DE4422146A1

DE4422146A1 - Verfahren und Einrichtung zum Aufbauen eines Werkstücks mit thermoplastischem Kunststoff durch Auftrag-Extrusionsschweißen

Info

Publication number: DE4422146A1
Application number: DE4422146A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Merkert
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-06-27
Filing date: 1994-06-27
Publication date: 1996-01-04

Description

Es ist bekannt, Extruder, Kneter, Fließmischer, Innenmischer, Schnecken-, Zahn rad- und Kolbenpumpen werden zum Plastifizieren und Fördern von thermoplasti schem Kunststoff verwendet. Es ist weiter bekannt, daß Extruder zum Verschweißen von thermoplastischen Folien und Platten mit Hilfe von Heißluft Verwendung finden. G 89 08 194.3/Extruder nach DIN 24 450/DE 36 16 296 A1/DE 41 18 889 A1 /DE-OS 28 23 171.

Der im Patentanspruch 1-18 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, mit plastifizierter thermoplastischer Kunststoffmasse, ein Werkstück mit komplexer 3-D Geometrie herzustellen.

Dieses Problem wird durch die im Patentanspruch 1-18 aufgeführten Merkmale ge löst.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß Thermo plaste mit den unterschiedlichsten Zusammensetzungen verarbeitet werden können, so können Verstärkung und Steifigkeit erhöhende Zusatzstoffe wie z. B. Asbest, Holz mehl, Kohlenstoff- und Glas-Fasern dem thermoplastischen Kunststoff-Schweißmit tel zugemischt werden.

Es können Kunststoffe wie z. B. PVDF, praktisch nicht entflammbar, verarbeitet werden.

Es kann Regranulat also Recyclen-Kunststoff verarbeitet werden.

Vorteile gegenüber dem klassischen Fräsen aus vollem Blockmaterial. Kein Vorschruppen, kein Späne machen (Nicht selten wird das 10-fache vom Modellvolumen in Späne umgewandelt, beim Fräsen aus vollen Blockmaterial)/ Abfall-Kunststoff kann wiederverwendet werden/ sehr geringe Werkstoffkosten/ ausgediente Werkstücke und die Frässpäne können wieder dem Recyclen-Kreislauf zugeführt werden/ die Lagerhaltung von Werkstücken oder Modellen kann wesentlich reduziert werden, denn mit dem vorhandenen NC-Programm kann jederzeit ein Modell relativ schnell und vollautomatisch wieder neu erzeugt werden/ Reparaturen oder Änderungen können kurzfristig durchgeführt werden (aufschweißen, nachfräsen).

Vorteile gegenüber der klassischen NC-Programmierung. Um die Fertigungsdauer vom Werkstück und Modell wesentlich zu verkürzen, kann mit dem NC-Programmaufbau in Teilschritten von unten her begonnen werden. Die Maschine kann schon Teile von dem Werkstück erzeugen, obwohl die gesamte Geome trie noch nicht fertigprogrammiert ist.

Durch entsprechende Fräszyklen können solche Teilschritte in kürzester Zeit programmiert werden.

Der Anlagenbediener sieht nun das Werkstück, Modell oder den Prototyp auf dem Bildschirm und auf der Maschine wachsen und kann jederzeit praxisbezogen ändern und verbessern.

Durch diese flexible und effizientere Methode können völlig neue Strategien ange wandt werden. So können z. B. zunächst Bohrungen, Nuten, Fasen, Verrundungen usw. bei der NC-Programmierung für die Modellerzeugung wegfallen, wenn dies nur durch Fräsen leicht herstellbar ist. Dadurch kann schon wesentlich schneller die Grundkontur auf der Maschine erzeugt werden, inzwischen wird das Fräsprogramm ergänzt und modifiziert. Nun kann das Fräsprogramm an die Fräsmaschine abgeschickt werden.

Vorteile gegenüber Stereolithographie

Es können Teile mit wesentlich höherer Genauigkeit, Steifigkeit, Härte und Abriebfestigkeit hergestellt werden.

Die Maschine kann zum gleichen Anschaffungspreis Teile in bis zu 10-facher Größe herstellen.

Der Werkstoff ist wesentlich preisgünstiger, umweltfreundlicher und wieder in den Recyclen-Kreislauf aufzunehmen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 1-18 ange geben.

Weitere vorteilhafte Konstruktionsmerkmale gehen aus den in Verbindung mit den Zeichnungen nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen hervor.

Zeichnungen

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung.

Fig. 2 zeigt eine Hochgeschwindigkeitsfräsmaschine mit fünf gesteuerten Achsen.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel von einem Schweißkopf.

Fig. 4 zeigt Schweißbahnen, Gerade, in 3 Schichten.

Fig. 5 zeigt Schweißbahnen mit seitlichen Konturen.

Fig. 6 zeigt Schweißbahnen schichtweise gekreuzt.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine Portal bauweise mit den gesteuerten Achsen X-Y-Z + Schwenkachse (11), mit diesem Auf bau kann eine Schweißschicht (13) in 2-D Geometrie hergestellt werden, die nächste Schweißschicht (13) kann in der 2-D Geometrie, also in den Achsen X-Y so verän dert sein, daß bei mehreren geänderten Schweißschichten in der X-Y Achse, eine 3D-Geometrie entsteht. Die im Werkstück (1) gestrichelte Kontur zeigt wie die ein zelnen noch aufzubauenden Schweißschichten sich in der Y-Richtung verändern müs sen. Das Werkstück (1) wird auf einer Trageeinrichtung (7) schichtweise (13) aufgebaut, mehrere Abdrückschrauben in der Trageeinrichtung (7), gegen das Werk stück (1) gerichtet, ermöglichen ein problemloses Abnehmen nach der Fertigstellung und Abkühlung des Werkstücks. Zwischen der Trageinrichtung (7) und der Vakuum spannplatte (9) wird eine Wärmeisolierung (8) gegeben. Die Wärmeisolierung (8) ist wie ein Lochblech mit Durchbrüchen versehen und gewährleistet dadurch ein Festspannen der Trageeinrichtung (7) durch die Vakuumspannplatte (9). Über den Schweißkopf (2), der nach jeder Schweißnaht um 180° mit Hilfe der Schwenkachse (11) gedreht wird und seitlich in X-Richtung um die Schweißnahtbreite (14) ver setzt wird, werden die einzelnen Schweißnähte aufgetragen. Der Schweißkopf (2) kann über die Schwenkachse (11) direkt, wie in Fig. 1 dargestellt oder über eine flexible Verbindungsleitung mit dem Extruder (3) verbunden sein, wenn z. B. große Werkstücke (Größe eines PKW) aufgebaut werden müssen, durch die flexible Leitung braucht der Extruder nicht bei sämtlichen Bewegungen mitzufahren. Die Oberflä chengenauigkeit richtet sich nach der Breite und Höhe der einzelnen Auftrag- Schweißnähte, diese können z. B. von 0,1 mm bis mehrere cm hoch sein.

Über den Granulatbehälter (4) kann Granulat und Regranulat verarbeitet werden. Der Zusatzstoffbehälter (5) nimmt Verstärkung und Steifigkeit erhöhende Stoffe wie z. B. Asbest, Holzmehl, Kohlenstoff- und Glas-Fasern auf, die dem thermoplastischen Kunststoff-Schweißmittel dosiert zugemischt werden. Über die Infrarotheizung (10) wird das Werkstück (1) vom Anfang bis zum Ende des Werkstückaufbauvorgangs bestrahlt und in einer Temperatur gehalten, bei der das Werkstück (1) die nötige Stabilität für den Aufbauvorgang noch gewährleisten kann, ggfs. kann bei sehr schnellem und grobem Werkstück-Aufbau Luftkühlung erforderlich sein. Nach dem Werkstück-Aufbau wird die Temperatur zum Tempern des Werkstückes (1) hochge regelt, dadurch werden mehr Steifigkeit, Härte und Abriebfestigkeit und weniger Spannungen erreicht.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine Hochge schwindigkeitsfräsmaschine mit fünf gesteuerten Achsen und einer Schnellfrequenz frässpindel (15). Werden höhere Anforderungen an die Genauigkeit und an die Oberflächengüte gestellt, so wird nach Fig. 2 mit dem vorhandenen NC-Programm, entsprechend modifiziert, die Kontur, nach Abkühlung des Werkstücks (1), mit einem Durchgang Hochgeschwindigkeitsfräsen nachbearbeitet. Wird der Schweißkopf (2) mit Schwenkachse (11) nach Fig. 2 statt der Schnellfrequenzfrässpindel (15) einge spannt, so kann der Schweißkopf bis 6-Achsig frei im Raum bewegt werden, es kön nen somit auf Freiformflächen Auftrags-Schweißungen vorgenommen werden. In Fig. 3 wird ein Ausführungsbeispiel von einem Schweißkopf dargestellt. Der Schweißkopf wird aus Werkzeugstahl gefertigt, die Oberfläche veredelt z. B. mit dem GX-Verfahren, dabei verhilft die Oberflächenmodifizierung dazu, dauerhaft Kräfte freizusetzen, die so groß sind, daß sie Flüssigkeiten wie gespritzten Kunststoff, Gase, metallische und gläserne Partikel abstößt und einen Anti-Hafteffekt herbei führt. Reibungskräfte verringern sich durch den Abstoßmechanismus. Die GX-Behandlung bietet eine deutliche Herabsetzung der Belagbildung durch thermoplastische Kunst stoffe. Die Schweiß- oder die Differenztemperatur, die am Werkstück (1) zum Auf trag-Schweißen benötigt wird, kann durch den Gleitschuh (25) und/oder durch einen Heißluftstrahl (32) an die Schweißstelle gerichtet, übertragen werden, wobei die Differenztemp. nur bei Anwend. von Anspruch 7 berücksichtigt werden muß. Der Sensor (22) ist für die Abstandsmessung vom Gleitschuh (25) zum Werkstück (1) erforderlich, dieser Sensor (22) oder berührungslose Taster wird auch zum Anta sten und Ausmessen verwendet, in erster Linie wird mit diesem Sensor (22) der Anpressdruck vom Gleitschuh (25) auf das Werkstück (1), geregelt.

Am Schweißkopf (2) Fig. 3 ist ein Sensor (21), zum regeln der Gleitschuhtempera tur über die Heizung (17), angebracht. Durch den Sensor (16) für Schweißmittel- Höhe (Menge) (18) (12) wird das Überquellen des Schweißmittels gemessen und über eine entsprechende Steuerung die Menge des Schweißmittels geregelt. Durch die Formschenkel (28) wird die Breite (23) (14), durch die Formfläche (30) die Höhe der Schweißnaht (18) (12) zunächst vorgegeben, wenn zuviel Schweißmittel im Verhältnis zur Schweißgeschwindigkeit aus dem Kanal (20) gepreßt wird, quellt das Schweißmittel im Einschnitt (29) nach oben, wenn dagegen zuwenig Schweißmittel aus dem Kanal (20) gepreßt wird, bildet sich an dem Einschnitt (29) eine Hohlkeh le, die Schweißmittelmenge muß so gesteuert werden, daß ein leichtes Überquellen am Einschnitt (29) gewährleistet ist, der Einschnitt (29) wird vom Ende der Form schenkel (28) (Querachse Schwenkpunkt 27), nur soweit in Richtung Kanal (20) geführt, daß ein Überquellen der Schweißnaht erreicht wird, das Maß (33) muß ca. 30% kleiner als das Maß (31).

In Fig. 4 werden Schweißschichten (13), Gerade Schweißnähte und die Richtungen der einzelnen Schweißnähte dargestellt, so wird der Schweißkopf (2) in einer geraden Richtung geführt, nach jeder Schweißnaht wird der Schweißkopf (2) um 180° um den Schwenkpunkt (27) geschwenkt und um die Breite der Schweißnaht (14) (23) seitlich versetzt, nun fährt der Schweißkopf (2) wieder zurück bis die einzelne Auf tragsschicht (13) (18) abgeschlossen ist.

In Fig. 5 werden Schweißschichten (13), Schweißnähte mit seitlicher Kontur und die Richtungen der einzelnen Schweißnähte dargestellt. Der Schweißkopf (2) kann auch seitliche Konturen fahren in XY-Richtung, dazu wird der Schweißkopf (2) während er verfährt, entsprechend simultan um den Schwenkpunkt (27) gedreht.

In Fig. 6 wird dargestellt, daß die einzelnen Schweißschichten (13) zueinander ver dreht aufgetragen werden können, dies gibt dem Werkstück mehr Gesamtstabilität.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Vorrichtung können somit Werkstücke mit Freiformflächen, hergestellt werden.

Bezugszeichenliste

1 Werkstück Fig. 1
2 Schweißkopf Fig. 1 und 3
3 Extruder Fig. 1
4 Granulatbehälter Fig. 1
5 Zusatzstoffbehälter Fig. 1
6 Schweißrichtung Fig. 3
7 Trageeinrichtung Fig. 1
8 Wärmeisolierung Fig. 1
9 Vakuumspannplatte Fig. 1
10 Infrarotheizung Fig. 1
11 Schwenkachse Fig. 1
12 Schweißnahthöhe Fig. 4
13 Einzelne Schweißschichten Fig. 4
14 Schweißnahtbreite Fig. 4
15 Schnellfrequenzfrässpindel Fig. 2
16 Sensor Fig. 3
17 Heizung Fig. 3
18 Schweißmittelhöhe Fig. 3
19 Oberkannte der neuen Schweißbahn Fig. 3
20 Kanal Fig. 3
21 Sensor Fig. 3
22 Sensor Fig. 3
23 Breite der Schweißnaht Fig. 3
24 Oberkannte der letzten Schweißsch. Fig. 3
25 Gleitschuh Fig. 3
26 Befestigungsbohrung Fig. 3
27 Schwenkpunkt Fig. 3
28 Formschenkel Fig. 3
29 Einschnitt Fig. 3
30 Formfläche Fig. 3
31 Maß Fig. 3
32 Heißluftdüse Fig. 3
33 Maß Fig. 3

Claims

1. Verfahren zum Aufbauen eines Werkstücks (1) mit thermoplastischem Kunst stoff, ausschließlich oder vorwiegend durch Auftrag-Extrusionsschweißen, mit einer Trageeinrichtung (7) für das Werkstück, mindestens einem Schweißkopf (2) zum Auftragen des thermoplastischen Kunststoff-Schweißmittels, dadurch gekenn zeichnet, daß der Schweißkopf (2) und/oder das Werkstück (1) mit mindestens 4-Achsen, Rechner-/NC-/CNC-gesteuert verfahren wird, um Werkstücke mit kom plexer 3-D Geometrie herstellen zu können, in einem oder mehreren Extrudern (3) wird Kunststoffdraht-, Granulat und/oder Regranulat verarbeitet zu thermoplasti schem Schweißmittel, wenn erforderlich, können Steifigkeit erhöhende Zusatzstoffe wie z. B. Holzmehl oder Glas-Fasern dem thermoplastischen Kunststoff-Schweißmit tel zugemischt werden, der Schweißkopf (2) kann über die Schwenkachse (11) di rekt oder über eine flexible Verbindungsleitung mit dem Extruder (3) verbunden sein, die Oberflächengenauigkeit richtet sich nach der Breite und Höhe der einzelnen Auftrag-Schweißnähte. Werden höhere Anforderungen an die Genauigkeit und an die Oberflächengüte gestellt, so wird mit dem vorhandenen NC-Programm, entsprechend modifiziert, die Kontur mit einem Durchgang Hochgeschwindigkeitsfräsen nachbear beitet.

2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das thermoplastische Schweißmittel, statt mit Extruder nach Anspruch 1, auch durch Kneter, Fließmi scher und Innenmischer plastifiziert und verarbeitet werden kann, die Förderung vom Schweißmittel zum Werkstück über den Kanal (20) im Schweißkopf, kann mit Schnecken-, Zahnrad- oder Kolbenpumpen erfolgen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißkopf (2), oder das Werkstück (1), in einer geraden Richtung geführt wird, nach jeder Schweißnaht der Schweißkopf (2) um 180° um den Schwenkpunkt (27) geschwenkt wird, das Werkstück (1) oder der Schweißkopf (2) um die Breite der Schweißnaht (14) (23) seitlich versetzt wird und wieder zurückfährt, bis die einzelne Auftrags schicht (13) (18) abgeschlossen ist. Fig. 4.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß der Schweißkopf (2) oder das Werkstück (1) zu der Geraden nach An spruch 3 auch seitliche Konturen fahren kann, in XY-Richtung, Fig. 5, dazu wird der Schweißkopf (2) während dem verfahren entsprechend simultan um den Schwenk punkt (27) gedreht.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß der Schweißkopf (2) mit Schwenkachse (11) nach Fig. 2 statt der Schnellfrequenzfrässpindel (15) eingespannt, bis 6-Achsig frei im Raum bewegt werden kann, es können somit auf Freiformflächen Auftrags-Schweißungen vorge nommen werden.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß durch einen Sensor (16) für Schweißmittel-Höhe (Menge) (18) (12) das Überquellen des Schweißmittels gemessen und über eine entsprechende Steuerung die Menge des Schweißmittels geregelt wird. Durch die Formschenkel (28) wird die Breite (23) (14), durch die Formfläche (30) die Höhe der Schweißnaht (18) (12) zunächst vorgegeben, wenn zuviel Schweißmittel im Verhältnis zur Schweißge schwindigkeit aus dem Kanal (20) gepreßt wird, quellt das Schweißmittel im Ein schnitt (29) nach oben, wenn dagegen zuwenig Schweißmittel aus dem Kanal (20) gepreßt wird, bildet sich an dem Einschnitt (29) eine Hohlkehle, die Schweißmittel menge muß so gesteuert werden, daß ein leichtes Überquellen am Einschnitt (29) gewährleistet ist.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, daß durch Infrarotheizung (10) das Werkstück (1) vom Anfang bis zum Ende des Werkstückaufbauvorgangs bestrahlt und in einer Temperatur gehalten wird, bei der das Werkstück (1) die nötige Stabilität für den Aufbauvorgang noch ge währleisten kann, ggfs. kann bei sehr schnellem und grobem Werkstück-Aufbau Luftkühlung erforderlich sein.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn zeichnet, daß nach dem Werkstück- Aufbau die Temperatur zum Tempern des Werk stückes (1) hochgeregelt wird.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn zeichnet, daß mehrere Schweißköpfe (2), mit verschiedenen Schweißquerschnitten (18) (23), einzeln, vollautomatisch in der Maschine abgelegt und aufgenommen werden können.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn zeichnet, daß mehrere Extruder (3), oder mehrere der in Anspruch 2 genannten Ma schinen, mit jeweils verschiedenem thermoplastischem Schweißmittel die einzelnen Schweißköpfe (2) nach Anspruch 9 versorgen.

11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekenn zeichnet, daß die einzelnen Schweißschichten (13) zueinander verdreht Fig. 6, auf getragen werden.

12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekenn zeichnet, daß die Schweiß- oder die Differenztemperatur, die am Werkstück (1) zum Auftrag-Schweißen benötigt wird, durch den Gleitschuh (25) übertragen wird, wo bei die Differenztemp. nur bei Anwend. von Anspruch 7 berücksichtigt werden muß.

13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekenn zeichnet, daß die Schweiß- oder die Differenztemperatur, die am Werkstück (1) zum Auftrag-Schweißen benötigt wird, durch einen Heißluftstrahl (32) an die Schweiß stelle gerichtet, erzeugt wird, dies kann aber auch zusammen mit dem Gleitschuh (25) nach Anspruch 12 erfolgen, wobei die Differenztemperatur nur bei Anwendung von Anspruch 7 berücksichtigt werden muß.

14. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch ge kennzeichnet, daß am Schweißkopf (2) Fig. 3 ein Sensor (22) für die Abstandsmes sung vom Gleitschuh (25) zum Werkstück (1) angebracht ist, dieser Sensor (22) oder berührungslose Taster wird auch zum Antasten und Ausmessen verwendet, in erster Linie wird mit diesem Sensor (22) der Anpressdruck vom Gleitschuh (25) auf das Werkstück (1), geregelt.

15. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch ge kennzeichnet, daß am Schweißkopf (2) Fig. 3 ein Sensor (21), zum regeln der Gleit schuhtemperatur über die Heizung (17), angebracht ist.

16. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, dadurch ge kennzeichnet, daß am Schweißkopf (2) Fig. 3 ein Sensor (16) zum messen und regeln der Schweißmittel-Menge, angebracht ist, gemessen und geregelt wird das Überquel len der Schweißnaht.

17. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16, dadurch ge kennzeichnet, daß am Schweißkopf (2) Fig. 3 zwei Formschenkel (28) vorhanden sind, die am Gleitschuh (25) beginnen und an der Querachse zum Schwenkpunkt (27) enden, die Formschenkel (28) laufen nach hinten scharfkantig aus, wobei die Außen flächen parallel verlaufen, für spezielle Anwendungen können die Außenflächen auch bogenförmig in Richtung Gleitschuh (25) geführt werden, wobei der Bogen nur nach innen verlaufen darf, also muß der Gleitschuh (25) in der Breite (23) um so viel kleiner ausgeführt werden.

18. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17, dadurch ge kennzeichnet, daß am Schweißkopf (2) Fig. 3 der Einschnitt (29) vom Ende der Formschenkel (28) (Querachse Schwenkpunkt 27), nur soweit in Richtung Kanal (20) geführt wird, daß ein Überquellen der Schweißnaht erreicht wird, das Maß (33) muß ca. 30% kleiner als das Maß (31) gefertigt werden.