DE102017221664A1 - Process and device for the generative production of a workpiece by melt stratification with structural reinforcement by ejection of channel-like hollow structures - Google Patents

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Thorsten Plugge
Max Ehleben
Maurice Bitterlich
Yow Hwui Low
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur generativen Fertigung eines Werkstücks (200) nach der Schmelzschicht-Methode, wobei das zu fertigende Werkstück (200) schichtweise aus einem ersten Kunststoff (K1) aufgebaut wird. Erfindungsgemäß werden während des Aufbaus des Werkstücks (200) die Schichten (210) mit übereinanderliegenden Leerstellen (211) ausgebildet, sodass sich durch die betreffenden Schichten (210) erstreckende Kanäle (212) ergeben, die mit einem zweiten Kunststoff (K2) ausgespritzt werden.
Die Erfindung betrifft ferner eine zur Ausführung dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung (100).

Figure DE102017221664A1_0000
The invention relates to a method for the generative production of a workpiece (200) according to the melt layer method, wherein the workpiece to be produced (200) is built up in layers from a first plastic (K1). According to the invention, the layers (210) are formed with superimposed vacancies (211) during the construction of the workpiece (200), so that through the respective layers (210) extending channels (212) result, which are injected with a second plastic (K2).
The invention further relates to a device (100) suitable for carrying out this method.
Figure DE102017221664A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur generativen Fertigung eines Werkstücks nach der Schmelzschicht-Methode.The invention relates to a method and a device for the additive production of a workpiece according to the melt layer method.

Die generative bzw. additive Fertigung von Werkstücken aller Art gewinnt zunehmend an Bedeutung. Ein gängiges Verfahren der generativen Fertigung ist die Schmelzschicht-Methode bzw. Schmelzschichtung (auch als FFF-Methode bzw. als Fused Filament Fabrication bezeichnet). Bei dieser Methode wird computergesteuert (z. B. basierend auf CAD-Daten des Werkstücks) das zu fertigende Werkstück, quasi urformend, nach und nach aus einem Kunststoff, insbesondere einem Thermoplast, aufgebaut. Der z. B. als Faden (Filament) bereitgestellte Kunststoff wird erwärmt, bis er einen flüssigen oder halbflüssigen Zustand erreicht hat, und durch wenigstens eine Düse eines Druckkopfs ausgebracht. Die Fertigung des Werkstücks erfolgt in einzelnen Arbeitsebenen, die jeweils mit dem Druckkopf zeilenweise abgefahren werden, sodass sich ein lagen- bzw. schichtweiser Aufbau ergibt. Der dabei abgelegte Kunststoff kühlt ab, härtet aus und verbindet sich mit dem zuvor aufgetragenen Kunststoff.Generative or additive manufacturing of workpieces of all kinds is becoming increasingly important. A common method of generative production is the melt layer method or melt stratification (also referred to as FFF method or as Fused Filament Fabrication). In this method, the workpiece to be manufactured, quasi-original, is built up from a plastic, in particular a thermoplastic, computer-controlled (for example based on CAD data of the workpiece). The z. B. as a thread (filament) provided plastic is heated until it has reached a liquid or semi-liquid state, and discharged through at least one nozzle of a printhead. The production of the workpiece takes place in individual working planes, which are each traversed line by line with the print head, so that a layered or layered structure results. The deposited plastic cools, hardens and combines with the previously applied plastic.

In Werkstücken, welche mittels eines solchen 3D-Druckverfahrens hergestellt werden, entsteht eine ausgeprägte Anisotropie. D. h., ein gefertigtes Werkstück weist richtungsabhängig unterschiedliche mechanische Eigenschaften auf. Innerhalb einer Lage bzw. Schicht sind die Festigkeit und Schlagzähigkeit vergleichsweise hoch. Senkrecht zu den Lagen bzw. Schichten sind die Festigkeit und Schlagzähigkeit deutlich geringer, sodass das Werkstück bei mechanischer Belastung zumeist an den Grenzflächen zwischen den Lagen bzw. Schichten versagt.In workpieces which are produced by means of such a 3D printing process, a pronounced anisotropy results. That is, a manufactured workpiece has different mechanical properties depending on the direction. Within a layer, the strength and impact resistance are comparatively high. Perpendicular to the layers or layers, the strength and impact resistance are significantly lower, so that the workpiece fails under mechanical stress mostly at the interfaces between the layers or layers.

In der WO 2016/083797 A1 wird ein mit dimensionierten Glasflocken gefüllter Kunststoff für das Drucken von Werkstücken beschrieben. Abgewinkelte Glasflocken, die über die Oberfläche einer ersten gedruckten Schicht hervorstehen, stellen eine raue Oberfläche bereit, sodass eine zweite gedruckte Schicht, die auf die erste Schicht aufgebracht wird, eine bessere Haftung hat.In the WO 2016/083797 A1 is a filled with sized glass flakes plastic for the printing of workpieces described. Angled glass flakes protruding over the surface of a first printed layer provide a rough surface so that a second printed layer applied to the first layer has better adhesion.

In der DE 10 2014 110 505 A1 wird vorgeschlagen, pulverförmige Feststoffpartikel als Haftvermittler zu verwenden, welche auf eine zuvor aufgetragene Polymerzusammensetzung, die insbesondere unmittelbar zuvor die Extrudierdüse verlassen hat, aufgestreut werden.In the DE 10 2014 110 505 A1 It is proposed to use pulverulent solid particles as adhesion promoters, which are sprinkled on a previously applied polymer composition, which has left the extrusion die in particular immediately before.

In der US 2016/0012935 A1 ist eine Methode zur generativen Fertigung eines dreidimensionalen Objekts und ein hierfür verwendbares Ausgangsmaterial beschrieben. Das Ausgangsmaterial beinhaltet eine in ein Matrixmaterial eingebettete Faser, welche ein zentrales Filament und davon nach außen abstehende Strukturen aufweist. Zur Formung des dreidimensionalen Objekts kann das Ausgangsmaterial durch eine Extrusionsdüse ausgebracht werden. Danach können, bevor das Matrixmaterial verfestigt, die zunächst noch eingeklappten Strukturen radial nach außen expandieren, wodurch ein Gerüst gebildet wird, das das Matrixmaterial verstärkt und die Oberfläche verbessert für die Ablage der nächsten Schicht.In the US 2016/0012935 A1 is described a method for generative production of a three-dimensional object and a starting material usable therefor. The feedstock includes a fiber embedded in a matrix material having a central filament and outwardly projecting structures therefrom. To form the three-dimensional object, the starting material can be applied through an extrusion die. Thereafter, before the matrix material solidifies, the structures, which are initially folded, can expand radially outward, forming a framework which reinforces the matrix material and improves the surface area for deposition of the next layer.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur generativen Fertigung bzw. Herstellung eines Werkstücks nach der Schmelzschicht-Methode anzugeben, die wenigstens einen mit dem Stand der Technik einhergehenden Nachteil nicht oder zumindest nur vermindert aufweisen.The invention has for its object to provide a method and apparatus for the generative production or production of a workpiece according to the melt-layer method, which do not have at least one associated with the prior art disadvantage or at least only reduced.

Die Aufgabe wird gelöst durch die mit den unabhängigen Patentansprüchen beanspruchten Erfindungsgegenstände. Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich analog für alle Erfindungsgegenstände aus den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Erfindungsbeschreibung und den Figuren.The object is achieved by the claimed with the independent claims invention. Further developments and embodiments of the invention will become apparent for all subject matter of the dependent claims, the following description of the invention and the figures.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass während des (schichtweisen) Aufbaus des Werkstücks, also beim Fertigen des Werkstücks bzw. noch während des Druckvorgangs, die dabei aus einem ersten Kunststoff gefertigten Schichten mit übereinanderliegenden Leerstellen bzw. Freiräumen ausgebildet werden, d. h. beim Erzeugen der Schichten werden Leerstellen miterzeugt die dann beim Aufschichten übereinanderliegen, sodass sich durch die betreffenden Schichten erstreckende bzw. hindurcherstreckende Kanäle ergeben, die sodann, d. h. während des Aufbaus des Werkstücks, mit einem zweiten Kunststoff ausgespritzt werden.The inventive method provides that during the (layered) structure of the workpiece, ie when manufacturing the workpiece or even during the printing process, the layers made of a first plastic are formed with superimposed vacancies or spaces, d. H. In producing the layers, voids are also generated which then overlap each other during the coating, so that channels extending through the respective layers result, which then, i. e. H. during the construction of the workpiece, be sprayed with a second plastic.

Bei der Schmelzschicht-Methode ist es möglich, im herzustellenden Werkstück Hohlstrukturen und insbesondere kanalartige Hohlstrukturen einzuarbeiten, indem in jeder Schicht, z. B. durch Unterbrechung der Kunststoffausbringung, entsprechende Leerstellen bzw. Freiräume erzeugt werden. Dies wird erfindungsgemäß genutzt um im Werkstück Kanäle bzw. Verstärkungskanäle auszubilden, die sich über mehrere Schichten (s. u.) oder gegebenenfalls auch durch alle Schichten hinwegerstrecken und die schließlich durch Einspritzen einer anderen Materialkomponente (zweiter Kunststoff oder gegebenenfalls auch Metall) ausgefüllt werden, wodurch sich entsprechende Verstärkungselemente bilden, die sich durch die betreffenden Schichten hindurcherstrecken und diese Schichten miteinander verbinden. Beim Ausspritzen können auch hinterschnittige Hohlraum- bzw. Kanalgeometrien ausgefüllt werden, sodass mit den dabei gebildeten Verstärkungselementen ein zwischen den betreffenden Schichten wirksamer Verankerungseffekt erzielt werden kann. Der Querschnitt der Kanäle sollte nicht zu groß, andererseits aber auch nicht zu klein sein. Die Kanäle können bspw. eine mittlere Querschnittsfläche von 0,25 mm2 bis 40,00 mm2, bevorzugt von 1,00 mm2 bis 20,00 mm2, aufweisen.In the melt layer method, it is possible to incorporate in the workpiece to be produced hollow structures and in particular channel-like hollow structures by in each layer, for. B. by interrupting the plastic application, corresponding blanks or spaces are created. This is used according to the invention to form channels or amplification channels in the workpiece, which extend over several layers (see below) or possibly also through all layers and which are finally filled in by injection of another material component (second plastic or possibly also metal), whereby appropriate Form reinforcing elements, which extend through the respective layers and connect these layers together. When ejecting also undercut cavity or channel geometries can be filled, so that with the thus formed reinforcing elements effective anchoring effect can be achieved between the layers concerned. The cross-section of the channels should not be too large, but on the other hand not too small. The channels may, for example, have an average cross-sectional area of from 0.25 mm 2 to 40.00 mm 2 , preferably from 1.00 mm 2 to 20.00 mm 2 .

Diese Verstärkungselemente bewirken eine strukturelle Verstärkung des Werkstücks, wodurch eine Verbesserung der Festigkeit senkrecht zu den Lagen bzw. Schichten erreicht und vorhandene Anisotropie beseitigt oder zumindest reduziert wird. Ferner werden aber auch in anderen Richtungen die Druckfestigkeit, Scher- bzw. Schubfestigkeit, Biegefestigkeit und dergleichen verbessert. Solche Verstärkungselemente können überall im Werkstück oder nur in besonders belasteten Bereichen eingebracht werden.These reinforcing elements cause a structural reinforcement of the workpiece, whereby an improvement of the strength is achieved perpendicular to the layers and eliminates existing anisotropy or at least reduced. Furthermore, but also in other directions, the compressive strength, shear strength, bending strength and the like are improved. Such reinforcing elements can be introduced anywhere in the workpiece or only in particularly stressed areas.

Das Ausspritzen der Hohlstrukturen durch Einspritzen der zweiten Kunststoffkomponente erfolgt noch während der generativen Fertigung des Werkstücks. D. h., während der generativen Fertigung des Werkstücks können fortlaufend Kanäle erzeugt und ausgespritzt werden, bis das Werkstück fertig ist. Dies umfasst verschiedene Varianten. So kann das Ausspritzen eines Kanals immer dann erfolgen, wenn dieser mit der nächsten Schicht geschlossen werden soll. Das Ausspritzen eines, insbesondere längeren, Kanals kann auch abschnittsweise erfolgen, bspw. in regelmäßigen Abständen jeweils nach der Erzeugung einer bestimmten Anzahl von Schichten. Der eingespritzte Kunststoff kann durch Abkühlung und/oder chemische Reaktion aushärten.The injection of the hollow structures by injecting the second plastic component is still during the generative production of the workpiece. That is, during the generative manufacturing of the workpiece, channels can be continuously produced and ejected until the workpiece is finished. This includes different variants. Thus, the ejection of a channel can always be done if it is to be closed with the next layer. The ejection of a, in particular longer, channel can also be carried out in sections, for example, at regular intervals in each case after the generation of a certain number of layers. The injected plastic can harden by cooling and / or chemical reaction.

Die Kanäle bzw. die darin angeordneten Verstärkungselemente können sich durch wenigstens zwei, bevorzugt wenigstens fünf und insbesondere wenigstens zehn Schichten erstrecken bzw. hinwegerstrecken.The channels or the reinforcing elements arranged therein may extend or extend through at least two, preferably at least five, and in particular at least ten layers.

Die Positionen der Leerstellen können von Schicht zu Schicht variiert werden, sodass sich zwischen den übereinanderliegenden Leerstellen hinterschnittige Versätze und somit hinterschnittige Kanalkonturen ergeben. Ebenso können auch die Formen und/oder Größen der Leerstellen von Schicht zu Schicht variiert werden, sodass sich aus den übereinanderliegenden Leerstellen Kanäle mit hinterschnittigen Kanalkonturen ergeben. Im Übrigen können die Kanäle in einem Werkstück identisch oder unterschiedlich ausgebildet sein. Prinzipiell ist es möglich, jeden Kanal und darüber auch das darin gebildete Verstärkungselement anders auszubilden.The positions of the vacancies can be varied from layer to layer, resulting in undercut gaps and thus undercut channel contours between the superposed gaps. Likewise, the shapes and / or sizes of the voids can be varied from layer to layer, resulting in the superimposed gaps channels with undercut channel contours. Incidentally, the channels in a workpiece may be identical or different. In principle, it is possible to design each channel and also the reinforcing element formed therein differently.

Der erste Kunststoff ist bevorzugt ein Thermoplast. Auch der zweite Kunststoff, der gewissermaßen als Verstärkungsmaterial fungiert, ist bevorzugt ein Thermoplast. Der erste Kunststoff und/oder der zweite Kunststoff kann aber auch ein Duroplast (z. B. ein Kunstharz) sein. Bevorzugt sind der erste Kunststoff und der zweite Kunststoff unterschiedliche oder zumindest unterschiedlich spezifizierte Kunststoffe, allerdings können der erste Kunststoff und der zweite Kunststoff auch identisch sein. Sowohl der erste Kunststoff als auch insbesondere der zweite Kunststoff können Verstärkungsfasern, insbesondere aus gängigen Fasermaterialien gebildete Kurz- und/oder Langfasern, aufweisen. Anstelle eines zweiten Kunststoffs kann auch eine niedrigschmelzende Metalllegierung (z. B. eine Zinnlegierung) zum Ausspritzen der Kanäle verwendet werden. Eine niedrigschmelzende Metalllegierung ist insbesondere eine Metalllegierung, die eine Schmelztemperatur aufweist, welche in etwa (z. B. +/- 10 K) der Verarbeitungstemperatur und vorzugsweise der Schmelztemperatur des ersten Kunststoffs entspricht.The first plastic is preferably a thermoplastic. The second plastic, which acts as a kind of reinforcing material, is preferably a thermoplastic. However, the first plastic and / or the second plastic may also be a duroplastic (for example a synthetic resin). Preferably, the first plastic and the second plastic are different or at least differently specified plastics, but the first plastic and the second plastic may also be identical. Both the first plastic and in particular the second plastic may have reinforcing fibers, in particular short fibers and / or long fibers formed from common fiber materials. Instead of a second plastic, a low melting metal alloy (eg, a tin alloy) may also be used to eject the channels. A low-melting metal alloy is in particular a metal alloy which has a melting temperature which corresponds approximately to (eg +/- 10 K) the processing temperature and preferably the melting temperature of the first plastic.

Die Verarbeitungstemperatur (Schmelz- oder Reaktionstemperatur) des zweiten Kunststoffs kann unterhalb der Verarbeitungstemperatur des ersten Kunststoffs liegen. Bevorzugt ist allerdings vorgesehen, dass die Temperatur des zweiten Kunststoffs beim Einspritzen in die Kanäle geringfügig, z. B. um 5 K bis 20 K oder um 5 K bis 10 K, oberhalb der Verarbeitungstemperatur bzw. Schmelztemperatur des ersten Kunststoffs liegt. Dadurch erfolgt beim Ausspritzen ein Anschmelzen des ersten Kunststoffs, sodass sich eine stoffschlüssige Verbindung ausbilden kann. Bevorzugt ist außerdem vorgesehen, dass der zweite Kunststoff eine höhere Festigkeit, insbesondere Druck- und Zugfestigkeit, als der erste Kunststoff aufweist, um eindeutige mechanische Verbesserungen zu ermöglichen.The processing temperature (melting or reaction temperature) of the second plastic may be below the processing temperature of the first plastic. Preferably, however, it is provided that the temperature of the second plastic during injection into the channels slightly, z. B. by 5 K to 20 K or by 5 K to 10 K, above the processing temperature or melting temperature of the first plastic. As a result, the first plastic melts during injection, so that a cohesive connection can be formed. Preferably, it is also provided that the second plastic has a higher strength, in particular compressive and tensile strength, than the first plastic in order to enable clear mechanical improvements.

Bevorzugt wird das Werkstück basierend auf einem CAD-Modell des Werkstücks gefertigt bzw. aufgebaut, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die durch die Leerstellen gebildeten Kanäle bereits im CAD-Modell angelegt sind, was durch eine entsprechende Vorkonstruktion bzw. Modellbildung erreicht wird. Die Umsetzung kann von einer Steuereinrichtung (s. u.) bewerkstelligt werden.Preferably, the workpiece is manufactured or constructed based on a CAD model of the workpiece, wherein it is provided in particular that the channels formed by the voids are already created in the CAD model, which is achieved by a corresponding pre-construction or modeling. The conversion can be accomplished by a control device (see below).

Die erfindungsgemäße Vorrichtung (3D-Drucker) zur generativen Fertigung eines Werkstücks nach der Schmelzschicht-Methode, umfasst zumindest die folgenden Komponenten:

  • - einen Druckkopf, mit dem das zu fertigende Werkstück schichtweise, d. h. Schicht für Schicht, aus einem ersten Kunststoff aufgebaut werden kann; und
  • - einen Spritzgießkopf für Kunststoff (oder Druckgießkopf für Metall), mit dem während des (schichtweisen) Aufbaus bzw. beim Fertigen des Werkstücks (also noch während des Druckvorgangs) Kanäle, die zuvor mit dem Druckkopf durch Ausbildung von Leerstellen erzeugt wurden und die sich durch mehrere Schichten des Werkstücks erstrecken bzw. hindurcherstrecken, mit einem zweiten Kunststoff (oder Metall) ausgespritzt werden können;
  • - sowie gegebenenfalls noch eine Steuereinrichtung, die zumindest den Druckkopf und den Spritzgießkopf (bzw. Druckgießkopf) steuern kann, insbesondere verfahrensgemäß steuern kann.
The device according to the invention (3D printer) for the additive production of a workpiece according to the melt layer method comprises at least the following components:
  • - A print head with which the workpiece to be produced in layers, ie layer by layer, can be constructed from a first plastic; and
  • - An injection molding head for plastic (or diecasting for metal), with the during the (layered) construction or during the manufacture of the workpiece (ie still during the printing process) channels, previously with the Printhead have been created by the formation of voids and extending through multiple layers of the workpiece or hindurcherstrecken, can be sprayed with a second plastic (or metal);
  • - And optionally also a control device which can control at least the printhead and the injection molding (or die casting), in particular according to the method can control.

Die Erfindung kann insbesondere bei der Herstellung eines Kraftfahrzeugbauteils angewendet werden. Erfindungsgemäß hergestellte Kraftfahrzeugbauteile können insbesondere auch eine gute Crashperformance aufweisen.The invention can be used in particular in the manufacture of a motor vehicle component. In particular, motor vehicle components produced according to the invention can also have a good crash performance.

Die Erfindung bietet folgende Vorteile (keine abschließende Aufzählung):

  • - an den Grenzflächen zwischen den Schichten werden die Steifigkeit, Festigkeit und Schlag- bzw. Bruchzähigkeit erhöht;
  • - herstellungsbedingte Anisotropien werden beseitigt oder zumindest verringert, wodurch die mechanischen Werkstückeigenschaften verbessert werden und die Werkstück- bzw. Bauteilkonstruktion (Auslegung und Berechnung) vereinfacht wird - mitunter können sogar nahezu isotrope Werkstück- bzw. Bauteileigenschaften erzielt werden;
  • - lokale lastpfadgerechte Verstärkung ist möglich, wodurch sowohl beanspruchungsgerechte Werkstück- bzw. Bauteilaufbauten ermöglicht werden als auch sehr hohe Leichtbaugrade erzielbar sind;
  • - erweitertes Anwendungsspektrum für entsprechend hergestellte Bauteile, insbesondere im Automobilbau, vorzugsweise auch als Ersatz für konventionell hergestellte Metallteile (bspw. Druckgussteile) und Kunststoffteile (bspw. Spritzgussteile).
The invention offers the following advantages (no exhaustive enumeration):
  • at the interfaces between the layers, the rigidity, strength and impact strength are increased;
  • - production-related anisotropies are eliminated or at least reduced, whereby the mechanical workpiece properties are improved and the workpiece or component construction (design and calculation) is simplified - sometimes even almost isotropic workpiece or component properties can be achieved;
  • - Local load-path-oriented reinforcement is possible, whereby both stress-appropriate workpiece or component structures are made possible and very high levels of lightweight can be achieved;
  • - Extended range of applications for correspondingly manufactured components, especially in the automotive industry, preferably also as a replacement for conventionally produced metal parts (eg., Diecasting) and plastic parts (eg injection molded parts).

Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft und in nicht einschränkender Weise mit Bezug auf die schematischen Figuren näher erläutert. Die in den Figuren gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale können, auch unabhängig von konkreten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein und die Erfindung entsprechend weiterbilden.

  • 1 veranschaulicht das erfindungsgemäße Verfahren und zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens.
  • 2 zeigt in mehreren Schnittdarstellungen weitere erfindungsgemäße Verstärkungsvarianten, die mit der Vorrichtung aus 1 herstellbar sind.
The invention is explained in more detail below by way of example and not by way of limitation with reference to the schematic figures. The features shown in the figures and / or explained below may, even independently of specific combinations of features, be general features of the invention and further develop the invention accordingly.
  • 1 illustrates the method according to the invention and shows an apparatus according to the invention for carrying out the method.
  • 2 shows in several sectional views further reinforcement variants according to the invention, with the device of 1 can be produced.

1 zeigt eine Vorrichtung 100 zur generativen Fertigung eines Werkstücks 200 nach der Schmelzschicht-Methode. Die Vorrichtung 100 weist einen Druckkopf 120 auf, der über eine Düse (Extrudierdüse) 125 geschmolzenen ersten Kunststoff K1 ausbringt (extrudiert) und dabei das Werkstück 200 schichtweise aufbaut bzw. aufschichtet. Die Schichtdicke der Schichten 210 liegt bspw. in einem Bereich von 0,005 mm bis > 10 mm. Zum Aufbau des Werkstücks 200 wird insbesondere ein thermoplastischer Kunststoff K1 verwendet. Der Kunststoff K1 kann Verstärkungsfasern F aufweisen. Dem Druckkopf 120 ist ein Zuführsystem 130 für das erste Kunststoffmaterial K1 zugeordnet. Die Vorrichtung 100 weist ferner einen Spritzgießkopf 140 mit einer Spritzgießdüse 145 auf, der in Verfahrrichtung R dem Druckkopf 120 nachgelagert ist und insbesondere in direkter Nachbarschaft zum Druckkopf 120 angeordnet ist. Dem Spritzgießkopf 140 ist ein Zuführ- bzw. Versorgungssystem 150 für die Zuführung bzw. Versorgung mit einem zweiten Kunststoffmaterial K2 zugeordnet. Der Druckkopf 120 und der Spritzgießkopf 140 sind verfahrbar an einem gemeinsamen Träger- bzw. Portalsystem 110 befestigt bzw. gelagert. 1 shows a device 100 for the generative production of a workpiece 200 according to the melt-layer method. The device 100 has a printhead 120 on that via a nozzle (extruding nozzle) 125 melted first plastic K1 emits (extruded) and thereby the workpiece 200 layered or layered. The layer thickness of the layers 210 is, for example, in a range of 0.005 mm to> 10 mm. To build up the workpiece 200 is in particular a thermoplastic K1 used. Plastic K1 can be reinforcing fibers F respectively. The printhead 120 is a delivery system 130 for the first plastic material K1 assigned. The device 100 also has an injection molding head 140 with an injection molding nozzle 145 on, in the direction of travel R the printhead 120 is downstream and in particular in the immediate vicinity of the print head 120 is arranged. The injection molding head 140 is a supply system 150 for the supply or supply of a second plastic material K2 assigned. The printhead 120 and the injection head 140 can be moved on a common carrier or portal system 110 attached or stored.

Beim Erzeugen bzw. Drucken der Werkstückschichten 210 werden übereinanderliegende, unterschiedlich große bzw. unterschiedliche Durchmesser aufweisende Leerstellen 211 ausgebildet. Die übereinanderliegenden Leerstellen 211 sind miteinander verbunden, sodass kanalartige Hohlstrukturen 212 entstehen, welche sich in Aufbaurichtung durch die betreffenden Schichten 210 hindurcherstrecken und hinterschnittige Kanalkonturen aufweisen. Die Leerstellen 211 werden bspw. nach einem vorgegebenen Muster, das bereits im CAD-Modell des Werkstücks 200 angelegt sein kann, erzeugt. Die durch die übereinanderliegenden Leerstellen 211 gebildeten Kanäle 212 fungieren als Verstärkungskanäle und werden noch während des Werkstückaufbaus vom Spritzgießkopf 140 mit einem zweiten Kunststoff K2 ausgespritzt, wodurch Verstärkungselemente 215 erzeugt werden, die in das Werkstück 200 integriert sind. D. h., die Verstärkungselemente 215 werden direkt im Werkstück 200 erzeugt bzw. geformt. Dies ist sehr gut in der Detaildarstellung erkennbar, wobei hier der linke Kanal 212 noch nicht ausgespritzt ist.When creating or printing the workpiece layers 210 become superimposed, different sizes or different diameters vacancies 211 educated. The superimposed blanks 211 are interconnected so that channel-like hollow structures 212 arise, which are in the direction of construction by the respective layers 210 extend underneath and have undercut channel contours. The blanks 211 For example, according to a predetermined pattern already in the CAD model of the workpiece 200 can be created. The through the superimposed blanks 211 formed channels 212 act as reinforcing channels and are still during the workpiece assembly of the injection molding 140 with a second plastic K2 injected, whereby reinforcing elements 215 are generated in the workpiece 200 are integrated. That is, the reinforcing elements 215 be directly in the workpiece 200 created or shaped. This is very well recognizable in the detailed representation, whereby here the left channel 212 not yet injected.

Das Ausspritzen der Kanäle 212 mit dem zweiten Kunststoff K2 kann jeweils nach einer vorbestimmten Anzahl gebildeter Schichten 210 erfolgen, wobei vorab festgelegt werden kann, wann welcher Kanal 212 ausgespritzt wird. Die Kanäle 212 werden nicht vom Druckkopf 120 mit dem ersten Kunststoff K1 ausgefüllt. Gleichwohl können die Kunststoffe K1 und K2 identisch sein (s. o.). Für die Verstärkungselemente 215 wird bevorzugt auch ein thermoplastischer Kunststoff K2 verwendet, der ebenfalls Verstärkungsfasern aufweisen kann. Prinzipiell können zum Ausspritzen der Kanäle 212 auch mehrere unterschiedliche Kunststoffe verwendet werden (analog zum Mehrkomponentenspritzguss).The ejection of the channels 212 with the second plastic K2 can each after a predetermined number of layers formed 210 be done, which can be determined in advance, which channel 212 is injected. The channels 212 are not from the printhead 120 with the first plastic K1 filled. Nevertheless, the plastics can K1 and K2 to be identical (see above). For the reinforcing elements 215 is preferably also a thermoplastic material K2 used, which may also have reinforcing fibers. In principle, for ejecting the channels 212 also several different plastics are used (analogous to multi-component injection molding).

Durch die wechselweise ausgebildeten hinterschnittigen Kanalkonturen wird mit den eingespritzten Verstärkungselementen 215 über die Grenzflächen (zwischen den Schichten 210) hinweg ein formschlüssiger Verankerungseffekt erzielt, der die betreffenden Schichten 210 stabil zusammenhält. Die Anzahl, Anordnung, Querschnittsflächen und Geometrien bzw. Konturen der Kanäle 212 sowie der darin erzeugten Verstärkungselemente 215 haben Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften des Werkstücks 200. Hierüber können auch die mechanischen Eigenschaften an die technischen Anforderungen angepasst werden. 2 zeigt analog zur 1 weitere erfindungsgemäße Verstärkungsvarianten mit anderen Kanalgeometrien bzw. -konturen. Die Schnittdarstellungen zeigen jeweils ausgespritzte und noch leere Kanäle 212. In der in 2c gezeigten Variante überschneiden sich die Kanäle 212 und bilden eine zusammenhängende Hohlraumstruktur. Die Verstärkungselemente 215 bilden eine entsprechende Verstärkungsstruktur.Due to the alternately formed undercut channel contours is with the injected reinforcing elements 215 across the interfaces (between the layers 210 ) achieved a positive anchoring effect, the respective layers 210 holds together stably. The number, arrangement, cross-sectional areas and geometries or contours of the channels 212 and the reinforcing elements produced therein 215 have an influence on the mechanical properties of the workpiece 200 , This also allows the mechanical properties to be adapted to the technical requirements. 2 shows analogous to 1 further reinforcement variants according to the invention with other channel geometries or contours. The sectional views show each ejected and empty channels 212 , In the in 2c shown variant overlap the channels 212 and form a coherent cavity structure. The reinforcing elements 215 form a corresponding reinforcement structure.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

100100
Vorrichtungdevice
110110
Portal-, TrägersystemPortal, carrier system
120120
Druckkopfprinthead
125125
Düsejet
130130
Zuführsystemfeed
140140
SpritgießkopfSpritgießkopf
145145
Spritzgießdüseinjection molding
150150
Zuführsystemfeed
200200
Werkstückworkpiece
210210
Schicht, LageLayer, location
211211
Leerstellevoid
212212
Kanalchannel
215215
Verstärkungselementreinforcing element
FF
Verstärkungsfasernreinforcing fibers
K1K1
erster Kunststofffirst plastic
K2K2
zweiter Kunststoffsecond plastic
RR
Verfahrrichtungtraversing

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • WO 2016/083797 A1 [0004]WO 2016/083797 A1 [0004]
  • DE 102014110505 A1 [0005]DE 102014110505 A1 [0005]
  • US 2016/0012935 A1 [0006]US 2016/0012935 A1 [0006]

Claims (10)

Verfahren zur generativen Fertigung eines Werkstücks (200) nach der Schmelzschicht-Methode, wobei das zu fertigende Werkstück (200) schichtweise aus einem ersten Kunststoff (K1) aufgebaut wird, dadurch gekennzeichnet, dass während des Aufbaus des Werkstücks (200) die Schichten (210) mit übereinanderliegenden Leerstellen (211) ausgebildet werden, sodass sich durch die betreffenden Schichten (210) erstreckende Kanäle (212) ergeben, die mit einem zweiten Kunststoff (K2) ausgespritzt werden.Method for the generative production of a workpiece (200) according to the melt layer method, wherein the workpiece (200) to be manufactured is constructed in layers from a first plastic (K1), characterized in that during the construction of the workpiece (200) the layers (210 ) are formed with superposed vacancies (211), so that through the respective layers (210) extending channels (212) result, which are injected with a second plastic (K2). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Kanäle (212) durch wenigstens zwei, bevorzugt wenigstens fünf und insbesondere wenigstens zehn Schichten (210) erstrecken.Method according to Claim 1 , characterized in that the channels (212) extend through at least two, preferably at least five and in particular at least ten layers (210). Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionen der Leerstellen (211) von Schicht (210) zu Schicht (210) variiert werden, sodass sich zwischen den übereinanderliegenden Leerstellen (211) hinterschnittige Versätze ergeben.Method according to Claim 1 or 2 , characterized in that the positions of the vacancies (211) from layer (210) to layer (210) are varied so that overlapping offsets result between the superimposed vacancies (211). Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Formen und/oder Größen der Leerstellen (211) von Schicht (210) zu Schicht (210) variiert werden, sodass sich aus den übereinanderliegenden Leerstellen (211) Kanäle (212) mit hinterschnittigen Kanalkonturen ergeben.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the shapes and / or sizes of the vacancies (211) from layer (210) to layer (210) are varied such that channels (212) are undercut from the superimposed vacancies (211) Channel contours result. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kunststoff (K1) und der zweite Kunststoff (K2) Thermoplaste sind.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the first plastic (K1) and the second plastic (K2) are thermoplastics. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des zweiten Kunststoffs (K2) beim Ausspritzen der Kanäle (212) um 5 K bis 20 K oberhalb einer Schmelztemperatur des ersten Kunststoffs (K1) liegt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the temperature of the second plastic (K2) during the ejection of the channels (212) by 5 K to 20 K above a melting temperature of the first plastic (K1). Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kunststoff (K2) eine höhere Festigkeit als der erste Kunststoff (K1) aufweist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the second plastic (K2) has a higher strength than the first plastic (K1). Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (200) basierend auf einem CAD-Modell dieses Werkstücks (200) aufgebaut wird, wobei die durch die Leerstellen (211) gebildeten Kanäle (212) im CAD-Modell angelegt sind.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the workpiece (200) is constructed based on a CAD model of this workpiece (200), wherein the channels (212) formed by the gaps (211) are created in the CAD model. Vorrichtung (100) zur generativen Fertigung eines Werkstücks (200) nach der Schmelzschicht-Methode, umfassend: - einen Druckkopf (120), mit dem das zu fertigende Werkstück (200) schichtweise aus einem ersten Kunststoff (K1) aufgebaut werden kann; und - einen Spritzgießkopf (140), mit dem während des Aufbaus des Werkstücks (200) zuvor mit dem Druckkopf (120) durch Ausbildung von Leerstellen (211) erzeugte Kanäle (212), die sich durch mehrere Schichten (210) des Werkstücks (200) erstrecken, mit einem zweiten Kunststoff (K2) ausgespritzt werden können.Apparatus (100) for generatively producing a workpiece (200) by the melt-layer method, comprising: - A print head (120), with which the workpiece to be manufactured (200) in layers of a first plastic (K1) can be constructed; and an injection molding head (140), with channels (212) generated beforehand by the print head (120) during the construction of the workpiece (200) by the formation of voids (211), which pass through a plurality of layers (210) of the workpiece (200). extend, with a second plastic (K2) can be ejected. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche 1 bis 8, wobei zum Ausspritzen der Kanäle (212) eine niedrigschmelzende Metalllegierung verwendet wird.Method according to one of the preceding Claims 1 to 8th in which a low-melting metal alloy is used to eject the channels (212).
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