EP4221956A1 - Verfahren zur herstellung eines bauteils im wege der additiven fertigung - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines bauteils im wege der additiven fertigung

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EP4221956A1
EP4221956A1 EP21778065.9A EP21778065A EP4221956A1 EP 4221956 A1 EP4221956 A1 EP 4221956A1 EP 21778065 A EP21778065 A EP 21778065A EP 4221956 A1 EP4221956 A1 EP 4221956A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
polymer
nozzle
polymer melt
cooling
compression device
Prior art date
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Pending
Application number
EP21778065.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Bernhard HÄUPLER
Markus Jennermann
Alexander THOSS
Jonas WILFERT
Kevin WINTER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Rehau Industries SE and Co KG
Original Assignee
Rehau Industries SE and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Rehau Industries SE and Co KG filed Critical Rehau Industries SE and Co KG
Publication of EP4221956A1 publication Critical patent/EP4221956A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/20—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
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    • B29C64/10—Processes of additive manufacturing
    • B29C64/106—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/10—Processes of additive manufacturing
    • B29C64/188—Processes of additive manufacturing involving additional operations performed on the added layers, e.g. smoothing, grinding or thickness control
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a component by means of additive manufacturing, with a polymer, preferably a thermoplastic, being used as the material for the component, with the component being produced by layered application of the polymer in the melt state, and with the polymer melt optionally being produced directly is compacted by means of a compacting device after it has been applied from a nozzle.
  • a polymer preferably a thermoplastic
  • FDM Fused Deposition Modeling
  • FFF Fused Filament Fabrication
  • a 3D printing device is known from WO 2016 077 473 A1, in which the freshly applied polymer layers are compressed by a pressing process with plate-shaped, heated compression devices.
  • comprehensively satisfactory component properties cannot be achieved with this alone.
  • the invention is based on the object of specifying a method with the features described in the introduction, with which improved mechanical properties of the component produced with it can be achieved.
  • the object is achieved in that the polymer melt is additionally cooled immediately after its application by means of a cooling device to a temperature of at most 20° C., preferably at most 10° C., above the melting range of the polymer.
  • a cooling device to cool the polymer melt by means of the cooling device to a temperature which is within the melting interval, preferably below the lower edge of the melting interval, in particular at least 10° C., e.g. at least 20° C. below the lower edge of the melting interval of the polymer located.
  • a melting interval - ie the fact that the melting process extends over a temperature range when heated - is a typical property of plastics, which is related, among other things, to the different chain lengths of the individual molecules.
  • the melting interval of low-density polyethylene (LDPE) extends over a temperature range of 105 to 120 °C
  • the melting interval of high-pressure polyethylene (HDPE) extends over a temperature range of 125 to 135 °C
  • PA 6 polyamide 6
  • a targeted cooling of the fresh polymer layer by means of a cooling device takes place immediately after it has been applied, whereby the solidification process of the melt is accelerated.
  • this targeted cooling especially in connection with a compression of the freshly applied polymer melt, leads to a reduction in the porosity between the individual polymer layers (smaller or no blowholes) and to an improvement in the adhesion of the freshly applied material to the already printed part of the workpiece and, as a result, to an improvement in the material properties of this 3D-printed component, for example in the form of a higher density of the layered plastic material and/or increased heat resistance and/or improved breaking strength values, i.e. improved tensile and/or compressive and/or flexural strength and/or shear and/or torsional strength.
  • the teaching according to the invention is also advantageous in relation to the geometric degrees of freedom of the 3D printing carried out with it. Conveniently, the above Cooling limited to a temperature not more than 50 °C below the lower limit of the melting interval.
  • the cooling device is expediently integrated into the compression device, i.e. the compression device also carries out a cooling of the freshly applied polymer melt along with the compression.
  • the cooling device can be provided with at least one fluid channel transporting a cooling medium, preferably cooling air and/or cooling water.
  • the at least one fluid channel can be introduced into at least one active unit of the compression device.
  • the active unit can basically be designed as a tamper plate, for example.
  • the tamper plate can therefore preferably be designed as a cooling device at the same time.
  • the fluid channel can meander within the plate and/or run in the plane of the plate.
  • the cooling it is also within the scope of the invention for the cooling to take place without contact, for example by applying a cooling medium (usually cooling air) directly to the freshly applied polymer melt.
  • the corresponding device for ejecting the cooling medium for the purpose of directly impinging on the polymer melt can in turn be integrated into the at least one active unit of the cooling device, e.g. tamper plate.
  • the position of the compression device is expediently adapted to the direction of travel of the nozzle.
  • the tamper plate prefferably be designed in the form of an open or closed ring, preferably circular, and to be arranged around the nozzle. This has the advantage that the position of the tamper plate does not have to be adjusted to the direction of travel of the nozzle in this case.
  • the compression device expediently performs oscillating movements during the compression process. It has proven to be advantageous here if the peak-to-valley value of the oscillating movements is 0.1 to 3 times, preferably 0.25 to 1.5 times the layer height of the already compacted polymer melt strand.
  • the oscillating movements are preferably carried out with a frequency of 0.005 to 50 Hz, preferably 0.01 to 25 Hz, in particular 0.1 to 10 Hz, for example 1 to 10 Hz, for example 3 to 8 Hz.
  • the frequency during the additive manufacturing process preferably continuously, adapted to the traversing speed of the nozzle from which the polymer melt emerges. For example, it can be advantageous if the frequency also increases as the speed of movement of the nozzle increases.
  • the oscillating movements of the compression device can be carried out at a constant frequency, independently of the traversing speed of the nozzle.
  • the oscillating movement can be realized, for example, by a crank mechanism that transfers the rotational movement of a drive motor into a corresponding linear oscillation.
  • the peak-to-valley value can be set, for example, via the length of the corresponding crank arm, this length being adjustable, for example, via the twisting of two eccentric shafts relative to one another, while the frequency of the oscillating movement is expediently adjustable via the speed of the drive motor or a motor gear.
  • the oscillating movements of the compression device efficiently transform the freshly applied polymer melt strand, which usually emerges from the nozzle with an essentially circular cross-section, into a compressed, essentially elliptical cross-sectional shape, which increases the contact area with the material that has already been printed and thus the connection to this is improved.
  • the vertical distance between the lower edge of the compression device and the lower edge of the nozzle from which the polymer melt emerges is 0 to 0.8 times, preferably 0 to 0.3 times the layer height of the already compacted, freshly applied strand of polymer melt.
  • a particularly efficient compression can be achieved, which also has a positive effect on the mechanical properties of the printed component.
  • the lower limit of 0 for the above intervals, at which the lower edge of the nozzle is at the same level as the compression device at the lower apex, is technically relevant in particular if the polymer melt swells after it exits the nozzle (e.g.
  • the compression device is expediently provided with a coating in its effective area, which prevents adhesion of freshly applied polymer, or at least reduces the tendency to adhere.
  • This coating can consist of a polymer, for example PTFE, PVDF, FEP, or also, for example, of ceramic.
  • the compacting device can be provided with a surface structure having a large number of depressions and/or elevations, for example in the form of a nub or lattice structure.
  • the subject matter of the invention is also a polymeric component produced using the method described above.
  • the advantages of the teaching according to the invention come into play in particular in the case of comparatively large workpieces which, for example, have an external volume of more than 100 liters, e.g. more than 250 liters.
  • the term outer volume means that volume which is enclosed by an imaginary closed boundary which lies flat against the outer wall of the component and which flatly covers component openings.
  • the diameter of the strand of polymer melt emerging from the nozzle is therefore generally also comparatively large, for example 2.5 to 50 mm, in particular 4 to 35 mm, for example 8 to 20 mm.
  • FIG. 1b view A in Fig. 1a
  • Fig. 2 is an enlarged detailed view of Fig. 1a, b
  • Fig. 3 shows the tamper plate shown in Fig. 2 seen from below
  • FIG. 6 shows the top view B in FIG. 2 for an alternative embodiment of the device by carrying out the method according to the invention in a simplified representation 1a, b show a 3D printing device 100 for producing a component 1 by way of additive manufacturing.
  • the 3D printing device has a support plate 2 (Fig. 1a) that can be moved in the vertical direction z for the component 1 to be produced, and a nozzle 3 that can be moved in the horizontal plane, i.e.
  • a polymer melt 4 containing reinforcing fibers for example made of polyamide, a polyolefin (for example PP or PE), a polyester, a thermoplastic polyurethane or a styrene copolymer, emerges.
  • the polymer melt 4 is provided with the aid of an extruder, not shown, with which polymer present in granular form, for example, is melted.
  • the component 1 is produced by layer-by-layer application of the polymer 4 in the molten state, for which purpose the support plate 2 is lowered further and further according to the progress of the component production (FIG. 1b).
  • the nozzle 3 is mounted on a carriage 5 which is guided on rails 6 in the horizontal plane x, y.
  • the nozzle 3 can also be mounted on a frame, which enables mobility in the vertical spatial direction z and horizontal mobility in a spatial direction x (i.e. overall in a vertical plane), the mobility in a further horizontal spatial direction y (i.e. transverse, in particular perpendicular to the vertical plane) is ensured by a correspondingly movable support plate (not shown).
  • the nozzle 3 can be heated and is connected to an extruder (not shown), which melts granular polymer material and conveys it to the nozzle 3 .
  • FIG. 2 shows in detail the application of polymer melt 4 by means of the 3 nozzle onto the surface 7 of the material of the component 1 that has already been layered. It can be seen that the polymer melt 4 emerging from the nozzle at the temperature TD is compressed by a compression device 8 immediately after it has been freshly applied as a polymer melt strand 14 . In addition, the polymer melt 4 is also cooled immediately after its application by means of a cooling device 9 to a temperature TK of at most 20 °C (state (a)), preferably at most 10 °C (state (b)) above the melting interval S of the polymer 4.
  • the polymer melt 4 is cooled by the cooling device to a temperature TK which is within the melting interval (state (c)), preferably below the melting interval (state (d)), in particular at least 10° C. below the melting interval (state (e)). of the polymer.
  • the polymer 4 is cooled down to a temperature T K that is more than 15 °C below the lower edge of the melting interval S of the polymer.
  • This cooling process is illustrated in the time-temperature diagram according to FIG. The time t is plotted on the abscissa and the temperature T is plotted on the ordinate, and the melting interval S of the polymer 4 is shown as a hatched area.
  • the upper and lower edges of the melting interval of the polymer 4 are labeled T s o and Tsu, respectively. It can be seen how the polymer 4 is cooled from the nozzle exit temperature TD to the temperature TK by means of the cooling device and accordingly completely solidifies in the process.
  • the states a) to e) mentioned above are also drawn in the diagram.
  • the compression device 8 for compressing the polymer melt 4 has a tamper plate 9 which is also arranged on the carriage 6 and is designed as a cooling device K at the same time.
  • the tamper plate 9 is provided with a fluid channel 11 which transports a cooling medium 10, preferably cooling air and/or cooling water, and which runs meandering within the tamper plate 9 and in the plane of the plate.
  • the polymer melt 4 can also be cooled without contact, in that it is subjected directly to a cooling medium, e.g. cooling air.
  • a cooling medium e.g. cooling air.
  • the device for providing the cooling air can in turn be arranged on the oscillating compression device 8 or, alternatively, stationary on the carriage 5 for guiding the nozzle 3 or the nozzle 3 itself.
  • the tamper plate 9 is provided with a coating 12 which prevents freshly applied polymer 4 from adhering to the compression device 8 .
  • the tamper plate 9 has a surface structure with a large number of depressions in the form of a grid 13 in its effective area. The position of the tamper plate 9 can be adjusted to the direction of travel of the nozzle 3.
  • the tamper plate 9 is designed in the form of a closed circular ring and is arranged around the nozzle 3 (not shown). This has the advantage that the position of the tamper plate 9 does not have to be adjusted to the direction of travel of the nozzle 3 in this case.
  • the tamper plate 9 executes oscillating movements in the vertical direction z s during the compaction process.
  • the Peak-valley value S S T of an oscillating movement i.e. the stroke and thus the vertical distance between the highest and lowest position of the oscillating tamper plate 9
  • the oscillating movements are carried out with a frequency of 0.01 to 25 Hz.
  • the frequency is continuously adapted to the traversing speed v of the nozzle 3 during the additive manufacturing process. This is done in such a way that the frequency also increases as the displacement speed v of the nozzle 3 increases.
  • the vertical distance ts between the lower edge 15 of the tamper plate and the lower edge 16 of the nozzle (which is above the lower edge 15) at the lower apex of the oscillating movements, from which the polymer melt 4 emerges, is 0 to 0.8 times, preferably 0 up to 0.3 times the layer height s P of the already compacted polymer melt strand 14'. This distance t s corresponds to the ramming depth of the compaction process.
  • the lower limit of 0 for the above-mentioned intervals, at which the lower edge of the nozzle 16 is correspondingly at the same height as the compression device 8 at the lower apex, is relevant in the exemplary embodiment if the polymer melt 4 swells after it has exited the nozzle 3 (e.g. due to Foaming effects) and thus in this case the upper edge (indicated by the dot-dash line q) of the freshly applied polymer strand 4 is located above the lower edge 16 of the nozzle before compression. This means that compression also takes place with a value of 0.
  • the oscillating movement of the compression device 8 can be realized by a crank mechanism 17 shown in FIG. 5, which transfers the rotational movement w of a drive motor 18 into a corresponding linear oscillation in the direction z s .
  • the peak-to-valley value SST can be set, for example, via the length of the corresponding crank arm 19, this length being adjustable, for example, via the twisting of two (not shown in more detail) eccentric shafts relative to one another, while the frequency of the oscillating movement is expediently via the speed of the drive motor 18 or a motor gear (not shown) is adjustable.
  • the component 1 produced in the exemplary embodiment is comparatively large and has an external volume enclosed by the surface O of the component of more than 100 liters. Of course, this does not preclude the manufacture of smaller components.
  • the diameter d P of the polymer melt strand 14 emerging from the nozzle 3 is 20 to 30 mm in the exemplary embodiment.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (1) im Wege der additiven Fertigung, wobei als Werkstoff für das Bauteil (1) ein Polymer (4), vorzugsweise ein Thermoplast, verwendet wird, wobei das Bauteil (1) durch schichtweises Auftragen des Polymers (4) im Schmelzezustand erzeugt wird, und wobei optional die Polymerschmelze (4) unmittelbar nach ihrem aus einer Düse (3) erfolgenden Auftrag mittels einer Verdichtungseinrichtung (8) verdichtet wird. Erfindungsgemäß wird die Polymerschmelze (4) unmittelbar nach ihrem Auftrag zusätzlich mittels einer Kühlvorrichtung (K) auf eine Temperatur von maximal 20 °C, vorzugsweise maximal 10 °C oberhalb des Schmelzintervalls (S) des Polymers (4) abgekühlt.

Description

Verfahren zur Herstellung eines Bauteils im Wege der additiven Fertigung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils im Wege der additiven Fertigung, wobei als Werkstoff für das Bauteil ein Polymer, vorzugsweise ein Thermoplast, verwendet wird, wobei das Bauteil durch schichtweises Aufträgen des Polymers im Schmelzezustand erzeugt wird, und wobei optional die Polymerschmelze unmittelbar nach ihrem aus einer Düse erfolgenden Auftrag mittels einer Verdichtungseinrichtung verdichtet wird.
Für das eingangs beschriebene Verfahren existieren verschiedene Methoden zu Bereitstellung des Polymerwerkstoffs. Beim sogenannten Fused Deposition Modeling (FDM) oder Fused Filament Fabrication (FFF) wird im Wege des 3D-Drucks ein Werkstück schichtweise aus einem schmelzfähigen Kunststoff aufgebaut, der z.B. als Filament bereitgestellt wird. 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, bei denen zur Erzeugung entsprechend großer Schichthöhen große Düsendurchmesser zum Einsatz kommen. Beim Einsatz großer Düsendurchmesser besteht generell das Problem, dass die aufeinandergeschichteten Polymerlagen nur einen relativ kleinen Verbindungsbereich miteinander haben und ein vergleichsweise großes Hohlraumvolumen zwischen den einzelnen Polymerschichten entsteht. Hierdurch werden die mechanischen Eigenschaften der entsprechenden Bauteile zum Teil deutlich beeinträchtigt. Dieses Problem besteht aber auch unabhängig vom Düsendurchmesser bei entsprechender Menge an ausgestossenem Material pro Verfahrwegstrecke sowie in Abhängigkeit der Schichthöhe, der Schmelzestabilität des Materials, sowie dessen Abkühlgeschwindigkeit.
Aus der WO 2016 077 473 A1 ist eine 3D- Druckvorrichtung bekannt, bei der die frisch aufgeschichteten Polymerlagen durch einen Pressvorgang mit plattenförmigen, beheizten Verdichtungsvorrichtungen verdichtet werden. Hiermit allein sind jedoch auch noch keine umfassend zufriedenstellenden Bauteileigenschaften erzielbar. Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren mit den eingangs beschriebenen Merkmalen anzugeben, mit dem verbesserte mechanische Eigenschaften des damit hergestellten Bauteils erzielbar sind.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Polymerschmelze unmittelbar nach ihrem Auftrag zusätzlich mittels einer Kühlvorrichtung auf eine Temperatur von maximal 20 °C, vorzugsweise maximal 10 °C oberhalb des Schmelzintervalls des Polymers abgekühlt wird. Insbesondere liegt es im Rahmen der Erfindung, die Polymerschmelze mittels der Kühlvorrichtung auf eine Temperatur abzukühlen, die innerhalb des Schmelzintervalls, vorzugsweise unterhalb des unteren Randes des Schmelzintervalls, insbesondere wenigstens 10 °C, z.b. wenigstens 20 °C unterhalb des unteren Randes des Schmelzintervalls des Polymers liegt. Das Vorliegen eines Schmelzintervalls - also die Tatsache, dass sich der Schmelzvorgang beim Erwärmen über einen Temperaturbereich hinzieht - ist eine typische Eigenschaft von Kunststoffen, die u.a. mit unterschiedlichen Kettenlängen der einzelnen Moleküle zusammenhängt. So erstreckt sich beispielsweise das Schmelzintervall von Niederdruckpolyethylen (LDPE) über einen Temperaturbereich von 105 bis 120 °C, das Schmelzintervall von Hochdruckpolyethlen (HDPE) hingegen über einen Temperaturbereich von 125 bis 135 °C und das Schmelzintervall von Polyamid 6 (PA 6) über einen Temperaturbereich von 215 bis 225 °C. Lediglich bei einigen wenigen kristallinen Kunststoffen schrumpft das Schmelzintervall sozusagen zu einem singulären Schmelzpunkt zusammen (Bsp. isotaktisches Polypropylen mit einem Schmelzpunkt von 176 °C). Erfindungsgemäß findet also unmittelbar nach dem Auftrag einer frischen Polymerlage eine gezielte Kühlung derselben mittels einer Kühlvorrichtung, wodurch der Erstarrungsvorgang der Schmelze beschleunigt wird. Überraschenderweise führt diese gezielte Kühlung, insbesondere im Zusammenhang mit einer Verdichtung der frisch aufgetragenen Polymerschmelze, zu einer Reduzierung der Porosität zwischen den einzelnen Polymerschichten (kleinere bzw. keine Lunker) sowie zu einer Verbesserung der Anhaftung des frisch aufgetragenen Materials auf den bereits gedruckten Teil des Werkstücks und damit einhergehend zu einer Verbesserung der Materialeigenschaften dieses 3D-gedruckten Bauteils, beispielsweise in Form einer höheren Dichte des geschichteten Kunststoffmaterials und/oder eine erhöhten Wärmeformbeständigkeit und/oder verbesserten Bruchfestigkeitswerten, also einer verbesserten Zug- und/oder Druck- und/oder Biegezug- und/oder Scher- und/oder Torsionsfestigkeit. Auch in Bezug auf die geometrischen Freiheitsgrade des damit durchgeführten 3D-Drucks ist die erfindungsgemäße Lehre vorteilhaft. Zweckmäßigerweise wird die vorbeschriebene Abkühlung auf eine Temperatur von höchstens 50 °C unterhalb des unteren Randes des Schmelzintervalls begrenzt.
Zweckmäßigerweise ist die Kühlvorrichtung in die Verdichtungseinrichtung intergriert, d.h. die Verdichtungseinrichtung führt gleichsam mit der Verdichtung auch eine Kühlung der frisch aufgetragenen Polymerschmelze durch. Die Kühlvorrichtung kann mit mindestens einem ein Kühlmedium, vorzugsweise Kühlluft und/oder Kühlwasser, transportierenden Fluidkanal versehen sein. So kann beispielsweise der mindestens eine Fluidkanal in mindestens eine Wirkeinheit der Verdichtungseinrichtung eingebracht sein. Die Wirkeinheit kann grundsätzlich z.B. als Stampferplatte ausgebildet sein. Vorzugsweise kann also die Stampferplatte gleichzeitig als Kühlvorrichtung ausgebildet sein. Beim Kontakt der Stampferplatte mit der frisch aufgetragenen Polymerschmelze, also während des Stampfvorganges, wird diese somit gleichzeitig erfindungsgemäß heruterkühlt. Der Fluidkanal kann innerhalb der Platte mäanderförmig und/oder in Plattenebene verlaufen. Es liegt aber auch im Rahmen der Erfindung, dass die Kühlung kontaktlos erfolgt, indem z.B. die frisch aufgetragene Polymerschmelze direkt mit Kühlmedium (i.d.R. Kühlluft) beaufschlagt wird. Die entsprechende Vorrichtung zum Ausstoß des Kühlmediums zwecks direkter Beaufschlagung der Polymerschmelze kann wiederum in die mindestens eine Wirkeinheit der Kühlvorrichtung, z.B. Stampferplatte, integriert sein. Auch die Kombination der beiden vorbeschriebenen Maßnahmen zur Kühlung - also sowohl durch den Kontakt der Kühlvorrichtung mit der Schmelze als auch durch kontaktlose Kühlung - liegt im Rahmen der Erfindung. Die Position der Verdichtungseinrichtung wird zweckmäßigerweise an die Verfahrrichtung der Düse angepasst. Im Rahmen der Erfindung liegt es aber auch, dass die Stampferplatte in Form eines offenen oder geschlossenen Rings, vorzugsweise kreisförmig, ausgebildet und um die Düse herum angeordnet ist. Dies hat den Vorteil, dass die Position der Stampferplatte in diesem Fall nicht an die Verfahrrichtung der Düse angepasst werden muss.
Zweckmäßigerweise führt die Verdichtungseinrichtung während des Verdichtungsvorganges oszillierende Bewegungen aus. Hierbei hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn der Spitze-Tal-Wert der oszillierenden Bewegungen das 0,1 bis 3-fache, vorzugsweise das 0,25 bis 1,5-fache der Schichthöhe des bereits verdichteten Polymerschmelzestrangs beträgt. Vorzugsweise werden die oszillierenden Bewegungen mit einer Frequenz von 0,005 bis 50 Hz, vorzugsweise 0,01 bis 25 Hz, insbesondere 0,1 bis 10 Hz, bspw. 1 bis 10 Hz, z.B. 3 bis 8 Hz ausgeführt. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird die Frequenz während des additiven Fertigungsvorgangs, vorzugsweise fortlaufend, an die Verfahrgeschwindigkeit der Düse, aus der die Polymerschmelze austritt, angepasst. So kann es beispielsweise von Vorteil sein, wenn die Frequenz mit zunehmender Verfahrgeschwindigkeit der Düse ebenfalls zunimmt. Im Rahmen der Erfindung liegt es aber auch, dass die oszillierenden Bewegungen der Verdichtungseinrichtung mit einer konstanten Frequenz unabhängig von der Verfahrgeschwindigkeit der Düse ausgeführt werden. Die oszillierende Bewegung kann z.B. durch ein Kurbelgetriebe realisiert werden, das die Rotationsbewegung eines Antriebsmotors in eine entsprechende lineare Schwingung transferiert. Der Spitze-Tal- Wert kann beispielsweise über die Länge des entsprechenden Kurbelarmes eingestellt werden, wobei diese Länge z.B. über die Verdrehung zweier exzentrischer Wellen zueinander eingestellt werden kann, während die Frequenz der Oszillationsbewegung zweckmäßigerweise über die Drehzahl des Antriebsmotors bzw. ein Motorgetriebe justierbar ist. Durch die oszillierenden Bewegungen der Verdichtungseinrichtung wird der frisch aufgetragene Polymerschmelzestrang, der in der Regel mit im wesentlichen kreisförmigem Querschnitt aus der Düse austritt, effizient in eine gestauchte, im wesentlichen ellipsenförmige Querschnittsform überführt, wodurch die Kontaktfläche mit dem bereits gedruckten Material vergrößert und damit die Anbindung an dieses verbessert wird.
Zweckmäßigerweise beträgt am unteren Scheitelpunkt der oszillierenden Bewegungen der vertikale Abstand zwischen der Unterkante der Verdichtungseinrichtung und der Unterkante der Düse, aus der die Polymerschmelze austritt, das 0 bis 0,8-fache, vorzugsweise das 0 bis 0,3-fache der Schichthöhe des bereits verdichteten, frisch aufgetragenen Polymerschmelzestrangs. Hierdurch kann eine besonders effiziente Verdichtung erzielt werden, was sich ebenfalls positiv auf die mechanischen Eigenschaften des gedruckten Bauteils auswirkt. Die untere Grenze von 0 bei den vorstehend genannten Intervallen, bei der die Unterkante der Düse sich entsprechend auf der selben Höhe befindet wie die Verdichtungseinrichtung am unteren Scheitelpunkt ist technisch insbesondere dann relevant, wenn die Polymerschmelze nach ihrem Austritt aus der Düse aufquillt (z.B. durch Schäumung) und sich somit der obere Rand des frisch aufgetragenen Polymermerstrangs vor der Verdichtung oberhalb der Unterkante der Düse befindet. D.h. es findet dann auch beim Wert von 0 eine Verdichtung statt. Die Verdichtungseinrichtung wird zweckmäßigerweise in ihrem Wirkbereich mit einer Beschichtung versehen, die eine Anhaftung von frisch aufgetragenem Polymer verhindert, bzw. zumindest die Haftungsneigung reduziert. Diese Beschichtung kann aus einem Polymer, z.B. PTFE, PVDF, FEP, oder aber auch z.B. aus Keramik bestehen. Die Verdichtungseinrichtung kann in ihrem Wirkbereich mit einer eine Vielzahl von Vertiefungen und/oder Erhöhungen aufweisenden Oberflächenstruktur versehen sein, beispielsweise in Form einer Noppen- oder Gitterstruktur.
Gegenstand der Erfindung ist auch polymeres Bauteil, hergestellt mit dem vorbeschriebenen Verfahren. Wie eingangs bereits erläutert, kommen die Vorteile der erfindungsgemäßen Lehre insbesondere bei vergleichsweise großen Werkstücken zum Tragen, die beispielsweise ein Außenvolumen von mehr als 100 Litern, z.B. mehr als 250 Litern aufweisen. Hierbei meint der Begriff Außenvolumen jenes Volumen, welches von einer gedachten geschlossenen, an der Außenwandung des Bauteils flächig anliegenden sowie Bauteilöffnungen flächig überdeckenden Begrenzung umschlossen wird. Der Durchmesser des aus der Düse austretenden Polymerschmelzestrangs ist daher in der Regel auch vergleichsweise groß, z.B. 2,5 bis 50 mm, insbesondere 4 bis 35 mm, bspw. 8 bis 20 mm.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlich erläutert. Es zeigen schematisch:
Fig. 1a eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
Fig. 1 b die Ansicht A in Fig. 1a
Fig. 2 eine vergrößerte Detailansicht der Fig. 1a, b
Fig. 3 die in Fig. 2 dargestellte Stampferplatte von unten gesehen
Fig. 4 ein Temperaturdiagramm zur Darstellung der erfindungsgemäßen Abkühlung frisch aufgetragener Polymerschmelze
Fig. 5 die Mechanik zur Erzeugung einer oszillerenden Bewegung gemäß der erfindungsgemäßen Lehre
Fig. 6 die Draufsicht B in Fig. 2 für eine alternative Ausführungsform der Vorrichtung durch Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in vereinfachter Darstellung Die Fig. 1a,b zeigen eine 3D-Druckvorrichtung 100 zur Herstellung eines Bauteils 1 im Wege der additiven Fertigung. Die 3D-Druckvorrichtung weist eine in vertikale Richtung z verschiebbare Auflageplatte 2 (Fig. 1a) für das herzustellende Bauteil 1 sowie eine in horizontaler Ebene, also die Raumrichtungen x, y verfahrbare Düse 3 auf, aus der der Bauteilwerkstoff in Form einer thermoplastischen, ggf. Verstärkungsfasern enthaltende Polymerschmelze 4, z.B. aus Polyamid, einem Polyolefin (bspw. PP oder PE), einem Polyester, einem thermoplastischen Polyurethan oder einem Styrolcopolymer austritt. Die Polymerschmelze 4 wird mit Hilfe eines nicht dargestellten Extruders bereitgestellt, mit dem z.B. in Granulatform vorliegendes Polymer aufgeschmolzen wird. Das Bauteil 1 wird durch schichtweises Aufträgen des Polymers 4 im Schmelzezustand erzeugt, wobei hierzu die Auflageplatte 2 gemäß dem Fortschritt der Bauteilerzeugung immer weiter nach unten abgesenkt wird (Fig. 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, ebenso wie die Auflageplatte 2, beheizbar ausgebildet und an einen (nicht dargestellten) Extruder angeschlossen, welcher granulatförmiges Polymermaterial aufschmilzt und zur Düse 3 fördert.
In Figur 2 ist der Auftrag von Polymerschmelze 4 mittels der 3 Düse auf die Oberfläche 7 des bereits aufgeschichteten Materials des Bauteils 1 im Detail dargestellt. Es ist erkennbar, dass die mit der Temperatur TD aus die Düse austretende Polymerschmelze 4 unmittelbar nach ihrem frischen Auftrag als Polymerschmelzestrang 14 mittels einer Verdichtungseinrichtung 8 verdichtet wird. Zusätzlich wird die Polymerschmelze 4 ebenfalls unmittelbar nach ihrem Auftrag mittels einer Kühlvorrichtung 9 auf eine Temperatur TK von maximal 20 °C (Zustand (a) ), vorzugsweise maximal 10 °C (Zustand (b) ) oberhalb des Schmelzintervalls S des Polymers 4 abgekühlt. Insbesondere wird die Polymerschmelze 4 mittels der Kühlvorrichtung auf eine Temperatur TK abgekühlt, die innerhalb des Schmelzintervalls (Zustand (c) ), vorzugsweise unterhalb des Schmelzintervalls (Zustand (d) ), insbesondere wenigstens 10 °C unterhalb des Schmelzintervalls (Zustand (e) ) des Polymers liegt. Im Ausführungsbeispiel wird das Polymer 4 auf eine Temperatur TK heruntergekühlt, die mehr als 15 °C unterhalb des unteren Randes des Schmelzintervall S des Polymers liegt. Dieser Abkühlvorgang wird im Zeit-Temperatur-Diagramm gemäß Fig. 4 verdeutlicht. Darin sind auf der Abszisse die Zeit t und auf der Ordinate die Temperatur T aufgetragen und das Schmelzintervall S des Polymers 4 als schraffierte Fläche dargestellt. Der obere bzw. der untere Rand des Schmelzintervalls des Polymers 4 sind mit TSo bzw. Tsu gekennzeichnet. Es ist erkennbar, wie das Polymer 4 von der Düsenaustrittstemperatur TD mittels der Kühlvorrichtung auf die Temperatur TK abgekühlt wird und entsprechend hierbei vollständig erstarrt. Die vorstehend genannten Zustände a) bis e) sind im Diagramm ebenfalls eingezeichnet.
Im Ausführungsbeispiel weist die Verdichtungseinrichtung 8 zur Verdichtung der Polymerschmelze 4 eine ebenfalls am Schlitten 6 angeordnete Stampferplatte 9 auf, welche gleichzeitig als Kühlvorrichtung K ausgebildet ist. Es ist anhand einer vergleichenden Betrachtung der Fig. 2 und 3 erkennbar, dass die Stampferplatte 9 mit einem ein Kühlmedium 10, vorzugsweise Kühlluft und/oder Kühlwasser, transportierenden Fluidkanal 11 versehen ist, der innerhalb der Stampferplatte 9 mäanderförmig und in Plattenebene verläuft. Beim Kontakt der Stampferplatte 9 mit der frisch aufgetragenen Polymerschmelze 4, also während des Stampfvorganges, wird diese somit gleichzeitig mit dem durch die Stampferplatte 9 zirkulierende Kühlmedium 11 heruterkühlt. Gemäß einer nicht dargestellten Alternative oder auch ergänzend kann auch eine kontaktlose Kühlung der Polymerschmelze 4 erfolgen, indem sie direkt mit Kühlmedium, z.B. mit Kühlluft beaufschlagt wird. Die Vorrichtung zur Bereitstellung der Kühlluft kann wiederum and der oszillierenden Verdichtungseinrichtung 8 oder auch alternativ ortsfest am Schlitten 5 zur Führung der Düse 3 bzw. der Düse 3 selbst angeordnet sein. Die Stampferplatte 9 ist in ihrem Wirkbereich mit einer Beschichtung 12 versehen, die eine Anhaftung von frisch aufgetragenem Polymer 4 an der Verdichtungseinrichtung 8 verhindert. Ferner weist die Stampferplatte 9 in ihrem Wirkbereich eine Oberflächenstruktur mit einer Vielzahl von Vertiefungen in Form eines Gitters 13 auf. Die Position der Stampferplatte 9 kann an die Verfahrrichtung der Düse 3 angepasst werden. Im Rahmen der Erfindung liegt es aber auch, dass gemäß Fig. 6 die Stampferplatte 9 in Form eines geschlossenen kreisförmigen Rings ausgebildet und um die Düse 3 herum angeordnet ist (nicht dargestellt). Dies hat den Vorteil, dass die Position der Stampferplatte 9 in diesem Fall nicht an die Verfahrrichtung der Düse 3 angepasst werden muss.
In Fig 2 ist außerdem erkennbar, dass die Stampferplatte 9 während des Verdichtungsvorganges oszillierende Bewegungen in vertikaler Richtung zs ausführt. Hierbei beträgt der Spitze-Tal-Wert SST einer oszillierenden Bewegung (also der Hub und somit der vertikale Abstand zwischen der höchsten und der tiefsten Position der oszillierenden Stampferplatte 9) das 0,25 bis 1,5-fache der Schichthöhe sPdes bereits verdichteten Polymerschmelzestrangs 14‘. Die oszillierenden Bewegungen werden mit einer Frequenz von 0,01 bis 25 Hz ausgeführt. Außerdem wird die Frequenz während des additiven Fertigungsvorgangs fortlaufend an die Verfahrgeschwindigkeit v der Düse 3 angepasst. Dies erfolgt derart, dass die Frequenz mit zunehmender Verfahrgeschwindigkeit v der Düse 3 ebenfalls zunimmt.
Der am unteren Scheitelpunkt der oszillierenden Bewegungen vorliegende vertikale Abstand ts zwischen der Unterkante 15 der Stampferplatte und der Düsenunterkante 16 (welche oberhalb der Unterkante 15 liegt), aus der die Polymerschmelze 4 austritt, beträgt das 0 bis 0,8-fache, vorzugsweise das 0 bis 0,3-fache der Schichthöhe sP des bereits verdichteten Polymerschmelzestrangs 14‘ . Dieser Abstand ts entspricht der Stampftiefe des Verdichtungsvorganges. Die untere Grenze von 0 bei den vorstehend genannten Intervallen, bei der die Düsenunterkante 16 sich entsprechend auf der selben Höhe befindet wie die Verdichtungseinrichtung 8 am unteren Scheitelpunkt ist im Ausführungsbeispiel relevant, sofern die Polymerschmelze 4 nach ihrem Austritt aus der Düse 3 aufquillt (z.B. durch Schäumeffekte) und sich somit in diesem Fall der obere Rand (angedeutet durch die strichpunktierte Linie q) des frisch aufgetragenen Polymermerstrangs 4 vor der Verdichtung oberhalb der Düsenunterkante 16 befindet. D.h. es findet dann auch beim Wert von 0 eine Verdichtung statt.
Die oszillierende Bewegung der Verdichtungseinrichtung 8 kann durch ein in Fig. 5 dargestelltes Kurbelgetriebe 17 realisiert werden, das die Rotationsbewegung w eines Antriebsmotors 18 in eine entsprechende lineare Schwingung in Richtung zs transferiert. Der Spitze-Tal-Wert SST kann beispielsweise über die Länge des entsprechenden Kurbelarmes 19 eingestellt werden, wobei diese Länge z.B. über die Verdrehung zweier (nicht näher darsgestellter) exzentrischer Wellen zueinander eingestellt werden kann, während die Frequenz der Oszillationsbewegung zweckmäßigerweise über die Drehzahl des Antriebsmotors 18 bzw. ein Motorgetriebe (nicht dargestellt) justierbar ist.
Das im Ausführungsbeispiel hergestellte Bauteil 1 ist vergleichsweise groß und besitzt ein von der Oberfläche O des Bauteils umschlossenes Außenvolumen von mehr als 100 Litern. Die Herstellung kleinerer Bauteile wird hierdurch jedoch selbstverständlich nicht ausgeschlossen. Der Durchmesser dP des aus der Düse 3 austretenden Polymerschmelzestrangs 14 beträgt im Ausführungsbeispiel 20 bis 30 mm.
Patentansprüche

Claims

Patentansprüche Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (1) im Wege der additiven Fertigung, wobei als Werkstoff für das Bauteil (1) ein Polymer (4), vorzugsweise ein Thermoplast, verwendet wird, wobei das Bauteil (1) durch schichtweises Aufträgen des Polymers (4) im Schmelzezustand erzeugt wird, und wobei optional die Polymerschmelze (4) unmittelbar nach ihrem aus einer Düse (3) erfolgenden Auftrag mittels einer Verdichtungseinrichtung (8) verdichtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerschmelze (4) unmittelbar nach ihrem Auftrag zusätzlich mittels einer Kühlvorrichtung (K) auf eine Temperatur von maximal 20 °C, vorzugsweise maximal 10 °C oberhalb des Schmelzintervalls (S) des Polymers (4) abgekühlt wird. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerschmelze (4) mittels der Kühlvorrichtung (K) auf eine Temperatur (TK) abgekühlt wird, die innerhalb des Schmelzintervalls (S), vorzugsweise unterhalb des Schmelzintervalls (S), insbesondere wenigstens 10 °C unterhalb des Schmelzintervalls (S) des Polymers (4) liegt. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (K) in die Verdichtungseinrichtung (8) integriert ist. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (K) mit mindestens einem ein Kühlmedium (10), vorzugsweise Kühlluft und/oder Kühlwasser, transportierenden Fluidkanal (11) versehen ist. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtungseinrichtung (8) mindestens eine Stampferplatte (9) aufweist. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stampferplatte (9) gleichzeitig als Kühlvorrichtung (K) ausgebildet ist.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stampferplatte (9) in Form eines offenen oder geschlossenen Rings ausgebildet und um die Düse (3) herum angeordnet ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtungseinrichtung (8) während des Verdichtungsvorganges oszillierende Bewegungen ausführt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Spitze-Tal-Wert (SST) der oszillierenden Bewegungen das 0,1 bis 3-fache, vorzugsweise das 0,25 bis 1 ,5-fa- che der Schichthöhe (SP) des bereits verdichteten Polymerschmelzestrangs (14‘) beträgt.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die oszillierenden Bewegungen mit einer Frequenz von 0,005 bis 50 Hz, vorzugsweise 0,01 bis 25 Hz ausgeführt werden.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz während des additiven Fertigungsvorgangs, vorzugsweise fortlaufend, an die Verfahrgeschwindigkeit (v) der Düse (3), aus der die Polymerschmelze (4) austritt, angepasst wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass am unteren Scheitelpunkt der oszillierenden Bewegungen der vertikale Abstand (ts) zwischen der Unterkante (15) der Verdichtungseinrichtung (8) und der Unterkante (16) der Düse (3), aus der die Polymerschmelze (4) austritt, das 0 bis 0,8-fache, vorzugsweise das 0 bis 0,3-fache der Schichthöhe (SP) des bereits verdichteten Polymerschmelzestrangs (14‘) beträgt.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtungseinrichtung (8) in ihrem Wirkbereich mit einer Beschichtung (12) versehen wird, die eine Anhaftung von frisch aufgetragenem Polymer (4) verhindert.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtungseinrichtung (8) in ihrem Wirkbereich mit einer eine Vielzahl von Vertiefungen (20) und/oder Erhöhungen aufweisenden Oberflächenstruktur (13) versehen ist.
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