WO2024041782A1 - Method for printing three-dimensional structures with reduced processing effort - Google Patents

Method for printing three-dimensional structures with reduced processing effort Download PDF

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WO2024041782A1
WO2024041782A1 PCT/EP2023/067623 EP2023067623W WO2024041782A1 WO 2024041782 A1 WO2024041782 A1 WO 2024041782A1 EP 2023067623 W EP2023067623 W EP 2023067623W WO 2024041782 A1 WO2024041782 A1 WO 2024041782A1
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adhesive
target structure
support structure
printing device
target
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PCT/EP2023/067623
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Frank Virus
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Tesa Se
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00Additive 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
    • B29C64/40Structures for supporting 3D objects during manufacture and intended to be sacrificed after completion thereof
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29CSHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00Additive 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
    • B29C64/10Processes of additive manufacturing
    • B29C64/106Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material
    • B29C64/118Processes 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]
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33YADDITIVE 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
    • B33Y10/00Processes of additive manufacturing

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a three-dimensional target structure with a 3D printing device and to the use of an adhesive in a 3D printing process to reduce the processing effort and/or to increase the surface quality when separating the target structure. Also disclosed are a 3D printing device for use in the corresponding process and a target structure produced or capable of being produced using the corresponding process.
  • melt deposition processes Fused Deposition Modeling (FDM) or Fused Filament Fabrication (FFF)
  • FDM fused Deposition Modeling
  • FFF Fused Filament Fabrication
  • the target structure is built up in layers from one or more melts, for example polymer melts or metal melts.
  • the shaping is usually carried out in layers by a discharge unit, which is also referred to as a print head, whereby the melt can be provided, for example, via an extruder or a comparable unit.
  • the support structures can be made from different materials than the target structures.
  • a number of separate discharge units and associated material supply systems corresponding to the number of materials used must be provided. In this case, the expenditure on equipment, the acquisition costs and the maintenance costs for corresponding more complex 3D printing devices increase.
  • the great advantage of using different materials for support structures and target structure becomes apparent during post-processing, ie when separating the target structure, since the different physico-chemical properties of the materials enable easier separation, for example different melting points or solubilities.
  • the support structures can be relatively easily separated from the target structure after the printing process by placing the printed product in the appropriate solvent.
  • the supporting structures dissolve in the solvent, so that the target structure can be removed from the solvent essentially without leaving any residue In some cases there is no need to even finish the surface.
  • support structures can also be made from the same material as the target structure.
  • support structures of the same material advantageously no additional material melts are required, which would, for example, require separate discharge units and material supply systems in the 3D printing device.
  • support structures can in particular minimize the expenditure on equipment in relation to the 3D printing device.
  • the support structures usually have to be removed mechanically, for example using cutting devices such as scissors or knives, whereby the additional time required, especially with complex target structures, in some cases even exceeds the absolute printing time of these structures.
  • cutting devices such as scissors or knives
  • the primary object of the present invention was accordingly to eliminate or at least reduce the disadvantages of the prior art described above.
  • the support structures used in the method to be specified should have a high mechanical strength despite the easier removal during the printing process and that excellent bond strength between the target structure and the support structure should be achievable in the method to be specified.
  • the effort required for processing the target structures produced in order to obtain advantageous surface qualities should be reduced.
  • the target structures to be produced using the method to be specified should not have any residues of the support structures after separation, so that in particular no or only little post-processing of the target structure should be necessary in order to obtain an excellent surface quality of the target structure, Desirably, the risk of detachment-related defects in the surface of the target structure should also be reduced.
  • an adhesive layer is provided as an easily separable layer between the support structure and the target structure in order to To be able to quickly and easily detach the support structure from the target structure after the printing process without negatively influencing the necessary support effect during the manufacturing process, as defined in the claims.
  • the invention relates to a method for producing a three-dimensional target structure with a 3D printing device, comprising the method steps: a) generating at least one three-dimensional support structure with the 3D printing device by discharging at least a first material, b) applying an adhesive to a portion of the surface of the Support structure for obtaining a prepared support structure with a superficial adhesive layer, c) generating a three-dimensional target structure with the 3D printing device by discharging at least one second material, the second material being at least partially applied to the adhesive layer of the prepared support structure, and d) detaching the support structure from the target structure in the area of the adhesive layer.
  • the person skilled in the art is familiar with a large number of methods for producing three-dimensional target structures using 3D printing devices.
  • powder-based processes are also known, for example, in which powdered materials are connected to one another, for example using binders or thermal energy.
  • the person skilled in the art understands that the method according to the invention is fundamentally not limited to one of these techniques, but is compatible with various 3D printing devices and 3D printing processes.
  • the method according to the invention initially comprises, independent of the method, producing at least one three-dimensional support structure or a three-dimensional target structure with the 3D printing device by discharging at least a first or second material.
  • the creation can basically be done using various 3D printing processes.
  • a method according to the invention because of its high industrial importance and good adaptability for dispensing adhesives, wherein the support structure and/or the target structure, preferably all structures, are produced in one Melt coating process takes place.
  • a method according to the invention is also preferred for essentially all embodiments, wherein the 3D printing device is a melt coating device.
  • three-dimensional structures are generated via a discharge unit of the 3D printing device, which comprises, for example, an extruder, by discharging a material.
  • the material is initially fed to the discharge unit in a solid state, for example in the form of a filament, with the discharge unit converting the material into a highly viscous, liquid state by tempering.
  • the material can be dispensed through the outlet opening of the discharge unit to produce the desired geometric shape of the three-dimensional structure and then return to the solid state by cooling.
  • the output of the material to produce target or support structures can take place on a receiving substrate intended to receive the three-dimensional structure.
  • the discharge unit when dispensing the material, the discharge unit is moved by means of a movement unit, for example a linear axis system, in order to obtain the shape of the desired three-dimensional structure by building it up in layers.
  • the discharge unit in such a movement unit is controlled, for example, via an external control unit, which can be arranged on the 3D printing device.
  • the external control unit can, for example, be set up to translate a computer-generated image of the desired three-dimensional target structure and the associated support structures into movements of the movement unit and thus of the discharge unit and to control these accordingly along the contours of the desired three-dimensional structures.
  • one or more support structures are created which serve to support the target structure.
  • the person skilled in the art understands that the support structures can, for example, be created completely in front of the target structure or partially at the same time as the target structure, the latter in particular being a particularly relevant application if the target structure and the support structures are built together layer by layer over large parts of the method become.
  • a method according to the invention is therefore typical, with two or more, preferably three or more, three-dimensional support structures being produced in the method.
  • the support structures produced in method step a) comprise the first material as material.
  • the support structure can also include other materials in addition to the first material, for example in order to optimize the physico-chemical properties or to take into account a material change in the production of the target structure, which is also reflected in the support structures for reasons of efficiency, for example because these essentially at the same time, i.e. in the same layer discharge.
  • the support structures consist of the first material.
  • the method according to the invention comprises applying adhesive to a portion of the surface of the support structure, whereby a prepared support structure with a superficial adhesive layer is obtained, which serves to later connect the support structure to the target structure.
  • the adhesive may at least theoretically be advantageous to carry out the application of the adhesive independently of the 3D printing device, for example manually and/or at least partially automated via an external application device.
  • the adhesive is also applied by a 3D printing device, preferably by the 3D printing device also used to produce the support and target structures. This is not only advantageous for the time efficiency of the manufacturing process itself, but also has an advantageous effect on the precision of the application, since the 3D printing device does not have to be recalibrated and any manufacturing errors can be avoided through manual process steps.
  • Explicitly preferred is therefore a method according to the invention, wherein the adhesive is applied by means of a 3D printing device, preferably the 3D printing device used in method step a) and / or c), the 3D printing device preferably having a separate discharge unit for applying the adhesive includes. Accordingly, an additional or alternative is also preferred Method according to the invention, wherein the adhesive in one
  • the portion of the surface of the prepared support structures covered by the adhesive is expediently usually exclusively that portion of the support structure which, after the three-dimensional target structure has been produced, has a contact surface with it, i.e. the portion of the support structure to which the second material is then applied.
  • the expert calculates this contact surface informally, for example using a computer-generated model of the target structure and the support structure required for the target structure.
  • the portion of the surface of the support structure to which the adhesive is applied will be arranged at the tip of the support structure, i.e. opposite to the portion of the support structure resting on the substrate base. If several support structures are used, the advantages of the method according to the invention are particularly clear if all of these support structures are prepared accordingly.
  • a method according to the invention is therefore preferred, wherein the adhesive is applied to a portion of the surface of all support structures.
  • the section of the support structure to which the adhesive is to be applied can also have an irregular surface structure.
  • the adhesive can be applied in such a way that the surface structure of the section is reproduced, for example by applying the adhesive in a single layer with a substantially constant thickness.
  • the adhesive can also be used to compensate for unevenness in the partial area of the surface, so that the surface structure of the adhesive layer is independent of the surface structure of the partial section, so that, for example, planar surfaces of the adhesive layer always result regardless of the surface of the partial section.
  • a method according to the invention is preferred, wherein the adhesive is applied in a single-layer discharge using the 3D printing device.
  • the inventors have identified suitable layer thicknesses for the adhesive layer resulting from the application of the adhesive, which, according to the inventors' assessment, enable good adhesion properties of the adhesive layer in most applications as well as good dimensional stability and at the same time good removability, especially when using pressure-sensitive adhesives.
  • a method according to the invention is preferred, in which the adhesive layer of the prepared support structure has an average layer thickness in the range from 0.01 to 5 mm, preferably in the range from 0.1 to 2 mm, particularly preferably in the range from 0.2 to 0.5 mm.
  • the three-dimensional target structure is generated with the 3D printing device by discharging at least a second material.
  • the second material is at least partially applied to the adhesive layer of the prepared support structure, so that after all components have hardened, a target structure is obtained which is at least partially connected to at least one support structure via the adhesive layer.
  • This composite enables good support of the target structure during the printing process, but can be dissolved very easily after completion of the target structure due to the adhesive layer or the predetermined breaking point in the composite created by the adhesive layer, for example by comparatively light manual application of force, especially if a pressure-sensitive adhesive is used Adhesive is used.
  • Detaching the support structure from the target structure in the area of the adhesive layer significantly reduces the necessary equipment expenditure, since the adhesive layer stabilizes the target structure during production, but forms a predetermined breaking point at the moment of detachment, which can be reliably achieved without the use of separating tools, particularly when using pressure-sensitive adhesives or solvents can be dissolved.
  • the composite of support structure and target structure is preferably only mediated by the adhesive layer.
  • a method according to the invention is particularly preferred, wherein the target structure is produced in such a way that the second material is applied to the prepared support structure in such a way that no contact occurs between the first material and the second material.
  • a method according to the invention is preferred, wherein the target structure is produced in such a way that the target structure and the support structure are essentially completely separated by the adhesive layer.
  • pressure-sensitive adhesives are particularly suitable for the adhesive used in the method according to the invention, as they are inherently suitable high cohesion
  • a method according to the invention is preferred for essentially all embodiments, wherein the adhesive is a pressure-sensitive adhesive.
  • a pressure-sensitive adhesive is an adhesive that has pressure-sensitive adhesive properties, ie the property of forming a permanent bond to an adhesive base even under relatively weak pressure.
  • Corresponding pressure-sensitive adhesive layers can usually be removed from the adhesive base after use essentially without leaving any residue and are generally permanently self-adhesive even at room temperature, which means that they have a certain viscosity and stickiness to the touch, so that they wet the surface of a substrate even with slight pressure.
  • a pressure-sensitive adhesive can be viewed as an extremely high-viscosity liquid with an elastic component, which therefore has characteristic viscoelastic properties that lead to the permanent inherent tack and pressure-sensitive adhesive ability described above.
  • an adhesive is preferably understood to be pressure-sensitively tacky and thus a pressure-sensitive adhesive if, at a temperature of 23 ° C in the deformation frequency range of 10 ° to 10 1 rad / sec, G 'and G "are each at least partially in the range of 10 3 to 10 7 Pa.
  • the adhesive used is in principle not limited in terms of its chemical nature, so that the person skilled in the art in the light of can select the intended process parameters from the adhesives known from the prior art.
  • the adhesive used in the method according to the invention should ideally solve the conflict of objectives between strong cohesion and good bond strength that can be achieved, ie adhesion to both the support structure and the target structure, on the one hand, and the simple, preferably residue-free, detachment of the adhesive layer from the target structure on the other hand that fits the respective requirements of the 3D printing process designed by the expert.
  • the expert in the field of adhesive technology is fully familiar with the coordination of the physico-chemical properties of adhesives and can adapt the aspects of cohesion and adhesion to the materials and process conditions used, for example by selecting the polymers used and/or adjusting the degree of crosslinking the adhesive and/or by adjusting the concentration of common additives.
  • the inventors suggest that preferred limit values, which have proven themselves in a wide range of printing processes, can be defined via the viscosity of the adhesive.
  • the adhesive has a complex viscosity of 10,000 Pa s or more at 23 ° C, preferably 12,000 Pa s or more, particularly preferably 15,000 Pa s or more and / or a complex viscosity at 125 ° C Range from 500 to 4000 Pa s, with the complex viscosity being determined with an oscillatory rheometer at a frequency of 10 rad/s.
  • step d) takes advantage of the fact that the adhesion or tackiness of some adhesives occurs in the course of a so-called “stripping effect”. Stretching of the adhesive can be reduced or an anisotropy of the adhesive is thereby induced, which promotes detachment in a reliable manner, as is known, for example, from adhesive elements that are commercially available under the name “tesa Powerstrips”.
  • a method according to the invention is therefore preferred, wherein the detachment of the support structure from the target structure is promoted or effected by stretching the adhesive in the adhesive layer.
  • synthetic rubber adhesives are particularly suitable for the method according to the invention, ie adhesives which comprise at least partially, preferably predominantly, particularly preferably essentially completely, synthetic rubbers as a polymeric component.
  • Synthetic rubber adhesives are known to those skilled in the art from the prior art and regularly have one have advantageous temperature resistance, usually have favorable dimensional stability at room temperature and show good adhesion to the usual materials used in 3D printing.
  • synthetic rubber adhesives regularly show a particularly pronounced stripping effect, ie synthetic rubber adhesives can regularly be designed particularly efficiently in such a way that the adhesion or pressure-sensitive tack can be reduced by stretching the adhesive in the adhesive layer.
  • the adhesive is selected from the group consisting of synthetic rubber adhesives, which, in the opinion of the inventors, is particularly preferred for essentially all embodiments of the invention.
  • synthetic rubbers for example styrene block copolymers, are well known to those skilled in the field of adhesive technology and belong to the larger group of (co-)polymer systems that are often used in adhesives.
  • Suitable synthetic rubbers and adhesives based thereon are commercially available to the person skilled in the art from a wide range of manufacturers, with the person skilled in the art selecting a suitable pressure-sensitive adhesive in light of the specific physico-chemical properties desired for the printing process
  • a support structure produced in the method according to the invention can be reused as the first material in a downstream method for the production of further target structures, for example by melting the material and mixing it with a straw made from primary raw material. Accordingly, preference is given to a method according to the invention, wherein the first material of the support structure detached in method step d) is recycled, preferably in method step a) of a downstream method for producing a three-dimensional target structure.
  • thermoplastics preferably from the group consisting of acrylonitrile-butadiene-styrene, acrylonitrile-styrene acrylate, polyethylene terephthalate, polycarbonate, polypropylene, polyaryl ether ketones , polyetherimides, polyurethanes and polylactides.
  • the inventors believe that it has proven to be particularly advantageous to make the first material and the second material identical, since in this case, for example, there is a need for a further output unit for the output unit that is different from the first material second material is omitted.
  • the method according to the invention means that there is no need for complex mechanical processing processes, for example separation processes, even when using identical materials.
  • a method according to the invention is therefore preferred, wherein the first material and the second material are identical.
  • the method according to the invention advantageously achieves greater flexibility in the choice of materials, since the first material, for example, does not have to be soluble in a specific solvent, so that, for example, particularly cost-effective materials can be used.
  • a method according to the invention is preferred, wherein the first material is essentially insoluble in water.
  • melt coating processes preferred in the context of the present invention in most cases require tempering of the materials used in order to convert them from a solid state of matter into a sufficiently liquid state of matter before discharge.
  • the expert understands that the nature of the materials used in the 3D printing process is subject to certain requirements in practice at the time of application.
  • a material that is too hot, i.e. with a correspondingly low viscosity In some cases, it may not retain its shape sufficiently after extrusion before cooling.
  • a material whose temperature is too low i.e. a material with a very high viscosity, can under certain circumstances clog the dispensing unit and/or can only be applied at an insufficient speed.
  • the structures created in the previous discharge step should be cooled down at least to such an extent that they can survive the subsequent discharge without deformation.
  • the first material and/or the second material during discharge has a temperature in the range from 130 to 260 ° C, preferably in the range from 150 to 240 ° C, particularly preferably in the range from 170 to 220 ° C , exhibit.
  • the person skilled in the art must therefore adapt the process parameters primarily to the adhesive, especially if this is also applied using the 3D printing device.
  • the optimal parameters will depend significantly on the chemical nature of the adhesives.
  • the inventors suggest temperature ranges with which, according to the inventors' knowledge, reliably high performance for the adhesives commonly used, but in particular for the preferred synthetic rubber adhesives disclosed above Have procedures implemented.
  • the adhesive having a temperature in the range from 110 to 260 ° C, preferably in the range from 120 to 200 ° C, particularly preferably in the range from 130 to 180 ° C, when applied.
  • a method according to the invention is also preferred, wherein the average temperature of the support structure when applying the adhesive is 120 ° C or less, preferably 60 ° C or less, particularly preferably 30 ° C or less.
  • a method according to the invention is preferred, wherein the average temperature of the adhesive layer when the second material is applied is 120 ° C or less, preferably 60 ° C or less, particularly preferably 30 ° C or less.
  • the person skilled in the art understands that the invention also includes the use of an adhesive in a 3D printing process Intermediate layer between the target structure to be printed and one or more support structures, to reduce the processing effort and / or to increase the surface quality when separating the target structure.
  • a 3D printing device for carrying out the method according to the invention, comprising: i) a first discharge unit with a first material supply system connected thereto for providing a first material to the first discharge unit, ii) a second discharge unit with a second material supply system connected thereto for providing a second Material to the second discharge unit, and iii) a third discharge unit with an associated third material supply system for providing an adhesive to the third discharge unit.
  • This 3D printing device is particularly suitable for delivering two different materials and an adhesive in the method according to the invention.
  • the 3D printing device is preferably suitable for carrying out the method according to the invention in preferred embodiments and to this extent also includes the features that are advantageous for the method according to the invention.
  • a 3D printing device is therefore particularly preferred, wherein the 3D printing device is a melt coating device.
  • a 3D printing device is also preferred, wherein the 3D printing device comprises one or more movement units for moving the first discharge unit, second discharge unit and third discharge unit, preferably one or more linear axis systems.
  • a 3D printing device is also preferred, wherein the 3D printing device comprises a receiving substrate which is set up so that three-dimensional structures can be generated on its surface by the 3D printing device.
  • a target structure is also disclosed that is produced or can be produced using the method according to the invention, for example a vehicle component, which is characterized by: is characterized by easy manufacturability and an advantageous surface quality after just a short preparation.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of exemplary three-dimensional support structures after their production in a method according to the invention
  • FIG. 2 shows a schematic representation of exemplary prepared support structures after application of a surface adhesive layer in a method according to the invention
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a three-dimensional target structure produced on the prepared support structures in a method according to the invention.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a target structure isolated in a method according to the invention and of the support structures detached from the target structure.
  • Fig. 1 shows a schematic and, for reasons of clarity, greatly simplified side view of support structures 10a, 10b, 10c made of a first material, as can be produced in a method according to the invention for producing a three-dimensional target structure 18 with a 3D printing device in method step a).
  • the support structures 10a-c are usually produced together, i.e. in parallel layers, with the target structure 18.
  • the person skilled in the art understands that in practice a much larger number of significantly more delicate support structures 10a, 10b, 10c will usually be used, which are often also connected to one another in order to ensure the necessary stability for supporting the target structure 18.
  • the exemplary method according to the invention visualized by the figures is a melt coating method, wherein the support structures 10a-c were printed using a first discharge unit of the 3D printing device, which is set up to apply the first material.
  • the first material is acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer (ABS).
  • Method step b) is visualized in FIG all support structures 10a-c, in order to thereby obtain prepared support structures 14a, 14b, 14c, which are provided at their tip with a superficial adhesive layer 16a, 16b, 16c.
  • the adhesive is applied in a single-layer discharge by means of a second discharge unit of the same melt coating device, the adhesive layers 16a-c in the example shown in FIG. 2 each having a layer thickness of approximately 0.35 mm.
  • the adhesive is in each case a pressure-sensitive adhesive, namely a synthetic rubber adhesive, the polymer system of which essentially consists of synthetic rubber.
  • the application takes place at a temperature in the range from 130 to 180 ° C, the exemplary method according to the invention being carried out in such a way that the temperature of the support structures 10a-c at this point essentially already corresponds to room temperature.
  • FIG. 3 now shows the previously prepared support structures 14a-c of FIG. 2 with a three-dimensional target structure 18 generated on the prepared support structures 14a-c, which is supported by the prepared support structures 14a-c.
  • the target structure 18 is arranged in sections on the adhesive layers 16a-c of the prepared support structures 14a-c, so that the overhang of the target structure 18 shown in the example cannot break off or be otherwise damaged, since the prepared support structures 14a-c serve to stabilize the target structure 18 , wherein the support structures 10a, 10b, 10c are each connected to the target structure 18 via the adhesive layers 16a-c.
  • the target structure 18 consists of a second material, namely polylactide (PLA), which in the exemplary method according to the invention is applied via a third discharge unit of the melt coating device in such a way that no contact occurs between the first material and the second material.
  • PLA polylactide
  • the target structure 18 and the support structures 10a-c are completely separated from one another by the adhesive layers 16a-c.
  • step d) of the exemplary method according to the invention shows the isolated target structure 18 and the support structures 10a-c detached from the target structure 18.
  • the connection between the target structure 18 and the respective support structures 10a-c was promoted using the “stipping effect” by stretching the synthetic rubber adhesive of the adhesive layers 16a-c, so that the support structures 10a-c with little application of force can be deducted, For example, manually, so that only any adhesive that may be adhering to the target structure 18 needs to be removed, which can be done, for example, by peeling or rubbing.
  • the support structures 10a-c removed in this way are freed from any residues of the adhesive and then recycled so that they can be reused as the first material.

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Abstract

The invention relates to a method for producing a three-dimensional target structure using a 3D-printing device, comprising the method steps: a) generating at least one three-dimensional support structure using the 3D-printing device by discharging at least a first material, b) applying an adhesive on a portion of the surface of the support structure in order to obtain a prepared support structure (14a-c) with a surface adhesive layer, c) generating a three-dimensional target structure (18) using the 3D-printing device by discharging at least a second material, wherein the second material is at least partially administered on the adhesive layer of the prepared support structure (14a-c), and d) detaching the support structure from the target structure (18) in the region of the adhesive layer.

Description

Verfahren zum Drucken von dreidimensionalen Strukturen mit verringertem Aufarbeitungsaufwand Method for printing three-dimensional structures with reduced processing effort
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer dreidimensionalen Zielstruktur mit einer 3D-Druckvorrichtung sowie eine Verwendung einer Klebemasse in einem 3D- Druckverfahren zur Verringerung des Aufarbeitungsaufwandes und/oder zur Steigerung der Oberflächenqualität bei der Vereinzelung der Zielstruktur. Offenbart werden zudem eine 3D- Druckvorrichtung für den Einsatz in dem entsprechenden Verfahren sowie eine mit dem entsprechenden Verfahren hergestellte oder herstellbare Zielstruktur. The invention relates to a method for producing a three-dimensional target structure with a 3D printing device and to the use of an adhesive in a 3D printing process to reduce the processing effort and/or to increase the surface quality when separating the target structure. Also disclosed are a 3D printing device for use in the corresponding process and a target structure produced or capable of being produced using the corresponding process.
In vielen verschiedenen Bereichen der Technik, beispielsweise in der Medizin- und Zahntechnik aber auch in der Fahrzeugtechnik, hat sich in den letzten Jahrzehnten die Verwendung von additiven Fertigungsverfahren unter Einsatz von 3D-Druckvorrichtungen als ein fester Bestandteil der Produktionskette etabliert, sowohl im Rahmen der Serienproduktion als auch bei der Herstellung von Prototypen und Modellen. Die Vorteile solcher 3D-Druckverfahren ergeben sich dabei insbesondere aus der Möglichkeit zur flexiblen Herstellung gewünschter Zielstrukturen in -zumindest für Einzelanfertigungenvergleichsweise zeit- und kosteneffizienter Weise. Durch die additive Fertigung ist dabei insbesondere auch die zeiteffiziente Herstellung komplexer und filigraner Strukturbauteile in einer hohen Präzision möglich, welche mit einer Vielzahl konventioneller Herstellungsmethoden mit vergleichbarem Aufwand zumeist nicht erreichbar ist. In many different areas of technology, for example in medical and dental technology but also in automotive technology, the use of additive manufacturing processes using 3D printing devices has established itself as an integral part of the production chain in recent decades, both in the context of series production as well as in the production of prototypes and models. The advantages of such 3D printing processes arise in particular from the possibility of flexible production of desired target structures in a comparatively time- and cost-efficient manner, at least for individual productions. In particular, additive manufacturing makes it possible to produce complex and delicate structural components in a time-efficient manner with a high level of precision, which is usually not achievable with a variety of conventional manufacturing methods with comparable effort.
Dabei sind dem Fachmann unterschiedliche 3D-Druckverfahren bekannt, unter welchen sich die sogenannten Materialextrusionsverfahren, insbesondere die sogenannte Schmelzschichtungsverfahren (engl. „Fused Deposition Modeling“ (FDM) oder „Fused Filament Fabrication“ (FFF)) für viele Anwendungen als besonders leistungsfähig erwiesen haben. Bei der Schmelzschichtung wird die Zielstruktur schichtweise aus einer oder mehreren Schmelzen, beispielsweise Polymerschmelzen oder Metallschmelzen, aufgebaut. In den hierbei eingesetzten 3D-Druckvorrichtungen erfolgt die Ausformung zumeist durch schichtweise Ausbringung durch eine Austrageinheit, die auch als Druckkopf bezeichnet wird, wobei die Schmelze beispielsweise über einen Extruder oder eine vergleichbare Einheit bereitgestellt werden kann. Various 3D printing processes are known to those skilled in the art, among which the so-called material extrusion processes, in particular the so-called melt deposition processes (Fused Deposition Modeling (FDM) or Fused Filament Fabrication (FFF)) have proven to be particularly powerful for many applications . In melt layering, the target structure is built up in layers from one or more melts, for example polymer melts or metal melts. In the 3D printing devices used here, the shaping is usually carried out in layers by a discharge unit, which is also referred to as a print head, whereby the melt can be provided, for example, via an extruder or a comparable unit.
In der Praxis ergibt sich bei vielen 3D-Druckverfahren, insbesondere bei Schmelzschichtungsverfahren, dabei regelmäßig die Herausforderung, dass komplexe Zielstrukturen, insbesondere Zielstrukturen mit Überhängen und filigranen Strukturelementen, fertigungsbedingt im Druckprozess abgestützt werden müssen, um einen schichtweisen Materialaustrag zu ermöglichen und die Gefahr eines Auseinanderbrechens oder Abbrechens einzelner Strukturteile der Zielstruktur bzw. deren Verzug zu minimieren oder sogar gänzlich zu vermeiden. In practice, many 3D printing processes, especially melt deposition processes, regularly face the challenge of complex Target structures, in particular target structures with overhangs and filigree structural elements, have to be supported in the printing process due to production in order to enable material to be discharged in layers and to minimize or even completely avoid the risk of individual structural parts of the target structure breaking apart or breaking off or their distortion.
Das Drucken solcher komplexer Strukturteile ist deshalb regelmäßig mit einem höheren Fertigungsaufwand verbunden, wobei jede erzeugte Stützstruktur den Materialverbrauch sowie den Nachbearbeitungsaufwand erhöht, da die Stützstrukturen am Ende der Herstellung von der Zielstruktur entfernt werden müssen. Bei der Anlage von Stützstrukturen im Rahmen der Druckplanung besteht somit regelmäßig ein Zielkonflikt zwischen einer ausreichenden Stabilisierungswirkung durch eine umfassende Abstützung und der grundsätzlich erwünschten Verringerung der Zahl von Stützstrukturen zur Vermeidung von Abfall und zusätzlichen Arbeitsschritten, woraus unmittelbar eine Reduktion der Fertigungskosten resultiert. The printing of such complex structural parts is therefore regularly associated with a higher manufacturing effort, with each support structure created increasing the material consumption and the post-processing effort, since the support structures have to be removed from the target structure at the end of production. When creating support structures as part of printing planning, there is often a conflict of objectives between a sufficient stabilization effect through comprehensive support and the fundamentally desirable reduction in the number of support structures to avoid waste and additional work steps, which directly results in a reduction in manufacturing costs.
Aus dem Stand der Technik sind grundsätzlich zwei verschiedene Konzepte für Stützstrukturen bekannt, welche sich vornehmlich durch das für ihre Herstellung verwendete Schmelzmaterial unterscheiden. Basically, two different concepts for support structures are known from the prior art, which differ primarily in the melting material used for their production.
Zum einen können die Stützstrukturen aus anderen Materialien ausgebildet werden als die Zielstrukturen. In vielen Verfahren, beispielsweise im Fall der Materialextrusions-Verfahren, müssen hierfür jedoch zumeist eine der Anzahl an verwendeten Materialien entsprechende Anzahl an separaten Austragseinheiten und damit verbundene Materialversorgungssysteme zur Verfügung gestellt werden. Somit steigt in diesem Fall der apparative Aufwand, die Anschaffungskosten sowie der Wartungsaufwand für entsprechende komplexere 3D- Druckvorrichtungen. On the one hand, the support structures can be made from different materials than the target structures. However, in many processes, for example in the case of material extrusion processes, a number of separate discharge units and associated material supply systems corresponding to the number of materials used must be provided. In this case, the expenditure on equipment, the acquisition costs and the maintenance costs for corresponding more complex 3D printing devices increase.
Der große Vorteil der Verwendung unterschiedlicher Materialien für Stützstrukturen und Zielstruktur zeigt sich bei der Nachbearbeitung, d.h. bei der Vereinzelung der Zielstruktur, da die unterschiedlichen physikalisch-chemischen Eigenschaften der Werkstoffe eine leichtere Trennung ermöglichen, beispielsweise unterschiedliche Schmelzpunkte oder Löslichkeiten. Beispielsweise können die Stützstrukturen durch die Verwendung von in Lösemitteln, beispielsweise Wasser, löslichen Werkstoffen nach dem Druckvorgang relativ leicht von der Zielstruktur getrennt werden, indem das Druckprodukt in das entsprechende Lösemittel gegeben wird. Dabei lösen sich die Stützstrukturen im Lösemittel auf, sodass die Zielstruktur im Wesentlichen ohne Rückstände aus dem Lösemittel entnommen werden kann, wobei teilweise sogar eine Endbearbeitung der Oberfläche entfallen kann. Das vollständige Auflösen der Stützstrukturen im Lösemittel erfordert dabei allerdings regelmäßig einen hohen zeitlichen Aufwand, sodass die absolute Dauer des Herstellungsprozesses der Zielstruktur signifikant erhöht wird, was neben dem Bedarf an Lösungsmittel, dem zusätzlichen Abfall und der fehlenden Wiederverwertbarkeit des Stützmaterials regelmäßig als nachteilig angesehen wird. The great advantage of using different materials for support structures and target structure becomes apparent during post-processing, ie when separating the target structure, since the different physico-chemical properties of the materials enable easier separation, for example different melting points or solubilities. For example, by using materials that are soluble in solvents, for example water, the support structures can be relatively easily separated from the target structure after the printing process by placing the printed product in the appropriate solvent. The supporting structures dissolve in the solvent, so that the target structure can be removed from the solvent essentially without leaving any residue In some cases there is no need to even finish the surface. However, the complete dissolution of the support structures in the solvent regularly requires a lot of time, so that the absolute duration of the manufacturing process of the target structure is significantly increased, which, in addition to the need for solvent, the additional waste and the lack of recyclability of the support material, is regularly viewed as a disadvantage.
Alternativ können Stützstrukturen auch aus demselben Material hergestellt werden wie die Zielstruktur. Durch den Einsatz solcher materialgleicher Stützstrukturen zur Stabilisierung der Zielstrukturen werden in vorteilhafter Weise keine zusätzlichen Materialschmelzen benötigt, welche beispielsweise separate Austragseinheiten und Materialversorgungssysteme in der 3D-Druckvorrichtung erfordern würden. Insofern lässt sich durch solche Stützstrukturen insbesondere der apparative Aufwand in Bezug auf die 3D-Druckvorrichtung minimieren. Alternatively, support structures can also be made from the same material as the target structure. By using such support structures of the same material to stabilize the target structures, advantageously no additional material melts are required, which would, for example, require separate discharge units and material supply systems in the 3D printing device. In this respect, such support structures can in particular minimize the expenditure on equipment in relation to the 3D printing device.
Ein großer Nachteil bei der Verwendung von Stützstrukturen aus dem gleichen Material zeigt sich allerdings bei der in diesem Fall regelmäßig besonders aufwendigen Nachbearbeitung der Zielstruktur, die nötig ist, um bei dieser eine ausreichende Oberflächenqualität zu erzeugen. Durch die gleichen physikalisch-chemischen Eigenschaften der Ziel- und Stützstrukturen wird die Abtrennung erschwert und insbesondere eine chemische Separation, beispielsweise durch Auflösen der Stützstrukturen, scheidet aus. However, a major disadvantage when using support structures made of the same material is the particularly complex post-processing of the target structure, which is necessary in this case in order to produce sufficient surface quality. The same physico-chemical properties of the target and support structures make separation more difficult and in particular chemical separation, for example by dissolving the support structures, is not possible.
Stattdessen müssen die Stützstrukturen zumeist mechanisch, beispielsweise über Schneidvorrichtungen wie Scheren oder Messer, entfernt werden, wobei der zeitliche Mehraufwand gerade bei komplexen Zielstrukturen in einigen Fällen sogar die absolute Druckzeit dieser Strukturen übersteigt. Zudem lassen sich bei der Nachbearbeitung zumeist Rückstände an der Zielstruktur nur schwer vermeiden, sodass das die Oberflächenbeschaffenheit des Endprodukts, insbesondere bei der Herstellung formkritischer Bauteile, ohne nachgelagerte Bearbeitungsschritte wie beispielsweise Abschleifen, regelmäßig als unzureichend empfunden wird. Instead, the support structures usually have to be removed mechanically, for example using cutting devices such as scissors or knives, whereby the additional time required, especially with complex target structures, in some cases even exceeds the absolute printing time of these structures. In addition, it is usually difficult to avoid residues on the target structure during post-processing, so that the surface quality of the end product, especially when producing shape-critical components, is regularly perceived as inadequate without subsequent processing steps such as grinding.
Trotz der prinzipiellen Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Konzepte zum Einsatz von Stützstrukturen bei der Stützung von Zielstrukturen und der damit durchgeführten Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Zielstrukturen mit 3D- Druckvorrichtungen, werden diese somit in vielerlei Hinsicht als nachteilig empfunden, insbesondere hinsichtlich der Dauer des Abtrennprozesses der Stützstrukturen sowie dem damit verbundenen fertigungstechnischen Mehraufwand. Zudem ermöglichen die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren häufig keine effiziente Wiederverwertung der für die Stützstrukturen verwendeten Materialien, da diese beispielsweise im Lösemittel gelöst vorliegen. Darüber hinaus kann es bei einer unzureichenden Aufbereitung zu Defekten auf der Oberfläche der Zielstrukturen kommen, was im schlimmsten Fall sogar die Neuherstellung der Zielstrukturen notwendig machen kann. Daher besteht ein stetes Bedürfnis danach, die entsprechenden additiven Fertigungsverfahren und die dabei eingesetzten 3D-Druckvorrichtungen zu verbessern. Despite the fundamental advantages of the concepts known from the prior art for the use of support structures in supporting target structures and the methods carried out with them for producing three-dimensional target structures with 3D printing devices, these are therefore perceived as disadvantageous in many respects, in particular with regard to the duration of the Separation process of the support structures and the associated additional manufacturing costs. In addition, the processes known from the prior art often do not enable efficient recycling of the for Materials used for support structures because they are present dissolved in the solvent, for example. In addition, insufficient preparation can lead to defects on the surface of the target structures, which in the worst case can even make it necessary to recreate the target structures. There is therefore a constant need to improve the corresponding additive manufacturing processes and the 3D printing devices used.
Die primäre Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es entsprechend, die vorstehend beschriebenen Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen oder zumindest zu verringern. The primary object of the present invention was accordingly to eliminate or at least reduce the disadvantages of the prior art described above.
Insbesondere war es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen einer dreidimensionalen Zielstruktur mit einer 3D-Druckvorrichtung anzugeben, welches im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zeit- und kosteneffizienter betrieben werden kann, wobei insbesondere das Ablösen der in dem Verfahren verwendeten Stützstrukturen gegenüber dem Stand der Technik einfacher, schneller und zuverlässiger realisierbar sein sollte. In particular, it was the object of the present invention to provide a method for producing a three-dimensional target structure with a 3D printing device, which can be operated in a more time- and cost-efficient manner compared to methods known from the prior art, in particular the detachment of the in the method Support structures used should be easier, faster and more reliable to implement compared to the state of the art.
Insoweit war es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, dass die im anzugebenden Verfahren verwendeten Stützstrukturen trotz der einfacheren Ablösbarkeit während des Druckvorgangs eine hohe mechanische Festigkeit aufweisen sollten und im anzugebenden Verfahren eine ausgezeichnete Verbundfestigkeit zwischen der Zielstruktur und der Stützstruktur erreichbar sein sollte. In this respect, it was an object of the present invention that the support structures used in the method to be specified should have a high mechanical strength despite the easier removal during the printing process and that excellent bond strength between the target structure and the support structure should be achievable in the method to be specified.
Es war überdies eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, dass im anzugebenden Verfahren der zum Erhalt vorteilhafter Oberflächenqualitäten notwendige Aufarbeitungsaufwand der hergestellten Zielstrukturen reduziert werden sollte. Insoweit war es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, dass die mit dem anzugebenden Verfahren herzustellenden Zielstrukturen nach der Vereinzelung keinerlei Rückstände der Stützstrukturen aufweisen sollten, sodass insbesondere keine oder nur eine geringe Nachbearbeitung der Zielstruktur erforderlich sein sollte, um eine ausgezeichnete Oberflächenqualität der Zielstruktur zu erhalten, wobei wünschenswerterweise zudem auch die Gefahr von ablösebedingten Defekten in der Oberfläche der Zielstruktur verringert werden sollte. It was also an object of the present invention that, in the method to be specified, the effort required for processing the target structures produced in order to obtain advantageous surface qualities should be reduced. In this respect, it was an object of the present invention that the target structures to be produced using the method to be specified should not have any residues of the support structures after separation, so that in particular no or only little post-processing of the target structure should be necessary in order to obtain an excellent surface quality of the target structure, Desirably, the risk of detachment-related defects in the surface of the target structure should also be reduced.
In diesem Zusammenhang war es ebenfalls eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, dass im anzugebenden Verfahren idealerweise keine zusätzlichen Hilfsmittel zum Ablösen der Stützstrukturen, wie beispielsweise Lösungsmittel oder Schneidwerkzeug, benötigt werden sollten. In this context, it was also an object of the present invention that, in the method to be specified, ideally no additional aids for removing the Support structures, such as solvents or cutting tools, should be needed.
Es war ebenfalls eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, dass im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren der anfallende Abfall möglichst reduziert werden sollte, insbesondere auch durch die Vermeidung des Lösungsmitteleinsatzes. Insoweit war es ebenfalls eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, im anzugebenden Verfahren den benötigten Energieverbrauch zu reduzieren. Insofern sollte insbesondere in der Serienfertigung von Zielstrukturen auch eine mehrfache Verwendung derselben Stützstrukturen für eine Vielzahl an Zielstrukturen ermöglicht werden. It was also an object of the present invention that, in comparison to conventional processes, the waste generated should be reduced as much as possible, in particular by avoiding the use of solvents. In this respect, it was also an object of the present invention to reduce the energy consumption required in the method to be specified. In this respect, particularly in the series production of target structures, multiple use of the same support structures for a large number of target structures should be made possible.
Zudem war es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verwendung einer Klebemasse in einem 3D-Druckverfahren zur Verringerung des Aufarbeitungsaufwandes und/oder zur Steigerung der Oberflächenqualität bei der Vereinzelung der Zielstruktur anzugeben. In addition, it was an object of the present invention to specify the use of an adhesive in a 3D printing process to reduce the processing effort and/or to increase the surface quality when separating the target structure.
Es war eine sekundäre Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine für die Durchführung des Verfahrens besonders geeignete 3D-Druckvorrichtung anzugeben. It was a secondary object of the present invention to provide a 3D printing device that is particularly suitable for carrying out the method.
Es war eine weitere sekundäre Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine mit dem entsprechenden Verfahren hergestellte oder herstellbare Zielstruktur anzugeben. It was a further secondary object of the present invention to specify a target structure produced or capable of being produced using the corresponding method.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben nunmehr gefunden, dass sich die vorstehenden Aufgaben überraschenderweise lösen lassen, wenn in einem Verfahren zum Herstellen einer dreidimensionalen Zielstruktur mit einer 3D-Druckvorrichtung eine Klebeschicht als leicht trennbare Schicht, zwischen der Stützstruktur und der Zielstruktur vorgesehen wird, um die Stützstruktur nach dem Druckvorgang schnell und einfach von der Zielstruktur ablösen zu können, ohne während des Herstellungsverfahrens die nötige Stützwirkung negativ zu beeinflussen, wie es in den Ansprüchen definiert ist. The inventors of the present invention have now found that the above tasks can surprisingly be achieved if, in a method for producing a three-dimensional target structure with a 3D printing device, an adhesive layer is provided as an easily separable layer between the support structure and the target structure in order to To be able to quickly and easily detach the support structure from the target structure after the printing process without negatively influencing the necessary support effect during the manufacturing process, as defined in the claims.
Die vorstehend genannten Aufgaben werden somit durch den Gegenstand der Erfindung gelöst, wie er in den Ansprüchen definiert ist. Bevorzugte erfindungsgemäße Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und den nachfolgenden Ausführungen. The above-mentioned objects are thus achieved by the subject matter of the invention, as defined in the claims. Preferred embodiments according to the invention result from the subclaims and the following statements.
Solche Ausführungsformen, die nachfolgend als bevorzugt bezeichnet sind, werden in besonders bevorzugten Ausführungsformen mit Merkmalen anderer als bevorzugt bezeichneter Ausführungsformen kombiniert. Ganz besonders bevorzugt sind somit Kombinationen von zwei oder mehr der nachfolgend als besonders bevorzugt bezeichneten Ausführungsformen. Ebenfalls bevorzugt sind Ausführungsformen, in denen ein in irgendeinem Ausmaß als bevorzugt bezeichnetes Merkmal einer Ausführungsform mit einem oder mehreren weiteren Merkmalen anderer Ausführungsformen kombiniert wird, die in irgendeinem Ausmaß als bevorzugt bezeichnet werden. Merkmale bevorzugter 3D- Druckvorrichtungen, Zielstrukturen und Verwendungen ergeben sich aus den Merkmalen bevorzugter Verfahren. Such embodiments, which are referred to below as preferred, are combined in particularly preferred embodiments with features of other embodiments designated as preferred. Are therefore particularly preferred Combinations of two or more of the embodiments described below as particularly preferred. Also preferred are embodiments in which a feature of one embodiment that is designated as preferred to some extent is combined with one or more further features of other embodiments that are designated as preferred to some extent. Features of preferred 3D printing devices, target structures and uses result from the features of preferred methods.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer dreidimensionalen Zielstruktur mit einer 3D-Druckvorrichtung, umfassend die Verfahrensschritte: a) Erzeugen zumindest einer dreidimensionalen Stützstruktur mit der 3D- Druckvorrichtung durch Austrag zumindest eines ersten Werkstoffes, b) Applizieren einer Klebemasse auf einen Teilabschnitt der Oberfläche der Stützstruktur zum Erhalt einer präparierten Stützstruktur mit einer oberflächlichen Klebeschicht, c) Erzeugen einer dreidimensionalen Zielstruktur mit der 3D-Druckvorrichtung durch Austrag zumindest eines zweiten Werkstoffes, wobei der zweite Werkstoff zumindest teilweise auf die Klebeschicht der präparierten Stützstruktur aufgebracht wird, und d) Ablösen der Stützstruktur von der Zielstruktur im Bereich der Klebeschicht. The invention relates to a method for producing a three-dimensional target structure with a 3D printing device, comprising the method steps: a) generating at least one three-dimensional support structure with the 3D printing device by discharging at least a first material, b) applying an adhesive to a portion of the surface of the Support structure for obtaining a prepared support structure with a superficial adhesive layer, c) generating a three-dimensional target structure with the 3D printing device by discharging at least one second material, the second material being at least partially applied to the adhesive layer of the prepared support structure, and d) detaching the support structure from the target structure in the area of the adhesive layer.
Dem Fachmann sind aus dem Stand der Technik eine Vielzahl von Verfahren zum Herstellen dreidimensionaler Zielstrukturen mit 3D-Druckvorrichtungen geläufig. Neben Materialextrusionsverfahren sind beispielsweise auch pulverbasierte Verfahren bekannt, bei denen pulverförmige Werkstoffe beispielsweise unter Einsatz von Bindemittel oder thermischer Energie miteinander verbunden werden. Der Fachmann versteht, dass das erfindungsgemäße Verfahren grundsätzlich nicht auf eine dieser Techniken beschränkt ist, sondern mit verschiedenen 3D-Druckvorrichtungen und 3D-Druckverfahren kompatibel ist. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst zunächst methodenunabhängig das Erzeugen zumindest einer dreidimensionalen Stützstruktur bzw. einer dreidimensionalen Zielstruktur mit der 3D-Druckvorrichtung durch Austrag zumindest eines ersten bzw. zweiten Werkstoffes. Mit Blick auf die vorstehenden Ausführungen kann das Erzeugen grundsätzlich über verschiedene 3D-Druckverfahren erfolgen. Für die meisten Fälle relevant ist wegen seiner hohen industriellen Bedeutung und der guten Adaptierbarkeit zum Austrag von Klebemassen allerdings ein erfindungsgemäßes Verfahren, wobei das Erzeugen der Stützstruktur und/oder der Zielstruktur, bevorzugt sämtlicher Strukturen, in einem Schmelzbeschichtungsverfahren erfolgt. Für im Wesentlichen alle Ausführungsformen bevorzugt ist entsprechend auch ein erfindungsgemäßes Verfahren, wobei die 3D- Druckvorrichtung eine Schmelzbeschichtungsvorrichtung ist. The person skilled in the art is familiar with a large number of methods for producing three-dimensional target structures using 3D printing devices. In addition to material extrusion processes, powder-based processes are also known, for example, in which powdered materials are connected to one another, for example using binders or thermal energy. The person skilled in the art understands that the method according to the invention is fundamentally not limited to one of these techniques, but is compatible with various 3D printing devices and 3D printing processes. The method according to the invention initially comprises, independent of the method, producing at least one three-dimensional support structure or a three-dimensional target structure with the 3D printing device by discharging at least a first or second material. In view of the above statements, the creation can basically be done using various 3D printing processes. However, what is relevant for most cases is a method according to the invention because of its high industrial importance and good adaptability for dispensing adhesives, wherein the support structure and/or the target structure, preferably all structures, are produced in one Melt coating process takes place. A method according to the invention is also preferred for essentially all embodiments, wherein the 3D printing device is a melt coating device.
Insbesondere in dem vorstehend beschriebenen Fall der Schmelzbeschichtungsverfahren erfolgt das Erzeugen von dreidimensionalen Strukturen über eine Austragseinheit der 3D- Druckvorrichtung, welche beispielsweise einen Extruder umfasst, durch Austrag eines Werkstoffes. In den meisten Fällen wird der Werkstoff dabei der Austragseinheit zunächst im festen Aggregatzustand zugeführt, beispielsweise in der Form eines Filaments, wobei die Austragseinheit den Werkstoff durch Temperieren in einen hochviskosen, flüssigen Aggregatzustand überführt. In diesem hochviskosen Zustand kann der Werkstoff durch die Austrittsöffnung der Austragseinheit zur Erzeugung der gewünschten geometrischen Form der dreidimensionalen Struktur ausgegeben werden, um anschließend durch Abkühlung wieder in den festen Aggregatzustand überzugehen. Die Ausgabe des Werkstoffes zur Erzeugung von Ziel- oder Stützstrukturen kann dabei auf einem für die Aufnahme der dreidimensionalen Struktur vorgesehenen Aufnahmesubstrat erfolgen. In particular, in the case of melt coating processes described above, three-dimensional structures are generated via a discharge unit of the 3D printing device, which comprises, for example, an extruder, by discharging a material. In most cases, the material is initially fed to the discharge unit in a solid state, for example in the form of a filament, with the discharge unit converting the material into a highly viscous, liquid state by tempering. In this highly viscous state, the material can be dispensed through the outlet opening of the discharge unit to produce the desired geometric shape of the three-dimensional structure and then return to the solid state by cooling. The output of the material to produce target or support structures can take place on a receiving substrate intended to receive the three-dimensional structure.
In den meisten Fällen wird die Austragseinheit bei der Ausgabe des Werkstoffs mittels einer Bewegungseinheit, beispielsweise eines Linearachsensystems, bewegt, um die Form der gewünschten dreidimensionalen Struktur durch schichtweisen Aufbau zu erhalten. Die Steuerung der Austragseinheit in einer solchen Bewegungseinheit erfolgt beispielsweise über eine externe Steuereinheit, welche an der 3D-Druckvorrichtung angeordnet sein kann. Die externe Steuereinheit kann beispielsweise dazu eingerichtet sein, ein computergeneriertes Abbild der gewünschten dreidimensionalen Zielstruktur und der zugehörigen Stützstrukturen in Bewegungen der Bewegungseinheit und damit der Austragseinheit zu übersetzen und diese entsprechend entlang der Konturen der gewünschten dreidimensionalen Strukturen zu steuern. In most cases, when dispensing the material, the discharge unit is moved by means of a movement unit, for example a linear axis system, in order to obtain the shape of the desired three-dimensional structure by building it up in layers. The discharge unit in such a movement unit is controlled, for example, via an external control unit, which can be arranged on the 3D printing device. The external control unit can, for example, be set up to translate a computer-generated image of the desired three-dimensional target structure and the associated support structures into movements of the movement unit and thus of the discharge unit and to control these accordingly along the contours of the desired three-dimensional structures.
In Verfahrensschritt a) des erfindungsgemäßen Verfahrens werden eine oder mehrere Stützstrukturen erzeugt, die der Stützung der Zielstruktur dienen. Der Fachmann versteht, dass die Stützstrukturen dabei beispielsweise vollständig vor der Zielstruktur oder teilweise zeitgleich mit der Zielstruktur erzeugt werden können, wobei insbesondere Letzteres ein besonders relevanter Anwendungsfall ist, wenn die Zielstruktur und die Stützstrukturen über große Teile des Verfahrens gemeinsam Schicht-um-Schicht aufgebaut werden. In method step a) of the method according to the invention, one or more support structures are created which serve to support the target structure. The person skilled in the art understands that the support structures can, for example, be created completely in front of the target structure or partially at the same time as the target structure, the latter in particular being a particularly relevant application if the target structure and the support structures are built together layer by layer over large parts of the method become.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahren ergeben sich bereits beim Einsatz von lediglich einer Stützstruktur, wobei es in der Praxis zumeist zielführend ist, mehrere Stützstrukturen vorzusehen und diese dann auch im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens zu präparieren. Typisch ist demnach ein erfindungsgemäßes Verfahren, wobei im Verfahren zwei oder mehr, bevorzugt drei oder mehr, dreidimensionale Stützstrukturen erzeugt werden. The advantages of the method according to the invention arise when only one support structure is used, although in practice it is usually expedient to provide several support structures and then also in the sense of the invention Prepare procedure. A method according to the invention is therefore typical, with two or more, preferably three or more, three-dimensional support structures being produced in the method.
Die in Verfahrensschritt a) erzeugten Stützstrukturen umfassen als Material den ersten Werkstoff. Grundsätzlich kann die Stützstruktur zusätzlich zum ersten Werkstoff auch weitere Werkstoffe umfassen, beispielsweise um die physikalisch-chemischen Eigenschaften zu optimieren oder um einem Materialwechsel bei der Herstellung der Zielstruktur Rechnung zu tragen, der aus Gründen der Effizienz auch in den Stützstrukturen nachvollzogen wird, beispielsweise weil diese im Wesentlichen zeitgleich, d.h. im gleichen Schichtaustrag, erzeugt werden. In den meisten Fällen ist es allerdings mit Blick auf eine einfache Verfahrensführung sowie einen niedrigen apparativen Aufwand bevorzugt, wenn die Stützstrukturen aus dem ersten Werkstoff bestehen. The support structures produced in method step a) comprise the first material as material. In principle, the support structure can also include other materials in addition to the first material, for example in order to optimize the physico-chemical properties or to take into account a material change in the production of the target structure, which is also reflected in the support structures for reasons of efficiency, for example because these essentially at the same time, i.e. in the same layer discharge. In most cases, however, with a view to simple process management and low expenditure on equipment, it is preferred if the support structures consist of the first material.
In einem zweiten Verfahrensschritt umfasst das erfindungsgemäße Verfahren das Applizieren von Klebemasse auf einen Teilabschnitt der Oberfläche der Stützstruktur, wodurch eine präparierte Stützstruktur mit einer oberflächlichen Klebeschicht erhalten wird, die der späteren Verbindung der Stützstruktur mit der Zielstruktur dient. In a second method step, the method according to the invention comprises applying adhesive to a portion of the surface of the support structure, whereby a prepared support structure with a superficial adhesive layer is obtained, which serves to later connect the support structure to the target structure.
Für bestimmte Anwendungsfälle kann es zumindest theoretisch vorteilhaft sein, das Applizieren der Klebemasse unabhängig von der 3D-Druckvorrichtung auszuführen, beispielsweise händisch und/oder zumindest teilweise automatisiert über eine externe Applikationsvorrichtung. Dies gilt insbesondere für solche Anwendungen, bei denen die 3D- Druckvorrichtung begrenzte Kapazitäten zur Applikation unterschiedlicher Materialien aufweist und beispielsweise keine weiteren Austragseinheit zur Ausgabe der Klebemasse und/oder separate Materialversorgungssysteme, umfasst. In den meisten Fällen ist es allerdings explizit bevorzugt, wenn die Klebemasse ebenfalls durch eine 3D- Druckvorrichtung appliziert wird, bevorzugt durch die auch zum Erzeugen der Stütz- und Zielstrukturen verwendete 3D-Druckvorrichtung. Dies ist nicht nur für die Zeiteffizienz des Herstellungsprozesses an sich vorteilhaft, sondern wirkt sich ebenfalls vorteilhaft auf die Präzision der Applikation aus, da keine Neukalibrierung der 3D-Druckvorrichtung erfolgen muss und etwaige Herstellungsfehler durch manuelle Verfahrensschritte vermieden werden können. Explizit bevorzugt ist daher ein erfindungsgemäßes Verfahren, wobei die Klebemasse mittels einer 3D-Druckvorrichtung, bevorzugt der in Verfahrensschritt a) und/oder c) eingesetzten 3D-Druckvorrichtung, appliziert wird, wobei die 3D- Druckvorrichtung bevorzugt für das Applizieren der Klebemasse eine separate Austragseinheit umfasst. Bevorzugt ist entsprechend zusätzlich oder alternativ auch ein erfindungsgemäßes Verfahren, wobei die Klebemasse in einemFor certain applications, it may at least theoretically be advantageous to carry out the application of the adhesive independently of the 3D printing device, for example manually and/or at least partially automated via an external application device. This applies in particular to applications in which the 3D printing device has limited capacities for applying different materials and, for example, does not include an additional discharge unit for dispensing the adhesive and/or separate material supply systems. In most cases, however, it is explicitly preferred if the adhesive is also applied by a 3D printing device, preferably by the 3D printing device also used to produce the support and target structures. This is not only advantageous for the time efficiency of the manufacturing process itself, but also has an advantageous effect on the precision of the application, since the 3D printing device does not have to be recalibrated and any manufacturing errors can be avoided through manual process steps. Explicitly preferred is therefore a method according to the invention, wherein the adhesive is applied by means of a 3D printing device, preferably the 3D printing device used in method step a) and / or c), the 3D printing device preferably having a separate discharge unit for applying the adhesive includes. Accordingly, an additional or alternative is also preferred Method according to the invention, wherein the adhesive in one
Schmelzbeschichtungsverfahren appliziert wird. Melt coating process is applied.
Der jeweils von der Klebemasse belegte Teilabschnitt der Oberfläche der präparierten Stützstrukturen ist im erfindungsgemäßen Verfahren zweckmäßigerweise zumeist ausschließlich derjenige Teilabschnitt der Stützstruktur, welcher nach Erzeugung der dreidimensionalen Zielstruktur eine Kontaktfläche mit dieser aufweist, d.h. der Teilabschnitt der Stützstruktur auf den anschließend der zweite Werkstoff appliziert wird. Diese Kontaktfläche berechnet der Fachmann zwanglos, beispielsweise anhand eines computergenerierten Modells der Zielstruktur und der für die Zielstruktur benötigten Stützstruktur. In den meisten Fällen wird der Teilabschnitt der Oberfläche der Stützstruktur, auf welchem die Klebemasse appliziert wird, an der Spitze der Stützstruktur, d.h. gegenüberliegend von dem auf der Substratunterlage aufliegenden Teilbereich der Stützstruktur angeordnet sein. Falls mehrere Stützstrukturen eingesetzt werden, ergeben sich die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens dann besonders deutlich, wenn sämtliche dieser Stützstrukturen entsprechend präpariert werden. Bevorzugt ist folglich ein erfindungsgemäßes Verfahren, wobei die Klebemasse jeweils auf einen Teilabschnitt der Oberfläche sämtlicher Stützstrukturen appliziert wird. In the method according to the invention, the portion of the surface of the prepared support structures covered by the adhesive is expediently usually exclusively that portion of the support structure which, after the three-dimensional target structure has been produced, has a contact surface with it, i.e. the portion of the support structure to which the second material is then applied. The expert calculates this contact surface informally, for example using a computer-generated model of the target structure and the support structure required for the target structure. In most cases, the portion of the surface of the support structure to which the adhesive is applied will be arranged at the tip of the support structure, i.e. opposite to the portion of the support structure resting on the substrate base. If several support structures are used, the advantages of the method according to the invention are particularly clear if all of these support structures are prepared accordingly. A method according to the invention is therefore preferred, wherein the adhesive is applied to a portion of the surface of all support structures.
In einigen Fällen kann der Teilabschnitt der Stützstruktur, auf welchen die Klebemasse appliziert werden soll, dabei auch eine unregelmäßige Oberflächenstruktur aufweisen. In diesen Fällen kann der Auftrag der Klebemasse so erfolgen, dass die Oberflächenstruktur des Teilabschnitts nachgebildet wird, beispielsweise indem der Auftrag der Klebemasse einlagig mit im Wesentlichen konstanter Dicke erfolgt. Alternativ kann die Klebemasse auch verwendet werden, um Unebenheiten in dem Teilbereich der Oberfläche auszugleichen, sodass die Oberflächenstruktur der Klebeschicht unabhängig von der Oberflächenstruktur des Teilabschnitts ist, sodass sich beispielsweise unabhängig von der Oberfläche des Teilabschnitts stets planare Oberflächen der Klebeschicht ergeben. Bevorzugt ist allerdings ein erfindungsgemäßes Verfahren, wobei die Klebemasse mittels der 3D-Druckvorrichtung in einem einlagigen Austrag appliziert wird. In some cases, the section of the support structure to which the adhesive is to be applied can also have an irregular surface structure. In these cases, the adhesive can be applied in such a way that the surface structure of the section is reproduced, for example by applying the adhesive in a single layer with a substantially constant thickness. Alternatively, the adhesive can also be used to compensate for unevenness in the partial area of the surface, so that the surface structure of the adhesive layer is independent of the surface structure of the partial section, so that, for example, planar surfaces of the adhesive layer always result regardless of the surface of the partial section. However, a method according to the invention is preferred, wherein the adhesive is applied in a single-layer discharge using the 3D printing device.
Für die aus der Applikation der Klebemasse resultierende Klebeschicht haben die Erfinder geeignete Schichtdicken identifiziert, welche nach Einschätzung der Erfinder in den meisten Anwendungsfällen gute Adhäsionseigenschaften der Klebeschicht sowie eine gute Formstabilität bei einer gleichzeitig guten Ablösbarkeit ermöglichen, insbesondere beim Einsatz von Haftklebemassen. Bevorzugt ist nämlich ein erfindungsgemäßes Verfahren, wobei die Klebeschicht der präparierten Stützstruktur eine mittlere Schichtdicke im Bereich von 0,01 bis 5 mm, bevorzugt im Bereich von 0,1 bis 2 mm, besonders bevorzugt im Bereich von 0,2 bis 0,5 mm, aufweist. The inventors have identified suitable layer thicknesses for the adhesive layer resulting from the application of the adhesive, which, according to the inventors' assessment, enable good adhesion properties of the adhesive layer in most applications as well as good dimensional stability and at the same time good removability, especially when using pressure-sensitive adhesives. A method according to the invention is preferred, in which the adhesive layer of the prepared support structure has an average layer thickness in the range from 0.01 to 5 mm, preferably in the range from 0.1 to 2 mm, particularly preferably in the range from 0.2 to 0.5 mm.
In einem dritten Verfahrensschritt wird die dreidimensionale Zielstruktur mit der 3D- Druckvorrichtung durch Austrag zumindest eines zweiten Werkstoffes erzeugt. Wie vorstehend erläutert, wird dabei der zweite Werkstoff zumindest teilweise auf die Klebeschicht der präparierten Stützstruktur aufgebracht, so dass nach dem Aushärten aller Komponenten eine Zielstruktur erhalten wird, die mit zumindest einer Stützstruktur zumindest teilweise über die Klebeschicht verbunden ist. Dieser Verbund ermöglicht während des Druckvorganges eine gute Stützung der Zielstruktur, lässt sich in Folge der Klebeschicht bzw. der durch die Klebeschicht erzeugten Sollbruchstelle im Verbund aber nach Fertigstellung der Zielstruktur sehr einfach, bspw. durch vergleichsweise leichte manuelle Kraftapplikation auflösen, insbesondere wenn eine Haftklebemasse als Klebemasse eingesetzt wird. In a third method step, the three-dimensional target structure is generated with the 3D printing device by discharging at least a second material. As explained above, the second material is at least partially applied to the adhesive layer of the prepared support structure, so that after all components have hardened, a target structure is obtained which is at least partially connected to at least one support structure via the adhesive layer. This composite enables good support of the target structure during the printing process, but can be dissolved very easily after completion of the target structure due to the adhesive layer or the predetermined breaking point in the composite created by the adhesive layer, for example by comparatively light manual application of force, especially if a pressure-sensitive adhesive is used Adhesive is used.
Das Ablösen der Stützstruktur von der Zielstruktur im Bereich der Klebeschicht verringert den notwendigen apparativen Aufwand erheblich, da die Klebeschicht die Zielstruktur während der Herstellung zwar stabilisiert, im Moment der Ablösung aber eine Sollbruchstelle bildet, die insbesondere beim Einsatz von Haftklebemassen zuverlässig ohne den Einsatz von Trennwerkzeugen oder Lösungsmitteln aufgelöst werden kann. Grundsätzlich ist es dabei für eine möglichst einfache und effiziente Ablösung vorteilhaft, wenn der erste Werkstoff der Stützstruktur und der zweite Werkstoff der Zielstruktur durch die Klebeschicht vollständig voneinander getrennt werden, sodass die Zielstruktur die präparierte Stützstruktur lediglich in den Bereichen der Klebeschicht kontaktiert. Insofern wird der Verbund aus Stützstruktur und Zielstruktur bevorzugt auch lediglich durch die Klebeschicht vermittelt. Besonders bevorzugt ist demgemäß ein erfindungsgemäßes Verfahren, wobei die Zielstruktur so erzeugt wird, dass der zweite Werkstoff so auf die präparierte Stützstruktur aufgebracht wird, dass kein Kontakt zwischen dem ersten Werkstoff und dem zweiten Werkstoff entsteht. Bevorzugt ist alternativ oder zusätzlich ein erfindungsgemäßes Verfahren, wobei die Zielstruktur so erzeugt wird, dass die Zielstruktur und die Stützstruktur im Wesentlichen vollständig durch die Klebeschicht separiert werden. Detaching the support structure from the target structure in the area of the adhesive layer significantly reduces the necessary equipment expenditure, since the adhesive layer stabilizes the target structure during production, but forms a predetermined breaking point at the moment of detachment, which can be reliably achieved without the use of separating tools, particularly when using pressure-sensitive adhesives or solvents can be dissolved. In principle, for the simplest and most efficient possible detachment, it is advantageous if the first material of the support structure and the second material of the target structure are completely separated from one another by the adhesive layer, so that the target structure only contacts the prepared support structure in the areas of the adhesive layer. In this respect, the composite of support structure and target structure is preferably only mediated by the adhesive layer. Accordingly, a method according to the invention is particularly preferred, wherein the target structure is produced in such a way that the second material is applied to the prepared support structure in such a way that no contact occurs between the first material and the second material. Alternatively or additionally, a method according to the invention is preferred, wherein the target structure is produced in such a way that the target structure and the support structure are essentially completely separated by the adhesive layer.
Um während des Druckvorgangs eine möglichst gute Verbundfestigkeit zwischen Stützstruktur und Zielstruktur zu erreichen und gleichzeitig eine besonders einfache, lösungsmittelfreie und rückstandsfreie Ablösung der Stützstruktur nach dem Druckvorgang zu gewährleisten, sind für die im erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Klebemasse insbesondere Haftklebemassen geeignet, da diese in Folge ihrer inhärent hohen Kohäsion bei der Applikation des zweiten Werkstoffs regelmäßig über eine vorteilhafte Formstabilität verfügen und durch ihre Adhäsion an den Werkstoffen zudem eine gute Stützwirkung gewährleisten, wobei die Haftklebrigkeit zudem eine besonders effiziente, rückstandsfreie Entfernung ermöglicht, die zumeist auf aufwendige Nachbearbeitungsschritte verzichten kann. Für im Wesentlichen alle Ausführungsformen bevorzugt ist entsprechend ein erfindungsgemäßes Verfahren, wobei die Klebemasse eine Haftklebemasse ist. In order to achieve the best possible bond strength between the support structure and the target structure during the printing process and at the same time to ensure a particularly simple, solvent-free and residue-free removal of the support structure after the printing process, pressure-sensitive adhesives are particularly suitable for the adhesive used in the method according to the invention, as they are inherently suitable high cohesion When applying the second material, they regularly have advantageous dimensional stability and also ensure a good supporting effect due to their adhesion to the materials, whereby the adhesive properties also enable particularly efficient, residue-free removal, which can usually dispense with complex post-processing steps. A method according to the invention is preferred for essentially all embodiments, wherein the adhesive is a pressure-sensitive adhesive.
Eine Haftklebemasse ist dabei in Übereinstimmung mit dem fachmännischen Verständnis eine Klebemasse, die über haftklebrige Eigenschaften verfügt, d.h. über die Eigenschaft bereits unter relativ schwachem Andruck eine dauerhafte Verbindung zu einem Haftgrund einzugehen. Entsprechende Haftklebeschichten sind üblicherweise nach Gebrauch im Wesentlichen rückstandsfrei vom Haftgrund wieder ablösbar und in der Regel schon bei Raumtemperatur permanent eigenklebrig, was bedeutet, dass sie eine gewisse Viskosität und Anfassklebrigkeit aufweisen, sodass sie die Oberfläche eines Untergrunds bereits bei geringem Andruck benetzen. Ohne an diese Theorie gebunden sein zu wollen, wird häufig davon ausgegangen, dass eine Haftklebemasse als extrem hochviskose Flüssigkeit mit einem elastischen Anteil betrachtet werden kann, die demzufolge charakteristische viskoelastische Eigenschaften aufweist, die zu der vorstehend beschriebenen dauerhaften Eigenklebrigkeit und Haftklebefähigkeit führen. Man geht davon aus, dass es bei entsprechenden Haftklebemassen bei mechanischer Deformation sowohl zu viskosen Fließprozessen als auch zum Aufbau elastischer Rückstellkräfte kommt. Der anteilige viskose Fluss dient dabei zur Erzielung von Adhäsion, während die anteiligen elastischen Rückstellkräfte insbesondere zur Erzielung von Kohäsion notwendig sind. Die Zusammenhänge zwischen der Rheologie und der Haftklebrigkeit sind im Stand der Technik bekannt und beispielsweise in „Satas, Handbook of Pressure Sensitive Adhesives Technology“, Third Edition, (1999), Seiten 153 bis 203, beschrieben. Zur Charakterisierung des Maßes an elastischem und viskosem Anteil werden üblicherweise der Speichermodul (G‘) und der Verlustmodul (G“) herangezogen, die mittels dynamisch mechanischer Analyse (DMA), beispielsweise unter Verwendung eines Rheometers, ermittelt werden können, wie es beispielsweise in der WO 2015/189323 offenbart wird. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird eine Klebemasse vorzugsweise dann als haftklebrig und somit als Haftklebemasse verstanden, wenn bei einer Temperatur von 23 °C im Deformationsfrequenzbereich von 10° bis 101 rad/sec G‘ und G“ jeweils zumindest zum Teil im Bereich von 103 bis 107 Pa liegen. According to the expert understanding, a pressure-sensitive adhesive is an adhesive that has pressure-sensitive adhesive properties, ie the property of forming a permanent bond to an adhesive base even under relatively weak pressure. Corresponding pressure-sensitive adhesive layers can usually be removed from the adhesive base after use essentially without leaving any residue and are generally permanently self-adhesive even at room temperature, which means that they have a certain viscosity and stickiness to the touch, so that they wet the surface of a substrate even with slight pressure. Without wishing to be bound to this theory, it is often assumed that a pressure-sensitive adhesive can be viewed as an extremely high-viscosity liquid with an elastic component, which therefore has characteristic viscoelastic properties that lead to the permanent inherent tack and pressure-sensitive adhesive ability described above. It is assumed that with corresponding pressure sensitive adhesives, mechanical deformation leads to both viscous flow processes and the build-up of elastic restoring forces. The proportionate viscous flow serves to achieve adhesion, while the proportionate elastic restoring forces are necessary in particular to achieve cohesion. The connections between rheology and pressure sensitive tack are known in the art and are described, for example, in “Satas, Handbook of Pressure Sensitive Adhesives Technology”, Third Edition, (1999), pages 153 to 203. To characterize the degree of elastic and viscous proportion, the storage modulus (G') and the loss modulus (G") are usually used, which can be determined using dynamic mechanical analysis (DMA), for example using a rheometer, as described, for example, in WO 2015/189323 is disclosed. In the context of the present invention, an adhesive is preferably understood to be pressure-sensitively tacky and thus a pressure-sensitive adhesive if, at a temperature of 23 ° C in the deformation frequency range of 10 ° to 10 1 rad / sec, G 'and G "are each at least partially in the range of 10 3 to 10 7 Pa.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist die eingesetzte Klebemasse hinsichtlich ihrer chemischen Natur prinzipiell nicht beschränkt, so dass der Fachmann im Lichte der angedachten Verfahrensparameter aus den aus dem Stand der Technik bekannten Klebemassen auswählen kann. Die im erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Klebemasse sollte idealerweise den Zielkonflikt zwischen einer starken Kohäsion und einer guten realisierbaren Verbundfestigkeit, d.h. Adhäsion zu sowohl der Stützstruktur als auch der Zielstruktur, einerseits sowie dem einfachen, vorzugsweise rückstandsfreien, Ablösen der Klebeschicht von der Zielstruktur andererseits in einer Weise lösen, die zu den jeweiligen Anforderungen des vom Fachmann konzipierten 3D-Druckverfahrens passt. Der Fachmann im Bereich der Klebetechnik ist mit der Abstimmung der physikalisch-chemischen Eigenschaften von Klebemassen umfassend vertraut und kann die Aspekte der Kohäsion und Adhäsion auf die verwendeten Werkstoffe und Verfahrensbedingungen abstimmen, beispielsweise durch die Auswahl der eingesetzten Polymere und/oder die Einstellung des Vernetzungsgrades in der Klebemasse und/oder durch die Einstellung der Konzentration von üblichen Additiven. Hinsichtlich der Formstabilität schlagen die Erfinder vor, dass insoweit bevorzugte Grenzwerte, die sich in einer breiten Palette von Druckverfahren bewährt haben, über die Viskosität der Klebemasse definiert werden können. Bevorzugt ist insoweit ein erfindungsgemäßes Verfahren, wobei die Klebemasse bei 23 °C eine komplexe Viskosität von 10000 Pa s oder mehr, bevorzugt von 12000 Pa s oder mehr, besonders bevorzugt 15000 Pa s oder mehr und/oder bei 125 °C eine komplexe Viskosität im Bereich von 500 bis 4000 Pa s aufweist, wobei die komplexe Viskosität mit einem Oszillationsrheometer bei einer Frequenz von 10 rad/s bestimmt wird. In the context of the present invention, the adhesive used is in principle not limited in terms of its chemical nature, so that the person skilled in the art in the light of can select the intended process parameters from the adhesives known from the prior art. The adhesive used in the method according to the invention should ideally solve the conflict of objectives between strong cohesion and good bond strength that can be achieved, ie adhesion to both the support structure and the target structure, on the one hand, and the simple, preferably residue-free, detachment of the adhesive layer from the target structure on the other hand that fits the respective requirements of the 3D printing process designed by the expert. The expert in the field of adhesive technology is fully familiar with the coordination of the physico-chemical properties of adhesives and can adapt the aspects of cohesion and adhesion to the materials and process conditions used, for example by selecting the polymers used and/or adjusting the degree of crosslinking the adhesive and/or by adjusting the concentration of common additives. With regard to dimensional stability, the inventors suggest that preferred limit values, which have proven themselves in a wide range of printing processes, can be defined via the viscosity of the adhesive. In this respect, a method according to the invention is preferred, wherein the adhesive has a complex viscosity of 10,000 Pa s or more at 23 ° C, preferably 12,000 Pa s or more, particularly preferably 15,000 Pa s or more and / or a complex viscosity at 125 ° C Range from 500 to 4000 Pa s, with the complex viscosity being determined with an oscillatory rheometer at a frequency of 10 rad/s.
Für die Kombination einer besonders vorteilhaften Adhäsion mit einer guten Ablösbarkeit schlagen die Erfinder vor, dass sich insbesondere solche Verfahrensführungen eignen, bei denen in Verfahrensschritt d) ausgenutzt wird, dass die Adhäsion bzw. Haftklebrigkeit einiger Klebemasse im Zuge eines sogenannten „Stripp-Effekts“ durch Verstrecken der Klebemasse verringert werden kann bzw. dadurch eine Anisotropie der Haftklebrigkeit induziert wird, die das Ablösen in zuverlässiger Weise befördert, wie es beispielsweise von Klebeelementen bekannt ist, die unter dem Namen „tesa Powerstrips“ kommerziell verfügbar sind. Bevorzugt ist daher ein erfindungsgemäßes Verfahren, wobei das Ablösen der Stützstruktur von der Zielstruktur durch ein Verstrecken der Klebemasse in der Klebeschicht befördert oder bewirkt wird. For the combination of a particularly advantageous adhesion with good removability, the inventors suggest that particularly suitable procedures are those in which process step d) takes advantage of the fact that the adhesion or tackiness of some adhesives occurs in the course of a so-called “stripping effect”. Stretching of the adhesive can be reduced or an anisotropy of the adhesive is thereby induced, which promotes detachment in a reliable manner, as is known, for example, from adhesive elements that are commercially available under the name “tesa Powerstrips”. A method according to the invention is therefore preferred, wherein the detachment of the support structure from the target structure is promoted or effected by stretching the adhesive in the adhesive layer.
Nach Einschätzung der Erfinder eigenen sich für das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere Synthesekautschukklebemassen, d.h. Klebemassen, welche als polymeren Bestandteil zumindest teilweise, bevorzugt überwiegend, besonders bevorzugt im Wesentlichen vollständig, Synthesekautschuke umfassen. Synthesekautschukklebemassen sind dem Fachmann aus dem Stand der Technik bekannt und weisen regelmäßig eine vorteilhafte Temperaturbeständigkeit auf, haben bei Raumtemperatur zumeist eine günstige Formstabilität und zeigen zu den üblichen im 3D-Druck eingesetzten Werkstoffen eine gute Adhäsion. Zudem zeigen Synthesekautschukklebemassen regelmäßig einen besonders ausgeprägten Stripp-Effekt, d.h. Synthesekautschukklebemassen können regelmäßig besonders effizient so ausgelegt werden, dass die Adhäsion bzw. Haftklebrigkeit durch ein Verstrecken der Klebemasse in der Klebeschicht verringert werden kann. Ganz besonders bevorzugt ist deshalb ein erfindungsgemäßes Verfahren, wobei die Klebemasse ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Synthesekautschukklebemassen, wobei dies nach Einschätzung der Erfinder für im Wesentlichen alle Ausführungsformen der Erfindung besonders bevorzugt ist. Synthesekautschuke, beispielsweise Styrol Block Copolymere, sind dem Fachmann aus dem Bereich der Klebetechnik gut vertraut und gehören zu der größeren Gruppe der (Co-)Polymersysteme, die in Klebemassen häufig eingesetzt werden. Geeignete Synthesekautschuke und darauf aufbauende Klebemassen sind für den Fachmann von einer breiten Palette an Herstellern kommerziell verfügbar, wobei der Fachmann die Auswahl einer geeigneten Haftklebemasse im Lichte der spezifischen physikalisch-chemischen Eigenschaften trifft, die für das Druckverfahren gewünscht sind According to the inventors' assessment, synthetic rubber adhesives are particularly suitable for the method according to the invention, ie adhesives which comprise at least partially, preferably predominantly, particularly preferably essentially completely, synthetic rubbers as a polymeric component. Synthetic rubber adhesives are known to those skilled in the art from the prior art and regularly have one have advantageous temperature resistance, usually have favorable dimensional stability at room temperature and show good adhesion to the usual materials used in 3D printing. In addition, synthetic rubber adhesives regularly show a particularly pronounced stripping effect, ie synthetic rubber adhesives can regularly be designed particularly efficiently in such a way that the adhesion or pressure-sensitive tack can be reduced by stretching the adhesive in the adhesive layer. Very particularly preferred is therefore a method according to the invention, wherein the adhesive is selected from the group consisting of synthetic rubber adhesives, which, in the opinion of the inventors, is particularly preferred for essentially all embodiments of the invention. Synthetic rubbers, for example styrene block copolymers, are well known to those skilled in the field of adhesive technology and belong to the larger group of (co-)polymer systems that are often used in adhesives. Suitable synthetic rubbers and adhesives based thereon are commercially available to the person skilled in the art from a wide range of manufacturers, with the person skilled in the art selecting a suitable pressure-sensitive adhesive in light of the specific physico-chemical properties desired for the printing process
Nach Einschätzung der Erfinder kann es als großer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens gesehen werden, dass es besonders leicht möglich ist, die abgetrennten, alten Stützstrukturen als sekundäre Rohstoffquellen zu nutzen und wiederzuverwenden. Im erfindungsgemäßen Verfahren wird dies insbesondere dadurch erleichtert, dass die Stützstruktur, die Zielstruktur und die Klebeschicht besonders leicht und in vielen Fällen im Wesentlichen rückstandslos voneinander getrennt werden können, sodass die Stützstrukturen als Ganzes zur Wiederverwertung bereitgestellt werden können und nicht etwa in Lösungsmittel gelöst oder in Einzelteile zerlegt vorliegen. So kann eine im erfindungsgemäßen Verfahren erzeugte Stützstruktur beispielsweise in einem nachgelagerten Verfahren für die Herstellung weiterer Zielstrukturen als erster Werkstoff wiederverwendet werden, beispielsweise durch Einschmelzen des Werkstoffes und Vermischen mit einem Strohm aus Primärrohstoff. Bevorzugt ist demgemäß ein erfindungsgemäßes Verfahren, wobei der erste Werkstoff der in Verfahrensschritt d) abgelösten Stützstruktur wiederverwertet wird, bevorzugt im Verfahrensschritt a) eines nachgelagerten Verfahrens zur Herstellung einer dreidimensionalen Zielstruktur. According to the inventors' assessment, it can be seen as a great advantage of the method according to the invention that it is particularly easy to use and reuse the separated, old support structures as secondary sources of raw materials. In the method according to the invention, this is made easier in particular by the fact that the support structure, the target structure and the adhesive layer can be separated from one another particularly easily and in many cases essentially without leaving any residue, so that the support structures can be made available for recycling as a whole and not dissolved in solvent or in Individual parts are disassembled. For example, a support structure produced in the method according to the invention can be reused as the first material in a downstream method for the production of further target structures, for example by melting the material and mixing it with a straw made from primary raw material. Accordingly, preference is given to a method according to the invention, wherein the first material of the support structure detached in method step d) is recycled, preferably in method step a) of a downstream method for producing a three-dimensional target structure.
Nach Einschätzung der Erfinder kann es als Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens gesehen werden, dass es hinsichtlich der Art der eingesetzten Werkstoffe nicht zusätzlich beschränkt ist, so dass für die Stütz- und Zielstrukturen prinzipiell sämtliche Werkstoffe eingesetzt werden können, die dem Fachmann für die jeweiligen 3D-Druckverfahren als geeignete Werkstoffe bekannt sind. Die Erfinder haben für die im Verfahren verwendeten Werkstoffe jedoch Materialien identifiziert, welche sich für die Verwendung im erfindungsgemäßen Verfahren als besonders geeignet erwiesen haben und die insbesondere eine gute Verträglichkeit mit bzw. gute Adhäsion zu typischen Klebemassen, insbesondere Synthesekautschukklebemassen aufweisen. Bevorzugt ist nämlich ein erfindungsgemäßes Verfahren, wobei der erste Werkstoff und/oder der zweite Werkstoff ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus thermoplastischen Kunststoffen, bevorzugt aus der Gruppe bestehend aus Acrylnitril-Butadien-Styrol, Acrylnitril-Styrolacrylat, Polyethylenterephthalat, Polycarbonat, Polypropylen, Polyaryletherketonen, Polyetherimiden, Polyurethanen und Polylactiden. According to the inventors' assessment, it can be seen as an advantage of the method according to the invention that it is not additionally restricted with regard to the type of materials used, so that in principle all materials can be used for the support and target structures that the person skilled in the art can use for the respective 3D printing process as suitable materials are known. However, for the materials used in the process, the inventors have identified materials which have proven to be particularly suitable for use in the process according to the invention and which in particular have good compatibility with or good adhesion to typical adhesives, in particular synthetic rubber adhesives. A method according to the invention is preferred, wherein the first material and/or the second material is selected from the group consisting of thermoplastics, preferably from the group consisting of acrylonitrile-butadiene-styrene, acrylonitrile-styrene acrylate, polyethylene terephthalate, polycarbonate, polypropylene, polyaryl ether ketones , polyetherimides, polyurethanes and polylactides.
Zum Zwecke einer möglichst einfachen Verfahrensführung und einer Minimierung der apparativen Komplexität, hat es sich nach Einschätzung der Erfinder als besonders vorteilhaft erwiesen den ersten Werkstoff und den zweiten Werkstoff identisch auszuführen, da in diesem Fall beispielsweise die Notwendigkeit einer weiteren Ausgabeeinheit für den vom ersten Werkstoff verschiedenen zweiten Werkstoff entfällt. Hierbei wird ausgenutzt, dass im Gegensatz zum Stand der Technik durch die erfindungsgemäße Verfahrensführung auch beim Einsatz identischer Werkstoffe keine Notwendigkeit für aufwendige mechanische Bearbeitungsverfahren, beispielsweise Trennverfahren, besteht. Bevorzugt ist daher ein erfindungsgemäßes Verfahren, wobei der erste Werkstoff und der zweite Werkstoff identisch sind. For the purpose of keeping the process as simple as possible and minimizing the complexity of the apparatus, the inventors believe that it has proven to be particularly advantageous to make the first material and the second material identical, since in this case, for example, there is a need for a further output unit for the output unit that is different from the first material second material is omitted. This takes advantage of the fact that, in contrast to the prior art, the method according to the invention means that there is no need for complex mechanical processing processes, for example separation processes, even when using identical materials. A method according to the invention is therefore preferred, wherein the first material and the second material are identical.
Beim Einsatz von unterschiedlichen Werkstoffen für die Ziel- und Stützstrukturen wird durch das erfindungsgemäße Verfahren in vorteilhafterweise eine höhere Flexibilität in der Materialauswahl erreicht, da der erste Werkstoff beispielsweise nicht in einem spezifischen Lösungsmittel lösbar sein muss, so dass beispielsweise besonders kostengünstige Materialien verwendet werden können. Bevorzugt ist insoweit beispielsweise ein erfindungsgemäßes Verfahren, wobei der erste Werkstoff im Wesentlichen unlöslich in Wasser ist. When using different materials for the target and support structures, the method according to the invention advantageously achieves greater flexibility in the choice of materials, since the first material, for example, does not have to be soluble in a specific solvent, so that, for example, particularly cost-effective materials can be used. In this respect, for example, a method according to the invention is preferred, wherein the first material is essentially insoluble in water.
In Übereinstimmung mit dem Wissen des Fachmannes erfordern die im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugten Schmelzbeschichtungsverfahren in den meisten Fällen das Temperieren der verwendeten Werkstoffe, um diese vor dem Austragen von einem festen Aggregatzustand in einen hinreichend flüssigen Aggregatzustand zu überführen. Der Fachmann versteht, dass die Beschaffenheit der im 3D-Druckverfahren verwendeten Materialien zum Zeitpunkt der Applikation in der Praxis gewissen Anforderungen unterliegt. Ein zu hoch temperierter Werkstoff, das heißt mit einer entsprechend niedrigen Viskosität, kann in einigen Fällen nach der Extrusion vor der Abkühlung seine Form unter Umständen nicht ausreichend erhalten. Ein zu niedrig temperierter Werkstoff, das heißt ein Material mit sehr hoher Viskosität, kann unter Umständen die Ausgabeeinheit verstopfen und/oder nur mit unzureichender Geschwindigkeit appliziert werden. Zudem sollten auch die im vorangegangen Austrageschritt erzeugten Strukturen zumindest so weit abgekühlt sein, dass sie den nachfolgenden Austrag ohne Deformation überstehen. In accordance with the knowledge of those skilled in the art, the melt coating processes preferred in the context of the present invention in most cases require tempering of the materials used in order to convert them from a solid state of matter into a sufficiently liquid state of matter before discharge. The expert understands that the nature of the materials used in the 3D printing process is subject to certain requirements in practice at the time of application. A material that is too hot, i.e. with a correspondingly low viscosity, In some cases, it may not retain its shape sufficiently after extrusion before cooling. A material whose temperature is too low, i.e. a material with a very high viscosity, can under certain circumstances clog the dispensing unit and/or can only be applied at an insufficient speed. In addition, the structures created in the previous discharge step should be cooled down at least to such an extent that they can survive the subsequent discharge without deformation.
Die Einstellung dieser Temperaturbereiche und die Wahl einer angepassten Verfahrensführung stellt für den Fachmann hinsichtlich der eingesetzten Werkstoffe in der Praxis keine größeren Probleme dar, da er mit dem Drucken dieser Werkstoffe vertraut ist und/oder die entsprechenden Parameter beispielsweise den Herstellerangaben entnehmen kann. Typisch ist insoweit ein erfindungsgemäßes Verfahren, wobei der erste Werkstoff und/oder der zweite Werkstoff beim Austrag eine Temperatur im Bereich von 130 bis 260 °C, bevorzugt im Bereich von 150 bis 240 °C, besonders bevorzugt im Bereich von 170 bis 220 °C, aufweisen. Setting these temperature ranges and choosing an adapted process does not pose any major problems in practice for the person skilled in the art with regard to the materials used, since he or she is familiar with printing these materials and/or can find the corresponding parameters, for example, from the manufacturer's information. What is typical in this respect is a method according to the invention, wherein the first material and/or the second material during discharge has a temperature in the range from 130 to 260 ° C, preferably in the range from 150 to 240 ° C, particularly preferably in the range from 170 to 220 ° C , exhibit.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung muss der Fachmann die Verfahrensparameter somit vor allem auf die Klebemasse abstimmen, insbesondere dann, wenn diese auch mit der 3D- Druckvorrichtung aufgebracht wird. Die jeweils optimalen Parameter werden in der Praxis erheblich von der chemischen Natur der Klebemassen abhängen. Als Orientierung für den Fachmann, von der ausgehend dieser geeignete Parameter im Rahmen von Routineexperimenten ermitteln kann, schlagen die Erfinder insoweit Temperaturbereiche vor, mit denen sich für die üblicherweise eingesetzten Klebemassen, insbesondere aber für die vorstehend offenbarten bevorzugten Synthesekautschukklebemassen, nach Erkenntnis der Erfinder zuverlässig leistungsfähige Verfahrensführungen realisieren lassen. Bevorzugt ist insoweit nämlich ein erfindungsgemäßes Verfahren, wobei die Klebemasse beim Applizieren eine Temperatur im Bereich von 110 bis 260 °C, bevorzugt im Bereich von 120 bis 200 °C, besonders bevorzugt im Bereich von 130 bis 180 °C, aufweisen. Bevorzugt ist zusätzlich oder alternativ auch ein erfindungsgemäßes Verfahren, wobei die mittlere Temperatur der Stützstruktur beim Applizieren der Klebemasse 120 °C oder weniger, bevorzugt 60 °C oder weniger, besonders bevorzugt 30 °C oder weniger beträgt. Bevorzugt ist alternativ oder zusätzlich ein erfindungsgemäßes Verfahren, wobei die mittlere Temperatur der Klebeschicht beim Aufbringen des zweiten Werkstoffes 120 °C oder weniger, bevorzugt 60 °C oder weniger, besonders bevorzugt 30 °C oder weniger beträgt. In the context of the present invention, the person skilled in the art must therefore adapt the process parameters primarily to the adhesive, especially if this is also applied using the 3D printing device. In practice, the optimal parameters will depend significantly on the chemical nature of the adhesives. As a guide for the person skilled in the art, from which he can determine suitable parameters in the context of routine experiments, the inventors suggest temperature ranges with which, according to the inventors' knowledge, reliably high performance for the adhesives commonly used, but in particular for the preferred synthetic rubber adhesives disclosed above Have procedures implemented. In this respect, preference is given to a method according to the invention, the adhesive having a temperature in the range from 110 to 260 ° C, preferably in the range from 120 to 200 ° C, particularly preferably in the range from 130 to 180 ° C, when applied. Additionally or alternatively, a method according to the invention is also preferred, wherein the average temperature of the support structure when applying the adhesive is 120 ° C or less, preferably 60 ° C or less, particularly preferably 30 ° C or less. Alternatively or additionally, a method according to the invention is preferred, wherein the average temperature of the adhesive layer when the second material is applied is 120 ° C or less, preferably 60 ° C or less, particularly preferably 30 ° C or less.
Der Fachmann versteht im Lichte der vorstehenden Ausführungen, dass die Erfindung ebenfalls die Verwendung einer Klebemasse in einem 3D-Druckverfahren als Zwischenschicht zwischen der zu druckenden Zielstruktur und einer oder mehreren Stützstrukturen, zur Verringerung des Aufarbeitungsaufwandes und/oder zur Steigerung der Oberflächenqualität bei der Vereinzelung der Zielstruktur betrifft. In light of the above statements, the person skilled in the art understands that the invention also includes the use of an adhesive in a 3D printing process Intermediate layer between the target structure to be printed and one or more support structures, to reduce the processing effort and / or to increase the surface quality when separating the target structure.
Offenbart wird zudem eine 3D-Druckvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfassend: i) eine erste Austragseinheit mit einem damit verbundenen ersten Materialversorgungssystem zur Bereitstellung eines ersten Werkstoffes an die erste Austragseinheit, ii) eine zweite Austragseinheit mit einem damit verbundenen zweiten Materialversorgungssystem zur Bereitstellung eines zweiten Werkstoffes an die zweite Austragseinheit, und iii) eine dritte Austragseinheit mit einem damit verbundenen dritten Materialversorgungssystem zur Bereitstellung einer Klebemasse an die dritte Austragseinheit. Also disclosed is a 3D printing device for carrying out the method according to the invention, comprising: i) a first discharge unit with a first material supply system connected thereto for providing a first material to the first discharge unit, ii) a second discharge unit with a second material supply system connected thereto for providing a second Material to the second discharge unit, and iii) a third discharge unit with an associated third material supply system for providing an adhesive to the third discharge unit.
Diese 3D-Druckvorrichtung ist besonders dafür geeignet, im erfindungsgemäßen Verfahren zwei unterschiedliche Werkstoffe und eine Klebemasse auszubringen. This 3D printing device is particularly suitable for delivering two different materials and an adhesive in the method according to the invention.
Der Fachmann versteht, dass die 3D-Druckvorrichtung bevorzugt zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in bevorzugten Ausführungsformen geeignet ist und insofern die für das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaften Merkmale ebenfalls umfasst. Bevorzugt ist daher insbesondere eine 3D-Druckvorrichtung, wobei die 3D-Druckvorrichtung eine Schmelzbeschichtungsvorrichtung ist. The person skilled in the art understands that the 3D printing device is preferably suitable for carrying out the method according to the invention in preferred embodiments and to this extent also includes the features that are advantageous for the method according to the invention. A 3D printing device is therefore particularly preferred, wherein the 3D printing device is a melt coating device.
Bevorzugt ist ebenfalls eine 3D-Druckvorrichtung, wobei die 3D-Druckvorrichtung eine oder mehrere Bewegungseinheiten zur Bewegung der ersten Austragseinheit, zweiten Austragseinheit und dritten Austragseinheit umfasst, bevorzugt ein oder mehrere Linearachsensysteme. Bevorzugt ist auch eine 3D-Druckvorrichtung, wobei die 3D- Druckvorrichtung ein Aufnahmesubstrat umfasst, das dazu eingerichtet ist, dass auf dessen Oberfläche durch die 3D-Druckvorrichtung dreidimensionale Strukturen erzeugt werden können. A 3D printing device is also preferred, wherein the 3D printing device comprises one or more movement units for moving the first discharge unit, second discharge unit and third discharge unit, preferably one or more linear axis systems. A 3D printing device is also preferred, wherein the 3D printing device comprises a receiving substrate which is set up so that three-dimensional structures can be generated on its surface by the 3D printing device.
Offenbart wird abschließend auch eine Zielstruktur, hergestellt oder herstellbar mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, beispielsweise eine Fahrzeugkomponente, die sich durch eine leichte Herstellbarkeit und eine vorteilhafte Oberflächenbeschaffenheit bereits nach kurzer Aufbereitung auszeichnet. Finally, a target structure is also disclosed that is produced or can be produced using the method according to the invention, for example a vehicle component, which is characterized by: is characterized by easy manufacturability and an advantageous surface quality after just a short preparation.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren näher erläutert und beschrieben. Dabei zeigen: Preferred embodiments of the invention are explained and described in more detail below with reference to the accompanying figures. Show:
Fig. 1 eine schematische Darstellung beispielhafter dreidimensionaler Stützstrukturen nach deren Erzeugung in einem erfindungsgemäßen Verfahren; 1 shows a schematic representation of exemplary three-dimensional support structures after their production in a method according to the invention;
Fig. 2 eine schematische Darstellung beispielhafter präparierter Stützstrukturen nach Applikation einer oberflächlichen Klebeschicht in einem erfindungsgemäßen Verfahren; 2 shows a schematic representation of exemplary prepared support structures after application of a surface adhesive layer in a method according to the invention;
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer in einem erfindungsgemäßen Verfahren auf den präparierten Stützstrukturen erzeugten dreidimensionalen Zielstruktur; und 3 shows a schematic representation of a three-dimensional target structure produced on the prepared support structures in a method according to the invention; and
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer in einem erfindungsgemäßen Verfahren vereinzelten Zielstruktur sowie der von der Zielstruktur abgelösten Stützstrukturen. 4 shows a schematic representation of a target structure isolated in a method according to the invention and of the support structures detached from the target structure.
Fig. 1 zeigt eine schematische und aus Gründen der Übersichtlichkeit stark vereinfachte Seitendarstellung von Stützstrukturen 10a, 10b, 10c aus einem ersten Werkstoff, wie sie in einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen einer dreidimensionalen Zielstruktur 18 mit einer 3D-Druckvorrichtung in Verfahrensschritt a) hergestellt werden können, wobei die Stützstrukturen 10a-c in der Praxis zumeist gemeinsam, d.h. parallel schichtweise, mit der Zielstruktur 18 erzeugt werden. Der Fachmann versteht, dass in der Praxis zumeist eine viel größere Anzahl an deutlich filigranerem Stützstrukturen 10a, 10b, 10c eingesetzt werden wird, die häufig auch untereinander verbunden sind, um die nötige Stabilität für das Abstützen der Zielstruktur 18 zu gewährleisten. Fig. 1 shows a schematic and, for reasons of clarity, greatly simplified side view of support structures 10a, 10b, 10c made of a first material, as can be produced in a method according to the invention for producing a three-dimensional target structure 18 with a 3D printing device in method step a). , whereby in practice the support structures 10a-c are usually produced together, i.e. in parallel layers, with the target structure 18. The person skilled in the art understands that in practice a much larger number of significantly more delicate support structures 10a, 10b, 10c will usually be used, which are often also connected to one another in order to ensure the necessary stability for supporting the target structure 18.
Das durch die Figuren visualisierte beispielhafte erfindungsgemäße Verfahren ist ein Schmelzbeschichtungsverfahren, wobei die Stützstrukturen 10a-c mittels einer ersten Austragseinheit der 3D-Druckvorrichtung gedruckt wurden, welche dazu eingerichtet ist, den ersten Werkstoff zu applizieren. Der erste Werkstoff ist im beispielhaften erfindungsgemäßen Verfahren Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer (ABS). The exemplary method according to the invention visualized by the figures is a melt coating method, wherein the support structures 10a-c were printed using a first discharge unit of the 3D printing device, which is set up to apply the first material. In the exemplary process according to the invention, the first material is acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer (ABS).
In Fig. 2 wird der Verfahrensschritt b) visualisiert, d.h. dass auf die Stützstrukturen 10a-c der Fig. 1 eine Klebemasse appliziert wird, nämlich jeweils auf einen Teilabschnitt 12a, 12b, 12c sämtlicher Stützstrukturen 10a-c, um dadurch präparierte Stützstrukturen 14a, 14b, 14c zu erhalten, die an ihrer Spitze mit einer oberflächlichen Klebeschicht 16a, 16b, 16c versehen sind. Die Klebemasse wird dabei im beispielhaften erfindungsgemäßen Verfahren mittels einer zweiten Austragseinheit der gleichen Schmelzbeschichtungsvorrichtung in einem einlagigen Austrag appliziert, wobei die Klebeschichten 16a-c im gezeigten Beispiel der Fig. 2 jeweils eine Schichtdicke von etwa 0,35 mm aufweisen. Im beispielhaften erfindungsgemäßen Verfahren ist die Klebemasse jeweils eine Haftklebemasse, nämlich eine Synthesekautschukklebemasse, deren Polymersystem im Wesentlichen aus Synthesekautschuk besteht. Die Applikation erfolgt im beispielhaften erfindungsgemäßen Verfahren bei einer Temperatur im Bereich von 130 bis 180 °C, wobei das beispielhafte erfindungsgemäße Verfahren so geführt wird, dass die Temperatur der Stützstrukturen 10a-c zu diesem Zeitpunkt im Wesentlichen schon der Raumtemperatur entspricht. Method step b) is visualized in FIG all support structures 10a-c, in order to thereby obtain prepared support structures 14a, 14b, 14c, which are provided at their tip with a superficial adhesive layer 16a, 16b, 16c. In the exemplary method according to the invention, the adhesive is applied in a single-layer discharge by means of a second discharge unit of the same melt coating device, the adhesive layers 16a-c in the example shown in FIG. 2 each having a layer thickness of approximately 0.35 mm. In the exemplary method according to the invention, the adhesive is in each case a pressure-sensitive adhesive, namely a synthetic rubber adhesive, the polymer system of which essentially consists of synthetic rubber. In the exemplary method according to the invention, the application takes place at a temperature in the range from 130 to 180 ° C, the exemplary method according to the invention being carried out in such a way that the temperature of the support structures 10a-c at this point essentially already corresponds to room temperature.
Die Fig. 3 zeigt nunmehr die zuvor präparierten Stützstrukturen 14a-c der Fig. 2 mit einer auf den präparierten Stützstrukturen 14a-c erzeugten dreidimensionalen Zielstruktur 18, welche durch die präparierten Stützstrukturen 14a-c abgestützt wird. Die Zielstruktur 18 ist dabei abschnittsweise auf den Klebeschichten 16a-c der präparierten Stützstrukturen 14a-c angeordnet, sodass der Überhang der im Beispiel gezeigten Zielstruktur 18 nicht abbrechen oder anderweitig beschädigt werden kann, da die präparierten Stützstrukturen 14a-c als Stabilisierung der Zielstruktur 18 dienen, wobei die Stützstrukturen 10a, 10b, 10c jeweils über die Klebeschichten 16a-c mit der Zielstruktur 18 verbunden sind. 3 now shows the previously prepared support structures 14a-c of FIG. 2 with a three-dimensional target structure 18 generated on the prepared support structures 14a-c, which is supported by the prepared support structures 14a-c. The target structure 18 is arranged in sections on the adhesive layers 16a-c of the prepared support structures 14a-c, so that the overhang of the target structure 18 shown in the example cannot break off or be otherwise damaged, since the prepared support structures 14a-c serve to stabilize the target structure 18 , wherein the support structures 10a, 10b, 10c are each connected to the target structure 18 via the adhesive layers 16a-c.
Die Zielstruktur 18 besteht im gezeigten Beispiel aus einem zweiten Werkstoff, nämlich Polylactid (PLA), welcher im beispielhaften erfindungsgemäßen Verfahren so über eine dritte Austragseinheit der Schmelzbeschichtungsvorrichtung appliziert wird, dass kein Kontakt zwischen dem ersten Werkstoff und dem zweiten Werkstoff entsteht. Insoweit werden also die Zielstruktur 18 und die Stützstrukturen 10a-c durch die Klebeschichten 16a-c vollständig voneinander separiert. In the example shown, the target structure 18 consists of a second material, namely polylactide (PLA), which in the exemplary method according to the invention is applied via a third discharge unit of the melt coating device in such a way that no contact occurs between the first material and the second material. In this respect, the target structure 18 and the support structures 10a-c are completely separated from one another by the adhesive layers 16a-c.
Die Fig. 4 visualisiert abschließend den Verfahrensschritt d) des beispielhaften erfindungsgemäßen Verfahrens und zeigt die vereinzelte Zielstruktur 18 und die von der Zielstruktur 18 abgelösten Stützstrukturen 10a-c. Im Rahmen des beispielhaften erfindungsgemäßen Verfahrens wurde die Verbindung zwischen der Zielstruktur 18 und den jeweiligen Stützstrukturen 10a-c unter Ausnutzung des „Stipping-Effekts“ durch ein Verstrecken der Synthesekautschukklebemasse der Klebeschichten 16a-c befördert, so dass die Stützstrukturen 10a-c unter geringer Kraftanwendung abgezogen werden können, beispielsweise manuell, so dass lediglich noch ggf. an der Zielstruktur 18 anhaftende Klebemasse entfernt werden muss, was beispielsweise durch Abziehen oder Abreiben erfolgen kann. 4 finally visualizes method step d) of the exemplary method according to the invention and shows the isolated target structure 18 and the support structures 10a-c detached from the target structure 18. As part of the exemplary method according to the invention, the connection between the target structure 18 and the respective support structures 10a-c was promoted using the “stipping effect” by stretching the synthetic rubber adhesive of the adhesive layers 16a-c, so that the support structures 10a-c with little application of force can be deducted, For example, manually, so that only any adhesive that may be adhering to the target structure 18 needs to be removed, which can be done, for example, by peeling or rubbing.
In dem beispielhaften erfindungsgemäßen Verfahren werden die derart abgezogenen Stützstrukturen 10a-c von etwaigen Resten der Klebemasse befreit und anschließend recyclisiert, so dass sie als erster Werkstoff wiederverwertet werden können. In the exemplary method according to the invention, the support structures 10a-c removed in this way are freed from any residues of the adhesive and then recycled so that they can be reused as the first material.
BezuqszeichenlisteReference character list
10a-c Stützstruktur 10a-c support structure
12a-c Teilabschnitt 12a-c subsection
14a-c präparierte Stützstruktur 16a-c Klebeschicht 14a-c prepared support structure 16a-c adhesive layer
18 Zielstruktur 18 Target structure

Claims

Ansprüche Expectations
1. Verfahren zum Herstellen einer dreidimensionalen Zielstruktur mit einer 3D- Druckvorrichtung, umfassend die Verfahrensschritte: a) Erzeugen zumindest einer dreidimensionalen Stützstruktur (10a-c) mit der 3D- Druckvorrichtung durch Austrag zumindest eines ersten Werkstoffes, b) Applizieren einer Klebemasse auf einen Teilabschnitt (12a-c) der Oberfläche der Stützstruktur (10a-c) zum Erhalt einer präparierten Stützstruktur (14a-c) mit einer oberflächlichen Klebeschicht (16a-c), c) Erzeugen einer dreidimensionalen Zielstruktur (18) mit der 3D-Druckvorrichtung durch Austrag zumindest eines zweiten Werkstoffes, wobei der zweite Werkstoff zumindest teilweise auf die Klebeschicht (14a-c) der präparierten Stützstruktur (14a-c) aufgebracht wird, und d) Ablösen der Stützstruktur (10a-c) von der Zielstruktur (18) im Bereich der Klebeschicht (16a-c). 1. A method for producing a three-dimensional target structure with a 3D printing device, comprising the method steps: a) generating at least one three-dimensional support structure (10a-c) with the 3D printing device by discharging at least a first material, b) applying an adhesive to a partial section (12a-c) the surface of the support structure (10a-c) to obtain a prepared support structure (14a-c) with a superficial adhesive layer (16a-c), c) generating a three-dimensional target structure (18) with the 3D printing device by discharge at least one second material, the second material being at least partially applied to the adhesive layer (14a-c) of the prepared support structure (14a-c), and d) detaching the support structure (10a-c) from the target structure (18) in the area of Adhesive layer (16a-c).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die Klebeschicht (16a-c) der präparierten Stützstruktur (14a-c) eine mittlere Schichtdicke im Bereich von 0,01 bis 5 mm aufweist. 2. The method according to claim 1, wherein the adhesive layer (16a-c) of the prepared support structure (14a-c) has an average layer thickness in the range of 0.01 to 5 mm.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Klebemasse mittels der 3D- Druckvorrichtung appliziert wird. 3. The method according to any one of claims 1 or 2, wherein the adhesive is applied using the 3D printing device.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Zielstruktur (18) so erzeugt wird, dass der zweite Werkstoff so auf die präparierte Stützstruktur (14a-c) aufgebracht wird, dass kein Kontakt zwischen dem ersten Werkstoff und dem zweiten Werkstoff entsteht. 4. The method according to any one of claims 1 to 3, wherein the target structure (18) is produced in such a way that the second material is applied to the prepared support structure (14a-c) in such a way that no contact occurs between the first material and the second material .
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Ablösen der Stützstruktur (10a-c) von der Zielstruktur (18) durch ein Verstrecken der Klebemasse in der Klebeschicht (16a-c) befördert oder bewirkt wird. 5. The method according to any one of claims 1 to 4, wherein the detachment of the support structure (10a-c) from the target structure (18) is promoted or effected by stretching the adhesive in the adhesive layer (16a-c).
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der erste Werkstoff der in Verfahrensschritt d) abgelösten Stützstruktur (10a-c) wiederverwertet wird. 6. The method according to any one of claims 1 to 5, wherein the first material of the support structure (10a-c) detached in method step d) is recycled.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der erste Werkstoff und der zweite Werkstoff identisch sind. 7. The method according to any one of claims 1 to 6, wherein the first material and the second material are identical.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Klebemasse eine Haftklebemasse ist. 8. The method according to any one of claims 1 to 7, wherein the adhesive is a pressure-sensitive adhesive.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Klebemasse ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Synthesekautschukklebemassen. 9. The method according to any one of claims 1 to 8, wherein the adhesive is selected from the group consisting of synthetic rubber adhesives.
10. Verwendung einer Klebemasse in einem 3D-Druckverfahren als Zwischenschicht zwischen der zu druckenden Zielstruktur und einer oder mehreren Stützstrukturen, zur Verringerung des Aufarbeitungsaufwandes und/oder zur Steigerung der Oberflächenqualität bei der Vereinzelung der Zielstruktur. 10. Use of an adhesive in a 3D printing process as an intermediate layer between the target structure to be printed and one or more support structures, to reduce the processing effort and/or to increase the surface quality when separating the target structure.
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