DE102021214701A1

DE102021214701A1 - Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts und Vorrichtung zum 3D-Drucken

Info

Publication number: DE102021214701A1
Application number: DE102021214701.1A
Authority: DE
Inventors: Hendrik Jahnle
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-12-20
Filing date: 2021-12-20
Publication date: 2023-06-22
Also published as: WO2023117381A1

Abstract

Die Erfindung umfasst ein Verfahren (100) zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts (10), mit folgenden Schritten:eine Druckstruktur (11), welche einen Innenraum (12) definiert, wird mittels 3D-Druck aus einem Druckmaterial (21) gefertigt (110);die Druckstruktur (11) wird in eine Matrize (36) eines Druckwerkzeugs (35) eingesetzt (115);ein Füllmaterial (22), welches mindestens ein flüssiges oder pastöses Monomer umfasst, wird in den Innenraum (12) eingebracht (120);das Monomer wird zu einem Polymer (24) polymerisiert (130);die befüllte Druckstruktur (11) wird aus der Matrize (36) des Druckwerkzeugs (32) entnommen (135) unddie Druckstruktur (11) wird vom Objekt (10) entfernt (140).Ferner umfasst die Erfindung eine Vorrichtung zum 3D-Drucken (30) und zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens (100), wobei ein Druckkopf (31) zur Ausbringung des Druckmaterials (21) und eine Spritzgussmaschine (40) zur Ausbringung des Füllmaterials (22) vorgesehen sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, insbesondere 3D-Druckverfahren zur Herstellung dreidimensionaler Objekte mit frei wählbarer Formgebung und eine Vorrichtung zum 3D-Drucken und zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Stand der Technik
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.
Beim Aufbringen dieser Schichten entstehen beispielsweise thermischer Verzug am Bauteil, oder Fadenbildung an der Düse des 3D-Druckers. Dadurch können sich die Maße eines Bauteils stark verändern, wodurch nachteilig eine Ungenauigkeit des Bauteils erreicht wird. Eine Reproduzierbarkeit der Bauteile ist dadurch nur schwer zu erreichen.
Das Hauptproblem von 3D gedruckten Teilen aus Kunststoff ist ihre oftmals geringe Belastbarkeit in Aufbaurichtung. Die übereinander gebauten Layer lassen sich mit geringem Kraftaufwand voneinander trennen. Darüber hinaus ist die Oberflächenqualität und Toleranzgenauigkeit je nach Aufbaurate gering.
Oftmals ist es möglich die übereinander gestapelten Layer mit dem bloßen Auge zu erkennen.
Aus der DE 10 2016 222 552 A1 ist bekannt, eine äußere Struktur eines Bauteils über einen ersten Druckkopf aufzubauen und diese Struktur anschließend mit einem polymerisierbaren Füllmaterial aufzufüllen. Diese Verfahren ermöglicht es Bauteile mit erhöhter Festigkeit herzustellen.
Ferner sind Spritzgussverfahren als Industriestandard bekannt, insbesondere bei der Anfertigung von großen Stückzahlen, beispielsweise größer als 10.000 Stück. Spritzgussverfahren sind bei derartigen Stückzahlen effizient, da die Reproduzierbarkeit der Teile sehr hoch ist und zudem auch kosteneffizient produziert werden kann. Das Spritzgusssystem besteht hierbei in der Regel aus einer Förderschnecke, welche mit einer Matrize verbunden ist. In der Matrize befindet sich ein austauschbarer sogenannter Cavity- und Core-Block, der die Form des entstehenden Bauteils vorgibt. Diese „Blöcke“ werden bekannterweise aus Aluminium durch Dreh- und Fräsbearbeitungen gefertigt und sind je nach Bauteilgeometrie aufwendig zu fertigen und dadurch kostenintensiv, so dass sich eine Anfertigung nur nach einer bestimmten Anzahl an angefertigten Produkten lohnt.
Die Förderschnecke transportiert und dosiert ein Kunststoffgranulat, welches geschmolzen und anschließend in die Matrize gefüllt wird. Dort kühlt es ab und ergibt die gewünschte Produktform. Bei einer geringen Matrizenqualität oder beispielsweise einer schlechten Maschineneinstellung, kann Material aus der Form gelangen, so dass sich überschüssiges Material am Produkt befindet, welches anschließend in nachteilhafter Weise in einem weiteren Schritt entfernt werden muss.
Nachteilig bei herkömmlichen Spritzgussverfahren ist insbesondere die hohe notwendige Investition bei der Matrizenanfertigung. Dadurch lohnt sich die Herstellung erst bei einer hohen Stückzahl des Produkts. Ferner ist von Nachteil, dass die Form und das Design des Produktes limitiert ist, da beispielsweise innere Kanäle nicht oder nur mit erhöhtem Aufwand in das Produkt eingebracht werden können.
Im laufenden Betrieb sind Abnutzungen an der Matrize möglich, so dass diese überarbeitet werden müssen und dadurch in nachteilhafter Weise zu einer Ausfallzeit der Produktion sorgen. Zudem ist bei der Nutzung herkömmlicher Matrizen keine schnelle Änderung des Produktes möglich, da neue Matrizen angefertigt werden müssten.
Die Aufgabe ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Objekts, sowie eine Vorrichtung zum 3D-Drucken bereitzustellen, die eine kosteneffiziente Alternative in Bezug auf Kleinserien darstellt, wobei zudem komplexe Objektformen hergestellt werden können.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren, insbesondere 3D-Druckverfahren zur Herstellung dreidimensionaler Objekte mit frei wählbarer Formgebung, und einer Vorrichtung zum 3D-Drucken und zur Durchführung eines Verfahrens erfüllt.
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 die Druckstruktur in eine Matrize eines Druckwerkzeugs eingesetzt und ein Füllmaterial, welches mindestens ein flüssiges oder pastöses Monomer umfasst, wird in den Innenraum eingebracht. Nachdem der Innenraum mit dem Füllmaterial gefüllt ist, wird das Monomer zu einem Polymer polymerisiert. Anschließend wird die befüllte Druckstruktur aus der Matrize des Druckwerkzeugs entnommen und die Druckstruktur wird vom Objekt entfernt.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich Bauteile zu fertigen, welche zumindest vergleichbare Eigenschaften eines Kunststoffspritzgussteils aufweisen.
Wie beschrieben, erreichen Objekte, bzw. Bauteile, hergestellt mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, Eigenschaften wie die eines konventionell gefertigten Spritzgussbauteils, insbesondere was die Oberflächenqualität, den Toleranzbereich und der Stabilität betrifft. Daraus ergeben sich insbesondere die Vorteile, dass gegenüber eines konventionellen Spritzgussbauteils die Anfertigung einer metallischen Spritzgussmatrize entfällt und dies somit besonders attraktiv bei Kleinserien ist. Ferner ist die Bauteilkomplexität nicht limitiert, wie es beim konventionellen Spritzgussverfahren der Fall ist.
In einer Weiterbildung wird die Druckstruktur derart gefertigt, dass eine äußere Kontur der Druckstruktur einer inneren Kontur der Matrize entspricht. Dadurch wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass die Druckstruktur derart ausgestaltet wird, dass es in jede beliebige und vorhandene Matrizenform passt. Daher kann die Druckstruktur in jede beliebige Gussstation eingefügt werden. Dadurch ergeben sich in vorteilhafter Weise vielfältige Möglichkeiten und Kombinationen der Energieeinbringung durch Flüssigkeiten in die Druckstruktur. Zudem ermöglicht die Erfindung in besonders vorteilhafter Weise die Verwendung von vorhandenen Spritzgusswerkzeugkomponenten.
Ferner ist es von Vorteil, dass in die Druckstruktur eine Öffnung zum Einbringen des Füllmaterials eingebracht wird.
In einer Weiterbildung wird die Druckstruktur derart hergestellt, dass der Innenraum eine Negativform einer aus dem Polymer herzustellenden Objektstruktur, oder einen Teil einer solchen Objektstruktur definiert. Das Bauteil kann nach dem Einfügen in die Matrize mit beispielsweise Caprolactam befüllt werden.
In einer Weiterbildung wird die Druckstruktur aus einer Trägerstruktur und einer an den Innenraum angrenzenden Oberfläche gebildet. Dabei ist die Trägerstruktur ein Supportmaterial zwischen der an den Innenraum angrenzenden Oberfläche und der Matrize. Das 3D gedruckte Bauteil wird mit Hilfe von Supportmaterial so gefertigt, dass es in vorteilhafter Weise in eine herkömmliche Spritzgussmatrize eingefügt werden kann. Ein besonderer Vorteil dieser Methode ist, dass auf bereits bestehende Systeme zurückgegriffen werden kann, da z.B. vorhandene Spritzgussmatrizen wiederverwendet werden können.
Die Trägerstruktur ermöglicht ferner in vorteilhafter Weise einen schnellen Wechsel der Produktform, so dass verschiedene Objekte in einer Matrize durch Austausch der Druckstruktur hergestellt werden können und zudem kann die Trägerstruktur nach Beendigung des Druckens und der Aushärtung des Polymers in vorteilhafter Weise schnell vom fertigen Objekt, bzw. Produkt entfernt werden.
In einer ersten Ausführung definiert die an den Innenraum der Druckstruktur angrenzenden Oberfläche die Negativform der aus dem Polymer herzustellenden Objektstruktur, wobei nach der Entfernung der Druckstruktur vom Polymer, das Polymer das dreidimensionale Objekt ausbildet. Nach der Polymerisation wird die komplette Druckstruktur vom Objekt getrennt, wodurch in vorteilhafter Weise ein Bauteil mit hoher Festigkeit in Spritzgussqualität entsteht.
In einer zweiten Ausführung verbindet sich das Füllmaterial bei der Polymerisation mit der an den Innenraum der Druckstruktur angrenzenden Oberfläche der Druckstruktur, wodurch das Polymer und die Oberfläche der Druckstruktur das dreidimensionale Objekt ausbilden. Nach der Polymerisation wird die Trägerstruktur der Druckstruktur vom Objekt getrennt, wodurch in vorteilhafter Weise ein hybrides Bauteil mit hoher Festigkeit in Spritzgussqualität entsteht. Die Druckstruktur weist dabei in vorteilhafter Weise Sollbruchstellen zwischen der Trägerstruktur und der an den Innenraum der Druckstruktur angrenzenden Oberfläche auf, wodurch die Trägerstruktur in einfache Weise von der Oberfläche getrennt werden kann. Bei Bedarf kann das Objekt an der Oberfläche nachbearbeitet werden.
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.
Das Füllmaterial hat beim Einlass in den Innenraum vorteilhaft eine Temperatur, die geringer ist als die Schmelztemperatur T_M 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 T_M zu halten.
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.
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.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Druckmaterial mit einem ersten 3D-Druckkopf zu der Druckstruktur zusammengesetzt, und das Füllmaterial wird durch ein Spritzgussverfahren 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.
Ferner kann der Innenraum während des Polymerisierens des Monomers mit einer unter Druck stehenden Quelle für das Füllmaterial verbunden werden. 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 %.
Ferner kann der Innenraum einen in das Objekt einzubettenden Einleger einschließen. Derartige Einleger können beispielsweise Leiterbahnen, Buchsen und Stecker sein. Insbesondere können auch elektronische Bauelemente oder Permanentmagnete Einleger sein. Derartige Einleger sind hitzeempfindlich und daher mit vielen 3D-Druckverfahren, die das Druckmaterial auf Temperaturen von 200 °C und mehr erhitzen, nicht umbaubar. Das Ausfüllen des Innenraums mit dem Füllmaterial ist hingegen nicht zwingend auf eine bestimmte Mindesttemperatur angewiesen. Nicht einmal die Polymerisation des Monomers zu dem Polymer setzt zwingend eine erhöhte Temperatur voraus, denn die Polymerisation kann auch durch einen Katalysator, einen Aktivator und/oder durch UV-Licht angestoßen und/oder unterhalten werden. Es ist auch möglich, die Polymerisation durch kurzzeitige Temperaturerhöhung zu aktivieren, so dass sie anschließend bei geringerer Temperatur selbsttätig weiterläuft. Der Einleger wird dann nur in geringem Maße wärmebelastet.
Es ist von Vorteil, wenn Caprolactam als Monomer gewählt und zu dem Polyamid PA6 als Polymer polymerisiert wird. 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.
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.
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 bekannte Spritzguss mit Matrizen aus Metall substituiert werden. Insbesondere können der Zeitaufwand und die Kosten, die bei jeder Herstellung und Änderung der Spritzgussform anfallen, vermieden werden.
Nach dem zuvor Gesagten bezieht sich die Erfindung auch auf eine Vorrichtung zum 3D-Drucken und zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei ein Druckkopf für das Druckmaterial und eine Spritzgussmaschine für das Füllmaterial vorgesehen sind.
Der Aufbau der Vorrichtung, bzw. des Druckers kann als Hybriddrucker bezeichnet werden.
Das so entstandene Produkt besitzt in vorteilhafter Weise die gleichen Eigenschaften wie ein Spritzgussteil aus Kunststoff. Da bei diesem Prozess jedoch die Anfertigung einer metallischen Spritzgussmatrize wegfällt, ist dieser Prozess besonders für Kleinserien attraktiv. Darüber hinaus ist die Form des Produktes vom 3D Drucker abhängig, sodass bisher unmögliche Applikationen und Formen des Produktes möglich werden. Die Qualität der Matrize kann in diesem Fall vernachlässigt werden, da diese im 3D Druck Prozess mit gedruckt wird.
Ferner ergibt sich durch das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung der Vorteil, dass auf ein bereits bewehrtes System, das des Spritzgussverfahrens, zurückgegriffen werden kann und dadurch auf eine Neuentwicklung einer Befüllmaschine zum Hinzufügen des Füllmaterials verzichten werden kann. Das Verfahren ist dabei optimal für die Fertigung von Kleinserien, bei der sich eine Entwicklung von Formen, beispielsweise Cavity- & Core-Blöcken, nicht rentieren würde. Dadurch kann in vorteilhafter Weise schnell und agil auf veränderte Produktanforderungen regiert werden, ohne dass eine Neuentwicklung der Matrizenform nötig ist. Zudem ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren die Fertigung von aufwendigen Produkten, die mit herkömmlichen Spritzgusssystemen nicht möglich sind. Ein Beispiel dafür sind innere Kanäle, welche zur Verbesserung der Produktfunktion beitragen können.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.
Figurenliste
Es zeigen:

1 ein Druckkopf 31 zur Ausführung eines Verfahrens 100 gemäß der Erfindung in einem Verfahrensschritt;
2 ein Druckwerkzeug 35 zur Ausführung des Verfahrens 100 in einem weiteren Verfahrensschritt;
3 eine Spritzgussmaschine 40 zur Ausführung des Verfahrens 100 in einem weiteren Verfahrensschritt;
4 ein Objekt 10 in einem weiteren Verfahrensschritt und
5 ein Ablaufdiagramm des Verfahrens 100 gemäß der Erfindung.

Ausführungsbeispiele
1 bis 4 zeigen eine Vorrichtung 30 zur Ausführung des Verfahrens 100 gemäß der Erfindung in verschiedenen Verfahrensschritten, wobei die Vorrichtung zum 3D-Drucken 30 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens 100, einen Druckkopf 31 für ein Druckmaterial 21 und eine Spritzgussmaschine 40 für ein Füllmaterial 22 aufweist. Der Aufbau der Vorrichtung 30, bzw. des Druckers kann als Hybriddrucker bezeichnet werden.
1 zeigt die Vorrichtung 30 während eines Verfahrensschritts 110 zum Druck der Druckstruktur 11, wobei Druckmaterial 21 aus dem Druckkopf 31 auf eine Bauplatte 32 in einer Baukammer 33 des Druckers 30 aufgebracht wird und dadurch die Druckstruktur 11 einen Innenraum 12 ausbildet.
Die Druckstruktur 11 ist derart ausgestaltet, dass eine äußere Kontur 13 der Druckstruktur 11 derart ausgebildet ist, dass diese einer in 2 gezeigten inneren Kontur 37 einer Matrize 36 eines Druckwerkzeugs 35 entspricht. Ferner weist die Druckstruktur 11 eine Öffnung 14 zum Einbringen des Füllmaterials 22 in den Innenraum 12 auf.
Die Druckstruktur 11 ist zudem aus einer Trägerstruktur 15 und einer an den Innenraum 12 angrenzenden Oberfläche 16 ausgebildet. Die Trägerstruktur 15 bildet dabei ein Supportmaterial zwischen der an den Innenraum 12 angrenzenden Oberfläche 16 und der Matrize 36 aus. Durch die Trägerstruktur 15 ist ein Wechsel der Produktform möglich, so dass verschiedene Objekte 10 in einer Matrize 36 durch Austausch der Druckstruktur 11 hergestellt werden können.
Die Gestaltung der Druckstruktur 11 richtet sich dabei an die jeweilige Matrize 36, bzw. Spritzgussmatrize, sodass sich die Öffnung 14, bzw. der Einspritzkanal oder auch die Einspritzkanäle je nach Position in der Matrize 36 anpassen lassen. Die Trägerstruktur 15, bzw. das Supportmaterial der Druckstruktur 11 wird an die Matrizenform 36, bzw. den Raum für die Cavity- und Coreformen angepasst, so dass es optimal in die Matrize 36 eingesetzt werden kann.
2 zeigt das Druckwerkzeug 35 während eines weiteren Verfahrensschritts 115, wobei die Druckstruktur 11 in die Matrize 36 des Druckwerkzeugs 35 eingesetzt wird. Das Druckwerkzeug 35 ist in zweigeteilter Form ausgebildet, wobei die Druckstruktur 11 in einen unteren Teil 51 des Druckwerkzeugs 35 derart eingesetzt ist, dass die äußere Kontur 13 der Druckstruktur 11 in die Matrize 36 eingepasst ist. Der untere Teil 51 des Druckwerkzeugs 35 weist Stifte 53 auf, die in Ausnehmungen 54 eines oberen Teils 52 des Druckwerkzeugs 35 eingreifen, um die beiden Teile 51, 52 des Druckwerkzeugs 35 miteinander zu befestigen und/oder zu verspannen. Am oberen Teil 52 des Druckwerkzeugs 35 ist eine Buchse 38 zum Einbringen des Füllmaterials 22 angeordnet. Diese ist derart ausgestaltet, dass sie zur Aufnahme einer entsprechenden Druckvorrichtung 40 zum Einbringen des Füllmaterials 22 geeignet ist. Beispielhaft ist der Austausch von der Druckstruktur 11 durch eine andere Druckstruktur 11' gezeigt.
3 zeigt die Vorrichtung 30 während des Spritzgussverfahrens 120, wobei das Füllmaterial 22, welches mindestens ein flüssiges oder pastöses Monomer umfasst, in den Innenraum 12 der Druckstruktur 11 eingebracht wird.
Das Füllmaterial 22 kann mindestens einen festen Füllstoff 25 enthalten, wobei dieser beispielsweise ein Verstärkungsstoff, insbesondere in Form von Fasern ist. Das Füllmaterial 22, 25 befindet sich in einem Behälter 42 einer Druckvorrichtung 40, die als Spritzgussmaschine 40 ausgeführt ist und wird innerhalb einer Förderschnecke 41 erhitzt. Die Förderschnecke 41 transportiert das Füllmaterial 22, 25 anschließend durch die Buchse 38 des Druckwerkzeugs 35 in den Innenraum 12 der Druckstruktur 11 und bringt dieses, bis der Innenraum 12 vollständig mit dem Füllmaterial 22, 25 gefüllt ist, ein. Das Füllmaterial 22 ist bevorzugt Caprolactam.
Anschließend wird das Monomer 22 zu einem Polymer 24 in einem weiteren Verfahrensschritt 130 polymerisiert und die befüllte Druckstruktur 11 wird wie in 4 gezeigt, aus der Matrize 36 des Druckwerkzeugs 35 entnommen.
4 zeigt den Verfahrensschritt 135 der Entnahme der Druckstruktur 11 aus der Matrize 36 des Druckwerkzeugs 35 und den folgenden Verfahrensschritt 140, wobei die Trägerstruktur 15 der Druckstruktur 11 vom gedruckten Objekt 10 entfernt wird.
Der Innenraum 12 definiert dabei eine Negativform einer aus dem Polymer 24 herzustellenden Objektstruktur 28, oder einen Teil einer solchen Objektstruktur 28.
In einem ersten Ausführungsbeispiel definiert die Oberfläche 16 die Negativform der aus dem Polymer 24 herzustellenden Objektstruktur 28, wobei nach der Entfernung der Druckstruktur 11 vom Polymer 24, das Polymer 24 das dreidimensionale Objekt 10 ausbildet.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel verbindet sich das Füllmaterial 22 bei der Polymerisation mit der Oberfläche 16 der Druckstruktur 11, wodurch das Polymer 24 und die Oberfläche 16 der Druckstruktur 11 das dreidimensionale Objekt 10 ausbilden.
Die Trägerstruktur 15, bzw. die Druckstruktur 11 kann nach Beendigung des Druckens und der Aushärtung des Polymers 24 schnell vom fertigen Objekt 10, bzw. Produkt entfernt werden. Das Ergebnis ist ein Objekt 10, bzw. ein Bauteil in Kunststoffspritzgussqualität, welches pro Spritzgussvorgang individuell angepasst werden kann.
5 zeigt die Verfahrensschritte 110 bis 140 des erfindungsgemäßen Verfahrens 100 zur Herstellung des dreidimensionalen Objekts 10 mit folgenden Schritten:

die Druckstruktur 11, welche den Innenraum 12 definiert, wird mittels 3D-Druck aus dem Druckmaterial 21 gefertigt 110;
die Druckstruktur 11 wird in die Matrize 36 des Druckwerkzeugs 35 eingesetzt 115;
das Füllmaterial 22, welches mindestens ein flüssiges oder pastöses Monomer umfasst, wird in den Innenraum 12 eingebracht 120;
das Monomer wird zu einem Polymer 24 polymerisiert 130;
die befüllte Druckstruktur 11 wird aus der Matrize 36 des Druckwerkzeugs 32 entnommen 135 und
die Druckstruktur 11 wird vom Objekt 10 entfernt 140.

Die Druckstruktur wird 11 derart gefertigt, dass die äußere Kontur 13 der Druckstruktur 11 der inneren Kontur 37 der Matrize 36 entspricht. Ferner wird in die Druckstruktur 11 die Öffnung 14 zum Einbringen des Füllmaterials 22 eingebracht.
Die Druckstruktur 11 wird zudem aus der Trägerstruktur 15 und der an den Innenraum 12 angrenzenden Oberfläche 16 gebildet.
Der Innenraum 12 definiert eine Negativform einer aus dem Polymer 24 herzustellenden Objektstruktur 28, oder einen Teil einer solchen Objektstruktur 28.
In einem ersten Ausführungsbeispiel des Verfahrens 100 definiert die Oberfläche 16 die Negativform der aus dem Polymer 24 herzustellenden Objektstruktur 28, wobei nach der Entfernung der Druckstruktur 11 vom Polymer 24, das Polymer 24 das dreidimensionale Objekt 10 ausbildet.
Nach der Polymerisation wird die komplette Druckstruktur 11 vom Objekt 10 getrennt, wodurch in vorteilhafter Weise ein Bauteil mit hoher Festigkeit in Spritzgussqualität entsteht.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel des Verfahrens 100 verbindet sich das Füllmaterial 22 bei der Polymerisation mit der Oberfläche 16 der Druckstruktur 11 verbindet, wodurch das Polymer 24 und die Oberfläche 16 der Druckstruktur 11 das dreidimensionale Objekt 10 ausbilden.
Nach der Polymerisation wird die Trägerstruktur 15 der Druckstruktur 11 vom Objekt 11 getrennt, wodurch in vorteilhafter Weise ein hybrides Bauteil mit hoher Festigkeit in Spritzgussqualität entsteht. Die Druckstruktur 11 weist dabei in vorteilhafter Weise Sollbruchstellen zwischen der Trägerstruktur 15 und der an den Innenraum 12 der Druckstruktur 11 angrenzenden Oberfläche 16 auf, wodurch die Trägerstruktur 15 in einfache Weise von der Oberfläche 16 getrennt werden kann. Bei Bedarf kann das Objekt 10 an der nun entstandenen Oberfläche nachbearbeitet werden.
In einem weiteren Schritt des Verfahrens 100 wird ein Füllmaterial 22 gewählt, welches mindestens einen festen Füllstoff 25 enthält, wobei ein Verstärkungsstoff, insbesondere in Form von Fasern, als Füllstoff 25 gewählt wird.
Bevorzugt wird das Druckmaterial 21 mit dem 3D-Druckkopf 31 zu der Druckstruktur 11 zusammengesetzt 110 und das Füllmaterial 22 wird durch ein Spritzgussverfahren in den Innenraum 12 eingebracht 120.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016222552 A1 [0006]

Claims

Verfahren (100) zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts (10), gekennzeichnet durch folgende Schritte: eine Druckstruktur (11), welche einen Innenraum (12) definiert, wird mittels 3D-Druck aus einem Druckmaterial (21) gefertigt (110); die Druckstruktur (11) wird in eine Matrize (36) eines Druckwerkzeugs (35) eingesetzt (115); ein Füllmaterial (22), welches mindestens ein flüssiges oder pastöses Monomer umfasst, wird in den Innenraum (12) eingebracht (120); das Monomer wird zu einem Polymer (24) polymerisiert (130); die befüllte Druckstruktur (11) wird aus der Matrize (36) des Druckwerkzeugs (32) entnommen (135) und die Druckstruktur (11) wird vom Objekt (10) entfernt (140).
Verfahren (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckstruktur (11) derart gefertigt wird, dass eine äußere Kontur (13) der Druckstruktur (11) einer inneren Kontur (37) der Matrize (36) entspricht.
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die Druckstruktur (11) eine Öffnung (14) zum Einbringen des Füllmaterials (22) eingebracht wird.
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum (12) eine Negativform einer aus dem Polymer (24) herzustellenden Objektstruktur (28), oder einen Teil einer solchen Objektstruktur (28), definiert.
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckstruktur (11) aus einer Trägerstruktur (15) und einer an den Innenraum (12) angrenzenden Oberfläche (16) gebildet wird.
Verfahren (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (16) die Negativform der aus dem Polymer (24) herzustellenden Objektstruktur (28) definiert, wobei nach der Entfernung der Druckstruktur (11) vom Polymer (24), das Polymer (24) das dreidimensionale Objekt (10) ausbildet.
Verfahren (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Füllmaterial (22) bei der Polymerisation mit der Oberfläche (16) der Druckstruktur (11) verbindet, wodurch das Polymer (24) und die Oberfläche (16) der Druckstruktur (11) das dreidimensionale Objekt (10) ausbilden.
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Füllmaterial (22) gewählt wird, welches mindestens einen festen Füllstoff (25) enthält.
Verfahren (100) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verstärkungsstoff, insbesondere in Form von Fasern, als Füllstoff (25) gewählt wird.
Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckmaterial (21) mit einem 3D-Druckkopf (31) zu der Druckstruktur (11) zusammengesetzt wird (110) und dass das Füllmaterial (22) durch ein Spritzgussverfahren in den Innenraum (12) eingebracht wird (120).
Vorrichtung zum 3D-Drucken (30), dadurch gekennzeichnet, dass zur Durchführung eines Verfahrens (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ein Druckkopf (31) zur Ausbringung des Druckmaterials (21) und eine Spritzgussmaschine (40) zur Ausbringung des Füllmaterials (22) vorgesehen sind.