WO2023117381A1 - Verfahren zur herstellung eines dreidimensionalen objekts und vorrichtung zum 3d-drucken - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines dreidimensionalen objekts und vorrichtung zum 3d-drucken Download PDF

Info

Publication number
WO2023117381A1
WO2023117381A1 PCT/EP2022/084340 EP2022084340W WO2023117381A1 WO 2023117381 A1 WO2023117381 A1 WO 2023117381A1 EP 2022084340 W EP2022084340 W EP 2022084340W WO 2023117381 A1 WO2023117381 A1 WO 2023117381A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
printing
print
polymer
filling material
pressure
Prior art date
Application number
PCT/EP2022/084340
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hendrik JAHNLE
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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 Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Publication of WO2023117381A1 publication Critical patent/WO2023117381A1/de

Links

Classifications

    • 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
    • B33Y80/00—Products made by additive manufacturing
    • 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
    • B29C33/00—Moulds or cores; Details thereof or accessories therefor
    • B29C33/30—Mounting, exchanging or centering
    • B29C33/306—Exchangeable mould parts, e.g. cassette moulds, mould inserts
    • 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
    • B29C45/00—Injection moulding, i.e. forcing the required volume of moulding material through a nozzle into a closed mould; Apparatus therefor
    • B29C45/17—Component parts, details or accessories; Auxiliary operations
    • B29C45/1742—Mounting of moulds; Mould supports
    • 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
    • B29C45/00—Injection moulding, i.e. forcing the required volume of moulding material through a nozzle into a closed mould; Apparatus therefor
    • B29C45/17—Component parts, details or accessories; Auxiliary operations
    • B29C45/26—Moulds
    • B29C45/2673—Moulds with exchangeable mould parts, e.g. cassette moulds
    • B29C45/2675—Mounting of exchangeable mould inserts
    • 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
    • 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
    • B29C33/00—Moulds or cores; Details thereof or accessories therefor
    • B29C33/38—Moulds or cores; Details thereof or accessories therefor characterised by the material or the manufacturing process
    • B29C33/3842—Manufacturing moulds, e.g. shaping the mould surface by machining
    • B29C2033/385—Manufacturing moulds, e.g. shaping the mould surface by machining by laminating a plurality of layers
    • 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
    • B29C67/00—Shaping techniques not covered by groups B29C39/00 - B29C65/00, B29C70/00 or B29C73/00
    • B29C67/24—Shaping techniques not covered by groups B29C39/00 - B29C65/00, B29C70/00 or B29C73/00 characterised by the choice of material
    • B29C67/246—Moulding high reactive monomers or prepolymers, e.g. by reaction injection moulding [RIM], liquid injection moulding [LIM]

Definitions

  • the present invention relates to a method, in particular a 3D printing method, for producing three-dimensional objects with a freely selectable shape and a device for 3D printing and for carrying out a method according to the invention.
  • thermoplastic printing material In conventional 3D printing (Fused Deposition Modeling, FDM), a thermoplastic printing material is melted and, in a liquid state, is selectively placed at the points that belong to the object to be manufactured. If the printing material then cools down, it solidifies again. In this way, objects with freely selectable shapes can be built up in layers.
  • FDM Fusion Deposition Modeling
  • the main problem with 3D printed plastic parts is their often low resilience in the direction of assembly.
  • the layers built on top of each other can be separated from each other with little effort.
  • the surface quality and tolerance accuracy is low. It is often possible to see the layers stacked on top of each other with the naked eye.
  • injection molding methods are known as an industry standard, in particular when producing large quantities, for example greater than 10,000 pieces. Injection molding processes are efficient with such quantities, since the reproducibility of the parts is very high and can also be produced cost-effectively.
  • the injection molding system usually consists of a screw conveyor which is connected to a die.
  • the die contains an exchangeable, so-called cavity and core block, which determines the shape of the resulting component.
  • these "blocks" are made of aluminum by turning and milling operations and, depending on the component geometry, are complex to manufacture and therefore expensive, so that manufacture is only worthwhile after a certain number of manufactured products.
  • the screw conveyor transports and doses a plastic granulate, which is melted and then filled into the die. There it cools down and gives the desired product shape. If the die quality is low or the machine setting is poor, for example, material can get out of the mold so that there is excess material on the product, which then disadvantageously has to be removed in a further step.
  • a particular disadvantage of conventional injection molding processes is the high level of investment required to manufacture the matrix. As a result, production is only worthwhile if the product is produced in large quantities.
  • Another disadvantage is that the shape and design of the product is limited, since, for example, internal channels cannot be introduced into the product or can only be introduced with increased effort.
  • the object is to provide a method for producing an object and a device for 3D printing that represents a cost-effective alternative with regard to small series, while complex object shapes can also be produced.
  • the object is achieved by the method according to the invention, in particular a 3D printing method for producing three-dimensional objects with a freely selectable shape, and a device for 3D printing and for carrying out a method.
  • a method for producing a three-dimensional object was developed as part of the invention.
  • a print structure is first produced from a print material using 3D printing.
  • This print structure defines an interior space.
  • the printing structure is then inserted into a die of a printing tool and a filling material, which comprises at least one liquid or pasty monomer, is introduced into the interior.
  • the monomer is polymerized into a polymer.
  • the filled print structure is then removed from the matrix of the printing tool and the print structure is removed from the object.
  • the method according to the invention makes it possible to produce components which have at least comparable properties to a plastic injection molded part.
  • objects or components produced with the method according to the invention achieve properties like those of a conventionally manufactured injection molded component, in particular as regards the surface quality Tolerance range and stability is concerned.
  • the complexity of the component is not limited, as is the case with conventional injection molding processes.
  • the pressure structure is manufactured in such a way that an outer contour of the pressure structure corresponds to an inner contour of the matrix.
  • the pressure structure is designed in such a way that it fits into any existing die shape. Therefore, the pressure structure can be inserted into any casting station. This results in an advantageous way in a variety of ways and combinations of energy input through liquids in the pressure structure.
  • the invention enables the use of existing injection molding tool components in a particularly advantageous manner.
  • an opening for introducing the filling material is made in the pressure structure.
  • the print structure is produced in such a way that the interior defines a negative form of an object structure to be produced from the polymer, or a part of such an object structure.
  • the component After insertion into the die, the component can be filled with caprolactam, for example.
  • the pressure structure is formed from a carrier structure and a surface adjoining the interior.
  • the carrier structure is a support material between the surface adjoining the interior and the matrix.
  • the 3D printed component is manufactured with the help of support material in such a way that it can be advantageously inserted into a conventional injection molding die.
  • a particular advantage of this method is that existing systems can be used, since, for example, existing injection molds can be reused.
  • the support structure also advantageously enables the product form to be changed quickly, so that different objects can be produced in one mold by exchanging the printing structure, and the support structure can also advantageously be quickly removed from the finished object or .Product to be removed.
  • the surface adjoining the interior of the print structure defines the negative form of the object structure to be produced from the polymer, with the polymer forming the three-dimensional object after the print structure has been removed from the polymer.
  • the complete print structure is separated from the object, which advantageously results in a high-strength component in injection-moulding quality.
  • the filling material bonds during the polymerization to the surface of the print structure adjoining the interior of the print structure, as a result of which the polymer and the surface of the print structure form the three-dimensional object.
  • the support structure of the print structure is separated from the object, which advantageously results in a hybrid component with high strength and injection-moulding quality.
  • the print structure advantageously has predetermined breaking points between the carrier structure and the surface adjoining the interior of the print structure, as a result of which the carrier structure can be separated from the surface in a simple manner. If necessary, the object can be reworked on the surface.
  • 3D printed includes any manufacturing that uses 3D printing.
  • the printed structure is therefore also produced using 3D printing within the meaning of the invention, if the printing material was cast, for example, in a mold which in turn was produced directly using 3D printing.
  • the filling material When entering the interior, the filling material advantageously has a temperature that is lower than the melting temperature TM of the solidified printing material. Then the print structure is not attacked by the filling material. However, the filling material may also be warmer if and to the extent that sufficient heat can be dissipated through the pressure structure to keep the temperature of the pressure structure below its melting temperature TM.
  • a filling material which contains at least one solid filler.
  • This filler can perform any function.
  • the filler can be a recycled material, the use of which reduces the material cost of the manufactured object.
  • the filler can also be, for example, a material that gives the object a required weight for its use.
  • a reinforcing material in particular in the form of fibers, is chosen as the filler.
  • Glass fibers for example, are suitable.
  • Functional reinforcement effects can be achieved by adding fibers, which bring about a significant increase in the mechanical properties. At the same time, the mechanical strength of the polymer is isotropic due to the polymerisation in one piece.
  • the print material is assembled into the print structure with a first 3D print head, and the filling material is introduced into the interior space by an injection molding process. In this way it can be ensured that the filling material only gets into the interior and other areas on the outside of the pressure structure are not contaminated.
  • the interior space can be connected to a pressurized source of the filler material during the polymerization of the monomer.
  • the shrinkage that occurs during the polymerization can be compensated for by further filling material being pushed in to the extent of the shrinkage.
  • This shrinkage can be of the order of 10% lay. If, for example, the polymerization takes place at elevated temperature and the finished object is cooled to room temperature, there is only a further shrinkage of the order of 1%.
  • the interior space can include an insert to be embedded in the object.
  • inserts can be conductor tracks, sockets and plugs, for example.
  • electronic components or permanent magnets can also be inserts.
  • Such inserts are heat-sensitive and therefore cannot be converted with many 3D printing processes that heat the printing material to temperatures of 200 °C and more.
  • the filling of the interior space with the filling material does not necessarily depend on a specific minimum temperature. Not even the polymerisation of the monomer to form the polymer necessarily requires an elevated temperature, since the polymerisation can also be initiated and/or maintained by a catalyst, an activator and/or by UV light. It is also possible to activate the polymerization by briefly increasing the temperature so that it then continues automatically at a lower temperature. The insert is then only slightly thermally stressed.
  • caprolactam is chosen as the monomer and is polymerized to form the polyamide PA6 as the polymer.
  • an object made of PA6 according to the invention can come very close to and even exceed the mechanical and technical properties of injection-moulded PA6.
  • propene can be selected as a monomer and polymerized to PBT as a polymer.
  • Cyclic PBT or CBT can be chosen as the monomer and polymerized to PBT as the polymer.
  • laurolactam can also be selected as a monomer and polymerized to form the polyamide PA12 as a polymer.
  • the method according to the invention can upgrade all 3D printing methods that work with thermoplastics.
  • the well-known injection molding with matrices made of metal can be substituted, especially in prototyping and in small series. In particular, the time and expense associated with each manufacture and modification of the injection mold can be avoided.
  • the invention also relates to a device for 3D printing and for carrying out the method according to the invention, a print head being provided for the printing material and an injection molding machine for the filling material.
  • the structure of the device or the printer can be referred to as a hybrid printer.
  • the resulting product advantageously has the same properties as a plastic injection molded part.
  • this process does not require the production of a metallic injection molding die, this process is particularly attractive for small series.
  • shape of the product depends on the 3D printer, so previously impossible applications and shapes of the product become possible. In this case, the quality of the matrix can be neglected, since it is also printed in the 3D printing process.
  • the method according to the invention and the device according to the invention result in the advantage that an already proven system, that of the injection molding process, can be used and a new development of a filling machine for adding the filling material can thus be dispensed with.
  • the process is ideal for the production of small series, where the development of molds, such as cavity and core blocks, would not be profitable.
  • changing product requirements can be reacted to quickly and flexibly in an advantageous manner, without the need for a new development of the matrix form.
  • the inventive method enables the production of complex products with conventional injection molding systems are not possible.
  • An example of this are internal channels, which can contribute to improving the product function.
  • FIG. 1 shows a print head 31 for carrying out a method 100 according to the invention in one method step
  • FIG. 2 shows a pressure tool 35 for carrying out the method 100 in a further method step
  • FIG. 3 shows an injection molding machine 40 for carrying out the method 100 in a further method step
  • FIG. 5 shows a flowchart of the method 100 according to the invention.
  • FIG. 1 to 4 show a device 30 for carrying out the method 100 according to the invention in various method steps, the device for 3D printing 30 for carrying out the method 100 according to the invention, a print head 31 for a printing material 21 and an injection molding machine 40 for a filling material 22 has.
  • the structure of the device 30 or the printer can be referred to as a hybrid printer. 1 shows the device 30 during a method step 110 for printing the print structure 11, with print material 21 being applied from the print head 31 to a build plate 32 in a build chamber 33 of the printer 30 and as a result the print structure 11 forming an interior space 12.
  • the pressure structure 11 is designed in such a way that an outer contour 13 of the pressure structure 11 is formed in such a way that it corresponds to an inner contour 37 shown in FIG. 2 of a matrix 36 of a pressure tool 35 . Furthermore, the pressure structure 11 has an opening 14 for introducing the filling material 22 into the interior space 12 .
  • the pressure structure 11 is also formed from a carrier structure 15 and a surface 16 adjoining the interior space 12 .
  • the carrier structure 15 forms a support material between the surface 16 adjoining the interior space 12 and the die 36 .
  • the carrier structure 15 makes it possible to change the product form, so that different objects 10 can be produced in a die 36 by exchanging the printing structure 11 .
  • the design of the pressure structure 11 is based on the respective die 36 or injection molding die, so that the opening 14 or the injection channel or the injection channels can be adapted depending on the position in the die 36 .
  • the carrier structure 15 or the support material of the pressure structure 11 is adapted to the die shape 36 or the space for the cavity and core shapes so that it can be optimally inserted into the die 36 .
  • FIG. 2 shows the pressure tool 35 during a further method step 115, the pressure structure 11 being inserted into the die 36 of the pressure tool 35.
  • FIG. The pressure tool 35 is designed in two parts, with the pressure structure 11 being inserted into a lower part 51 of the pressure tool 35 in such a way that the outer contour 13 of the pressure structure 11 fits into the matrix 36 .
  • the lower part 51 of the pressure tool 35 has pins 53 which engage in recesses 54 in an upper part 52 of the pressure tool 35 in order to fasten and/or brace the two parts 51, 52 of the pressure tool 35 to one another.
  • a bushing 38 for introducing the filling material 22 is arranged on the upper part 52 of the pressure tool 35 . This is designed in such a way that it is suitable for receiving a corresponding pressure device 40 for introducing the filling material 22 .
  • the replacement of the print structure 11 by another print structure 11′ is shown as an example.
  • the filling material 22 can contain at least one solid filler 25, which is, for example, a reinforcing material, in particular in the form of fibers.
  • the filling material 22, 25 is in a container 42 of a pressure device 40, which is designed as an injection molding machine 40 and is heated within a screw conveyor 41.
  • the screw conveyor 41 then transports the filling material 22, 25 through the bushing 38 of the pressure tool 35 into the interior 12 of the pressure structure 11 and introduces this until the interior 12 is completely filled with the filling material 22, 25.
  • the filler material 22 is preferably caprolactam.
  • the monomer 22 is then polymerized to form a polymer 24 in a further method step 130 and the filled printing structure 11 is removed from the die 36 of the printing tool 35, as shown in FIG.
  • FIG. 4 shows the method step 135 of removing the print structure 11 from the matrix 36 of the printing tool 35 and the following method step 140, the carrier structure 15 of the print structure 11 being removed from the printed object 10.
  • the interior 12 defines a negative form of an object structure 28 to be produced from the polymer 24, or a part of such an object structure 28.
  • the surface 16 defines the negative form of the object structure 28 to be produced from the polymer 24 , with the polymer 24 forming the three-dimensional object 10 after the print structure 11 has been removed from the polymer 24 .
  • the filling material 22 connects to the surface 16 of the print structure 11 during the polymerization, as a result of which the polymer 24 and the surface 16 of the print structure 11 form the three-dimensional object 10 .
  • the support structure 15 or the print structure 11 can be quickly removed from the finished object 10 or product after the end of the printing and the hardening of the polymer 24 .
  • the result is an object 10 or a component in plastic injection molding quality, which can be individually adapted for each injection molding process.
  • the printed structure 11, which defines the interior space 12 is produced 110 from the printed material 21 by means of 3D printing; the printing structure 11 is inserted 115 into the die 36 of the printing tool 35; the filling material 22, which comprises at least one liquid or pasty monomer, is introduced 120 into the interior space 12; the monomer is polymerized 130 to a polymer 24; the filled print structure 11 is removed 135 from the matrix 36 of the pressure tool 32 and the print structure 11 is removed from the object 10 140.
  • the pressure structure 11 is manufactured in such a way that the outer contour 13 of the pressure structure 11 corresponds to the inner contour 37 of the die 36 .
  • the opening 14 for introducing the filling material 22 is made in the pressure structure 11 .
  • the pressure structure 11 is also formed from the carrier structure 15 and the surface 16 adjoining the interior space 12 .
  • the interior 12 defines a negative mold of an object structure 28 to be produced from the polymer 24, or a part of such an object structure 28.
  • the surface 16 defines the negative form of the object structure 28 to be produced from the polymer 24, with the polymer 24 forming the three-dimensional object 10 after the print structure 11 has been removed from the polymer 24.
  • the complete print structure 11 is separated from the object 10, which advantageously results in a high-strength component with injection-molding quality.
  • the filling material 22 connects to the surface 16 of the print structure 11 during the polymerization, as a result of which the polymer 24 and the surface 16 of the print structure 11 form the three-dimensional object 10 .
  • the carrier structure 15 of the print structure 11 is separated from the object 11, as a result of which a hybrid component with high strength and injection-molding quality is advantageously produced.
  • the print structure 11 advantageously has predetermined breaking points between the support structure 15 and the surface 16 adjoining the interior 12 of the print structure 11, as a result of which the support structure 15 can be easily separated from the surface 16. If necessary, the object 10 can be post-processed on the surface that has now been created.
  • a filling material 22 is selected which contains at least one solid filler 25, with a reinforcing material, in particular in the form of fibers, being selected as the filler 25.
  • the print material 21 is preferably assembled 110 with the 3D print head 31 to form the print structure 11 and the filling material 22 is introduced into the interior space 12 by an injection molding process 120.

Abstract

Verfahren (100) zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts (10), mit folgenden Schritten: eine Druckstruktur (11), welche einen Innenraum (12) definiert, wird mittels 3D-Druck aus einem Druckmaterial (21) gefertigt (110); die Druckstruktur (11) wird in eine Matrize (36) eines Druckwerkzeugs (35) eingesetzt (115); ein Füllmaterial (22), welches mindestens ein flüssiges oder pastöses Monomer umfasst, wird in den Innenraum (12) eingebracht (120); das Monomer wird zu einem Polymer (24) polymerisiert (130); die befüllte Druckstruktur (11) wird aus der Matrize (36) des Druckwerkzeugs (32) entnommen (135) und die Druckstruktur (11) wird vom Objekt (10) entfernt (140). Vorrichtung zum 3D-Drucken (30) und zur Durchführung des Verfahrens (100), wobei ein Druckkopf (31) zur Ausbringung des Druckmaterials (21) und eine Spritzgussmaschine (40) zur Ausbringung des Füllmaterials (22) vorgesehen sind.

Description

Beschreibung
Titel:
Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts und Vorrichtung zum 3D-Drucken
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, insbesondere 3D- Druckverfahren zur Herstellung dreidimensionaler Objekte mit frei wählbarer Formgebung und eine Vorrichtung zum 3D-Drucken und zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Stand der Technik
Beim herkömmlichen 3D-Druck (Fused Deposition Modeling, FDM) wird ein thermoplastisches Druckmaterial aufgeschmolzen und im flüssigen Zustand selektiv an die Stellen, die zu dem herzustellenden Objekt gehören, verbracht. Wenn das Druckmaterial anschließend erkaltet, erstarrt es wieder. Auf diese Weise können Objekte mit frei wählbarer Formgebung schichtweise aufgebaut werden.
Beim Aufbringen dieser Schichten entstehen beispielsweise thermischer Verzug am Bauteil, oder Fadenbildung an der Düse des 3D-Druckers. Dadurch können sich die Maße eines Bauteils stark verändern, wodurch nachteilig eine Ungenauigkeit des Bauteils erreicht wird. Eine Reproduzierbarkeit der Bauteile ist dadurch nur schwer zu erreichen.
Das Hauptproblem von 3D gedruckten Teilen aus Kunststoff ist ihre oftmals geringe Belastbarkeit in Aufbaurichtung. Die übereinander gebauten Layer lassen sich mit geringem Kraftaufwand voneinander trennen. Darüber hinaus ist die Oberflächenqualität und Toleranzgenauigkeit je nach Aufbaurate gering. Oftmals ist es möglich die übereinander gestapelten Layer mit dem bloßen Auge zu erkennen.
Aus der DE 10 2016 222 552 Al ist bekannt, eine äußere Struktur eines Bauteils über einen ersten Druckkopf aufzubauen und diese Struktur anschließend mit einem polymerisierbaren Füllmaterial aufzufüllen. Diese Verfahren ermöglicht es Bauteile mit erhöhter Festigkeit herzustellen.
Ferner sind Spritzgussverfahren als Industriestandard bekannt, insbesondere bei der Anfertigung von großen Stückzahlen, beispielsweise größer als 10.000 Stück. Spritzgussverfahren sind bei derartigen Stückzahlen effizient, da die Reproduzierbarkeit der Teile sehr hoch ist und zudem auch kosteneffizient produziert werden kann. Das Spritzgusssystem besteht hierbei in der Regel aus einer Förderschnecke, welche mit einer Matrize verbunden ist. In der Matrize befindet sich ein austauschbarer sogenannter Cavity- und Core-Block, der die Form des entstehenden Bauteils vorgibt. Diese "Blöcke" werden bekannterweise aus Aluminium durch Dreh- und Fräsbearbeitungen gefertigt und sind je nach Bauteilgeometrie aufwendig zu fertigen und dadurch kostenintensiv, so dass sich eine Anfertigung nur nach einer bestimmten Anzahl an angefertigten Produkten lohnt.
Die Förderschnecke transportiert und dosiert ein Kunststoffgranulat, welches geschmolzen und anschließend in die Matrize gefüllt wird. Dort kühlt es ab und ergibt die gewünschte Produktform. Bei einer geringen Matrizenqualität oder beispielsweise einer schlechten Maschineneinstellung, kann Material aus der Form gelangen, so dass sich überschüssiges Material am Produkt befindet, welches anschließend in nachteilhafter Weise in einem weiteren Schritt entfernt werden muss.
Nachteilig bei herkömmlichen Spritzgussverfahren ist insbesondere die hohe notwendige Investition bei der Matrizenanfertigung. Dadurch lohnt sich die Herstellung erst bei einer hohen Stückzahl des Produkts. Ferner ist von Nachteil, dass die Form und das Design des Produktes limitiert ist, da beispielsweise innere Kanäle nicht oder nur mit erhöhtem Aufwand in das Produkt eingebracht werden können.
Im laufenden Betrieb sind Abnutzungen an der Matrize möglich, so dass diese überarbeitet werden müssen und dadurch in nachteilhafter Weise zu einer Ausfallzeit der Produktion sorgen. Zudem ist bei der Nutzung herkömmlicher Matrizen keine schnelle Änderung des Produktes möglich, da neue Matrizen angefertigt werden müssten.
Die Aufgabe ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Objekts, sowie eine Vorrichtung zum 3D-Drucken bereitzustellen, die eine kosteneffiziente Alternative in Bezug auf Kleinserien darstellt, wobei zudem komplexe Objektformen hergestellt werden können.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren, insbesondere 3D- Druckverfahren zur Herstellung dreidimensionaler Objekte mit frei wählbarer Formgebung, und einer Vorrichtung zum 3D-Drucken und zur Durchführung eines Verfahrens erfüllt.
Im Rahmen der Erfindung wurde ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts entwickelt. Bei diesem Verfahren wird zunächst eine Druckstruktur mittels 3D-Druck aus einem Druckmaterial gefertigt. Diese Druckstruktur definiert einen Innenraum. Anschließend wird die Druckstruktur in eine Matrize eines Druckwerkzeugs eingesetzt und ein Füllmaterial, welches mindestens ein flüssiges oder pastöses Monomer umfasst, wird in den Innenraum eingebracht. Nachdem der Innenraum mit dem Füllmaterial gefüllt ist, wird das Monomer zu einem Polymer polymerisiert. Anschließend wird die befüllte Druckstruktur aus der Matrize des Druckwerkzeugs entnommen und die Druckstruktur wird vom Objekt entfernt.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich Bauteile zu fertigen, welche zumindest vergleichbare Eigenschaften eines Kunststoffspritzgussteils aufweisen.
Wie beschrieben, erreichen Objekte, bzw. Bauteile, hergestellt mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, Eigenschaften wie die eines konventionell gefertigten Spritzgussbauteils, insbesondere was die Oberflächenqualität, den Toleranzbereich und der Stabilität betrifft. Daraus ergeben sich insbesondere die Vorteile, dass gegenüber eines konventionellen Spritzgussbauteils die Anfertigung einer metallischen Spritzgussmatrize entfällt und dies somit besonders attraktiv bei Kleinserien ist. Ferner ist die Bauteilkomplexität nicht limitiert, wie es beim konventionellen Spritzgussverfahren der Fall ist.
In einer Weiterbildung wird die Druckstruktur derart gefertigt, dass eine äußere Kontur der Druckstruktur einer inneren Kontur der Matrize entspricht.
Dadurch wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass die Druckstruktur derart ausgestaltet wird, dass es in jede beliebige und vorhandene Matrizenform passt. Daher kann die Druckstruktur in jede beliebige Gussstation eingefügt werden. Dadurch ergeben sich in vorteilhafter Weise vielfältige Möglichkeiten und Kombinationen der Energieeinbringung durch Flüssigkeiten in die Druckstruktur. Zudem ermöglicht die Erfindung in besonders vorteilhafter Weise die Verwendung von vorhandenen Spritzgusswerkzeugkomponenten.
Ferner ist es von Vorteil, dass in die Druckstruktur eine Öffnung zum Einbringen des Füllmaterials eingebracht wird.
In einer Weiterbildung wird die Druckstruktur derart hergestellt, dass der Innenraum eine Negativform einer aus dem Polymer herzustellenden Objektstruktur, oder einen Teil einer solchen Objektstruktur definiert.
Das Bauteil kann nach dem Einfügen in die Matrize mit beispielsweise Caprolactam befüllt werden.
In einer Weiterbildung wird die Druckstruktur aus einer Trägerstruktur und einer an den Innenraum angrenzenden Oberfläche gebildet. Dabei ist die Trägerstruktur ein Supportmaterial zwischen der an den Innenraum angrenzenden Oberfläche und der Matrize. Das 3D gedruckte Bauteil wird mit Hilfe von Supportmaterial so gefertigt, dass es in vorteilhafter Weise in eine herkömmliche Spritzgussmatrize eingefügt werden kann. Ein besonderer Vorteil dieser Methode ist, dass auf bereits bestehende Systeme zurückgegriffen werden kann, da z.B. vorhandene Spritzgussmatrizen wiederverwendet werden können. Die Trägerstruktur ermöglicht ferner in vorteilhafter Weise einen schnellen Wechsel der Produktform, so dass verschiedene Objekte in einer Matrize durch Austausch der Druckstruktur hergestellt werden können und zudem kann die Trägerstruktur nach Beendigung des Druckens und der Aushärtung des Polymers in vorteilhafter Weise schnell vom fertigen Objekt, bzw. Produkt entfernt werden.
In einer ersten Ausführung definiert die an den Innenraum der Druckstruktur angrenzenden Oberfläche die Negativform der aus dem Polymer herzustellenden Objektstruktur, wobei nach der Entfernung der Druckstruktur vom Polymer, das Polymer das dreidimensionale Objekt ausbildet.
Nach der Polymerisation wird die komplette Druckstruktur vom Objekt getrennt, wodurch in vorteilhafter Weise ein Bauteil mit hoher Festigkeit in Spritzgussqualität entsteht.
In einer zweiten Ausführung verbindet sich das Füllmaterial bei der Polymerisation mit der an den Innenraum der Druckstruktur angrenzenden Oberfläche der Druckstruktur, wodurch das Polymer und die Oberfläche der Druckstruktur das dreidimensionale Objekt ausbilden.
Nach der Polymerisation wird die Trägerstruktur der Druckstruktur vom Objekt getrennt, wodurch in vorteilhafter Weise ein hybrides Bauteil mit hoher Festigkeit in Spritzgussqualität entsteht. Die Druckstruktur weist dabei in vorteilhafter Weise Sollbruchstellen zwischen der Trägerstruktur und der an den Innenraum der Druckstruktur angrenzenden Oberfläche auf, wodurch die Trägerstruktur in einfache Weise von der Oberfläche getrennt werden kann. Bei Bedarf kann das Objekt an der Oberfläche nachbearbeitet werden.
Der Begriff „mittels 3D-Druck gefertigt“ schließt jede Fertigung ein, bei der 3D- Druck zum Einsatz kommt. Die Druckstruktur ist also auch im Sinne der Erfindung mit 3D-Druck gefertigt, wenn das Druckmaterial beispielsweise in eine Form gegossen wurde, die ihrerseits unmittelbar mittels 3D-Druck hergestellt wurde.
Das Füllmaterial hat beim Einlass in den Innenraum vorteilhaft eine Temperatur, die geringer ist als die Schmelztemperatur TM des erstarrten Druckmaterials. Dann wird die Druckstruktur nicht durch das Füllmaterial angegriffen. Das Füllmaterial darf jedoch auch wärmer sein, wenn und insoweit durch die Druckstruktur genügend Wärme abgeführt werden kann, um die Temperatur der Druckstruktur unterhalb ihrer Schmelztemperatur TM zu halten.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein Füllmaterial gewählt, welches mindestens einen festen Füllstoff enthält. Dieser Füllstoff kann eine beliebige Funktion erfüllen. Beispielsweise kann der Füllstoff ein Recyclingmaterial sein, dessen Verwendung die Materialkosten des hergestellten Objekts senkt. Der Füllstoff kann auch beispielsweise ein Material sein, das dem Objekt ein für seine Verwendung gefordertes Gewicht verleiht.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein Verstärkungsstoff, insbesondere in Form von Fasern, als Füllstoff gewählt. Geeignet sind beispielweise Glasfasern. Die Verwendung derartiger Verstärkungsstoffe in Druckmaterialien führte bislang zu einem weiteren Zielkonflikt in Bezug auf filigrane Strukturen, da eine für filigrane Strukturen erforderliche Düse mit kleiner Austrittsöffnung dazu neigt, durch die Verstärkungsstoffe zu verstopfen. Durch die Faserbeimischung können funktionsfähige Verstärkungseffekte erzielt werden, die eine deutliche Steigerung der mechanischen Eigenschaften bewirken. Gleichzeitig ist durch die Polymerisation in einem Stück die mechanische Festigkeit des Polymers isotrop.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Druckmaterial mit einem ersten 3D-Druckkopf zu der Druckstruktur zusammengesetzt, und das Füllmaterial wird durch ein Spritzgussverfahren in den Innenraum eingebracht. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass das Füllmaterial nur in den Innenraum gelangt und andere Bereiche an der Außenseite der Druckstruktur nicht verunreinigt werden.
Ferner kann der Innenraum während des Polymerisierens des Monomers mit einer unter Druck stehenden Quelle für das Füllmaterial verbunden werden. Auf diese Weise kann die bei der Polymerisation entstehende Schrumpfung dadurch kompensiert werden, dass im Umfang der Schrumpfung weiteres Füllmaterial nachgeschoben wird. Diese Schrumpfung kann in der Größenordnung 10 % liegen. Wenn die Polymerisation beispielsweise bei erhöhter Temperatur erfolgt und das fertige Objekt auf Raumtemperatur abgekühlt wird, entsteht nur noch eine weitere Schrumpfung in der Größenordnung 1 %.
Ferner kann der Innenraum einen in das Objekt einzubettenden Einleger einschließen. Derartige Einleger können beispielsweise Leiterbahnen, Buchsen und Stecker sein. Insbesondere können auch elektronische Bauelemente oder Permanentmagnete Einleger sein. Derartige Einleger sind hitzeempfindlich und daher mit vielen 3D-Druckverfahren, die das Druckmaterial auf Temperaturen von 200 °C und mehr erhitzen, nicht umbaubar. Das Ausfüllen des Innenraums mit dem Füllmaterial ist hingegen nicht zwingend auf eine bestimmte Mindesttemperatur angewiesen. Nicht einmal die Polymerisation des Monomers zu dem Polymer setzt zwingend eine erhöhte Temperatur voraus, denn die Polymerisation kann auch durch einen Katalysator, einen Aktivator und/oder durch UV-Licht angestoßen und/oder unterhalten werden. Es ist auch möglich, die Polymerisation durch kurzzeitige Temperaturerhöhung zu aktivieren, so dass sie anschließend bei geringerer Temperatur selbsttätig weiterläuft. Der Einleger wird dann nur in geringem Maße wärmebelastet.
Es ist von Vorteil, wenn Caprolactam als Monomer gewählt und zu dem Polyamid PA6 als Polymer polymerisiert wird. Insbesondere in Verbindung mit Fasern als Verstärkungsstoffen kann ein gemäß der Erfindung hergestelltes Objekt aus PA6 den mechanischen und technischen Eigenschaften von spritzgegossenem PA6 sehr nahekommen und diese sogar übertreffen. Somit wird die gestalterische Freiheit und funktionsorientierte Konstruktion im Sinne von Additive Manufacturing mit den verfahrensspezifischen Vorteilen von Spritzguss kombiniert, ohne Inkaufnahme der spezifischen Nachteile, die diese Technologien jeweils für sich genommen mit sich bringen.
Alternativ oder auch in Kombination kann Propen als Monomer gewählt und zu PBT als Polymer polymerisiert werden. Es kann zyklisches PBT oder CBT als Monomer gewählt und zu PBT als Polymer polymerisiert werden. Schließlich kann beispielsweise auch Laurinlactam als Monomer gewählt und zu dem Polyamid PA12 als Polymer polymerisiert werden. Allgemein kann das Verfahren gemäß der Erfindung alle 3D- Druckverfahren, die mit thermoplastischen Kunststoffen arbeiten, aufwerten. Zugleich kann insbesondere im Prototyping und in Kleinserien der bekannte Spritzguss mit Matrizen aus Metall substituiert werden. Insbesondere können der Zeitaufwand und die Kosten, die bei jeder Herstellung und Änderung der Spritzgussform anfallen, vermieden werden.
Nach dem zuvor Gesagten bezieht sich die Erfindung auch auf eine Vorrichtung zum 3D-Drucken und zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei ein Druckkopf für das Druckmaterial und eine Spritzgussmaschine für das Füllmaterial vorgesehen sind.
Der Aufbau der Vorrichtung, bzw. des Druckers kann als Hybriddrucker bezeichnet werden.
Das so entstandene Produkt besitzt in vorteilhafter Weise die gleichen Eigenschaften wie ein Spritzgussteil aus Kunststoff. Da bei diesem Prozess jedoch die Anfertigung einer metallischen Spritzgussmatrize wegfällt, ist dieser Prozess besonders für Kleinserien attraktiv. Darüber hinaus ist die Form des Produktes vom 3D Drucker abhängig, sodass bisher unmögliche Applikationen und Formen des Produktes möglich werden. Die Qualität der Matrize kann in diesem Fall vernachlässigt werden, da diese im 3D Druck Prozess mit gedruckt wird.
Ferner ergibt sich durch das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung der Vorteil, dass auf ein bereits bewehrtes System, das des Spritzgussverfahrens, zurückgegriffen werden kann und dadurch auf eine Neuentwicklung einer Befüllmaschine zum Hinzufügen des Füllmaterials verzichten werden kann.
Das Verfahren ist dabei optimal für die Fertigung von Kleinserien, bei der sich eine Entwicklung von Formen, beispielsweise Cavity- & Core-Blöcken, nicht rentieren würde. Dadurch kann in vorteilhafter Weise schnell und agil auf veränderte Produktanforderungen regiert werden, ohne dass eine Neuentwicklung der Matrizenform nötig ist. Zudem ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren die Fertigung von aufwendigen Produkten, die mit herkömmlichen Spritzgusssystemen nicht möglich sind. Ein Beispiel dafür sind innere Kanäle, welche zur Verbesserung der Produktfunktion beitragen können.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Es zeigen:
Fig. 1 ein Druckkopf 31 zur Ausführung eines Verfahrens 100 gemäß der Erfindung in einem Verfahrensschritt;
Fig. 2 ein Druckwerkzeug 35 zur Ausführung des Verfahrens 100 in einem weiteren Verfahrensschritt;
Fig. 3 eine Spritzgussmaschine 40 zur Ausführung des Verfahrens 100 in einem weiteren Verfahrensschritt;
Fig. 4 ein Objekt 10 in einem weiteren Verfahrensschritt und
Fig. 5 ein Ablaufdiagramm des Verfahrens 100 gemäß der Erfindung.
Ausführungsbeispiele
Fig. 1 bis 4 zeigen eine Vorrichtung 30 zur Ausführung des Verfahrens 100 gemäß der Erfindung in verschiedenen Verfahrensschritten, wobei die Vorrichtung zum 3D-Drucken 30 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens 100, einen Druckkopf 31 für ein Druckmaterial 21 und eine Spritzgussmaschine 40 für ein Füllmaterial 22 aufweist.
Der Aufbau der Vorrichtung 30, bzw. des Druckers kann als Hybriddrucker bezeichnet werden. Fig. 1 zeigt die Vorrichtung 30 während eines Verfahrensschritts 110 zum Druck der Druckstruktur 11, wobei Druckmaterial 21 aus dem Druckkopf 31 auf eine Bauplatte 32 in einer Baukammer 33 des Druckers 30 aufgebracht wird und dadurch die Druckstruktur 11 einen Innenraum 12 ausbildet.
Die Druckstruktur 11 ist derart ausgestaltet, dass eine äußere Kontur 13 der Druckstruktur 11 derart ausgebildet ist, dass diese einer in Fig. 2 gezeigten inneren Kontur 37 einer Matrize 36 eines Druckwerkzeugs 35 entspricht. Ferner weist die Druckstruktur 11 eine Öffnung 14 zum Einbringen des Füllmaterials 22 in den Innenraum 12 auf.
Die Druckstruktur 11 ist zudem aus einer Trägerstruktur 15 und einer an den Innenraum 12 angrenzenden Oberfläche 16 ausgebildet. Die Trägerstruktur 15 bildet dabei ein Supportmaterial zwischen der an den Innenraum 12 angrenzenden Oberfläche 16 und der Matrize 36 aus. Durch die Trägerstruktur 15 ist ein Wechsel der Produktform möglich, so dass verschiedene Objekte 10 in einer Matrize 36 durch Austausch der Druckstruktur 11 hergestellt werden können.
Die Gestaltung der Druckstruktur 11 richtet sich dabei an die jeweilige Matrize 36, bzw. Spritzgussmatrize, sodass sich die Öffnung 14, bzw. der Einspritzkanal oder auch die Einspritzkanäle je nach Position in der Matrize 36 anpassen lassen. Die Trägerstruktur 15, bzw. das Supportmaterial der Druckstruktur 11 wird an die Matrizenform 36, bzw. den Raum für die Cavity- und Coreformen angepasst, so dass es optimal in die Matrize 36 eingesetzt werden kann.
Fig. 2 zeigt das Druckwerkzeug 35 während eines weiteren Verfahrensschritts 115, wobei die Druckstruktur 11 in die Matrize 36 des Druckwerkzeugs 35 eingesetzt wird. Das Druckwerkzeug 35 ist in zweigeteilter Form ausgebildet, wobei die Druckstruktur 11 in einen unteren Teil 51 des Druckwerkzeugs 35 derart eingesetzt ist, dass die äußere Kontur 13 der Druckstruktur 11 in die Matrize 36 eingepasst ist. Der untere Teil 51 des Druckwerkzeugs 35 weist Stifte 53 auf, die in Ausnehmungen 54 eines oberen Teils 52 des Druckwerkzeugs 35 eingreifen, um die beiden Teile 51, 52 des Druckwerkzeugs 35 miteinander zu befestigen und/oder zu verspannen. Am oberen Teil 52 des Druckwerkzeugs 35 ist eine Buchse 38 zum Einbringen des Füllmaterials 22 angeordnet. Diese ist derart ausgestaltet, dass sie zur Aufnahme einer entsprechenden Druckvorrichtung 40 zum Einbringen des Füllmaterials 22 geeignet ist. Beispielhaft ist der Austausch von der Druckstruktur 11 durch eine andere Druckstruktur 11‘ gezeigt.
Fig. 3 zeigt die Vorrichtung 30 während des Spritzgussverfahrens 120, wobei das Füllmaterial 22, welches mindestens ein flüssiges oder pastöses Monomer umfasst, in den Innenraum 12 der Druckstruktur 11 eingebracht wird.
Das Füllmaterial 22 kann mindestens einen festen Füllstoff 25 enthalten, wobei dieser beispielsweise ein Verstärkungsstoff, insbesondere in Form von Fasern ist. Das Füllmaterial 22, 25 befindet sich in einem Behälter 42 einer Druckvorrichtung 40, die als Spritzgussmaschine 40 ausgeführt ist und wird innerhalb einer Förderschnecke 41 erhitzt. Die Förderschnecke 41 transportiert das Füllmaterial 22, 25 anschließend durch die Buchse 38 des Druckwerkzeugs 35 in den Innenraum 12 der Druckstruktur 11 und bringt dieses, bis der Innenraum 12 vollständig mit dem Füllmaterial 22, 25 gefüllt ist, ein. Das Füllmaterial 22 ist bevorzugt Caprolactam.
Anschließend wird das Monomer 22 zu einem Polymer 24 in einem weiteren Verfahrensschritt 130 polymerisiert und die befüllte Druckstruktur 11 wird wie in Fig. 4 gezeigt, aus der Matrize 36 des Druckwerkzeugs 35 entnommen.
Fig. 4 zeigt den Verfahrensschritt 135 der Entnahme der Druckstruktur 11 aus der Matrize 36 des Druckwerkzeugs 35 und den folgenden Verfahrensschritt 140, wobei die Trägerstruktur 15 der Druckstruktur 11 vom gedruckten Objekt 10 entfernt wird.
Der Innenraum 12 definiert dabei eine Negativform einer aus dem Polymer 24 herzustellenden Objektstruktur 28, oder einen Teil einer solchen Objektstruktur 28.
In einem ersten Ausführungsbeispiel definiert die Oberfläche 16 die Negativform der aus dem Polymer 24 herzustellenden Objektstruktur 28, wobei nach der Entfernung der Druckstruktur 11 vom Polymer 24, das Polymer 24 das dreidimensionale Objekt 10 ausbildet. In einem zweiten Ausführungsbeispiel verbindet sich das Füllmaterial 22 bei der Polymerisation mit der Oberfläche 16 der Druckstruktur 11, wodurch das Polymer 24 und die Oberfläche 16 der Druckstruktur 11 das dreidimensionale Objekt 10 ausbilden.
Die Trägerstruktur 15, bzw. die Druckstruktur 11 kann nach Beendigung des Druckens und der Aushärtung des Polymers 24 schnell vom fertigen Objekt 10, bzw. Produkt entfernt werden. Das Ergebnis ist ein Objekt 10, bzw. ein Bauteil in Kunststoffspritzgussqualität, welches pro Spritzgussvorgang individuell angepasst werden kann.
Fig. 5 zeigt die Verfahrensschritte 110 bis 140 des erfindungsgemäßen Verfahrens 100 zur Herstellung des dreidimensionalen Objekts 10 mit folgenden Schritten: die Druckstruktur 11, welche den Innenraum 12 definiert, wird mittels 3D-Druck aus dem Druckmaterial 21 gefertigt 110; die Druckstruktur 11 wird in die Matrize 36 des Druckwerkzeugs 35 eingesetzt 115; das Füllmaterial 22, welches mindestens ein flüssiges oder pastöses Monomer umfasst, wird in den Innenraum 12 eingebracht 120; das Monomer wird zu einem Polymer 24 polymerisiert 130; die befüllte Druckstruktur 11 wird aus der Matrize 36 des Druckwerkzeugs 32 entnommen 135 und die Druckstruktur 11 wird vom Objekt 10 entfernt 140.
Die Druckstruktur wird 11 derart gefertigt, dass die äußere Kontur 13 der Druckstruktur 11 der inneren Kontur 37 der Matrize 36 entspricht.
Ferner wird in die Druckstruktur 11 die Öffnung 14 zum Einbringen des Füllmaterials 22 eingebracht.
Die Druckstruktur 11 wird zudem aus der Trägerstruktur 15 und der an den Innenraum 12 angrenzenden Oberfläche 16 gebildet. Der Innenraum 12 definiert eine Negativform einer aus dem Polymer 24 herzustellenden Objektstruktur 28, oder einen Teil einer solchen Objektstruktur 28.
In einem ersten Ausführungsbeispiel des Verfahrens 100 definiert die Oberfläche 16 die Negativform der aus dem Polymer 24 herzustellenden Objektstruktur 28, wobei nach der Entfernung der Druckstruktur 11 vom Polymer 24, das Polymer 24 das dreidimensionale Objekt 10 ausbildet.
Nach der Polymerisation wird die komplette Druckstruktur 11 vom Objekt 10 getrennt, wodurch in vorteilhafter Weise ein Bauteil mit hoher Festigkeit in Spritzgussqualität entsteht.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel des Verfahrens 100 verbindet sich das Füllmaterial 22 bei der Polymerisation mit der Oberfläche 16 der Druckstruktur 11 verbindet, wodurch das Polymer 24 und die Oberfläche 16 der Druckstruktur 11 das dreidimensionale Objekt 10 ausbilden.
Nach der Polymerisation wird die Trägerstruktur 15 der Druckstruktur 11 vom Objekt 11 getrennt, wodurch in vorteilhafter Weise ein hybrides Bauteil mit hoher Festigkeit in Spritzgussqualität entsteht. Die Druckstruktur 11 weist dabei in vorteilhafter Weise Sollbruchstellen zwischen der Trägerstruktur 15 und der an den Innenraum 12 der Druckstruktur 11 angrenzenden Oberfläche 16 auf, wodurch die Trägerstruktur 15 in einfache Weise von der Oberfläche 16 getrennt werden kann. Bei Bedarf kann das Objekt 10 an der nun entstandenen Oberfläche nachbearbeitet werden.
In einem weiteren Schritt des Verfahrens 100 wird ein Füllmaterial 22 gewählt, welches mindestens einen festen Füllstoff 25 enthält, wobei ein Verstärkungsstoff, insbesondere in Form von Fasern, als Füllstoff 25 gewählt wird.
Bevorzugt wird das Druckmaterial 21 mit dem 3D-Druckkopf 31 zu der Druckstruktur 11 zusammengesetzt 110 und das Füllmaterial 22 wird durch ein Spritzgussverfahren in den Innenraum 12 eingebracht 120.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren (100) zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts (10), gekennzeichnet durch folgende Schritte: eine Druckstruktur (11), welche einen Innenraum (12) definiert, wird mittels 3D- Druck aus einem Druckmaterial (21) gefertigt (110); die Druckstruktur (11) wird in eine Matrize (36) eines Druckwerkzeugs (35) eingesetzt (115); ein Füllmaterial (22), welches mindestens ein flüssiges oder pastöses Monomer umfasst, wird in den Innenraum (12) eingebracht (120); das Monomer wird zu einem Polymer (24) polymerisiert (130); die befüllte Druckstruktur (11) wird aus der Matrize (36) des Druckwerkzeugs (32) entnommen (135) und die Druckstruktur (11) wird vom Objekt (10) entfernt (140).
2. Verfahren (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckstruktur (11) derart gefertigt wird, dass eine äußere Kontur (13) der Druckstruktur (11) einer inneren Kontur (37) der Matrize (36) entspricht.
3. Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die Druckstruktur (11) eine Öffnung (14) zum Einbringen des Füllmaterials (22) eingebracht wird.
4. Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum (12) eine Negativform einer aus dem Polymer (24) herzustellenden Objektstruktur (28), oder einen Teil einer solchen Objektstruktur (28), definiert.
5. Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckstruktur (11) aus einer Trägerstruktur (15) und einer an den Innenraum (12) angrenzenden Oberfläche (16) gebildet wird.
6. Verfahren (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (16) die Negativform der aus dem Polymer (24) herzustellenden Objektstruktur (28) definiert, wobei nach der Entfernung der Druckstruktur (11) vom Polymer (24), das Polymer (24) das dreidimensionale Objekt (10) ausbildet.
7. Verfahren (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Füllmaterial (22) bei der Polymerisation mit der Oberfläche (16) der Druckstruktur (11) verbindet, wodurch das Polymer (24) und die Oberfläche (16) der Druckstruktur (11) das dreidimensionale Objekt (10) ausbilden.
8. Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Füllmaterial (22) gewählt wird, welches mindestens einen festen Füllstoff (25) enthält.
9. Verfahren (100) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verstärkungsstoff, insbesondere in Form von Fasern, als Füllstoff (25) gewählt wird.
10. Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckmaterial (21) mit einem 3D-Druckkopf (31) zu der Druckstruktur (11) zusammengesetzt wird (110) und dass das Füllmaterial (22) durch ein Spritzgussverfahren in den Innenraum (12) eingebracht wird (120).
11. Vorrichtung zum 3D-Drucken (30), dadurch gekennzeichnet, dass zur Durchführung eines Verfahrens (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ein Druckkopf (31) zur Ausbringung des Druckmaterials (21) und eine Spritzgussmaschine (40) zur Ausbringung des Füllmaterials (22) vorgesehen sind.
PCT/EP2022/084340 2021-12-20 2022-12-05 Verfahren zur herstellung eines dreidimensionalen objekts und vorrichtung zum 3d-drucken WO2023117381A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102021214701.1 2021-12-20
DE102021214701.1A DE102021214701A1 (de) 2021-12-20 2021-12-20 Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts und Vorrichtung zum 3D-Drucken

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2023117381A1 true WO2023117381A1 (de) 2023-06-29

Family

ID=84688323

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2022/084340 WO2023117381A1 (de) 2021-12-20 2022-12-05 Verfahren zur herstellung eines dreidimensionalen objekts und vorrichtung zum 3d-drucken

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102021214701A1 (de)
WO (1) WO2023117381A1 (de)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20160303794A1 (en) * 2015-04-20 2016-10-20 Xerox Corporation Injection molding to finish parts printed with a three-dimensional object printer
DE102016222552A1 (de) 2016-11-16 2018-05-17 Robert Bosch Gmbh 3D-Druckverfahren mit höherer Geschwindigkeit und besserer Endfestigkeit
US20210276077A1 (en) * 2018-07-18 2021-09-09 Poly6 Technologies, Inc. Articles and methods of manufacture

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20160303794A1 (en) * 2015-04-20 2016-10-20 Xerox Corporation Injection molding to finish parts printed with a three-dimensional object printer
DE102016222552A1 (de) 2016-11-16 2018-05-17 Robert Bosch Gmbh 3D-Druckverfahren mit höherer Geschwindigkeit und besserer Endfestigkeit
US20210276077A1 (en) * 2018-07-18 2021-09-09 Poly6 Technologies, Inc. Articles and methods of manufacture

Also Published As

Publication number Publication date
DE102021214701A1 (de) 2023-06-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3541603B1 (de) 3d-druckverfahren mit erhöhter festigkeit des hergestellten objekts
DE19632315C1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur gleichzeitigen Herstellung von Kleinstspritzgußteilen aus thermoplastischen oder vernetzenden Polymeren
WO2001098052A1 (de) Verfahren zur herstellung eines hybridteils
DE102014220617A1 (de) Verfahren zur Weiterverarbeitung eines vorgefertigten Produktes sowie zugehöriges vorgefertigtes Produkt
DE102007011338A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von dickwandigen optischen Formteilen
EP2454070A1 (de) Vorrichtung und verfahren zur herstellung dickwandiger kunststoffformteile mit verringerten einfallstellen durch spritzgiessen oder prägen
DE102014011135B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Dekorteils
DE102014104680A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Formen eines Bauteils
DE112015006020T5 (de) Formwerkzeuge und Verfahren zum Formpressen einer Kunststoffplatte
WO2023117381A1 (de) Verfahren zur herstellung eines dreidimensionalen objekts und vorrichtung zum 3d-drucken
DE102008020727A1 (de) Kunststoffprodukt mit genarbter Oberflächenstruktur, Werkzeug zur Herstellung einer solchen und Schließeinheit zur Aufnahme eines solchen Werkzeugs
DE102018215660A1 (de) Spritzgießwerkzeug zur Herstellung von Spritzgussbauteilen, sowie Verfahren zur Herstellung von Spritzgussbauteilen
DE3709480A1 (de) Verfahren und vorrichtung zum verbinden eines formteiles aus kunststoff mit einem metallelement
DE102021214695A1 (de) Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts und Vorrichtung zum 3D-Drucken
DE102021214705A1 (de) Druckstruktur zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts und Vorrichtung zum 3D-Drucken
EP1005408B1 (de) Verfahren und justierdüse zum spritzgiessen von spritzgussteilen aus plastifizierbarem material
DE102006024307A1 (de) Vorrichtung zur Herstellung von Formteilen mit mikrostrukturierter Oberfläche
WO2022122745A1 (de) Verfahren zur herstellung eines dreidimensionalen objekts und vorrichtung zum 3d-drucken
EP3482905A1 (de) Formeinsatz sowie verfahren zum formen eines bauteils
EP0673746A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Formteilen aus Mehrkomponenetenkunststoffen
WO2019175383A1 (de) Spritz- oder druckkopf und spritz- oder druckkopfanordnung
DE102006018132B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines Duroplastformteils
EP1440782B1 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung von aus Kunststoff bestehenden Gegenständen (Kunststoffbauteilen) mittels Fliessbremsen in Spritzgusswerkzeugen und deren Verwendung
WO2019020337A1 (de) Verfahren zum herstellen eines bauteils, insbesondere für ein kraftfahrzeug, sowie bauteil
DE10238597A1 (de) Niederdruck-Spritzgussverfahren

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 22830709

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1