WO2018108732A2 - Verfahren und vorrichtung zum additiven fertigen eines dreidimensionalen objekts sowie dreidimensionales objekt - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum additiven fertigen eines dreidimensionalen objekts sowie dreidimensionales objekt Download PDF

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WO2018108732A2
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    • B33Y80/00—Products made by additive manufacturing

Definitions

  • the invention is based on a method, a device and a product according to the preamble of the independent claims.
  • WO 2008/044884 AI is a laminating film, in particular a
  • Coating film made of plastic / Teflon-silicon and a process for its preparation with improved bond strength between plastic or Teflon with silicone rubber known.
  • Liquid silicone rubber wherein the rubber is applied to a substrate, preferably on a workpiece and / or on another rubber,
  • a three-dimensional object can be understood as meaning components of any geometry and / or shape.
  • it can also be understood to mean flat components, such as surface seals, foils and / or coatings, which have a small expansion or thickness in a direction perpendicular to the surface of the component, compared to an expansion in a plane parallel to a surface of the component
  • they may also be understood to mean elongated components, such as sealing beads, sealing cords and / or, which have a small expansion or thickness in two directions perpendicular to the direction parallel to the surface compared to an expansion in one direction parallel to a surface of the component of the component.
  • a liquid silicone rubber may be understood to mean a silicone rubber and / or a silicone elastomer, in particular still uncrosslinked, which is in liquid form.
  • spraying can be understood as meaning that the liquid silicone rubber is distributed in droplets in a gas stream, for example applied to a substrate.
  • a plurality of droplets of the liquid silicone rubber are simultaneously applied or discharged onto the substrate.
  • the elastomer is sprayed by an injector, in particular a high-pressure injector, such that a droplet size of sprayed droplets on the substrate and / or a distance between the sprayed-on droplets on the substrate can be adjusted. Because this can further increase the efficiency of the process.
  • a residual flowability of the liquid silicone rubber can be adjusted by the droplet size and / or the distance between the sprayed-on droplets. This improves a
  • the droplet size depends on the injector used. Due to a flow behavior that can be assumed to be watery at high shear, which arises in such a type of dosage form, the droplet size may assume values that are in the range of small water droplets, such. one
  • Drop radius from 0.05 mm to 0.25 mm Droplets with high flowability can assume droplet radii in the range of about 0.5 mm.
  • the liquid silicone rubber is affected by shear rate gradients of up to 10 4 s -1 , at which the liquid silicone rubber assumes the flow behavior of a low-viscosity liquid (10 Pa * s).
  • a high-pressure injector can be understood to be an injector which discharges a liquid silicone rubber and / or liquid auxiliary under pressure or high pressure via a nozzle or sprays it onto a substrate.
  • Under pressure or high pressure can be understood a pressure range, for example, greater than 1 bar, preferably greater than 100 bar, more preferably greater than 500 bar and most preferably greater than 1000 bar.
  • Elastomers in particular of the liquid silicone rubber, a plasma treatment and / or a UV light treatment of the réellesprühenden elastomer. Because this can cause a curing reaction of the elastomer during a
  • a plasma treatment may be understood as meaning a functionalization of the elastomer and / or the substrate, in particular a surface of the elastomer and / or of the substrate, with a plasma.
  • the resulting in a plasma reactive particles and resulting UV radiation can advantageously on a
  • Material surface are steered and a targeted treatment of the surface be used.
  • this can expediently be followed by postcrosslinking of the surface, removal of weakly adhering low molecular weight compounds on the surface, physical modification, such as roughening of the surface by particle bombardment and chemical activation by production of functional groups or by oxidation of the surface Surface can be achieved.
  • a coating of the elastomer and / or the substrate, in particular a surface of the elastomer and / or the substrate can take place.
  • the elastomer in particular the liquid silicone rubber
  • a plasma in particular into a plasma jet
  • the plasma in particular through the plasma jet
  • the discharged, sprayed liquid silicone rubber droplets can be targeted by the plasma jet to the substrate and / or on an already Elastomer
  • Plasma parameters in particular a plasma composition and a plasma intensity or a plasma temperature, the droplet size and / or the distance between the sprayed droplets and thus adjust the residual fluidity of the liquid silicone rubber even more precisely.
  • Elastomers in particular of the liquid silicone rubber, a plasma treatment and / or a UV light treatment of the substrate takes place.
  • a plasma treatment and / or a UV light treatment of the substrate takes place.
  • an improved adhesion between the sprayed liquid silicone rubber and the substrate in particular with different material components, such as elastomer plastic, elastomer metal and / or elastomeric ceramic / glass systems, can be achieved.
  • liquid silicone rubber in particular the liquid silicone rubber, a plasma treatment and / or a UV-light treatment of the sprayed-on elastomer takes place. Because of this, a degree of crosslinking of the liquid silicone rubber can be further increased.
  • the residual flowability of the liquid silicone rubber can be controlled by
  • Substrate can temper, positively influence.
  • an auxiliary material in particular metal particles and / or layer-forming precursors, is supplied to the elastomer before and / or during the spraying of the elastomer.
  • This can significantly improve the material strength of the three-dimensional object.
  • mechanical, thermal, optical and / or electrical properties of the three-dimensional object can thereby be varied in a targeted manner.
  • the component to be manufactured becomes electrically conductive and / or opaque by adding aluminum, silver and / or gold particles.
  • Excipient may also be understood to mean a filler or a plurality of fillers, for example silicates, talc, aluminum and aluminum compounds, boronitrites, soot particles, conductive carbon blacks and graphites.
  • a flowability of sprayed droplets of elastomer is set as a function of parameters of a spraying process, in particular a spraying pressure, a spraying rate, a plasma parameter, in particular a plasma intensity, and / or a UV light intensity. Because this allows the droplet size and / or the distance between the sprayed droplets and thus the
  • Viscosity of the liquid silicone elastomer may advantageously be in a range from 5 Pa * s to 100 Pa * s.
  • Method for the additive manufacturing of a three-dimensional object from a Elastomer a spraying device, in particular an injector, for spraying an existing in liquid phase elastomer, in particular a
  • Liquid silicone rubber on a substrate, wherein the device further comprises a plasma unit and / or a UV light unit for the treatment of the elastomer and / or the substrate before, during and / or after a Aufsprühvorgang. Because this can be compared to a sequential Austragungs- or
  • the device has a drive unit which is adapted to move the spray device relative to the substrate and / or to the already sprayed on elastomer and / or the substrate relative to the
  • any desired three-dimensional component can be produced in a targeted manner.
  • the device has an addition unit which is adapted to the elastomer before and / or during the spraying of the elastomer
  • Adjuvant in particular metal particles and / or layer-forming precursors, such as e.g. Hexamethyldisiloxane (HMDSO), trimethylaluminum, trimethylindium, etc., can provide material properties of the three-dimensional object
  • optical and / or electrical properties of the three-dimensional object are selectively changed.
  • FIG. 1 is a schematic representation of an apparatus for additive manufacturing of a three-dimensional object made of an elastomer according to one
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of a method for the additive manufacturing of a three-dimensional object made of an elastomer according to one
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a device 100 for additive manufacturing of a three-dimensional object 1 made of an elastomer according to one exemplary embodiment.
  • the device 100 has an injector unit 10, which serves as a spray device for a liquid silicone rubber 20.
  • Liquid silicone rubber 20 is supplied to the injector unit 10 and discharged under pressure or high-pressure from a nozzle 11 of the injector unit 10 onto a substrate 30.
  • the liquid silicone rubber 20 can in this case be discharged as finely atomized droplets 21.
  • the device 100 may have a plasma unit 40 for generating and guiding a plasma 41 or a plasma jet 43.
  • a plasma unit 40 for generating and guiding a plasma 41 or a plasma jet 43.
  • Plasma jet 41 can exit from the plasma unit 40 through a plasma nozzle 42.
  • the plasma 41 may, for example, from supplied gases, such as For example, nitrogen, oxygen and / or precursors such as HMDSO or from a combination of the aforementioned substances produced.
  • the plasma unit 40 and / or the plasma nozzle 42 may be arranged adjacent to the nozzle 11 of the injector unit 10 such that the finely atomized droplets 21 from the
  • Liquid silicone rubber 20 are introduced into the plasma jet 43 and sprayed with the plasma jet 43 on the substrate 30 and discharged.
  • Droplets can be adjusted on the substrate 30. Here are small ones
  • Droplets which are sprayed on the substrate 30 at great distances from one another have a lower residual flowability than large droplets 21, which are sprayed onto the substrate 30 at small distances from one another.
  • small droplets 21 that are applied slowly and therefore have more time for crosslinking through the plasma 41 are more likely to build up a coarse component structure, whereas large droplets 21 that are applied quickly and therefore have less time for crosslinking by the plasma 41 , are more suitable for filling up the coarse component structure, for filling pores and for improving a surface quality of the component.
  • the device 100 may comprise a UV light unit 45 which irradiates a region 31 on the substrate 30 and / or on the already sprayed-on droplets 21 of the liquid silicone rubber 20 with UV light and thus on the one hand the surface 32 of the substrate 30 and / or. or the already sprayed droplets 21 of the liquid silicone rubber 20 activated and on the other hand, the already sprayed droplets 21 of the
  • Liquid silicone rubber 20 further crosslinked.
  • the device 100 has an addition unit 50, the metal particles and / or layer-forming precursors to the finely divided, from the nozzle 11th
  • discharged droplets 21 of liquid silicone rubber 20 can give.
  • the material strength of the three-dimensional object 1 can be significantly improved. Furthermore, this can be targeted mechanical, thermal, optical and / or electrical properties of the three-dimensional object to be changed 1.
  • the substrate 30 can in this case be mounted on a workpiece carrier 35 which can be moved in three spatial directions.
  • a workpiece carrier 35 which can be moved in three spatial directions.
  • Injector 10 and / or the plasma unit 40 or the nozzle 10 and / or the plasma nozzle 42 may be designed to be movable.
  • the device can furthermore have a control unit 60, which activates the injector unit 10 via a control signal 101 and via it the
  • Control signal 351 drive the workpiece carrier 35 and move the workpiece carrier 35 and thus also the substrate 20 located thereon in all three spatial directions.
  • the workpiece carrier 35 is moved in a direction 34 under the nozzle 11 or the plasma nozzle 42.
  • the control unit 60 can control the plasma unit 40 via a further control signal 401 and thus set, for example, a temperature of the plasma 41.
  • the control unit 60 can control the UV light unit 45 via a further control signal 451 and thus set, for example, a UV light intensity.
  • the control unit 60 may in this case receive sensor signals 61, which may include, for example, process parameters 62 such as spray pressure, spray rate,
  • Plasma parameters and / or UV light intensity and a relative distance between the workpiece carrier 35 and the substrate 30 and the nozzle 11 include. From these process parameters, the control unit 60
  • Memory unit of the control unit 60 stored values (look-up table)
  • a sealing lip or a sealing bead arises.
  • Process parameters 62 via sensors that on the injector 10, at the plasma unit 40, on the UV light unit 45 and / or on the
  • Workpiece carrier 35 or on the nozzle 11 and / or the plasma nozzle 42 are arranged to be received.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a method 300 for additively manufacturing a three-dimensional object 1 according to one exemplary embodiment.
  • a liquid silicon rubber 20 is sprayed onto a region 31 of a surface 32 of a substrate 30 as an droplet 21 through an injector unit 10.
  • a second method step 301 a liquid silicon rubber 20 is sprayed onto a region 31 of a surface 32 of a substrate 30 as an droplet 21 through an injector unit 10.
  • a second method step 301 a liquid silicon rubber 20 is sprayed onto a region 31 of a surface 32 of a substrate 30 as an droplet 21 through an injector unit 10.
  • Process step 302 which can take place at the same time as or after the first method step 301, involves curing or crosslinking the liquid silicone rubber 20 sprayed onto the substrate 30 and / or already discharged liquid silicone rubber 20, whereby a three-dimensional object 1 gradually forms.
  • a treatment of the region 31 of the surface 32 of the substrate 30 or of the already discharged liquid silicone rubber 20 by a plasma 40, a plasma jet 43 and / or by UV light may optionally take place before or during the first process step 301.
  • the liquid silicone rubber 20 can be introduced into the plasma 40 and / or into the plasma jet 43, so that it is targeted to the surface 32 of the substrate 30 and / or the already
  • Liquid silicone rubber 20 is already initiated in flight from a nozzle 11 of the injector 10 to the substrate 30. Alternatively or additionally, this treatment can be carried out with UV light of a UV light unit 43
  • a treatment of the region 31 of the surface 32 of the already discharged liquid silicone rubber 20 by a plasma 40, a plasma jet 43 and / or by UV light can take place Residual fluidity of the sprayed droplets 21 of the liquid silicone rubber 20 to influence.

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Abstract

Verfahren (300) zum additiven Fertigen eines dreidimensionalen Objekts (1), insbesondere einer Dichtung und/oder einer Beschichtung, aus einem in Flüssigphase vorliegenden Elastomer, insbesondere aus einem Flüssigsilikonkautschuk (20), wobei das Elastomer auf ein Substrat (30), vorzugsweise auf ein Werkstück und/oder auf ein weiteres Elastomer, aufgesprüht (301) wird.

Description

Beschreibung Titel
Verfahren und Vorrichtung zum additiven Fertigen eines dreidimensionalen Objekts sowie dreidimensionales Objekt
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren, einer Vorrichtung sowie einem Erzeugnis nach Gattung der unabhängigen Ansprüche.
Aus der WO 2008/044884 AI ist eine Laminierfolie, insbesondere eine
Beschichtungsfolie, aus Kunststoff/Teflon-Silizium und ein Verfahren zu ihrer Herstellung mit verbesserter Verbundfestigkeit zwischen Kunststoff oder Teflon mit Silikonkautschuk bekannt.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Verfahren zum additiven Fertigen eines dreidimensionalen Objekts, eine Vorrichtung zum additiven Fertigen eines dreidimensionalen Objekts, sowie ein dreidimensionales Objekt vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Verfahrens bzw. der Vorrichtung möglich.
Es wird ein Verfahren zum additiven Fertigen eines dreidimensionalen Objekts, insbesondere einer Dichtung und/oder einer Beschichtung, aus einem in Flüssigphase vorliegenden Kautschuk, insbesondere aus einem
Flüssigsilikonkautschuk, vorgestellt, wobei der Kautschuk auf ein Substrat, vorzugsweise auf ein Werkstück und/oder auf einen weiteren Kautschuk,
aufgesprüht wird.
Unter einem dreidimensionalen Objekt können hierbei Bauteile beliebiger Geometrie und/oder Form verstanden werden. Insbesondere können darunter auch flächige Bauteile, wie Flächendichtungen, Folien und/oder Beschichtungen, verstanden werden, welche eine im Vergleich zu einer Ausdehnung in einer Ebene parallel zu einer Oberfläche des Bauteils geringe Ausdehnung bzw. Dicke in einer Richtung senkrecht zu der Oberfläche des Bauteils aufweisen. Insbesondere können darunter auch längliche Bauteile, wie Dichtraupen, Dichtschnüre und/oder, verstanden werden, welche eine im Vergleich zu einer Ausdehnung in einer Richtung parallel zu einer Oberfläche des Bauteils geringe Ausdehnung bzw. Dicke in zwei Richtungen senkrecht zu der Richtung parallel zu der Oberfläche des Bauteils aufweisen. Unter einem Flüssigsilikonkautschuk kann ein Silikonkautschuk und/oder ein, insbesondere noch unvernetztes, Silikonelastomer verstanden werden, welches in flüssiger Form vorliegt. Unter Aufsprühen kann hierbei verstanden werden, dass der Flüssigsilikonkautschuk tröpfchenförmig in einem Gasstrom verteilt beispielsweise auf ein Substrat aufgetragen wird. Insbesondere kann darunter verstanden werden, dass mehrere Tröpfchen des Flüssigsilikonkautschuks gleichzeitig auf das Substrat aufgebracht bzw. ausgetragen werden.
Das Verfahren hat den Vorteil, dass in einem Vergleich zu einem sequentiellen
Austragungs- bzw. Aufbauverfahren eine große Menge an Flüssigsilikonkautschuk in kurzer Zeit ausgetragen werden kann.
Es ist zweckmäßig, wenn das Elastomer durch einen Injektor, insbesondere einen Hochdruckinjektor, derart aufgesprüht wird, dass eine Tröpfchengröße aufgesprühter Tröpfchen auf dem Substrat und/oder ein Abstand zwischen den aufgesprühten Tröpfchen auf dem Substrat einstellbar ist. Denn hierdurch kann eine Effizienz des Verfahrens weiter gesteigert werden. Insbesondere können durch die Tröpfchengröße und/oder den Abstand zwischen den aufgesprühten Tröpfchen eine Restfließfähigkeit des Flüssigsilikonkautschuks eingestellt werden. Hierdurch verbessert sich ein
Vernetzungsgrad der Flüssigsilikonkautschuke und damit können verbesserte mechanische Eigenschaften sowie durch eine dichtere Materialstruktur verbesserte Beständigkeiten gegen Alterung und Permeation von Medien erreicht werden.
Die Tröpfchengröße hängt hierbei von dem eingesetzten Injektor ab. Aufgrund eines Fließverhaltens, dass bei hoher Scherung, welche bei solch einer Art einer Dosierform aufkommt, als wasserflüssig angenommen werden kann, kann die Tröpfchengröße Werte annehmen, die im Bereich kleiner Wassertropfen liegen, wie z.B. ein
Tropfenradius von 0,05 mm bis 0,25 mm. Tröpfchen mit hoher Fließfähigkeit können Tropfenradien im Bereich von ca. 0,5 mm annehmen. Bei einem Druck von 50 - 100 MPa wirken auf den Flüssigsilikonkautschuk Schergeschwindigkeitgradienten von bis zu 104 s'1, bei welchen der Flüssigsilikonkautschuk das Fließverhalten einer niedrigviskosen Flüssigkeit (10 Pa*s) annimmt.
Unter einem Hochdruckinjektor kann hierbei ein Injektor verstanden werden, der ein Flüssigsilikonkautschuk und/oder flüssigen Hilfsstoff unter Druck bzw. Hochdruck über eine Düse austrägt bzw. auf ein Substrat aufsprüht. Unter Druck bzw. Hochdruck kann ein Druckbereich verstanden werden, der beispielsweise größer als 1 bar, bevorzugt größer als 100 bar, besonders bevorzugt größer als 500 bar und ganz besonders bevorzugt größer als 1000 bar beträgt.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn vor und/oder während dem Aufsprühen des
Elastomers, insbesondere des Flüssigsilikonkautschuks, eine Plasmabehandlung und/oder eine UV-Lichtbehandlung des aufzusprühenden Elastomers erfolgen. Denn hierdurch kann eine Aushärtereaktion des Elastomers während eines
Aufsprühvorgangs, d.h. während eines Fluges von dem Injektor zu dem Substrat, initiiert werden. Daher haftet das aufgesprühte Elastomer bzw. die aufgesprühten Elastomertröpfchen besser aneinander. Hierdurch kann eine Materialfestigkeit des dreidimensionalen Objekts erheblich verbessert werden. Unter einer Plasmabehandlung kann eine Funktionalisierung des Elastomers und/oder des Substrats, insbesondere einer Oberfläche des Elastomers und/oder des Substrats, mit einem Plasma verstanden werden. Die in einem Plasma entstehenden reaktiven Teilchen sowie entstehende UV-Strahlung können vorteilhafterweise auf eine
Materialoberfläche gelenkt werden und zu einer gezielten Behandlung der Oberfläche genutzt werden. Insbesondere bei polymeren bzw. elastomeren Kunststoffen kann hierdurch zweckmäßigerweise ein Nachvernetzen der Oberfläche, das Entfernen schwach haftender niedermolekularer Verbindungen auf der Oberfläche, eine physikalische Modifizierung, wie beispielsweise Aufrauen, der Oberfläche durch den Teilchenbeschuss und eine chemische Aktivierung durch Erzeugung funktioneller Gruppen oder durch Oxidation der Oberfläche erreicht werden. Bei Verwendung schichtbildender Präkursoren kann eine Beschichtung des Elastomers und/oder des Substrats, insbesondere einer Oberfläche des Elastomers und/oder des Substrats erfolgen.
In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung kann es von Vorteil sein, wenn das Elastomer, insbesondere das Flüssigsilikonkautschuk, in ein Plasma, insbesondere in einen Plasmastrahl, eingeleitet wird und durch das Plasma, insbesondere durch den Plasmastrahl, auf das Substrat und/oder auf ein weiteres Elastomer aufgetragen wird. Somit lassen sich die ausgetragenen, aufgesprühten Flüssigsilikonkautschuktröpfchen durch den Plasmastrahl gezielt auf das Substrat und/oder auf ein bereits
ausgetragenes und eventuell ausgehärtetes Elastomer aufbringen. Ferner lassen sich in Abhängigkeit einer Aufsprührate, eines Aufsprühdrucks und/oder eines
Plasmaparameters, insbesondere einer Plasmazusammensetzung sowie einer Plasmaintensität bzw. einer Plasmatemperatur, die Tröpfchengröße und/oder der Abstand zwischen den aufgesprühten Tröpfchen und damit die Restfließfähigkeit des Flüssigsilikonkautschuks noch genauer einstellen.
Ferner ist es zweckmäßig, wenn vor und/oder während dem Aufsprühen des
Elastomers, insbesondere des Flüssigsilikonkautschuks, eine Plasmabehandlung und/oder eine UV-Lichtbehandlung des Substrats erfolgt. Hierdurch kann eine verbesserte Adhäsion zwischen dem aufgesprühten Flüssigsilikonkautschuk und dem Substrat, insbesondere bei verschiedenen Materialkomponenten, wie Elastomer- Kunststoff-, Elastomer- Metall- und/oder Elastomer- Keramik/Glas-Systeme, erreicht werden.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn nach dem Aufsprühen des Elastomers,
insbesondere des Flüssigsilikonkautschuks, eine Plasmabehandlung und/oder eine UV-Lichtbehandlung des aufgesprühten Elastomers erfolgt. Denn hierdurch kann ein Vernetzungsgrad des Flüssigsilikonkautschuks weiter erhöht werden.
Ferner lässt sich die Restfließfähigkeit des Flüssigsilikonkautschuks durch die
Plasmatemperatur und/oder durch eine anderweitige Wärmequelle, die das
Substrat temperieren kann, positiv beeinflussen.
In einer weiteren alternativen Ausgestaltungsform kann vorgesehen sein, dass vor und/oder während dem Aufsprühen des Elastomers dem Elastomer ein Hilfsstoff, insbesondere Metallpartikel und/oder schichtbildende Präkursoren, zugeführt wird. Hiermit kann die Materialfestigkeit des dreidimensionalen Objekts erheblich verbessert werden. Ferner können dadurch gezielt mechanische, thermische, optische und/oder elektrische Eigenschaften des dreidimensionalen Objekts verändert werden. So ist es beispielsweise denkbar, dass durch Zugabe von Aluminium-, Silber- und/oder Goldpartikel das zu fertigende Bauteil elektrisch leitfähig und/oder opak wird. Unter Hilfsstoff kann auch ein Füllstoff bzw. mehrere Füllstoffe wie beispielsweise Silikate, Talkum, Aluminium und Aluminiumverbindungen, Bornitrite, Rußpartikel, Leitruße und Graphite verstanden werden.
Weiterhin ist es von Vorteil, wenn durch eine Steuereinheit eine Fließfähigkeit aufgesprühter Tröpfchen aus Elastomer in Abhängigkeit von Parametern eines Aufsprühvorgangs, insbesondere eines Aufsprühdrucks, einer Aufsprührate, eines Plasmaparameters, insbesondere einer Plasmaintensität, und/oder einer UV- Lichtintensität, eingestellt wird. Denn hierdurch lassen sich die Tröpfchengröße und/oder der Abstand zwischen den aufgesprühten Tröpfchen und damit die
Restfließfähigkeit des Flüssigsilikonkautschuks noch genauer einstellen. Eine
Viskosität des Flüssigsilikonelastomers kann hierbei vorteilhafterweise in einem Bereich von 5 Pa*s bis 100 Pa*s liegen.
Die zuvor genannten Vorteile gelten in entsprechender Weise auch für eine
Vorrichtung zum additiven Fertigen eines dreidimensionalen Objekts aus einem Elastomer.
Es ist insbesondere von Vorteil, wenn die Vorrichtung zur Durchführung eines
Verfahrens zum additiven Fertigen eines dreidimensionalen Objekts aus einem Elastomer eine Sprühvorrichtung, insbesondere eine Injektoreinheit, zum Aufsprühen eines in Flüssigphase vorliegenden Elastomers, insbesondere eines
Flüssigsilikonkautschuks, auf ein Substrat aufweist, wobei die Vorrichtung ferner eine Plasmaeinheit und/oder eine UV-Lichteinheit zur Behandlung des Elastomers und/oder des Substrats vor, während und/oder nach einem Aufsprühvorgang aufweist. Denn hierdurch kann in einem Vergleich zu einem sequentiellen Austragungs- bzw.
Aufbauverfahren eine große Menge an Flüssigsilikonkautschuk in kurzer Zeit ausgetragen werden.
Es ist ferner zweckmäßig, wenn die Vorrichtung eine Antriebseinheit aufweist, die dazu eingerichtet ist, die Sprühvorrichtung relativ zu dem Substrat und/oder zu bereits aufgesprühtem Elastomer zu bewegen und/oder das Substrat relativ zu der
Sprühvorrichtung zu bewegen. Somit kann gezielt ein beliebiges dreidimensionales Bauteil hergestellt werden.
Indem die Vorrichtung eine Zugabeeinheit aufweist, die dazu eingerichtet ist, vor und/oder während dem Aufsprühen des Elastomers dem Elastomer einen
Hilfsstoff, insbesondere Metallpartikel und/oder schichtbildende Präkursoren wie z.B. Hexamethyldisiloxan (HMDSO), Trimethylaluminium, Trimethylindium usw., zuzuführen, können Materialeigenschaften des dreidimensionalen Objekts
erheblich verändert werden. So können beispielweise durch Zugabe von
Aluminium-, Silber- und/oder Goldpartikel die mechanischen, thermischen,
optischen und/oder elektrischen Eigenschaften des dreidimensionalen Objekts gezielt verändert werden.
Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn die Vorrichtung eine Steuereinheit aufweist, die eingerichtet ist, eine Fließfähigkeit aufgesprühter Tröpfchen aus Elastomer in
Abhängigkeit von Parametern eines Aufsprühvorgangs, insbesondere eines
Aufsprühdrucks, einer Aufsprührate, einem Plasmaparameter, insbesondere einer Plasmaintensität, und/oder einer UV-Lichtintensität einzustellen. Denn hierdurch lassen sich die Tröpfchengröße und/oder der Abstand zwischen den aufgesprühten Tröpfchen und damit die Restfließfähigkeit des Flüssigsilikonkautschuks noch genauer einstellen. Die zuvor genannten Vorteile gelten in entsprechender Weise auch für ein dreidimensionales Objekt, das insbesondere nach einem der zuvor genannten Verfahren hergestellt ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum additiven Fertigen eines dreidimensionalen Objekts aus einem Elastomer gemäß einem
Ausführungsbeispiel; und
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum additiven Fertigen eines dreidimensionalen Objekts aus einem Elastomer gemäß einem
Ausführungsbeispiel;
In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren
dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche
Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 100 zum additiven Fertigen eines dreidimensionalen Objekts 1 aus einem Elastomer gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Vorrichtung 100 weist eine Injektoreinheit 10 auf, die als Sprühvorrichtung für ein Flüssigsilikonkautschuk 20 dient. Das
Flüssigsilikonkautschuk 20 wird der Injektoreinheit 10 zugeführt und unter Druck, bzw. Hochdruck aus einer Düse 11 der Injektoreinheit 10 auf ein Substrat 30 ausgetragen. Der Flüssigsilikonkautschuk 20 kann hierbei als fein zerstäubte Tröpfchen 21 ausgetragen werden.
Ferner kann die Vorrichtung 100 eine Plasmaeinheit 40 zum Erzeugen und Leiten eines Plasmas 41 bzw. eines Plasmastrahls 43 aufweisen. Der
Plasmastrahl 41 kann hierbei durch eine Plasmadüse 42 aus der Plasmaeinheit 40 austreten. Das Plasma 41 kann beispielsweise aus zugeführten Gasen, wie z.B. Stickstoff, Sauerstoff und/oder Präkursoren wie z.B. HMDSO oder aus einer Kombination aus den zuvor genannten Stoffen, erzeugt werden.
In einer alternativen Ausführungsform kann die Plasmaeinheit 40 und/oder die Plasmadüse 42 derart benachbart zu der Düse 11 der Injektoreinheit 10 angeordnet sein, dass die fein zerstäubten Tröpfchen 21 aus dem
Flüssigsilikonkautschuk 20 in den Plasmastrahl 43 eingeleitet werden und mit dem Plasmastrahl 43 auf das Substrat 30 aufgesprüht bzw. ausgetragen werden. Hierbei kann in Abhängigkeit eines Aufsprühdrucks, einer Aufsprührate und/oder eines Plasmaparameters eine Größe der Tröpfchen 21 und/oder ein Abstand der
Tröpfchen auf dem Substrat 30 eingestellt werden. Hierbei weisen kleine
Tröpfchen, die in großen Abständen zueinander auf das Substrat 30 aufgesprüht werden eine geringere Restfließfähigkeit auf, als große Tröpfchen 21, die in kleinen Abständen zueinander auf das Substrat 30 aufgesprüht werden. Somit eignen sich kleine Tröpfchen 21, die langsam aufgebracht werden und daher durch das Plasma 41 mehr Zeit zum Vernetzen haben eher zu einem Aufbau einer groben Bauteilstruktur wohingegen sich große Tröpfchen 21, die schnell aufgebracht werden und daher durch das Plasma 41 weniger Zeit zum Vernetzen haben, eher zum Auffüllen der groben Bauteilstruktur, zum Füllen von Poren und zum Verbessern einer Oberflächenqualität des Bauteils eignen.
Alternativ oder zusätzlich kann die Vorrichtung 100 eine UV-Lichteinheit 45 aufweisen, die einen Bereich 31 auf dem Substrat 30 und/oder auf den bereits aufgesprühten Tröpfchen 21 des Flüssigsilikonkautschuks 20 mit UV-Licht bestrahlt und somit einerseits die Oberfläche 32 des Substrats 30 und/oder der bereits aufgesprühten Tröpfchen 21 des Flüssigsilikonkautschuks 20 aktiviert und andererseits die bereits aufgesprühten Tröpfchen 21 des
Flüssigsilikonkautschuks 20 weiter vernetzt. In einer weiteren alternativen Ausgestaltungsform kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung 100 eine Zugabeeinheit 50 aufweist, die Metallpartikel und/oder schichtbildende Präkursoren zu den fein verteilten, aus der Düse 11
ausgetragenen Tröpfchen 21 aus Flüssigsilikonkautschuk 20 geben kann.
Hierdurch kann die Materialfestigkeit des dreidimensionalen Objekts 1 erheblich verbessert werden. Ferner können dadurch gezielt mechanische, thermische, optische und/oder elektrische Eigenschaften des dreidimensionalen Objekts verändert 1 werden.
Das Substrat 30 kann hierbei auf einem in drei Raumrichtungen bewegbaren Werkstückträger 35 gelagert sein. Alternativ oder zusätzlich kann die
Injektoreinheit 10 und/oder die Plasmaeinheit 40 bzw. die Düse 10 und/oder die Plasmadüse 42 bewegbar ausgestaltet sein.
Die Vorrichtung kann weiterhin eine Steuereinheit 60 aufweisen, die über ein Steuersignal 101 die Injektoreinheit 10 ansteuert und darüber den
Aufsprühdrucks und/oder die Aufsprührate des Flüssigsilikonkautschuks 20 einstellen kann. Weiterhin kann die Steuereinheit 60 über ein weiteres
Steuersignal 351 den Werkstückträger 35 ansteuern und den Werkstückträger 35 und damit auch das darauf befindliche Substrat 20 in allen drei Raumrichtungen bewegen. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Werkstückträger 35 in einer Richtung 34 unter der Düse 11 bzw. der Plasmadüse 42 hinweg bewegt wird. Ferner kann die Steuereinheit 60 über ein weiteres Steuersignal 401 die Plasmaeinheit 40 ansteuern und damit beispielsweise eine Temperatur des Plasmas 41 einstellen. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuereinheit 60 über ein weiteres Steuersignal 451 die UV-Lichteinheit 45 ansteuern und damit beispielsweise eine UV-Lichtintensität einstellen.
Die Steuereinheit 60 kann hierbei Sensorsignale 61 empfangen, welche beispielsweise Prozessparameter 62 wie Aufsprühdruck, Aufsprührate,
Plasmaparameter und/oder UV- Lichtintensität sowie einen relativen Abstand zwischen dem Werkstückträger 35 bzw. dem Substrat 30 und der Düse 11 beinhalten. Aus diesen Prozessparametern kann die Steuereinheit 60
beispielsweise unter Verwendung eines zuvor bestimmten Algorithmus und/oder durch Vergleich der Prozessparameter 62 mit in einer Tabelle in einer
Speichereinheit der Steuereinheit 60 abgelegten Werten (look-up table) die
Plasmaeinheit 40, die UV-Lichteinheit 43, den Werkstückträger 35 und/oder die Injektoreinheit 10 ansteuern, sodass durch die aufgesprühten Tröpfchen 21 aus dem Flüssigsilikonkautschuk 20 ein dreidimensionales Objekt 1, wie
beispielsweise eine Dichtlippe oder eine Dichtraupe, entsteht. Die
Prozessparameter 62 können über Sensoren, die an der Injektoreinheit 10, an der Plasmaeinheit 40, an der UV-Lichteinheit 45 und/oder an dem
Werkstückträger 35 bzw. an der Düse 11 und/oder der Plasmadüse 42 angeordnet sind, empfangen werden.
In Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines Verfahrens 300 zum additiven Fertigen eines dreidimensionalen Objekts 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel gezeigt. In einem ersten Verfahrensschritt 301 wird auf einen Bereich 31 einer Oberfläche 32 eines Substrats 30 ein Flüssigsilikonkautschuk 20 durch eine Injektoreinheit 10 als Tröpfchen 21 aufgesprüht. In einem zweiten
Verfahrensschritt 302, der zeitgleich zu oder nach dem ersten Verfahrensschritt 301 erfolgen kann, erfolgt ein Vernetzen bzw. Aushärten des tröpfchenförmig aufgesprühten Flüssigsilikonkautschuks 20 auf dem Substrat 30 und/oder auf bereits ausgetragenem Flüssigsilikonkautschuk 20, wodurch sich nach und nach ein dreidimensionales Objekt 1 ausbildet.
Alternativ oder zusätzlich kann fakultativ in einem vor oder während dem ersten Verfahrensschritt 301 eine Behandlung des Bereichs 31 der Oberfläche 32 des Substrats 30 bzw. des bereits ausgetragenen Flüssigsilikonkautschuks 20 durch ein Plasma 40, ein Plasmastrahl 43 und/oder durch UV-Licht erfolgen.
Weiterhin kann alternativ oder zusätzlich während dem ersten Verfahrensschritt 301 oder dem zweiten Verfahrensschritt 302 das Flüssigsilikonkautschuk 20 in das Plasma 40 und/oder in den Plasmastrahl 43 eingeleitet werden, sodass es gezielt auf die Oberfläche 32 des Substrats 30 und/oder des bereits
ausgetragenen Flüssigsilikonkautschuks 20 gesprüht wird und wodurch eine Vernetzungsreaktion der aufgesprühten Tröpfchen 21 des
Flüssigsilikonkautschuks 20 bereits im Flug von einer Düse 11 der Injektoreinheit 10 bis zum Substrat 30 initiiert wird. Alternativ oder zusätzlich kann diese Behandlung mit UV-Licht einer UV-Lichteinheit 43 erfolgen
Ferner kann alternativ oder zusätzlich nach dem ersten Verfahrensschritt 301 oder nach dem zweiten Verfahrensschritt 302 eine Behandlung des Bereichs 31 der Oberfläche 32 des bereits ausgetragenen Flüssigsilikonkautschuks 20 durch ein Plasma 40, ein Plasmastrahl 43 und/oder durch UV-Licht erfolgen, um eine Restfließfähigkeit der aufgesprühten Tröpfchen 21 des Flüssigsilikonkautschuks 20 zu beeinflussen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren (300) zum additiven Fertigen eines dreidimensionalen Objekts (1), insbesondere einer Dichtung und/oder einer Beschichtung, aus einem in Flüssigphase vorliegenden Kautschuk, insbesondere aus einem Flüssigsilikonkautschuk (20), dadurch gekennzeichnet, dass der Kautschuk auf ein Substrat (30), vorzugsweise auf ein Werkstück und/oder auf einen weiteren Kautschuk, aufgesprüht (301) wird.
2. Verfahren (300) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Elastomer durch eine Injektoreinheit (10), insbesondere einen
Hochdruckinjektor, derart aufgesprüht wird, dass eine Tröpfchengröße aufgesprühter Tröpfchen (21) auf dem Substrat (30) und/oder ein Abstand zwischen den aufgesprühten Tröpfchen (21) auf dem Substrat (30) einstellbar ist.
3. Verfahren (300) nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass vor und/oder während dem Aufsprühen des Elastomers eine
Plasmabehandlung und/oder eine UV-Lichtbehandlung des
aufzusprühenden Elastomers erfolgen.
4. Verfahren (300) nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Elastomer in ein Plasma (41), insbesondere in einen Plasmastrahl (43), eingeleitet wird und durch das Plasma (41), insbesondere durch den Plasmastrahl (43), auf das Substrat (30) und/oder auf ein weiteres Elastomer aufgetragen wird.
5. Verfahren (300) nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass vor und/oder während dem Aufsprühen (301) des Elastomers eine Plasmabehandlung und/oder eine UV-Lichtbehandlung des Substrats (30) erfolgt. Verfahren (300) nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Aufsprühen (301) des Elastomers eine Plasmabehandlung und/oder eine UV-Lichtbehandlung des
aufgesprühten Elastomers erfolgt.
Verfahren (300) nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass vor und/oder während dem Aufsprühen (301) des Elastomers dem Elastomer ein Hilfsstoff, insbesondere Metallpartikel und/oder schichtbildende Präkursoren, zugeführt wird.
Verfahren (300) nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Steuereinheit (60) eine Fließfähigkeit aufgesprühter Tröpfchen (21) aus Elastomer in Abhängigkeit von Parametern eines Aufsprühvorgangs, insbesondere eines
Aufsprühdrucks, einer Aufsprührate, einer Plasmaintensität und/oder einer UV- Lichtintensität, eingestellt wird.
Vorrichtung (100) zur Durchführung eines Verfahrens (300) zum additiven Fertigen eines dreidimensionalen Objekts (1) aus einem Elastomer, insbesondere gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, mit einer Sprühvorrichtung, insbesondere einer Injektoreinheit (10), zum
Aufsprühen (301) eines in Flüssigphase vorliegenden Elastomers, insbesondere eines Flüssigsilikonkautschuks (20), auf ein Substrat (30) gekennzeichnet, durch eine Plasmaeinheit (40) und/oder eine UV- Lichteinheit (43) zur Behandlung des Elastomers und/oder des Substrats (30) vor, während und/oder nach einem Aufsprühvorgang (301).
Vorrichtung (100) nach Anspruch 9 gekennzeichnet durch eine
Antriebseinheit die dazu eingerichtet ist, die Sprühvorrichtung relativ zu dem Substrat (30) und/oder zu bereits aufgesprühtem Elastomer zu bewegen und/oder das Substrat (30) relativ zu der Sprühvorrichtung zu bewegen.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 9 oder 10 gekennzeichnet durch eine Zugabeeinheit (50), die dazu eingerichtet ist, vor und/oder während dem Aufsprühen (301) des Elastomers dem Elastomer einen Hilfsstoff, insbesondere Metallpartikel und/oder schichtbildende Präkursoren, zuzuführen.
Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 11 gekennzeichnet durch eine Steuereinheit (60), die eingerichtet ist, eine Fließfähigkeit aufgesprühter Tröpfchen (21) aus Elastomer in Abhängigkeit von Parametern eines Aufsprühvorgangs (301), insbesondere eines Aufsprühdrucks, einer Aufsprührate, einer Plasmaintensität und/oder einer UV- Lichtintensität einzustellen.
Dreidimensionales Objekt (1), insbesondere Dichtung und/oder Beschichtung, hergestellt durch ein Verfahren (300) nach einem der Ansprüche 1 - 8.
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