DE102011082873A1 - Device for manufacturing three-dimensional mold parts for e.g. prototyping, has installation space, where layer of powder material is solidifyable by adding binder to layers of mold part and low pressure is generated in installation space - Google Patents

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    • B29C64/10—Processes of additive manufacturing
    • B29C64/165—Processes of additive manufacturing using a combination of solid and fluid materials, e.g. a powder selectively bound by a liquid binder, catalyst, inhibitor or energy absorber
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor

Abstract

The device has a building platform (22) provided in an installation space (20), where a layer of powder material (10) i.e. polymethyl methacrylate, is applied on the platform and solidifyable by adding a binder (11) to layers (12) of a mold part (13). The installation space is upwardly open so that the powder material and binder are applied through an opening in the installation space, where low pressure (Pu) is generated in the installation space. The low pressure is reduced with respect to ambient pressure about a difference in pressure within range of 950 megabar and 900 megabar. An independent claim is also included for a layer construction method for manufacturing three-dimensional mold parts.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Herstellen von dreidimensionalen Formteilen in einem Schichtbauverfahren sowie ein Schichtbauverfahren zum Herstellen von dreidimensionalen Formteilen.The invention relates to a device for producing three-dimensional molded parts in a layer construction method and to a layer construction method for producing three-dimensional molded parts.

Zur Herstellung von Prototypen sowie zur Herstellung von Serienbauteilen in Kleinstserien, bedient man sich sogenannter additiver Produktionsverfahren, wie beispielsweise dem 3D-Drucken. Diese Technologien ermöglichen die Herstellung komplexer Produkte, die aufwändige Geometrien aufweisen, bei denen zum Beispiel Hinterschneidungen vorkommen können, ohne dass aufwändige Werkzeuge hergestellt werden müssen. Die Fertigung dieser Produkte erfolgt nur anhand von CAD-Daten. Auf einer Bauplattform wird eine dünne Schicht Kunststoffpulver aufgetragen, die anschließend verfestigt wird. Die Verfestigung erfolgt durch Aufbringen eines Fluids, dem sogenannten Binder, auf das Kunststoffpulver. Nur solche Bereiche des Kunststoffpulvers werden verfestigt, die mit dem Binder in Kontakt kommen, wodurch einzelne dünnschichtige vorbestimmte Kunststoffstrukturen erzeugt werden. Dadurch lassen sich verschiedene Schichten mit unterschiedlicher Form verfestigen, wodurch dreidimensionale Formteile erzeugbar sind, die komplexe Geometrien aufweisen. Nachdem eine erste Schicht in vorbestimmten Bereichen selektiv verfestigt wurde, wird eine neue Schicht Pulvermaterial aufgetragen und ebenfalls mit Binder in vorbestimmten Bereichen in Kontakt gebracht, so dass die Bereiche der zweiten Schicht ebenfalls verfestigt werden. Die verfestigten Bereiche der unterschiedlichen Schichten haften dabei auch untereinander. Die eingangs beschriebenen Verfahrensschritte werden so oft wiederholt, bis das Formteil fertig hergestellt wurde. Ein solches Verfahren ist beispielsweise in der EP 1 638 758 B1 beschrieben. Als problematisch erweisen sich bei solchen Herstellungsverfahren die unvollständige Polymerisation sowie auch die unzureichende Adhäsion der Pulverpartikel untereinander. Messungen haben ergeben, dass zwischen 5% und 10% der Pulverpartikel des Kunststoffpulvers keine Verbindung zur vorhergehenden verfestigten Schicht aufweisen. Dies resultiert in Formteilen aus Kunststoff mit geringen mechanischen Eigenschaften.For the production of prototypes as well as for the production of serial components in very small series, so-called additive production processes are used, such as 3D printing. These technologies enable the production of complex products that have elaborate geometries, such as undercuts, without the need for elaborate tools. The production of these products is based on CAD data only. On a construction platform, a thin layer of plastic powder is applied, which is then solidified. The solidification takes place by applying a fluid, the so-called binder, to the plastic powder. Only those portions of the plastic powder are solidified which come into contact with the binder, whereby individual thin-layer predetermined plastic structures are produced. As a result, different layers can be solidified with different shape, whereby three-dimensional moldings can be generated, which have complex geometries. After a first layer is selectively solidified in predetermined areas, a new layer of powder material is applied and also contacted with binders in predetermined areas, so that the areas of the second layer are also solidified. The solidified areas of the different layers also stick together. The process steps described above are repeated until the molding has been finished. Such a method is for example in the EP 1 638 758 B1 described. The incomplete polymerization and also the insufficient adhesion of the powder particles to one another prove to be problematic in such production methods. Measurements have shown that between 5% and 10% of the powder particles of the plastic powder have no connection to the previous solidified layer. This results in moldings made of plastic with low mechanical properties.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit dem bzw. der die Nachteile des Standes der Technik überwunden werden. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, bei der eine besonders gute Verbindung zwischen den einzelnen Schichten des Kunststoffpulvers realisierbar ist.The object of the invention is to provide a method and a device with which or the disadvantages of the prior art are overcome. It is another object of the invention to provide a method and an apparatus in which a particularly good connection between the individual layers of the plastic powder can be realized.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung eine Vorrichtung zum Herstellen von dreidimensionalen Formteilen in einem Schichtbauverfahren, insbesondere in einem 3D-Druckverfahren, vor, mit einem Bauraum, in dem eine Bauplattform vorgesehen ist, auf der Pulvermaterial anordenbar ist, das durch Zugabe eines Binders zu Schichten eines Formteils verfestigbar ist. Dabei kann zumindest in dem Bauraum ein Unterdruck erzeugbar sein. Hierfür kann die Vorrichtung in einem Behältnis oder einer Kammer angeordnet sein, in dem/der ein Unterdruck erzeugbar ist. Durch die Verarbeitung, d. h. die Zugabe des Binders bei Unterdruck, lässt sich die Adhäsion der Pulverpartikel untereinander verbessern, da weniger Lufteinschlüsse zwischen den Pulverpartikeln erzeugt werden und somit eine bessere Durchsetzung mit Binder realisiert wird.To solve this problem, the invention proposes a device for producing three-dimensional molded parts in a layer construction method, in particular in a 3D printing process, with a space in which a construction platform is provided on the powder material can be arranged, which by adding a binder to Layers of a molded part is solidifiable. In this case, a negative pressure can be generated at least in the space. For this purpose, the device can be arranged in a container or a chamber in which / a negative pressure can be generated. By processing, d. H. the addition of the binder under reduced pressure, the adhesion of the powder particles with each other can be improved, since less air bubbles are created between the powder particles and thus a better enforcement with binder is realized.

Darüber hinaus kann in dem Bauraum ein Unterdruck im Bereich von 980 mBar bis 750 mBar, bevorzugt im Bereich von 970 mBar bis 850 mBar und besonders bevorzugt im Bereich von 950 mBar bis 900 mBar erzeugt werden. In diesen Druckbereichen ist eine besonders gute Adhäsion der Pulverpartikel untereinander erzielbar, wobei gleichzeitig die Erzeugung der einzelnen Pulverschichten, d. h. das Auftragen des Pulvermaterials durch die Unterdruckerzeugungseinrichtung, am wenigsten beeinflusst wird. Die Unterdruckerzeugungseinrichtung kann beispielsweise als Absaugung oder Absaugpumpe ausgebildet sein.In addition, a negative pressure in the construction space in the range of 980 mbar to 750 mbar, preferably in the range of 970 mbar to 850 mbar and particularly preferably in the range of 950 mbar to 900 mbar can be generated. In these pressure ranges, a particularly good adhesion of the powder particles to each other can be achieved, at the same time the production of the individual powder layers, d. H. the application of the powder material by the vacuum generating device is least affected. The negative pressure generating device may be formed, for example, as a suction or suction pump.

Alternativ oder zusätzlich kann in dem Bauraum ein Vakuum erzeugbar sein.Alternatively or additionally, a vacuum can be generated in the installation space.

In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Schichtbauverfahren zum Herstellen von dreidimensionalen Formteilen aus Pulvermaterialien mit den Schritten Erzeugen einer Schicht aus Pulvermaterial, Auftragen eines Binders auf vorbestimmte Bereiche der Schicht aus Pulvermaterial, wobei durch den Binder das Pulvermaterial in den vorbestimmten Bereichen verfestigt wird, Erzeugen einer weiteren Schicht aus Pulvermaterial auf der vorherigen Schicht, wobei sowohl verfestigte wie auch nicht verfestigte Bereiche mit Pulvermaterial bedeckt werden und Wiederholung der zuvor genannten Schritte. Bei diesem Verfahren kann die Zugabe des Binders bei Unterdruck erfolgen.In a further aspect, the invention relates to a layer construction method for producing three-dimensional molded parts from powder materials comprising the steps of forming a layer of powder material, applying a binder to predetermined areas of the layer of powder material, whereby the binder solidifies the powder material in the predetermined areas another layer of powder material on the previous layer, covering both solidified and non-solidified areas with powder material, and repeating the aforementioned steps. In this method, the addition of the binder can be carried out at reduced pressure.

Weiterhin kann die Zugabe des Binders bei einem Unterdruck im Bereich von 980 mBar bis 750 mBar, bevorzugt im Bereich von 970 mBar bis 850 mBar und besonders bevorzugt im Bereich von 950 mBar bis 900 mBar erfolgen.Furthermore, the addition of the binder can be carried out at a reduced pressure in the range from 980 mbar to 750 mbar, preferably in the range from 970 mbar to 850 mbar and particularly preferably in the range from 950 mbar to 900 mbar.

Darüber hinaus kann zusätzlich oder alternativ die Zugabe des Binders unter Vakuum erfolgen.In addition, additionally or alternatively, the addition of the binder can be carried out under vacuum.

Die im Vorhergehenden gemachten Angaben betreffen einen Unterdruck, der auf den atmosphärischen Umgebungsdruck bezogen ist. Der besonders bevorzugte Bereich von ca. 950 mBar bis 900 mBar Unterdruck entspricht demnach einem Absolutdruck im Bereich von ca. 50 mBar bis 100 mBar, wenn für den Umgebungsdruck ein Wert von ca. 1 Bar angenommen wird. Mit anderen Worten: der Druck in dem Bauraum bzw. in der Kammer wird gegenüber einem Umgebungsdruck um eine Druckdifferenz im Bereich von 980 mBar bis 750 mBar, bevorzugt um 970 mBar bis 850 mBar und besonders bevorzugt um 950 mBar bis 900 mBar reduziert. Wiederum mit anderen Worten ausgedrückt, herrscht in dem Behälter bei diesen Druckverhältnisses ein Vakuum von ca. 98% bis 75%, bevorzugt von 97% bis 85% und besonders bevorzugt von 90% bis 95%. Die entsprechende Umrechnung gilt ohne Einschränkung auch für die anderen oben angegebenen Druckbereiche. Die Bereichsangaben umfassen auch die angegebenen Randwerte.The above information refers to a negative pressure related to the atmospheric pressure. The special The preferred range of about 950 mbar to 900 mbar vacuum corresponds to an absolute pressure in the range of about 50 mbar to 100 mbar, if a value of about 1 bar is assumed for the ambient pressure. In other words, the pressure in the installation space or in the chamber is reduced by a pressure difference in the range from 980 mbar to 750 mbar, preferably by 970 mbar to 850 mbar and particularly preferably by 950 mbar to 900 mbar, compared to an ambient pressure. In other words, in the container at this pressure ratio, there is a vacuum of about 98% to 75%, preferably 97% to 85% and most preferably 90% to 95%. The corresponding conversion also applies without restriction to the other pressure ranges specified above. The range information also includes the specified marginal values.

Im Folgenden sollen die Vorteile der vorliegenden Erfindung kurz zusammengefasst werden. Indem die Zugabe des Binders nicht unter atmosphärischen Bedingungen, sondern bei Unterdruck bzw. im Vakuum erfolgt, lässt sich eine bessere Durchsetzung des Bauteils mit dem Binder erreichen. Dies führt dazu, dass sich die einzelnen Partikel des Kunststoffpulvermaterials besser miteinander verbinden, d. h. stärker aneinander haften und sich dadurch Bauteile mit höheren mechanischen Eigenschaften, besserer Oberflächenqualität ergeben. Darüber hinaus kann auch der Aufwand für die Nachbehandlung des Bauteils, d. h. dessen Nachbearbeitung, reduziert werden.In the following, the advantages of the present invention will be briefly summarized. By adding the binder not under atmospheric conditions but under vacuum or in a vacuum, a better penetration of the component with the binder can be achieved. This leads to the fact that the individual particles of the plastic powder material connect better with each other, d. H. adhere more strongly to each other and thereby result in components with higher mechanical properties, better surface quality. In addition, the cost of post-treatment of the component, d. H. whose post-processing, be reduced.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Figurenbeschreibung näher erläutert. Die Ansprüche, die Figuren und die Beschreibung enthalten eine Vielzahl von Merkmalen, die im Folgenden im Zusammenhang mit beispielhaft beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erläutert werden. Der Fachmann wird diese Merkmale auch einzeln und in anderer Kombination betrachten, um weitere Ausführungsformen zu bilden, die an entsprechende Anwendungen der Erfindung angepasst sind.The invention will be explained in more detail with reference to the description of the figures. The claims, the figures, and the description include a variety of features that will be discussed below in conjunction with exemplary embodiments of the present invention. The person skilled in the art will also consider these features individually and in a different combination in order to form further embodiments which are adapted to corresponding applications of the invention.

Es zeigt in schematischer Darstellung die einzige 1 den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Herstellvorrichtung.It shows in a schematic representation the only one 1 the basic structure of a manufacturing device according to the invention.

In 1 ist ein Bauraum 20 abgebildet, der nach unten von einer Bauplattform 22 und seitlich von einer Wandung 24 begrenzt wird. Die Bauplattform 22 ist mit einem Stempel 21 verbunden und dadurch in Z-Richtung verschieblich gelagert. Somit kann die Bauplattform 22 entlang des dargestellten Doppelpfeils Z auf- und abwärts bewegt werden. Der Bauraum 20 ist in 1 nach oben hin offen, so dass Pulvermaterial 10 und Binder 11 durch die Öffnung in den Bauraum 20 eingebracht werden kann.In 1 is a space 20 pictured, the down from a build platform 22 and laterally from a wall 24 is limited. The construction platform 22 is with a stamp 21 connected and thereby displaceably mounted in the Z direction. Thus, the build platform 22 be moved up and down along the double arrow Z shown. The installation space 20 is in 1 open at the top so that powder material 10 and binder 11 through the opening in the installation space 20 can be introduced.

Als Pulvermaterial 10 eignen sich Kunststoffe wie Polypor-PMMA. Ferner können auch Mischungen aus Kunststoff- und Metallpartikeln als Pulvermaterial 10 Verwendung finden.As a powder material 10 Plastics such as polypor PMMA are suitable. Furthermore, mixtures of plastic and metal particles as powder material 10 Find use.

Auf einer in 1 dargestellten oberen Oberfläche der Bauplattform 22 wird eine erste Sicht Pulvermaterial 10 aufgebracht. Bei diesem Pulvermaterial 10 handelt es sich um Kunststoffpulver, das durch Aufbringen eines Binders 11 polymerisiert, d. h. verfestigt werden kann. Anschließend wird eine neue Schicht Pulvermaterial 10 auf die zuvor erzeugte Schicht aufgetragen und bestimmte Bereich dieser neuen Schicht durch Binder 11 verfestigt. Durch Auftragen des Binders 11 aus einer Ausgabeeinrichtung 25 können einzelne Bereiche der Pulvermaterialschichten 10 zu Schichten 12, 12', 12'' verfestigt werden. Dabei verbinden sich Pulverpartikel einer Schicht zum Einen untereinander und zum Anderen auch mit bereits vorab verfestigten darunterliegenden Schichten. In 1 ist der Verfahrensschritt gezeigt, in dem gerade ein Binder 11 aufgetragen wird, um eine weitere Schicht 12 zu erzeugen, oberhalb bereits verfestigter Schichten 12', 12''.On a in 1 illustrated upper surface of the build platform 22 will be a first view powder material 10 applied. In this powder material 10 it is plastic powder by applying a binder 11 polymerized, that can be solidified. Subsequently, a new layer of powder material 10 applied to the previously produced layer and certain area of this new layer by binder 11 solidified. By applying the binder 11 from an output device 25 can individual areas of the powder material layers 10 to layers 12 . 12 ' . 12 '' be solidified. In this case, powder particles of a layer connect to each other on the one hand, and on the other hand to already previously solidified underlying layers. In 1 the process step is shown in which just a binder 11 is applied to another layer 12 to produce above already solidified layers 12 ' . 12 '' ,

Wie aus 1 ersichtlich ist, befindet sich die gesamte Vorrichtung in einer Kammer 26 bzw. einem Behältnis 26, in dem ein Unterdruck PU erzeugbar ist. Der Unterdruck PU kann dabei kontinuierlich aufrechterhalten werden oder nur in dem Zeitintervall erzeugt werden, in dem gerade der Binder 11 auf das Pulvermaterial 10 aufgebracht wird. Die Erzeugung des Formteils 13 erfolgt gemäß einem Schichtbauverfahren, wie eingangs mit Bezug zum Stand der Technik beschrieben. Nachdem alle Schichten 12 erzeugt wurden, kann das Formteil 13 aus der Vorrichtung entnommen werden und nicht verfestigtes Pulvermaterial 10 recycelt werden, d. h. in einem neuen Schichtbauverfahren verwendet werden. Durch sukzessives, d. h. schichtweises Absenken der Bauplattform 22 können entsprechend hohe Formteile 13 erzeugt werden.How out 1 it can be seen, the entire device is in a chamber 26 or a container 26 , in which a negative pressure P U can be generated. The negative pressure P U can be maintained continuously or generated only in the time interval in which just the binder 11 on the powder material 10 is applied. The production of the molding 13 is carried out according to a layer construction method, as initially described with reference to the prior art. After all layers 12 were generated, the molding can 13 are removed from the device and non-solidified powder material 10 be recycled, ie used in a new layer construction process. By successive, ie layer by layer lowering of the construction platform 22 can correspondingly high moldings 13 be generated.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • EP 1638758 B1 [0002] EP 1638758 B1 [0002]

Claims (6)

Vorrichtung zum Herstellen von dreidimensionalen Formteilen (13) in einem Schichtbauverfahren, insbesondere in einem 3D-Druckverfahren, mit: – einem Bauraum (20), in dem eine Bauplattform (22) vorgesehen ist, auf der Pulvermaterial (10) anordenbar ist, das durch Zugabe eines Binders (11) zu Schichten (12) eines Formteils (13) verfestigbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in dem Bauraum (20) ein Unterdruck (PU) erzeugbar ist.Device for producing three-dimensional molded parts ( 13 ) in a layer construction method, in particular in a 3D printing method, with: - a construction space ( 20 ), in which a build platform ( 22 ) is provided on the powder material ( 10 ) can be arranged, which by addition of a binder ( 11 ) to layers ( 12 ) of a molded part ( 13 ) is solidified, characterized in that at least in the space ( 20 ) A negative pressure (P U ) can be generated. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Bauraum (20) ein Unterdruck erzeugbar ist, der gegenüber einem Umgebungsdruck um eine Druckdifferenz im Bereich von 980 mBar bis 750 mBar, bevorzugt um 970 mBar bis 850 mBar und besonders bevorzugt um 950 mBar bis 900 mBar reduziert ist.Apparatus according to claim 1, characterized in that in the space ( 20 ) a negative pressure can be generated, which is reduced relative to an ambient pressure by a pressure difference in the range of 980 mbar to 750 mbar, preferably 970 mbar to 850 mbar, and more preferably 950 mbar to 900 mbar. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Bauraum (20) ein Vakuum erzeugbar ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that in the space ( 20 ) A vacuum can be generated. Schichtbauverfahren zum Herstellen von dreidimensionalen Formteilen (13) aus Pulvermaterial (10) mit den Schritten: – Auftragen eines Binders (11) auf vorbestimmte Bereiche einer Schicht aus Pulvermaterial (10), wobei durch den Binder (11) das Pulvermaterial (10) in den vorbestimmten Bereichen verfestigt wird, – Erzeugen einer weiteren Schicht aus Pulvermaterial (10) auf der vorherigen Schicht, wobei sowohl verfestigte wie auch nicht verfestigte Bereiche mit Pulvermaterial bedeckt werden und Wiederholung der beiden zuvor genannten Schritte, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugabe des Binders (11) bei Unterdruck erfolgt.Layer construction method for producing three-dimensional molded parts ( 13 ) of powder material ( 10 ) with the steps: - applying a binder ( 11 ) on predetermined areas of a layer of powder material ( 10 ), whereby by the binder ( 11 ) the powder material ( 10 ) is solidified in the predetermined areas, - producing a further layer of powder material ( 10 ) on the previous layer, wherein both solidified and non-solidified areas are covered with powder material and repetition of the two aforementioned steps, characterized in that the addition of the binder ( 11 ) takes place under reduced pressure. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugabe des Binders (11) bei einem Unterdruck erfolgt, der gegenüber einem Umgebungsdruck um eine Druckdifferenz im Bereich von 980 mBar bis 750 mBar, bevorzugt um 970 mBar bis 850 mBar und besonders bevorzugt um 950 mBar bis 900 mBar reduziert ist.Process according to claim 4, characterized in that the addition of the binder ( 11 ) is carried out at a negative pressure which is reduced from ambient pressure by a pressure difference in the range of 980 mbar to 750 mbar, preferably 970 mbar to 850 mbar and more preferably 950 mbar to 900 mbar. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugabe des Binders (11) unter Vakuum erfolgt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the addition of the binder ( 11 ) under vacuum.
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