DE102022200609A1

DE102022200609A1 - Verfahren zur additiven Herstellung von dreidimensionalen Bauteilen

Info

Publication number: DE102022200609A1
Application number: DE102022200609.7A
Authority: DE
Inventors: Aljoscha Roch; Sven Halank; Felix Alber
Original assignee: Am Extrusion GmbH
Current assignee: Am Extrusion GmbH
Priority date: 2022-01-20
Filing date: 2022-01-20
Publication date: 2023-07-20

Abstract

Bei dem Verfahren zur additiven Herstellung von dreidimensionalen Bauteilen werden vorgegebene Bereiche des jeweiligen Bauteils durch schichtweisen Auftrag eines Materials, das mit oder aus mindestens einem Kunststoff gebildet ist, ausgebildet indem mittels mindestens eines Druckkopfes auf einem Druckbett Filamente des Materials als plastisch verformbare Filamente in mehreren Schichten übereinander angeordnet und dabei das Druckbett und der mindestens eine Druckkopf relativ zueinander bewegt werden. Das Material wird während des schichtweisen Auftrags oder im Nachgang zum schichtweisen Aufbau des jeweiligen Bauteils ausgehärtet. Die Vorschubbewegungsrichtung(en) des bewegten Druckkopfes und/oder des Druckbetts wird dabei in vorgegebenen Bereichen beim Ablegen der Filamente nach maximal fünf übereinander angeordneten Filamenten in die jeweils entgegengesetzte Vorschubbewegungsrichtung geändert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Herstellung von dreidimensionalen Bauteilen.
Das Drucken von dreidimensionalen Bauteilen in der additiven Fertigung erfolgt in der Regel „Layer by Layer“ also schichtweise und dann wiederum Linie für Linie innerhalb jeder Schicht (d.h. jedes Layers). Das Fused-Filament-Fabrication-Verfahren (FFF-Verfahren) basiert auf einem Kunststofffilament, das mit Metallpulver oder Keramikpulver angereichert sein kann. Dieses Filament wird in einem Druckkopf falls erforderlich aufgeschmolzen und linienförmig als Strang mit geeigneter Viskosität Schicht auf Schicht aufgetragen. Der Druckkopf mit mindestens einer Austrittsdüse für das jeweilige Filament und/oder ein Druckbett wird/werden entlang eines vorgegebenen Weges (z.B. in x, y- -und z-Richtung) gesteuert bewegt, so dass auch Änderungen der Vorschubbewegungsrichtung möglich sind und so vorgegebene Konturen mit dem Druckkopf und einem sich dazu bewegenden Druckbett (z.B. in y-Richtung) abgefahren werden können. Druckkopf und Druckbett können dabei relativ zueinander bewegt werden. So kann man beispielsweise einen Druckkopf zweidimensional allein und das Druckbett eindimensional senkrecht zu der Ebene, in der die zweidimensionale Bewegung erfolgt, bewegen, um den schichtweisen und dabei dreidimensionalen Aufbau eines Bauteils zu ermöglichen.
Üblicherweise wird bei diesem Verfahren die Außenkontur von Bauteilen mit mindestens einer durchgängigen linienförmigen Außenwand, die möglichst glatt an zumindest der nach außen weisenden Oberfläche sein sollte, und die mit mindestens einem Filament in jeder Schicht in übereinander angeordneten Ebenen gedruckt wird. Das Innere eines Bauteils kann durch beliebige so genannte Infill-Pattern oder definiert mit Innenwänden ausgefüllt werden. Das Innere eines Bauteils kann dabei insbesondere Konturen darstellen oder lediglich eine Stützstruktur für das jeweilige Bauteil bilden. Die typischen Linienbreiten eines gedruckten Filaments liegen im Bereich 100 µm - 1500 µm. Daher werden oft mehrere Filamente in einer gemeinsamen Ebene nebeneinander gedruckt, so dass eine Außenwand von mindestens 1 mm -3 mm Breite ausgebildet werden kann, die eine stabile Außenkontur bildet.
Üblicherweise werden die Filamente für eine Außenwand oder eine längere Wand innerhalb der Außenwand, die die Außenkontur des jeweiligen Bauteils oder im Inneren der Außenkontur langgestreckte Wände bilden, in allen übereinander ausgebildeten Schichten stets mit gleicher Vorschubbewegungsrichtung mit mindestens einem Druckkopf, z.B. stets alle Schichten im Uhrzeigersinn oder stets alle Schichten gegen den Uhrzeigersinn gedruckt, in dem der Druckkopf und/oder das Druckbett entsprechend so bewegt wird/werden. Dabei kommt es durch die Kontraktion des Kunststoffs bei der Abkühlung oder einem Aushärten zu einem systematischen Verzug entlang der jeweils gewählten Druckrichtung, was dazu führt, dass die so hergestellten Bauteile beim Abkühlen oder Aushärten einen deutlichen Verzug (insbesondere eine Verdrehung durch im gedruckten Bauteil wirkende mechanische Spannungen im oder gegen den Uhrzeigersinn) aufweisen, je nachdem, ob der Druckkopf alle Filamente in der einen oder andern Vorschubbewegungsrichtung abgelegt hat.
Der Verzug nimmt zu je dicker die jeweilige Außenwand gedruckt wird. D.h. eine 0,5 mm Außenkontur, die nur mit Filamenten, die unmittelbar übereinander angeordnet worden sind, hat einen geringeren Verzug als eine 1,5 mm breite Außenwand, die z.B. mit jeweils drei nebeneinander gedruckten Filamenten in einer gemeinsamen Schicht erhalten worden ist.
Kritischer Verzug tritt insbesondere dann auf, wenn eine Wand eine höhe größer 2 mm aufweist und das Bauteil schmal und lang ist (z.B. 5 mm x 30 mm x 2 mm), so dass dann besondere Vorsorge erforderlich ist.
Der Verzug wird in die ausgehärteten und/oder gesinterten Bauteile übertragen, wenn nachfolgend in weiteren Verfahrensschritten der Kunststoff ausgebrannt und Metall- und/oder Keramikpartikel miteinander versintert werden, um ein metallisches, keramisches oder ein Verbundbauteil, das mit miteinander versinterten Metall- und Keramikpartikeln gebildet ist, herzustellen.
Die üblicherweise verwendeten Softwareprogramme (sog. Slicer), die die Druckpfade für die Vorschubbewegung von Druckköpfen eines konstruierten Bauteils festlegen, sind gegenwärtig überwiegend kostenlose Open Source Programme und bilden nicht die Möglichkeit ab, die Vorschubbewegung in entgegengesetzten Richtungen zu beeinflussen und so ein Bauteil mit alternierenden Druckrichtungen in jeder Schicht zu drucken. Vielmehr werden die Außenwände und Innenwände von Bauteilen bislang nur in einer Vorschubbewegungsrichtung des Druckkopfes und des Druckbetts gedruckt und dadurch verziehen sich diese Bauteile in der Regel beim Abkühlen bzw. Aushärten oder schon während des Druckvorgangs.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten anzugeben, mit denen innere mechanische Spannungen innerhalb der übereinander angeordneten Schichten vermieden bzw. einen Verzug an dreidimensionalen Bauteilen, die mittels FFF-Verfahren additiv hergestellt werden, erheblich reduziert werden können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in abhängigen Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
Bei dem Verfahren zur additiven Herstellung von dreidimensionalen Bauteilen werden vorgegebene Bereiche des jeweiligen Bauteils durch schichtweisen Auftrag eines Materials, das mit oder aus mindestens einem Kunststoff gebildet ist, ausgebildet, indem mittels mindestens eines Druckkopfes auf einem Druckbett Filamente des Materials als plastisch verformbare Filamente in mehreren Schichten übereinander angeordnet und dabei das Druckbett und der mindestens eine Druckkopf relativ zueinander bewegt werden und das Material während des schichtweisen Auftrags oder im Nachgang zum schichtweisen Aufbau des jeweiligen Bauteils ausgehärtet wird.
Dabei kann das Material bevorzugt unmittelbar nach Verlassen der Druckerdüsenaustrittsöffnung (engl. Nozzle) des jeweiligen Druckkopfes ggf. auch später, nachdem mehrere oder alle Filamente, wie gewünscht angeordnet worden sind, ausgehärtet werden. Man kann dabei so vorgehen, wie es im Stand der Technik bei Anwendung der FFF-Technologie üblich ist.
Erfindungsgemäß wird/werden die Vorschubbewegungsrichtung(en) des bewegten Druckkopfes und/oder des Druckbetts, in den vorgegebenen Bereichen beim Ablegen der Filamente nach maximal fünf übereinander angeordneten Filamenten in die jeweils entgegengesetzte Vorschubbewegungsrichtung geändert. Dadurch können die Eigenspannungen, die nach dem Aushärten in einer so ausgebildeten Wand vorhanden sind, und ein möglicher daraus resultierender Verzug am Bauteil erheblich reduziert werden.
Das zum Drucken der Filamente eingesetzte Material kann vor dem schichtweisen Ablegen der Filamente auf eine Temperatur erwärmt worden sein, bei der das Material plastisch verformbar und zu Filamenten verarbeitbar ist. Alternativ kann das plastisch verformbare Material auch durch einen Energieeintrag und/oder eine chemische Vernetzung nach dem schichtweisen Ablegen der Filamente ausgehärtet werden, wenn ein dazu geeigneter Kunststoff eingesetzt worden ist. So kann man bestimmte Kunststoffe durch definierte Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung aushärten oder mehrere Kunststoffkomponenten einsetzen, von denen eine Komponente zu einer Vernetzung und dadurch zur Aushärtung führt.
Es kann ein Material, das aus oder mit einem thermoplastischen Kunststoff oder einem Kunststoffgemisch, in dem mehrere unterschiedliche Kunststoffe, mindesten ein Wachs und/oder ein Additiv enthalten ist/sind, gebildet ist eingesetzt werden. In Kunststoff oder einem Kunststoffgemisch können auch metallische und/oder keramische Partikel enthalten sein. Dann kann nach dem Aushärten der Kunststoff durch ein Lösungsmittel und/oder thermische Behandlung entfernt werden, woran sich eine Sinterung von Partikeln anschließend kann, um ein metallisches, keramisches oder ein metallkeramisches Bauteil herstellen zu können. Das Material, mit dem die Filamente abgelegt werden, sollte mit mindestens 5 Vol.-% des jeweiligen Kunststoffs oder Kunststoffgemischs gebildet sein.
Bevorzugt sollte die Vorschubbewegungsrichtung des bewegten Druckkopfes und/oder des Druckbetts zumindest in vorgegebenen Bereichen, in denen eine Wand ausgebildet wird, so beeinflusst werden, dass sie mindestens alle drei nacheinander in verschiedenen Ebenen, besonders bevorzugt in jeder nachfolgend mit mindestens einem Filament gedruckten Schicht(en) in die jeweils entgegengesetzte Richtung verändert wird.
Der Druckkopf soll besonders bevorzugt also in einer Schicht in eine Vorschubbewegungsrichtung und in der unmittelbar nachfolgend in einer darüber angeordneten Ebene auszubildenden Schicht, genau in die entgegengesetzte Richtung bewegt werden. Dadurch können gerade Wände oder auch gekrümmte oder abgewinkelte Wände eines Bauteils ausgebildet werden, ohne dass ein kritischer Verzug auftritt oder größere mechanische Spannungen im Bauteil wirken können. In einigen Fällen muss dieser Richtungswechsel nicht zwingend nach der Ausbildung jeder einzelnen Schicht durchgeführt werden. Vielmehr können zwei, drei oder gar fünf Schichten unmittelbar übereinander mit gleicher Vorschubbewegungsrichtung des Druckkopfes ausgebildet werden, bevor ein Richtungswechsel der Vorschubbewegung in die entgegengesetzte Richtung erfolgen sollte, so dass kritischer Verzug vermieden werden kann. Dabei spielt es eine Rolle wie viele Schichten übereinander und in einer Schicht wie viele Filamente nebeneinander angeordnet werden sollen. Je mehr Schichten übereinander und je mehr Filament(e) in einer Schicht nebeneinander angeordnet worden sind und je länger die Filamente im Wesentlichen in zumindest nahezu die gleiche Richtung in einem vorgegebenen Bereich in einer Schicht gedruckt worden sind, umso öfter ist ein Vorschubbewegungsrichtungswechsel vorteilhaft.
Unter vorgegebene Bereiche, in denen die Filamente mit jeweils entgegengesetzter Vorschubbewegungsrichtung abgelegt werden sollen, kann man Bereiche in denen Filamente über eine Länge von mindestens 20 mm, ohne wesentliche Richtungsänderung abgelegt werden sollen, verstehen. Unter wesentlicher Richtungsänderung kann man dabei Abweichungen von einer geradlinigen Richtung von mindestens 30°, bevorzugt mindestens 20° verstehen. Diese Winkel treffen auch auf die Ausrichtung von Tangenten zu, die an einer gebogenen Ausrichtung von Filamenten angelegt werden können. Selbstverständlich trifft dies auf alle Bereiche zu, in denen Filamente entlang einer geraden Linie übereinander mit einem Druckkopf in mehreren Schichten übereinander ohne einen Richtungswechsel bei der Ausrichtung des jeweiligen Filaments abgelegt worden sind.
Ein entsprechender Richtungswechsel der Vorschubbewegung eines Druckkopfes sollte grundsätzlich immer angewendet werden, auch bei runden oder gekrümmten Außenwänden, um einen Verzug und zu hohe innere mechanische Spannungen zu vermeiden. Bei Wänden mit einer geringen Anzahl an Schichten in denen Filamente übereinander angeordnet sind (z.B. 4 Schichten) und kleinen Bauteilen (ca. 10 mm - 20 mm Kantenlänge) ist ein Richtungswechsel der Vorschubbewegung nicht unbedingt erforderlich, da dabei der Verzug üblicherweise in tolerierbarem Maß auftritt. Die Mindesthöhe an übereinander ausgebildeten Schichten, ab der ein erfindungsgemäßer Vorschubbewegungsrichtungswechsel sinnvoll bzw. erforderlich sein sollte, liegt bei 1 mm, bevorzugt ab mindestens 3 mm, wobei die Mindesthöhe auch von der Anzahl der jeweils erforderlichen Schichten, die übereinander angeordnet werden sollen und von der Art und Konsistenz eines mit dem Druckkopf abgelegten plastisch verformbaren Materials abhängig ist, das mit dem jeweiligen Kunststoff und den ggf. darin enthaltenen Partikeln gebildet ist. Dabei spielt das Schrumpfungsverhalten des jeweiligen Kunststoffs während des Aushärtens eine Rolle.
Vorteilhaft kann es auch sein, dass Filamente einer Schicht in den vorgegebenen Bereichen, die in einer Ebene parallel nebeneinander angeordnet werden, mit jeweils entgegengesetzter Vorschubbewegungsrichtung des Druckkopfes und/oder des Druckbetts abgelegt werden. In einer Schicht können für die Ausbildung einer Wand auch mehrere Filamente parallel nebeneinander abgelegt werden, die dann jeweils alternierend in dieser Schicht mit entgegengesetzter Vorschubbewegungsrichtung des jeweiligen Druckkopfes abgelegt werden sollten.
Es kann die gesamte Außenwand oder alle eine Außenwand bildenden Wände des Bauteils und/oder mindestens eine Innenwand, können so gedruckt werden. Dazu können als vorgegebene Bereiche mindestens ein Teil einer oder die gesamte äußere Wand des jeweiligen Bauteils berücksichtigt werden. Es kann dabei auch mindestens ein vorgegebener Bereich eine Außenwand sein, die einen Innenraum teilweise, bevorzugt vollständig umschließt, bei der die erfindungsgemäß durchzuführenden Vorschubbewegungsrichtungswechsel berücksichtigt werden.
Die Filamente sollten in den vorgegebenen Bereichen in der jeweiligen Schicht kontinuierlich abgelegt werden. Dies bedeutet, dass die jeweiligen Filamente ohne Lücke, ohne Querschnittsveränderung und ohne sich verändernde Konsistenz des Materials im jeweiligen vorgegebenen Bereich gedruckt und über- und/oder nebeneinander abgelegt werden.
Filamente können durch eine Düsenöffnung des jeweiligen Druckkopfes mit einer Querschnittsfläche im Bereich 0,0075 mm² bis 1 mm² schichtweise abgelegt werden.
Werden Wände eines Bauteils abwechselnd in jeweils entgegengesetzter Richtung, z.B. im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn gedruckt, kompensieren sich die Kräfte beim Abkühlen bzw. Aushärten des Kunststoffes und das Bauteil kann ohne Verzug oder deutlich reduziertem Verzug bzw. innere mechanische Spannungen hergestellt werden.
Tests konnten erfolgreich zeigen, dass ein wechselweises Drucken einer Außenwand mit Vorschubbewegungsrichtungen im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn einen Verzug verhindert. Dafür wurde der sogenannte gcode, d.h. die Pfade der Vorschubbewegungen manuell umgeschrieben, um die Filamente in den einzelnen Schichten abwechselnd in jeweils entgegengesetzter Richtung, durch entsprechend gesteuerte Vorschubbewegung des Druckkopfes zu drucken.

Claims

Verfahren zur additiven Herstellung von dreidimensionalen Bauteilen, bei dem vorgegebene Bereiche des jeweiligen Bauteils durch schichtweisen Auftrag eines Materials, das mit oder aus mindestens einem Kunststoff gebildet ist, ausgebildet indem mittels mindestens eines Druckkopfes auf einem Druckbett Filamente des Materials als plastisch verformbare Filamente in mehreren Schichten übereinander angeordnet und dabei das Druckbett und der mindestens eine Druckkopf relativ zueinander bewegt werden und das Material während des schichtweisen Auftrags oder im Nachgang zum schichtweisen Aufbau des jeweiligen Bauteils ausgehärtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorschubbewegungsrichtung(en) des bewegten Druckkopfes und/oder des Druckbetts, in vorgegebenen Bereichen beim Ablegen der Filamente nach maximal fünf übereinander angeordneten Filamenten in die jeweils entgegengesetzte Vorschubbewegungsrichtung geändert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material vor dem schichtweisen Ablegen der Filamente auf eine Temperatur erwärmt wird, bei der das Material plastisch verformbar und zu Filamenten verarbeitbar ist oder das plastisch verformbare Material durch einen Energieeintrag und/oder eine chemische Vernetzung nach dem schichtweisen Ablegen der Filamente ausgehärtet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Material aus oder mit einem thermoplastischen Kunststoff oder einem Kunststoffgemisch, in dem mehrere unterschiedliche Kunststoffe, mindesten ein Wachs und/oder ein Additiv enthalten ist, gebildet ist und/oder im Material metallische und/oder keramische Partikel enthalten sind, eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorschubbewegungsrichtung(en) des bewegten Druckkopfes und/oder des Druckbetts, in vorgegebenen Bereichen beim Ablegen der Filamente nach maximal drei übereinander angeordneten Filamenten, bevorzugt nach jedem übereinander angeordneten Filament in die jeweils entgegengesetzte Vorschubbewegungsrichtung geändert wird/werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Filamente einer Schicht in den vorgegebenen Bereichen, die in einer Ebene parallel nebeneinander angeordnet werden, mit jeweils entgegengesetzter Vorschubbewegungsrichtung des Druckkopfes und/oder des Druckbetts abgelegt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den vorgegebenen Bereichen die Filamente mit jeweils entgegengesetzter Vorschubbewegungsrichtung abgelegt werden, bei denen Filamente über eine Länge von mindestens 20 mm ohne wesentliche Richtungsänderung abgelegt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Filamente in den vorgegebenen Bereichen in der jeweiligen Schicht kontinuierlich abgelegt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Filamente durch eine Düsenöffnung des jeweiligen Druckkopfes mit einer Querschnittsfläche im Bereich 0,0075 mm² bis 1 mm² schichtweise abgelegt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als vorgegebene Bereiche mindestens ein Teil einer oder die gesamte äußere Wand des jeweiligen Bauteils berücksichtigt wird/werden.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass als mindestens ein vorgegebener Bereich, eine Außenwand berücksichtigt wird, die einen Innenraum teilweise, bevorzugt vollständig umschließt.