WO2018219461A1 - Modifikation der oberflächenstruktur beim 3d-drucken - Google Patents

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WO2018219461A1
WO2018219461A1 PCT/EP2017/063307 EP2017063307W WO2018219461A1 WO 2018219461 A1 WO2018219461 A1 WO 2018219461A1 EP 2017063307 W EP2017063307 W EP 2017063307W WO 2018219461 A1 WO2018219461 A1 WO 2018219461A1
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Matthias Dürr
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • 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
    • B29C64/106—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material
    • B29C64/118—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material using filamentary material being melted, e.g. fused deposition modelling [FDM]
    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a method for the manufacture ⁇ ment of a three-dimensional object by means of 3D printing on a substrate.
  • 3D printing processes which deposit surfaces by deposition of printing material often have defects that can be caused by thermal contraction of the printing material. This effect occurs especially with relatively long linear strands of printing material or printing threads or print strands. In these long printing threads, the adhesion to the underlying layer, in particular to the substrate, is markedly less pronounced than the adhesion of the printing threads to one another. For this reason, it can happen that individual layers of material detach. These can collide with an extruder of a 3D printer and it can result in process disturbances that can affect the 3D printing massively. While it is often the case that a certain thermal con ⁇ traction leading 3D printing not necessarily lead to defects but that tre ⁇ th these defects at a certain threshold increased to.
  • a similar effect is the rolling up.
  • a lower surface layer of printing material bends upward to the outer edges, often forming a kind of banana ⁇ structure.
  • the bottom surface layer of printed material should reflect the flatness of the substrate used. This not only the geometry of the 3D printing affected the adhesion of the printed Whether ⁇ jekts to the ground is vulnerable to what can potentially destroy the entire print job.
  • the negative effect of the thermal contraction can also occur after completion of the print job and to Defects or lead to the detachment of some surface layers.
  • the object of the present invention is to provide a method for 3D printing which is more efficient and leads to fewer misprints.
  • a corresponding device is to be made available.
  • the present invention provides a method for producing a three-dimensional object by means of 3D printing on a substrate comprising the following steps. First, a predetermined ers ⁇ ter start and a predetermined first end is set. A print pattern is made between the predetermined first beginning and the predetermined first end in rectilinear sections plotted with a first predetermined length as a maximum for the respective lengths of the sections. At least one of the following two steps will be performed. The direction of the print pattern is changed by at least 45 degrees in the transition from one of the sections to an adjacent one of the sections.
  • the printing pattern is applied between the predetermined first beginning and the predetermined first end with a spatial interruption of the printing pattern between two of the subsections, the interruption having at least the extent of a second predetermined length.
  • a useful embodiment of this invention provides a method, wherein the object is made of thermoplastic material.
  • Such plastics are often referred to as polyacidic plastics.
  • Plastic strands made of polyacidic plastics are easy to process and available in different colors.
  • An extremely useful further embodiment of the present invention provides a method wherein voids created by the interrupts are filled with another method.
  • 3D printing processes are often disrupted and voids may be created in a printing structure.
  • Such a printing method which is designed to fill the voids accordingly, will not usually be a complicated printing process. That is, in this case, a simple fast algorithm can be used for the printing process to fill in the voids. This can help to massively shorten the printing time of the object.
  • Another option of the present invention provides a method wherein the print pattern is printed in a U-shape.
  • a U-shaped structure can easily be implemented in a Cartesian system. Since many 3D printers print on a Cartesian coordinate system, a U-shaped print pattern is relatively easy to implement.
  • Another variant of the present invention provides a method wherein the print pattern is printed in a zigzag shape.
  • a zigzag structure can be relatively easily incorporated into a Cartesian system. It can for example be used when a U-shaped structure does not he wishes ⁇ is.
  • Another embodiment of the present invention provides a method wherein the print pattern is printed sinusoidally. Such a method can be very useful, for example, if the object to be printed is to be wavy. Thus, the stabilizing print pattern can be adapted to the desired print object.
  • a method is provided, wherein the print pattern is printed in a combination of sinusoidal, zigzag-shaped and / or U-shaped structures. Since the aforementioned different printing patterns may have different properties in terms of adhesion, it may be useful to another print pattern from a combination to produce the aforementioned print pattern. For example, a joystick that can be divided into a long stem and a sphere can be printed with a sinusoidal structure for the sphere and a zigzag structure for the stem.
  • a method is provided wherein the rectilinear sections are printed a maximum of 5 millimeters long.
  • the nega ⁇ tive effects of thermal contraction in printing threads increase with increasing length of the printing threads.
  • the longer the printing threads are printed the greater the risk that corresponding defects will form.
  • the investigations underlying this patent application showed that limiting the rectilinear segments to 5 millimeters in length did not lead to any defects or defects on the object to be printed. Under certain circumstances, the rectilinear sections may also be longer than
  • One option of the present invention provides a method wherein the print pattern is printed one-dimensionally.
  • One-dimensional printing patterns are usually Druckmus ⁇ ter, which have the thickness of a printing thread.
  • the pressure ⁇ thread thus has only a length, the thickness of the Druckfa ⁇ dens but neglected. Since one-dimensional printing patterns can be printed more easily, further degrees of freedom open up with regard to further more complex printing patterns.
  • the present invention also provides an apparatus adapted to perform a method of manufacturing a three-dimensional object by means of 3D printing on a substrate.
  • a device is generally known by the term 3D printer.
  • the present invention is not limited to a special 3D printer.
  • This invention can be used with different types of 3D printers. These include, for example, 3D printers that use a powder board method, a free-space method or a liquid material method. All the advantages and possible variations mentioned in the method steps also apply to a corresponding device.
  • FIG. 1 shows a schematic schematic diagram of a printing pattern according to the current state of the art.
  • FIG 1 is shown schematically how currently printing processes are realized.
  • a printing line 15 is applied on a countertop 1 with an inte ⁇ grated heater 11, a printing line 15 is applied.
  • the respective print strands 15 are produced by a 3D printer 14.
  • a printing pattern 8 begins at a predetermined first beginning 2 and continues in a straight line up to a predetermined first end 3.
  • a further subsection is, for example, from a predetermined second start 4 to a predetermined second end 5 continued.
  • Further pressure strands 15 are layered analogously ⁇ .
  • This printing process makes sense for very small print jobs, since here the thermal stresses tend to be lower. If, for example, an article is to be printed which has a maximum extension of three millimeters, then the printing process shown in FIG. 1 generally does not result in any defects. This is primarily due to the fact that the thermal stresses in the case of printing lines 15 are maximum three millimeters in length are relatively small.
  • the structure of the object to be printed is usually specified today in a file format, the STL format.
  • An STL format describes the surface of three-dimensional bodies using triangular facets. Each triangle facet is characterized by three vertices and the corresponding surface normal of the triangle.
  • the 3D printer 14 generally operates according to a Cartesian system 13. Although round structures, such as cylinders, are basically possible, they are generally composed of rectilinear sections. Typically, the 3D printer 14 has a controller that uses the STL file to perform the printing operation. In the future, however, other control mechanisms or file formats for 3D printing may arise.
  • the exemplified in FIG 1 printing process can lead to defects in the object 12 to be printed on objects that a critical size transfrontier ⁇ th. This is due to the thermal stresses which increase absolutely with increasing length of the pressure strands 15 and thereby act in one direction. These defects 12 may manifest themselves in the form of material cracks, material strains, bruises, expansion or holes.
  • a heater 11 is used in the worktop 1 be ⁇ relationship, in the 3D printer 14 common in the example shown in Figure 1 method.
  • These heaters 11 definitely lead to significantly increased energy consumption in the 3D printing process.
  • the electric heaters 11 have a power of 700 watts
  • the 3D printer 14 without heater 11 only requires an electrical power of 50 watts. This results in a correspondingly large energy saving potential.
  • the voids 12 may still occur, since there is always some residual remaining stress in the object to be printed when it is printed with the usual printing method, as shown in Fig. 1
  • FIG. 2 four different printing patterns 8 are shown by way of example on the work surface 1.
  • One of the print pattern 8 shows a U-shaped structure 6.
  • Such a U-shaped structural ⁇ structure 6 is to reduce tensions in the pipeline construction known.
  • pipeline U-shaped Rohrab ⁇ sections are installed frequently, which absorb the thermal expansion relate hung as contraction of the rectilinear pipes and can compensate.
  • This principle is now analogously transferred to the printing method shown by way of example in FIG.
  • the printing process starts at the predetermined first beginning 2 and is continued in a straight line up to a first break point 10.
  • the pressure direction is now changed abruptly. In this case, instead of printing from left to right, print now vertically up to the top right.
  • the printing direction changes by a certain angle.
  • the kink 10 is a mathematically continuous but not differentiable position in the U-shaped structure 6. After a predetermined length, in this case at the latest after 5 millimeters, the printing direction at the next kink 10 ⁇ is changed again. Thus, between the given first beginning 2 and the predetermined first end 3, many subsections are produced, which are at most 5 millimeters long.
  • 10 ⁇ or 10 ⁇ ⁇ and all other kinks each change the direction of pressure. It is provided that at least one change in the printing direction is at least 45 degrees. In the example of this U-shaped structure 6, the change in direction is 90 degrees in each case.
  • a zigzag-shaped structure 7 can also be printed. Also in this case, the printing process begins at the given first beginning 2 and is continued straight until the first break 10. At the kink 10 now a change in direction of the printing process is completed. In the illustrated here zigzag-shaped structure 7 until the next bending point 10 ⁇ is now also similar to the U-shaped structure 6, to the top right printed. If the printing has arrived at 10 ⁇ , then again a direction change in the direction of the kink 10 ⁇ ⁇ is completed. The kinks 10, 10 ⁇ and 10 , ⁇ result in this example, a reverse V. This zigzag-shaped structure 7 of the print pattern 8 is now analogously continued to the predetermined first end 3.
  • a sinusoidal structure 17 of the printing pattern 8 is shown in FIG. 2, top right. There is the sinusoidal
  • Structure 17 does not come from a curve, as you can see from the math matik, but this sinusoidal structure 17 has ge ⁇ rectilinear sections, which are not connected in this example. Between the individual subsections are thus interruptions. It is also possible to use a sinusoidal structure 17, which has openings no sub ⁇ . In such a case, a plurality of kinks 10, 10 would be ⁇ , 10 , ⁇ , etc., form, on each of which a change in direction of the printing process is completed.
  • An alternate print pattern 8 with breaks 9 is shown between the print pattern 8 with the zigzag structure 7 and the print pattern 8 with the sinusoidal structure 17.
  • This print pattern 8 has no direction changes. Instead of the changes in direction more interrup ⁇ deviations 9 along the printing pattern 8 are available.
  • this structure begins like the other two structures 7 and 6. In this example, a straight line at the beginning and ho ⁇ rizontal printed from left to right. After the first predetermined length at the latest, in this example after 5 millimeters, the printing process now changes.
  • the printing process in this example is now interrupted. However, this does not necessarily mean that a cavity will be created.
  • the interruption 9 with another printing method, which is much faster and only serves to quickly fill the resulting interruptions 9.
  • simple structures such as small squares, rectangles, diamonds or wider at ⁇ structures may be used. It is also possible to provide these structures with grooves. As a result, the interruptions 9 can be more easily recognized as such.
  • the printing material used in the interruptions 9 is often referred to as a structural material. It can also be removed as needed.
  • the ⁇ ses printing method is mainly used for one of the first layers. It can also be provided, the refilling of interrup ⁇ tions 9 and be treated as small cavities to let.
  • the printing pattern 8 with the U-shaped structure 6 and the printing pattern 8 with the zigzag-shaped structure 7 can also be described in the mathematical sense. Between the predetermined first beginning 2 and the predetermined first end 3, these two printing patterns 8 are always continuous. At the kinks 10, 10 10 , ⁇ and so on, however, these two print patterns 8 are not differentiable. In this case, a bending point 10, 10 or 10 ⁇ ⁇ ⁇ or other bend must be a Rich ⁇ direction changes of at least 45 degrees in this present printing process on at least. In other words, the tangent of the change in direction of the printing pattern 8 at one of the kinks must be one.
  • the interruptions 9 have a second predetermined length. In other words, the interruptions 9 have a certain minimum extent. In an advantageous example, this length is 5 millimeters.
  • the printing method according to the invention can greatly reduce the thermal stresses s, so that no damage, as shown in FIG. 1, occurs.
  • This printing method is not limited to special 3D printers 14.
  • This printing process can be used in the powder bed process, the free space process or in other layer construction processes of 3D printers 14.
  • This printing method can be integrated with various programs, for example in CAD / CAM methods.
  • CAD-related functions For example, a regular surface structure, such as the Druckmus ⁇ ter are reacted 8 with the U-shaped structure 6 in a 3D printer 14, for example.
  • CAD-related functions that can generate, for example, structures with interruptions 9 by means of the 3D printer 14, are as a rule is an invasive procedure which may the desired From ⁇ see the object to be printed and its function beeinflus ⁇ sen. This aspect should be taken into account by a designer if he wants to produce an object by means of a printing pattern 8 with interruptions 9 with a 3D printer.
  • the printing method according to the invention is based as ⁇ up that, after a straight line portion section after a predetermined length, in this case 5 mm, either occurs a significant change in direction of the printing direction or the printing pattern is interrupted.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts mittels 3D-Drucken auf einem Untergrund. Zunächst wird ein vorgegebener erster Anfang (2) und ein vorgegebenes erstes Ende (3) festgelegt. Zwischen diesen beiden Stellen wird in geradlinigen Teilabschnitten mit einer ersten vorbestimmten Länge als Höchstmaß für die jeweiligen Längen der Teilabschnitte ein Druckmuster (8) aufgetragen. Bei einem Übergang von einem der Teilabschnitte in einen anderen der Teilabschnitte erfolgt eine Änderung der Richtung des Druckmusters (8). Die Druckmuster (8) können insbesondere eine U-förmige Struktur (6), eine zickzackförmige Struktur (7) oder eine sinusförmige Struktur (17) aufweisen. Diese Strukturen weisen in der Regel mehrere Knickstellen (10, 10` 10``,...) auf, an denen eine schlagartige Richtungsänderung des Druckmusters (8) erfolgt. Wenigstens eine Richtungsänderung des Druckmusters (8) beträgt mindestens 45 Grad. Das Verfahren kann zusätzlich oder alternativ vorsehen, dass das Druckmuster (8) zwischen dem vorgegebenen ersten Anfang (3) und dem vorgegebenen ersten Ende (3) mit Unterbrechungen (9) versehen wird, wobei die Unterbrechungen (9) wenigstens die Ausdehnung einer zweiten vorbestimmten Länge aufweisen.

Description

Beschreibung
Modifikation der Oberflächenstruktur beim 3D-Drucken
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstel¬ lung eines dreidimensionalen Objekts mittels 3D-Drucken auf einem Untergrund.
3D-Druckprozesse, welche durch Deposition von Druckmaterial Oberflächen aufschichten, weisen häufig Fehlstellen auf, die durch thermische Kontraktion des Druckmaterials hervorgerufen werden können. Dieser Effekt tritt vor allem bei relativ langen linearen Strängen von Druckmaterial beziehungsweise Druckfäden oder Drucksträngen auf. Bei diesen langen Druckfäden ist die Haftung zu der darunterliegenden Schicht, insbesondere zum Untergrund, deutlich schlechter ausgeprägt als die Haftung der Druckfäden untereinander. Aus diesem Grund kann es passieren, dass sich einzelne Materialschichten ablösen. Dabei können diese mit einem Extruder eines 3D-Druckers kollidieren und es können sich Prozessstörungen ergeben, welche den 3D-Druck massiv beeinträchtigen können. Zwar ist es häufig so, dass beim 3D-Druck eine gewisse thermische Kon¬ traktion nicht zwangsläufig zu Fehlstellen führt, jedoch tre¬ ten diese Fehlstellen ab einem gewissen Schwellenwert vermehrt auf .
Ein ähnlicher Effekt ist das Aufrollen. Dabei biegt sich eine untere Oberflächenschicht aus Druckmaterial nach oben zu den äußeren Rändern und bildet dabei häufig eine Art Bananen¬ struktur aus. Eigentlich sollte die untere Oberflächenschicht aus Druckmaterial die Planheit des verwendeten Untergrunds widerspiegeln. Damit wird nicht nur die Geometrie des 3D- Drucks beeinträchtigt, auch die Haftung des zu druckenden Ob¬ jekts zu dem Untergrund wird gefährdet, was potentiell den gesamten Druckauftrag zerstören kann.
Der negative Effekt der thermischen Kontraktion kann dabei auch nach Fertigstellung des Druckauftrags auftreten und zu Fehlstellen beziehungsweise zum Ablösen einiger Oberflächenschichten führen.
Bisher wird diesem negativen Effekt mit einem Wärmemanagement während des Druckvorgangs begegnet. Daher wird zum Beispiel ein Teil des 3D-Druckers vorgewärmt oder eine Arbeitsplatte beheizt, auf der das Objekt gedruckt werden soll. Ein Abküh¬ len des Objekts während des Druckauftrags ist dabei limi¬ tiert, weil Druckfehlstellen während des Druckprozesses ver- mieden werden sollen. Nichtsdestotrotz verbleibt auch bei diesem Verfahren nach Vollenden des Druckauftrages eine gewisse Restspannung in dem gedruckten Objekt. Diese Restspannung kann immer noch zu Fehlstellen oder aufgerollten Oberflächenschichten führen. Auch für den Fall, wenn ein noch besseres Wärmemanagementsystem bereitgestellt werden könnte, führt dieses Wärmemanagement zu einem deutlich höheren Ener¬ gieverbrauch beim 3D-Drucken und zu längeren Druckzeiten, da oft gewartet werden muss, bis sich die entsprechenden Tempe¬ raturverhältnisse eingestellt haben.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren für den 3D-Druck bereitzustellen, welches effizienter ist und zu weniger Fehldrucken führt. Außerdem soll eine entsprechende Vorrichtung zur Verfügung gestellt werden.
Diese Aufgabe wird durch die vorliegende Erfindung gemäß Pa¬ tentanspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Verfahrensschrit¬ te der vorliegenden Erfindung finden sich in den Unteransprüchen. Ferner wird eine Vorrichtung nach Anspruch 10 bereitge- stellt.
Gemäß Patentanspruch 1 sieht die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts mittels 3D-Drucken auf einem Untergrund vor, welches die fol- genden Schritte aufweist. Zunächst wird ein vorgegebener ers¬ ter Anfang und ein vorgegebenes erstes Ende festgelegt. Ein Druckmuster wird zwischen dem vorgegebenen ersten Anfang und dem vorgegebenen ersten Ende in geradlinigen Teilabschnitten mit einer ersten vorbestimmten Länge als Höchstmaß für die jeweiligen Längen der Teilabschnitte aufgetragen. Daraufhin wird mindestens einer der folgenden zwei Schritte ausgeführt. Die Richtung des Druckmusters wird beim Übergang von einem der Teilabschnitte in einen angrenzenden der Teilabschnitte um wenigstens 45 Grad geändert. Das Druckmuster wird zwischen dem vorgegebenen ersten Anfang und dem vorgegebenen ersten Ende mit einer räumlichen Unterbrechung des Druckmusters zwischen zweien der Teilabschnitte aufgetragen, wobei die Unterbrechung wenigstens die Ausdehnung einer zweiten vorbestimmten Länge aufweist. Diese beschriebenen Verfahrensschritte stellen die wesentlichen Merkmale dieser Erfindung dar. Mit diesen genannten Verfahrensschritten können verschiedene Druckmuster hergestellt werden, welche die Stabilität eines zu druckenden Objekts während und nach dem 3D-Drucken massiv erhöhen. Durch die Verfahrensschritte des Patentanspruchs 1 können die freien Weglängen von Drucksträngen durch Richtungsänderungen und/oder Fehlstellen so weit reduziert werden, dass Fehlstellen beim Druckobjekt nur noch mit geringer Wahrscheinlichkeit auftreten. Dabei kann je nach Druckobjekt oder Designwunsch ein anderes Druckmuster verwendet werden.
Eine sinnvolle Ausgestaltung dieser Erfindung sieht ein Verfahren vor, wobei das Objekt aus thermoplastischem Kunststoff hergestellt wird. Derartige Kunststoffe werden häufig als polyacitide Kunststoffe bezeichnet. Kunststoffstränge aus polyacitiden Kunststoffen sind leicht zu verarbeiten und in verschiedenen Farben erhältlich.
Eine äußerst sinnvolle weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht ein Verfahren vor, wobei durch die Unterbrechungen entstehende Leerräume mit einem anderen Verfahren gefüllt werden. In den meisten Fällen ist es nicht nötig, ein Druckverfahren für das komplette zu druckende Objekt voll¬ ständig auszuführen. Daher werden häufig 3D-Druckverfahren unterbrochen und es können Leerräume in einer Druckstruktur entstehen. In vielen Fällen kann es sinnvoll sein, die entstehenden Leerräume insoweit aufzufüllen, um die Stabilität des zu druckenden Objekts weiter zu erhöhen. Dabei ist es je¬ doch nicht zwingend notwendig, ein bestimmtes Druckverfahren anzuwenden. Ein solches Druckverfahren, welches dafür ausgelegt ist, die Leerräume entsprechend aufzufüllen, wird in der Regel kein kompliziertes Druckverfahren sein. Das heißt in diesem Fall kann ein einfacher schneller Algorithmus für das Druckverfahren zum Auffüllen der Leerräume verwendet werden. Dies kann dabei helfen, die Druckzeit des Objekts massiv zu verkürzen .
Eine weitere Option der vorliegenden Erfindung sieht ein Verfahren vor, wobei das Druckmuster U-förmig gedruckt wird. Eine U-förmige Struktur kann leicht in ein kartesisches System implementiert werden. Da viele 3D-Drucker nach einem kartesi- schen Koordinatensystem drucken, ist ein U-förmiges Druckmuster relativ leicht realisierbar.
Eine andere Variante der vorliegenden Erfindung sieht ein Verfahren vor, wobei das Druckmuster zickzackförmig gedruckt wird. Auch eine Zickzackstruktur lässt sich relativ leicht in ein kartesisches System eingliedern. Es kann beispielsweise dann verwendet werden, wenn eine U-förmige Struktur nicht er¬ wünscht ist .
Eine weitere Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sieht ein Verfahren vor, wobei das Druckmuster sinusförmig gedruckt wird. Ein solches Verfahren kann beispielsweise dann sehr sinnvoll sein, wenn das zu druckende Objekt wellenförmig sein soll. So kann das stabilisierende Druckmuster dem gewünschten Druckobjekt angepasst werden.
In einer weiteren vorteilhaften Option der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren vorgesehen, wobei das Druckmuster in einer Kombination von sinusförmigen, zickzackförmigen und/oder U-förmigen Strukturen gedruckt wird. Da die vorgenannten unterschiedlichen Druckmuster verschiedene Eigenschaften aufweisen können hinsichtlich der Haftung, kann es sinnvoll sein, ein weiteres Druckmuster aus einer Kombination der vorgenannten Druckmuster zu erzeugen. So kann beispielsweise ein Joystick, der sich in einen langen Stiel und eine Kugel aufteilen lässt, mit einer sinusförmigen Struktur für die Kugel und einer zickzackförmigen Struktur für den Stiel gedruckt werden.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren vorgesehen, wobei die geradlinigen Teilabschnitte maximal 5 Millimeter lang gedruckt werden. Die nega¬ tiven Effekte der thermischen Kontraktion bei Druckfäden nehmen mit zunehmender Länge der Druckfäden zu. Das heißt je länger die Druckfäden gedruckt werden, desto größer ist die Gefahr, dass sich entsprechende Fehlstellen ausbilden. Aus diesem Grund kann es äußerst sinnvoll sein, die Länge der ge¬ radlinigen Teilabschnitte der Druckfäden zu begrenzen. Die Untersuchungen, welche dieser Patentanmeldung zugrundeliegen, zeigten, dass eine Begrenzung der geradlinigen Teilabschnitte auf 5 Millimeter Länge zu keinen Defekten beziehungsweise Fehlstellen am zu druckenden Objekt führte. Unter Umständen können die geradlinigen Teilabschnitte auch länger als
5 Millimeter sein, jedoch ist mit einer Begrenzung von
5 Millimeter Länge nur noch sehr eingeschränkt mit den vorge¬ nannten negativen Effekten zu rechnen.
Eine weitere Option der vorliegenden Erfindung sieht ein Verfahren vor, wobei das Druckmuster eindimensional gedruckt wird. Eindimensionale Druckmuster sind in der Regel Druckmus¬ ter, welche die Dicke eines Druckfadens aufweisen. Der Druck¬ faden hat somit lediglich eine Länge, die Dicke des Druckfa¬ dens wird jedoch vernachlässigt. Da eindimensionale Druckmus¬ ter leichter gedruckt werden können, eröffnen sich weitere Freiheitsgrade hinsichtlich weiterer komplexerer Druckmuster.
Die vorliegende Erfindung sieht auch eine Vorrichtung vor, die dazu ausgebildet ist, ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts mittels 3D-Drucken auf einem Untergrund auszuführen. Eine solche Vorrichtung ist im Allgemeinen unter dem Begriff 3D-Drucker bekannt. Dabei ist die vorlie- gende Erfindung nicht auf einen speziellen 3D-Drucker beschränkt. Diese Erfindung kann bei unterschiedlichen Typen von 3D-Druckern eingesetzt werden. Dazu zählen beispielsweise 3D-Drucker, welche ein Pulverbrettverfahren, ein Freiraumverfahren oder ein Flüssigmaterialverfahren einsetzen. Dabei gelten alle in den Verfahrensschritten genannten Vorteile und Variationsmöglichkeiten auch für eine entsprechende Vorrichtung .
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinati¬ onen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Im Folgenden werden verschiedene Aus führungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben. Sie wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
FIG 1 eine schematische Prinzipskizze eines Druckmusters nach dem gegenwärtigen Stand der Technik; und
FIG 2 verschiedene Druckmuster auf einer Arbeitsplatte, welche gemäß vorliegender Erfindung ausgeführt wurden .
In FIG 1 wird schematisch gezeigt, wie derzeit Druckvorgänge realisiert werden. Auf einer Arbeitsplatte 1 mit einer inte¬ grierten Heizung 11 wird ein Druckstrang 15 aufgetragen. Die jeweiligen Druckstränge 15 werden von einem 3D-Drucker 14 hergestellt. Im Beispiel der FIG 1 beginnt ein Druckmuster 8 an einem vorgegebenen ersten Anfang 2 und setzt sich geradlinig bis zu einem vorgegebenen ersten Ende 3 fort. Ein weiterer Teilabschnitt wird beispielsweise von einem vorgegebenen zweiten Anfang 4 bis zu einem vorgegebenen zweiten Ende 5 fortgesetzt. Weitere Druckstränge 15 werden analog aufge¬ schichtet . Dieses Druckverfahren ist bei sehr kleinen Druckaufträgen sinnvoll, da hier die thermischen Spannungen tendenziell geringer ausfallen. Wenn beispielsweise ein Gegen- stand gedruckt werden soll, der eine maximale Ausdehnung von drei Millimeter aufweist, so führt das in FIG 1 gezeigte Druckverfahren in der Regel zu keinen Fehlstellen 12. Dies ist vornehmlich darin begründet, dass die thermischen Spannungen bei Drucksträngen 15 von maximal drei Millimeter Länge relativ gering ausfallen.
Die Struktur des zu druckenden Objekts wird heutzutage in der Regel in einem Dateiformat, dem STL-Format, vorgegeben. Ein STL-Format beschreibt die Oberfläche von dreidimensionalen Körpern mithilfe von Dreiecksfacetten. Jede Dreiecksfacette wird durch drei Eckpunkte und die zugehörige Flächennormale des Dreiecks charakterisiert. Mit anderen Worten arbeitet der 3D-Drucker 14 in der Regel nach einem kartesischen System 13. Runde Gebilde, wie zum Beispiel Zylinder, sind zwar grund- sätzlich möglich, jedoch setzen sich diese in der Regel aus geradlinigen Teilabschnitten zusammen. In der Regel verfügt der 3D-Drucker 14 über eine Steuereinheit, welche die STL- Datei benutzt, um den Druckvorgang auszuführen. In Zukunft können sich jedoch auch andere Steuerungsmechanismen oder Da- teiformate für den 3D-Druck ergeben.
Das in FIG 1 beispielhaft gezeigt Druckverfahren kann bei zu druckenden Objekten, welche eine kritische Größe überschrei¬ ten, zu Fehlstellen 12 im Objekt führen. Dies ist in den thermischen Spannungen begründet, welche mit zunehmender Länge der Druckstränge 15 absolut zunehmen und dabei in eine Richtung wirken. Diese Fehlstellen 12 können sich in Form von Materialrissen, Materialdehnungen, Quetschungen, Ausdehnung oder Löchern äußern.
Aus diesem Grund wird bei dem in FIG 1 beispielhaft gezeigten Verfahren häufig eine Heizung 11 in der Arbeitsplatte 1 be¬ ziehungsweise im 3D-Drucker 14 verwendet. Diese Heizungen 11 führen auf jeden Fall zu einem deutlich erhöhten Energieverbrauch beim 3D-Druckverfahren . So ist es beispielsweise durchaus möglich, dass die elektrischen Heizungen 11 eine Leistung von 700 Watt aufweisen, während hingegen der 3D- Drucker 14 ohne Heizung 11 lediglich eine elektrische Leistung von 50 Watt benötigt. Somit ergibt sich ein entsprechend großes Energieeinsparpotential. Trotz eines durch die Heizun¬ gen 11 bereitgestellten Wärmemanagements, können die Fehlstellen 12 immer noch auftreten, da stets eine gewisse Rest- Spannung in dem zu druckenden Objekt verbleibt, wenn mit dem bisher üblichen Druckverfahren, wie in FIG 1 gezeigt ist, gedruckt wird.
In FIG 2 sind auf der Arbeitsplatte 1 beispielhaft vier ver- schiedene Druckmuster 8 gezeigt. Eines der Druckmuster 8 zeigt eine U-förmige Struktur 6. Eine solche U-förmige Struk¬ tur 6 ist zur Reduzierung von Spannungen im Rohrleitungsbau bekannt. Im Rohrleitungsbau werden häufig U-förmige Rohrab¬ schnitte verbaut, welche die thermische Ausdehnung bezie- hungsweise Kontraktion der geradlinigen Rohrleitungen auffangen und kompensieren können. Dieses Prinzip wird nun sinngemäß auf das in FIG 2 beispielhaft gezeigte Druckverfahren übertragen . Bei der U-förmigen Struktur 6 startet das Druckverfahren bei dem vorgegebenen ersten Anfang 2 und wird geradlinig bis zu einer ersten Knickstelle 10 fortgeführt. An der Knickstelle 10 wird nun die Druckrichtung schlagartig geändert. In diesem Fall wird nun anstelle von links nach rechts nun senkrecht nach rechts oben gedruckt. Mit anderen Worten ändert sich die Druckrichtung um einen bestimmten Winkel. Die Knickstelle 10 ist eine in der U-förmigen Struktur 6 mathematisch stetige, aber nicht differenzierbare Stelle. Nach einer vorbestimmten Länge, in diesem Fall spätestens nach 5 Millimeter, wird die Druckrichtung an der nächsten Knickstelle 10 λ wieder geändert . So ergeben sich zwischen dem vorgegebenen ersten Anfang 2 und dem vorgegebenen ersten Ende 3 viele Teilabschnitte, welche höchstens 5 Millimeter lang sind. An jeder beispiel- haften gezeigten Knickstelle 10, 10 λ oder 10 λ λ sowie allen weiteren Knickstellen ändert sich jeweils die Druckrichtung. Dabei ist vorgesehen, dass wenigstens eine Änderung der Druckrichtung mindestens 45 Grad beträgt. Im Beispiel dieser U-förmigen Struktur 6 beträgt die Richtungsänderung jeweils 90 Grad. Aufgrund der perspektivischen Zeichnung in FIG 2 können diese Richtungsänderungen jedoch andersartig erscheinen . Grundsätzlich ist es auch möglich, dass bei den verschiedenen Druckmustern 8 die Richtungsänderungen bei den Knickstellen 10, 10 10,λ, etc. nicht abrupt erfolgen. Mit anderen Worten können die Knickstellen 10, 10 10, λ, etc. im mathematischen Sinne auch differenzierbar sein. Bei stetigen Knickstellen 10, 10 10,λ, etc., bei denen die Richtungsänderung abrupt erfolgt, ist eine mathematische Differenzierbarkeit nicht zwangsläufig gegeben. Die Druckrichtung kann bei dieser vorliegenden Erfindung also auch kontinuierlich geändert werden. In diesem Fall könnte man auf einige Knickstellen verzichten.
Anstatt der U-förmigen Struktur 6 kann auch eine zickzackför- mige Struktur 7 gedruckt werden. Auch in diesem Fall beginnt der Druckvorgang beim vorgegebenen ersten Anfang 2 und wird geradlinig bis zur ersten Knickstelle 10 fortgeführt. An der Knickstelle 10 wird nun eine Richtungsänderung des Druckvorgangs vollzogen. Bei der hier dargestellten zickzackförmigen Struktur 7 wird nun ebenfalls ähnlich wie bei der U-förmigen Struktur 6, nach rechts oben bis zur nächsten Knickstelle 10 λ gedruckt. Ist der Druckvorgang bei 10 λ angekommen, so wird wiederum eine Richtungsänderung in Richtung der Knickstelle 10 λ λ vollzogen. Die Knickstellen 10, 10 λ und 10,λ ergeben in diesem Beispiel ein umgekehrtes V. Diese zickzackförmige Struktur 7 des Druckmusters 8 wird nun sinngemäß bis zu dem vorgegebenen ersten Ende 3 fortgeführt.
Eine sinusförmige Struktur 17 des Druckmusters 8 ist in FIG 2 rechts oben dargestellt. Dabei besteht die sinusförmige
Struktur 17 nicht aus einer Kurve, wie man es aus der Mathe- matik kennt, sondern diese sinusförmige Struktur 17 weist ge¬ radlinige Teilabschnitte auf, welche in diesem Beispiel nicht verbunden sind. Zwischen den einzelnen Teilabschnitten befinden sich also Unterbrechungen. Dabei ist es auch möglich, eine sinusförmige Struktur 17 zu verwenden, welche keine Unter¬ brechungen aufweist. In einem solchen Fall würden sich mehrere Knickstellen 10, 10λ, 10, λ, etc. bilden, an denen jeweils eine Richtungsänderung des Druckvorgangs vollzogen wird.
Ein alternatives Druckmuster 8 mit Unterbrechungen 9 ist zwischen dem Druckmuster 8 mit der zickzackförmigen Struktur 7 und dem Druckmuster 8 mit der sinusförmigen Struktur 17 gezeigt. Dieses Druckmuster 8 weist keine Richtungsänderungen auf. Anstelle der Richtungsänderungen sind mehrere Unterbre¬ chungen 9 entlang des Druckmusters 8 vorhanden. Zunächst be¬ ginnt diese Struktur ebenso wie die anderen beiden Strukturen 7 und 6. In diesem Beispiel wird zu Beginn geradlinig und ho¬ rizontal von links nach rechts gedruckt. Nach spätestens der ersten vorbestimmten Länge, in diesem Beispiel nach 5 Millimeter, ändert sich nun das Druckverfahren.
Anstelle einer Änderung der Druckrichtung wird das Druckverfahren in diesem Beispiel nun unterbrochen. Dies bedeutet jedoch nicht zwangsläufig, dass nun ein Hohlraum entstehen wird. In der Regel wird die Unterbrechung 9 mit einem anderen Druckverfahren, welches deutlich schneller ist und lediglich dazu dient, die entstehenden Unterbrechungen 9 rasch aufzufüllen. Für diese Auffüllprozesse können einfache Strukturen, wie zum Beispiel kleine Quadrate, Rechtecke, Rauten oder an¬ dere Strukturen, zum Einsatz kommen. Auch ist es möglich, diese Strukturen mit Rillen zu versehen. Dadurch können die Unterbrechungen 9 leichter als solche erkannt werden. Das bei den Unterbrechungen 9 eingesetzte Druckmaterial wird häufig auch als Strukturmaterial bezeichnet. Es kann je nach Bedarf auch entfernt werden. Dabei ist jedoch zu bedenken, dass die¬ ses Druckverfahren vornehmlich für eine der ersten Schichten angewandt wird. Es kann auch vorgesehen sein, die Unterbre¬ chungen 9 nicht aufzufüllen und als kleine Hohlräume zu be- lassen. Diese Unterbrechungen 9 können so eingesetzt und gestaltet werden, dass nach außen keine offensichtliche Löcher bei dem zu druckenden Objekt zu sehen sind.
Das Druckmuster 8 mit der U-förmigen Struktur 6 sowie das Druckmuster 8 mit der zickzackförmigen Struktur 7 lassen sich auch im mathematischen Sinne beschreiben. Zwischen dem vorgegebenen ersten Anfang 2 und dem vorgegebenen ersten Ende 3 sind diese beiden Druckmuster 8 stets stetig. An den Knickstellen 10, 10 10, λ und so weiter sind diese beiden Druckmuster 8 jedoch nicht differenzierbar. Dabei muss bei diesem vorliegenden Druckverfahren an wenigstens einer Knickstelle 10, 10 λ oder 10 λ λ oder einer anderen Knickstelle eine Rich¬ tungsänderung von mindestens 45 Grad erfolgen. Mit anderen Worten muss der Tangens der Richtungsänderung des Druckmusters 8 an wenigstens einer der Knickstellen eins betragen.
Bei dem Druckmuster 8 mit den Unterbrechungen 9 kommen Unste- tigkeitsstellen vor. Das heißt dieses Druckmuster 8 ist an einigen Stellen mathematisch nicht mehr stetig. Die so erzeugten Unterbrechungen 9 weisen eine zweite vorbestimmte Länge auf. Mit anderen Worten die Unterbrechungen 9 haben eine gewisse Mindestausdehnung. In einem vorteilhaften Beispiel beträgt diese Länge 5 Millimeter.
Durch die in FIG 2 gezeigten verschiedenen Druckmuster 8 mit den verschiedenen Strukturen 6, 7 sowie den Unterbrechungen werden zu lange geradlinige Druckstränge vermieden, welche aufgrund der resultierenden thermischen Spannungen die Stabi lität des zu druckenden Objekts gefährden können. Das erfin- dungsgemäße Druckverfahren kann die thermischen Spannungen s weit reduzieren, dass keine Beschädigungen, wie in FIG 1 ge- zeigt sind, auftreten.
Dieses Druckverfahren ist nicht auf spezielle 3D-Drucker 14 beschränkt. Dieses Druckverfahren kann beim Pulverbettverfahren, beim Freiraumverfahren oder bei anderen Schichtbauverfahren von 3D-Druckern 14 zum Einsatz kommen. Dieses Druckverfahren kann mit verschiedenen Programmen, beispielsweise in CAD/CAM-Verfahren integriert werden. Beispielsweise kann im Rahmen von CAM-bezogenen Funktionen eine reguläre Oberflächenstruktur, wie zum Beispiel das Druckmus¬ ter 8 mit der U-förmigen Struktur 6, in einem 3D-Drucker 14 umgesetzt werden. Bei CAD-bezogenen Funktionen, welche beispielsweise Strukturen mit Unterbrechungen 9 mittels des 3D- Druckers 14 erzeugen können, stellen in der Regel eine invasive Maßnahme dar, welche unter Umständen das gewünschte Aus¬ sehen des zu druckenden Objekts und seine Funktion beeinflus¬ sen. Dieser Aspekt sollte von einem Designer berücksichtigt werden, wenn er mit einem 3D-Drucker ein Objekt mittels eines Druckmusters 8 mit Unterbrechungen 9 herstellen will.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass bei zu druckenden Ob¬ jekten durch das erfindungsgemäße 3D-Druckverfahren eine signifikante Erhöhung der Stabilität der Druckobjekte erreicht werden kann. Das erfindungsgemäße Druckverfahren basiert da¬ rauf, dass nach einem geradlinigen Teilabschnitt nach einer vorbestimmten Länge, in diesem Fall 5 Millimeter, entweder eine signifikante Richtungsänderung der Druckrichtung erfolgt oder das Druckmuster 8 unterbrochen wird.
Damit werden zu lange Druckfäden, wie zum Beispiel in FIG 1 gezeigt, vermieden. Dies verringert die thermischen Spannungen, vor allem bei jenen Druckschichten, welche sich nahe an der Arbeitsplatte 1 befinden. Als erheblicher Vorteil kann sich dabei ergeben, dass ein bisher häufig eingesetztes Wär¬ memanagement entfallen kann. Dies bedeutet, dass sich ein signifikantes Energieeinsparpotential ergeben kann. Häufig ist der Anteil des Wärmemanagements am Energieverbrauch des 3D-Druckers 14 sehr hoch und kann bei etwa 90% liegen. Mit anderen Worten kann die vorliegende Erfindung es ermöglichen, den Energieverbrauch von 3D-Druckern 14 auf 10% zu senken. Damit ermöglicht die vorliegende Erfindung neben der Herstel¬ lung von stabileren und robusteren Druckobjekten zusätzlich noch eine erhebliche Energieeinsparung, da im Idealfall auf ein intensives Wärmemanagement komplett verzichtet werden kann. Dies induziert neben diesen beiden Vorteilen auch noch eine erhebliche Beschleunigung des 3D-Druckverfahrens .

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts mittels 3D-Drucken auf einem Untergrund, welches die folgenden Schritte aufweist:
- Festlegen eines vorgegebenen ersten Anfangs (2) und eines vorgegebenen ersten Endes (3) ,
- Auftragen eines Druckmusters (8) zwischen dem
vorgegebenen ersten Anfang (2) und dem vorgegebenen ersten Ende (3) in geradlinigen Teilabschnitten mit einer ersten vorbestimmten Länge als Höchstmaß für die jeweiligen Längen der Teilabschnitte und mindestens einen der folgenden Schritte
- Ändern der Richtung des Druckmusters (8) beim
Übergang von einem der Teilabschnitte in einen angrenzenden der Teilabschnitte um wenigstens 45 Grad, und
- Auftragen des Druckmusters (8) zwischen dem
vorgegebenen ersten Anfang
(2) und dem vorgegebenen ersten Ende (3) mit einer räumlichen Unterbrechung (9) des Druckmusters (8) zwischen zweien der Teilabschnitte, wobei die Unterbrechung (9) wenigstens die Ausdehnung einer zweiten
vorbestimmten Länge aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Objekt aus thermo¬ plastischem Kunststoff hergestellt wird.
3. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, wobei durch die Unterbrechungen (9) entstehende Leerräume mit einem anderen Verfahren gefüllt werden.
4. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, wobei das Druckmuster (8) U-förmig (6) gedruckt wird.
5. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, wobei das Druckmuster (8) zickzackförmig (7) gedruckt wird.
6. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, wobei das Druckmuster (8) sinusförmig (17) gedruckt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei das Druckmuster (8) in einer Kombination von sinusförmige (17), zickzackförmigen
(7) und/oder U-förmigen (6) Strukturen gedruckt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die geradlinigen Teilabschnitte maximal 5 Millimeter lang gedruckt werden.
9. Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, wobei das
Druckmuster (8) eindimensional gedruckt wird.
10. Vorrichtung, die dazu ausgebildet ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
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