an einen (nicht dargestellten) Extruder angeschlossen, welcher granulatförmiges Polymermaterial aufschmilzt und zur Düse 3 fördert.
-
Die 2 bis 5 zeigen Bauteile 1, die mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens im Wege der additiven Fertigung hergestellt wurden. Als Werkstoff 4 für die Bauteile 1 wurde ein Thermoplast verwendet und die Bauteile 1 wurden - wie zuvor beschreiben - durch Auftragen des Werkstoffs 4 im Schmelzezustand in einer Vielzahl von Schichten 5 erzeugt. Zur Vermeidung von additiv gefertigten Stützstrukturen wurde ein während der additiven Fertigung entstehender Hohlraum 6 im Bauteil 1 mittels einer vorgefertigten, eigenstabilen plattenförmigen Struktur 7 abgedeckt. Auf diese Struktur 7 erfolgte im Wege der fortgesetzten Bauteilherstellung - wie aus den 4,5 ersichtlich - anschließend ein schichtweises Auftragen von Werkstoff 4. Der additive Fertigungsvorgang wurde vor der Abdeckung des Hohlraums 6 mit der plattenfömigen Struktur 7 angehalten und nach der Hohlraumabdeckung mit dieser Struktur 7 fortgesetzt. Die plattenförmige Struktur 7 weist ein Flächengewicht von weniger als 600 g / m2 aufweist besteht im Ausfühungsbeispiel aus Kartonage. Es ist erkennbar, dass die plattenförmige Struktur 7 dauerhaft im fertig hergestellten Bauteil 1 verbleibt. Ferner ist den 4, 5 zu entnehmen, dass die plattenförmige Struktur 7 nach ihrer Einbringung in das Bauteil 1 oberseitig vollständig mit dem Werkstoff 4 bedeckt wird.
-
Während im Ausführungsbeispiel gemäß 4 die Dicke d der plattenförmigen Struktur 7 der lokalen Schichthöhe s des schichtweise aufgetragenen Werkstoffes 4 entspricht, beträgt im Ausführungsbeispiel gemäß 5 die Dicke d der plattenförmigen Struktur 7 das Doppelte dieser Schichthöhe s. Hierdurch ist jeweils der ebene Auftrag der darüber angeordneten Schicht 5" möglich, die sowohl die darunterliegende Schicht 5' als auch die plattenförmige Struktur 7 bedeckt.
-
Man erkennt in den 2 - 5 ferner, dass vor dem Auflegen der plattenförmigen Struktur 7 mittels der additiven Fertigung mindestens ein definierter Auflagesteg 8 für die plattenförmige Struktur 7 hergestellt wurde. Im Beispiel gemäß 2 und 4 ist der Auflagesteg 8 ringförmig umlaufend ausgebildet und die gesamte Außenberandung der plattenförmigen Struktur 7 liegt auf dem ringförmigen Auflagesteg 8 auf. Im Beispiel gemäß 3 und 5 hingegen sind zwei voneinander getrennte, jeweils gerade Auflagestege 8 vorgesehen und die plattenförmige Struktur 7 liegt mit jeweils einer Randseite auf einem Auflagesteg 8 auf. Einer vergleichenden Betrachtung der 2 und 4 kann entnommen werden, dass der ringförmig umlaufende Auflagesteg 8 an seinem Außenrand nach oben vorsteht und damit eine Zentrierung der plattenförmigen Struktur 7 ermöglicht. Die Höhe der Stege 8 entspricht jeweils der Dicke d der plattenförmigen Struktur 7 (s. 4, 5), so dass Oberkante von Struktur 7 und Steg 8 auf derselben Höhe abschließen und damit eine optimale Basis für die Aufbringung der darüber liegenden Werkstoffschicht 5" gemeinsam auf Steg/e 8 und Struktur 7 geschaffen wird. Die plattenförmige Struktur 7 weist in den Ausführungsbeispielen eine Plattenoberfläche von mindestens 0,1 m2 auf. In 5 ist zu erkennen, dass die dortige plattenförmige Struktur 7 zusätzlich über eine senkrecht ausgerichtete Stütze 9 verfügt, die sich auf dem Drucktisch 2 abstützt. Diese vorgefertige Stütze 9 kann nach Beendigung der additiven Fertigung und Aushärtung des Werkstoffs 4 entfernt werden.
-
Die 6 bis 8 zeigen Darstellungen eines weiteren erfindungsgemäß hergestellten Bauteils 1. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Bauteil 1 als polymerer Abwasserschacht mit zylindrischer Grundform, einem Durchmesser d von mehr als 100 cm und mehreren in der Zylinderwandung vorgesehenen Öffnungen 50 für den Zu- bzw. Ablauf von Abwasser ausgebildet. Die additive Fertigung erfolgt hier auf einer vorgefertigten Grundplatte 10, welche eine ebene Auflagefläche bildet. Diese Grundplatte 10 wird während der additiven Fertigung mittels einer Befestigungseinrichtung 12 gegen Verzug gesichert, hierdurch in einem ebenen Zustand gehalten und liegt auf einem die Befestigungseinrichtung 12 aufweisenden ebenen Drucktisch 2 auf. Der Drucktisch 2 ist z.B. quadratisch gestaltet und mit einer Kantenlänge D von mindestens 150 cm ausgebildet. Die Befestigungseinrichtung 12 umfasst entlang des Außenumfanges der Grundplatte 10 verteilte, zum Teil mittels Schraubverbindungen 16 auf dem Drucktisch 2 befestigte Spannelemente 14, 14`, die die Grundplatte 10 an deren äußeren Umfang gegen den Drucktisch 2 pressen. In 7 ist angedeutet, dass der Abwasserschacht 1 über zwei geschlossene Hohlräume 6 verfügt. Diese wurden erfindungsgemäß mit jeweils einer plattenförmigen Struktur 7 abgedeckt, auf die anschließend Werkstoff 4 schichtweise aufgetragen wurde, so dass im fertig hergestellten Bauteil 1 die beiden plattenförmigen Strukturen 7 vollständig mit dem Werkstoff 4 bedeckt sind. Die plattenförmigen Strukturen 7 sind im fertig hergestellten Bauteil ferner vollständig von Werkstoff 4 umgeben und damit gegen Feuchtigkeit geschützt.
