DE102020215351A1

DE102020215351A1 - 3D printing process with increased strength of the manufactured object

Info

Publication number: DE102020215351A1
Application number: DE102020215351.5A
Authority: DE
Inventors: Hendrik Jahnle; Mario Joost
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-12-04
Filing date: 2020-12-04
Publication date: 2022-06-09

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (100) zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts (10), umfassend folgende Schritte:eine Druckstruktur (11), welche einen Innenraum (12) definiert, wird mittels 3D-Druck aus einem Druckmaterial (21) gefertigt (110);ein Füllmaterial (22), welches mindestens ein flüssiges oder pastöses Monomer (23) umfasst, wird in den Innenraum (12) eingebracht (120).Sie zeichnet sich dadurch aus, dass das Füllmaterial (22) mit Hilfe von Mikrowellenstrahlung erwärmt wird (150) und zu einem Polymer (24) polymerisiert (130).Ferner betrifft die Erfindung einen 3D-Drucker (30) zur Durchführung des Verfahrens (100), wobei ein erster Druckkopf (31) für das Druckmaterial (11) und ein zweiter Druckkopf (32) für das Füllmaterial (22) vorgesehen sind.The invention relates to a method (100) for producing a three-dimensional object (10), comprising the following steps: a printed structure (11) which defines an interior space (12) is produced (110) from a printed material (21) by means of 3D printing. ;a filling material (22), which comprises at least one liquid or pasty monomer (23), is introduced (120) into the interior (12). It is characterized in that the filling material (22) is heated with the aid of microwave radiation ( 150) and polymerized (130) to form a polymer (24). The invention also relates to a 3D printer (30) for carrying out the method (100), wherein a first print head (31) for the print material (11) and a second print head (32) are provided for the filling material (22).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein 3D-Druckverfahren zur Herstellung dreidimensionaler Objekte mit frei wählbarer Formgebung.The present invention relates to a 3D printing method for producing three-dimensional objects with a freely selectable shape.

Stand der TechnikState of the art

Beim herkömmlichen 3D-Druck (Fused Deposition Modeling, FDM) wird ein thermoplastisches Druckmaterial aufgeschmolzen und im flüssigen Zustand selektiv an die Stellen, die zu dem herzustellenden Objekt gehören, verbracht. Wenn das Druckmaterial anschließend erkaltet, erstarrt es wieder. Auf diese Weise können Objekte mit frei wählbarer Formgebung schichtweise aufgebaut werden.In conventional 3D printing (Fused Deposition Modeling, FDM), a thermoplastic printing material is melted and, in a liquid state, is selectively placed at the points that belong to the object to be produced. If the printing material then cools down, it solidifies again. In this way, objects with freely selectable shapes can be built up in layers.

Zur Erhöhung der Festigkeit der hergestellten Objekte ist es aus der US 2016/046 803 A1 bekannt, als Druckmaterial ein polymerisierbares Monomer zu verwenden, dem ein faserförmiger Verstärkungsstoff zugesetzt ist. Dabei kann das Druckmaterial eine Konsistenz haben, in der es sich in einer Stapelung von mehreren Schichten aufbringen lässt, so dass ein dreidimensionales Vorläufer-Objekt entsteht. Das Monomer kann dann in dem zusammenhängenden Vorläufer-Objekt en bloc polymerisiert werden. Es entsteht ein endgültiges Objekt aus dem festen Polymer, dessen Festigkeit zusätzlich durch die darin eingebetteten Fasern des Verstärkungsstoffes versteift ist.To increase the strength of manufactured objects, it is made of US 2016/046 803 A1 known to use a polymerizable monomer as a printing material, to which a fibrous reinforcing material is added. The printing material can have a consistency in which it can be applied in a stack of several layers, so that a three-dimensional precursor object is created. The monomer can then be polymerized en bloc in the precursor coherent object. A final object is created from the solid polymer, the strength of which is additionally stiffened by the fibers of the reinforcing material embedded in it.

Dieses Druckverfahren zwingt zu Kompromissen bezüglich der realisierbaren Formgebungen, insbesondere in Bezug auf filigrane Konturen. Die gedruckten Strukturen müssen zumindest so lange stabil bleiben, bis das Vorläufer-Objekt durch die Polymerisation verfestigt wird.This printing process forces compromises to be made in terms of the shapes that can be achieved, particularly with regard to filigree contours. The printed structures must remain stable at least until the precursor object is solidified by polymerisation.

Die Offenlegungsschrift DE 102016222558 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts. Bei diesem Verfahren wird zunächst eine Druckstruktur mittels 3D-Druck aus einem Druckmaterial gefertigt. Diese Druckstruktur definiert einen Innenraum. Anschließend wird ein Füllmaterial, welches mindestens ein flüssiges oder pastöses Monomer umfasst, in den Innenraum eingebracht. Schließlich wir das Monomer zu einem Polymer polymerisiert.The disclosure document DE 102016222558 A1 describes a method for producing a three-dimensional object. In this process, a print structure is first produced from a print material using 3D printing. This print structure defines an interior space. A filling material, which comprises at least one liquid or pasty monomer, is then introduced into the interior. Finally, the monomer is polymerized into a polymer.

Zur Polymerisation muss das Monomer erwärmt werden, wobei bei einer herkömmlichen Erwärmung, durch ein Heizelement oder ein anderes Medium, das Bauteil von außen nach innen erwärmt wird. Dieser Prozess ist Aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit von Thermoplasten langwierig und benötigt relativ viel Energie.The monomer must be heated for polymerisation, with conventional heating using a heating element or another medium heating the component from the outside inwards. Due to the low thermal conductivity of thermoplastics, this process is lengthy and requires a relatively large amount of energy.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein schnelles Erreichen der Reaktionstemperatur herzustellen und dadurch eine Verbesserung der Verbindung von Druckstruktur und Füllmaterial, bzw. Hülle und Additiven des Bauteils zu erreichen.The object of the invention is to ensure that the reaction temperature is reached quickly and thereby to achieve an improvement in the connection between the pressure structure and the filling material, or the shell and additives of the component.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Die Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts gemäß Anspruch 1 erfüllt.The object is achieved by the method according to the invention for the production of a three-dimensional object according to claim 1.

Bei diesem Verfahren wird zunächst eine Druckstruktur mittels 3D-Druck aus einem Druckmaterial gefertigt. Diese Druckstruktur definiert einen Innenraum. Anschließend wird ein Füllmaterial, welches mindestens ein flüssiges oder pastöses Monomer umfasst, in den Innenraum eingebracht. Erfindungsgemäß wird das Füllmaterial mit Hilfe von Mikrowellenstrahlung erwärmt und zu einem Polymer polymerisiert.In this process, a print structure is first produced from a print material using 3D printing. This print structure defines an interior space. A filling material, which comprises at least one liquid or pasty monomer, is then introduced into the interior. According to the invention, the filling material is heated with the aid of microwave radiation and polymerized to form a polymer.

Die Funktion des Innenraums ist in diesem Zusammenhang, beim Befüllen mit dem Füllmaterial dessen Ausbreitung räumlich zu begrenzen. Hierfür ist es nicht erforderlich, dass der Innenraum allseitig umschlossen ist.In this context, the function of the interior is to spatially limit the spread of the filling material when it is filled. For this it is not necessary that the interior is enclosed on all sides.

Beispielsweise definiert auch eine aus dem Druckmaterial gefertigte, nach oben offene Wanne einen Innenraum, der mit dem Füllmaterial ausfüllbar ist. Das Füllmaterial ist dann in dieser Wanne gefangen und kann nicht auslaufen. Der Innenraum kann insbesondere die Negativform einer aus dem Polymer herzustellenden Objektstruktur, oder einen Teil einer solchen Objektstruktur, definieren.For example, a trough made of the printing material and open at the top also defines an interior space that can be filled with the filling material. The filling material is then trapped in this tub and cannot leak out. The interior can in particular define the negative form of an object structure to be produced from the polymer, or a part of such an object structure.

Der Begriff „mittels 3D-Druck gefertigt“ schließt jede Fertigung ein, bei der 3D-Druck zum Einsatz kommt. Die Druckstruktur ist also auch im Sinne der Erfindung mit 3D-Druck gefertigt, wenn das Druckmaterial beispielsweise in eine Form gegossen wurde, die ihrerseits unmittelbar mittels 3D-Druck hergestellt wurde.The term “3D printed” includes any manufacturing that uses 3D printing. The printed structure is therefore also produced using 3D printing within the meaning of the invention, if the printing material was cast, for example, in a mold which in turn was produced directly using 3D printing.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird Caprolactam als Monomer gewählt und zu dem Polyamid PA6 als Polymer polymerisiert. Insbesondere in Verbindung mit Fasern als Verstärkungsstoffen kann ein gemäß der Erfindung hergestelltes Objekt aus PA6 den mechanischen und technischen Eigenschaften von spritzgegossenem PA6 sehr nahekommen und diese sogar übertreffen. Somit wird die gestalterische Freiheit und funktionsorientierte Konstruktion im Sinne von Additive Manufacturing mit den verfahrensspezifischen Vorteilen von Spritzguss kombiniert, ohne Inkaufnahme der spezifischen Nachteile, die diese Technologien jeweils für sich genommen mit sich bringen.In a particularly advantageous embodiment of the invention, caprolactam is chosen as the monomer and polymerized to form the polyamide PA6 as the polymer. In particular in connection with fibers as reinforcing materials, an object made of PA6 according to the invention can come very close to and even exceed the mechanical and technical properties of injection-moulded PA6. Thus, the creative freedom and function-oriented construction in the sense of additive manufacturing is combined with the process-specific advantages of injection molding, without accepting the specific disadvantages that these technologies bring with them.

Die Aktivierung des Caprolactams mit Hilfe von Mikrowellen ist aus Prozesssicht besonders vorteilhaft. Dabei ist es besonders vorteilhaft, das Caprolactam erst nach der Befüllung des Innenraums auf Reaktionstemperatur zu erhitzen, da die Reaktion schon ca. 20°C bis 30°C vor der optimalen Reaktionstemperatur startet und die Viskosität der Schmelze rasch ansteigt. Dies behindert eine genaue Dosierung und kann sich negativ auf die Verbindung von Kern und Hülle des Objekts, bzw. Bauteils auswirken. Der erfindungsgemäße Einsatz von Mikrowellen ermöglicht eine Erwärmung von innen nach außen und ist somit in vorteilhafter Weise optimal um das Caprolactam effizient auf Temperatur zu bringen. In Kombination mit der Möglichkeit auch die Hülle einzukoppeln, ergeben sich sehr gute Verbindungen. Ohne die Ankopplung der Hülle sind die Verbindungen nicht so gut, jedoch ist der Kern von äußerst hoher Qualität.The activation of the caprolactam with the help of microwaves is particularly advantageous from a process point of view partaking. It is particularly advantageous to heat the caprolactam to the reaction temperature only after the interior has been filled, since the reaction starts about 20° C. to 30° C. before the optimum reaction temperature and the viscosity of the melt increases rapidly. This hinders precise dosing and can have a negative effect on the connection between the core and the shell of the object or component. The use of microwaves according to the invention enables heating from the inside out and is therefore optimal in an advantageous manner for bringing the caprolactam up to temperature efficiently. In combination with the possibility of coupling the cover, very good connections result. Without the hull coupling, the connections aren't as good, but the core is of extremely high quality.

Das Caprolactam kann mithilfe der Mikrowellen Strahlung im Prozess oder in einer separaten Kammer erwärmt werden.The caprolactam can be heated using the microwave radiation in the process or in a separate chamber.

In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Füllmaterial durch die Mikrowellenstrahlung auf eine Reaktionstemperatur von 140°C bis 170°C gebracht.In a development of the method according to the invention, the filling material is brought to a reaction temperature of 140° C. to 170° C. by the microwave radiation.

Das Caprolactamgemisch wird mit Hilfe der Mikrowellenstrahlung auf die notwendige Reaktionstemperatur von 140°C - 170 °C gebracht. Durch die Verwendung von Mikrowellen wird die notwendige Temperatur energieeffizienter und, im Vergleich durch die Erwärmung in flüssigen Heizbädern 2- bis 4-mal schneller erreicht. Zudem verbessert sich die Verbindung des Carpolactams mit der Hülle. Im Besonderen dann, wenn dazu auch noch die Hülle etwas stärker in die Mikrowellenstrahlung eingekoppelt wird und so an der Übergangsstelle von Hülle zu Füllung die Reaktion am aktivsten ist. Dadurch ergeben sich in vorteilhafter Weise enorme Steigerungen der Haftung von Hülle zu Kern des Objekts.The caprolactam mixture is brought to the necessary reaction temperature of 140°C - 170°C with the aid of microwave radiation. By using microwaves, the necessary temperature is reached more energy-efficiently and 2 to 4 times faster compared to heating in liquid heating baths. In addition, the connection between the carpolactam and the shell is improved. In particular, when the shell is also more strongly coupled into the microwave radiation and the reaction is most active at the transition point from the shell to the filling. This advantageously results in enormous increases in adhesion from the shell to the core of the object.

Zusätzlich ermöglicht der Einsatz von Mikrowellenstrahlung, dass das gedruckte Bauteil nur einen möglichst geringen Zeitraum bei hohen Temperaturen gehalten werden muss. Ist die Reaktion eingesetzt, erzeugt sie aus sich heraus weitere Wärme wodurch in vorteilhafter Weise Heizleistung gedrosselt oder ganz heruntergefahren werden kann.In addition, the use of microwave radiation means that the printed component only has to be kept at high temperatures for as little time as possible. Once the reaction has started, it generates further heat of its own accord, which means that the heating output can be throttled or shut down completely in an advantageous manner.

Ferner ist es von Vorteil, dass sich das Caprolactam durch den Einsatz von Mikrowellenstrahlung selektiv erwärmen lässt. PA6 und andere Kunststoffe lassen sich durch Mikrowellenstrahlung i.d.R. nicht erwärmen. Mikrowellenstrahlung sind daher vorteilhaft, weil sich aufgrund der notwendigen Temperaturen von bis zu 170 °C eine Verwendung von Flüssigkeits- oder Festkörperbasierten Heizbädern als unpraktisch erwiesen haben. Ferner ist auch die Erwärmung durch heiße Luft aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit von Kunststoffen nicht zielführend, da die benötigte Zeit zur Erwärmung sehr langwierig ist. Dabei kann passieren, dass das Caprolactamgemisch zu lange bei Temperaturen von 20°C - 30°C unterhalb der optimalen Reaktionstemperatur gehalten wird und dadurch qualitativ weniger gutes PA6 erreicht wird. Dies wird in vorteilhafter Weise durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens vermieden. Auch andere Strahlungsarten, wie z.B. IR-Strahlung scheinen aufgrund der geringen Eindringtiefe und Abschattung wenig geeignet, um Bauteile schnell und gleichmäßig zu durchwärmen.Furthermore, it is advantageous that the caprolactam can be selectively heated through the use of microwave radiation. PA6 and other plastics generally cannot be heated by microwave radiation. Microwave radiation is therefore advantageous because the use of liquid or solid-based heating baths has proven to be impractical due to the necessary temperatures of up to 170 °C. Furthermore, heating with hot air is also not expedient due to the low thermal conductivity of plastics, since the time required for heating is very lengthy. It can happen that the caprolactam mixture is kept at temperatures of 20°C - 30°C below the optimum reaction temperature for too long, resulting in PA6 of lesser quality. This is advantageously avoided by using the method according to the invention. Other types of radiation, such as IR radiation, also appear to be less suitable for heating components quickly and evenly due to the low penetration depth and shadowing.

Ferner ist von Vorteil, dass das Befüllen in der gleichen Baukammer wie das Drucken stattfinden kann, oder alternativ in einer separaten Kammer. Der Energieeintrag durch die Mikrowellenstrahlung ist in vorteilhafter Weise selektiv, sehr präzise steuerbar und im Vergleich zu anderen Temperierverfahren sehr effizient. Die Mikrowellenstrahlung ist beim Erwärmen kleinerer Massen/Volumen i.d.R. die effizienteste Heizmethode, wobei dies voraussetzt, dass das zu erwärmende Material ausreichend gut mit der Mikrowellenstrahlung koppelbar ist, also ein Dipolmoment besitzt. Da es sich bei gedruckten Bauteilen i.d.R. um kleine Bauteile mit geringer Masse/Volumen handelt, ist der Einsatz von Mikrowellenstrahlung zur Erwärmung des Füllmaterials die geeignete Wahl. Ferner ist die Erwärmung durch Mikrowellenstrahlung in vorteilhafter Weise sehr schnell, da auf thermische Konvektion (zumindest auf größerer Dimension) verzichtet wird.Another advantage is that filling can take place in the same build chamber as printing, or alternatively in a separate chamber. The energy input through the microwave radiation is advantageously selective, very precisely controllable and very efficient compared to other temperature control methods. When heating smaller masses/volumes, microwave radiation is usually the most efficient heating method, whereby this presupposes that the material to be heated can be coupled sufficiently well with the microwave radiation, i.e. has a dipole moment. Since printed components are usually small components with low mass/volume, the use of microwave radiation to heat the filling material is the appropriate choice. Furthermore, the heating by microwave radiation is advantageously very fast, since thermal convection (at least on a larger scale) is dispensed with.

Daher ist der Einsatz von Mikrowellen eine ideale Lösung. Die Energie wird sehr schnell und sehr selektiv in die Schmelze abgegeben. Die Bauteilerwärmung erfolgt zudem in vorteilhafter Weise von innen nach außen. Zudem ist es bei der Mikrowelle möglich die Heizleistung stufenlos und innerhalb von Sekundenbruchteilen zu regeln. Hystereseeffekte, wie in herkömmlichen Heizsystemen üblich, gibt es nicht.Therefore, the use of microwaves is an ideal solution. The energy is released into the melt very quickly and very selectively. The component heating also takes place in an advantageous manner from the inside to the outside. In addition, it is possible to regulate the heating power of the microwave steplessly and within fractions of a second. There are no hysteresis effects, as is usual in conventional heating systems.

Ferner ist es von Vorteil, dass nach der Reaktion zu PA6 das Material nicht weiter mit der Mikrowellenstrahlung koppelt. Es handelt sich somit im Prinzip um einen selbstregulierenden Effekt. Im Besonderen kann durch Zusatz von Additiven auch die äußere Hülle in die Mikrowellenstrahlung einkoppeln. Dadurch wird die Wärmeleitung nicht wie durch konventionelle Temperiermethoden von außen über die Hülle in das Caprolactam geleitet, sondern von der Hülle direkt in das erwärmte und reaktive Caprolactam. Dadurch ist in vorteilhafter Weise eine ca. um 10-25 % (Optimum bis ca. 50%) bessere Einkopplung der Hülle gegenüber dem Caprolactam möglich. Dadurch beginnt die Reaktion an der Hülle und eine sehr gute Verbindung von Hülle und Kern wird erreicht. Ferner ist dadurch auch möglich, dass vereinzelt an Hüllen PA6 Polymeren, sich eine Fortsetzung der Polymerisation ergibt. Dadurch kann in vorteilhafter Weise eine stoffschlüssige Verbindung erzielt werden. Ein Ablösen der Hülle ist somit ausgeschlossen. Auch löst das Caprolactam die PA6 Hülle an, da PA6 in Caprolactam löslich ist, wobei dieser Effekt ebenfalls die Anhaftung des Kerns an die Hülle unterstützt.It is also advantageous that after the reaction to form PA6, the material is no longer coupled with the microwave radiation. In principle, this is a self-regulating effect. In particular, the outer shell can also couple into the microwave radiation by adding additives. As a result, the heat conduction is not conducted from the outside via the shell into the caprolactam, as is the case with conventional temperature control methods, but from the shell directly into the heated and reactive caprolactam. As a result, coupling of the shell that is about 10-25% (optimum up to about 50%) better than that of caprolactam is possible in an advantageous manner. As a result, the reaction begins at the shell and a very good connection between the shell and core is achieved. Furthermore, it is also possible that ver individually on shells of PA6 polymers, a continuation of the polymerization results. As a result, an integral connection can be achieved in an advantageous manner. A detachment of the cover is therefore impossible. The caprolactam also dissolves the PA6 shell since PA6 is soluble in caprolactam, and this effect also supports the adhesion of the core to the shell.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird ein Füllmaterial gewählt, welches mindestens einen festen Füllstoff enthält. Dieser Füllstoff kann eine beliebige Funktion erfüllen. Beispielsweise kann der Füllstoff ein Recyclingmaterial sein, dessen Verwendung die Materialkosten des hergestellten Objekts senkt. Der Füllstoff kann auch beispielsweise ein Material sein, das dem Objekt ein für seine Verwendung gefordertes Gewicht verleiht.In a further embodiment of the invention, a filling material is selected which contains at least one solid filler. This filler can perform any function. For example, the filler can be a recycled material, the use of which reduces the material cost of the manufactured object. The filler can also be, for example, a material that gives the object a required weight for its use.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein Verstärkungsstoff, insbesondere in Form von Fasern, als Füllstoff gewählt. Geeignet sind beispielweise Glasfasern. Die Verwendung derartiger Verstärkungsstoffe in Druckmaterialien führte bislang zu einem weiteren Zielkonflikt in Bezug auf filigrane Strukturen, da eine für filigrane Strukturen erforderliche Düse mit kleiner Austrittsöffnung dazu neigt, durch die Verstärkungsstoffe zu verstopfen. Durch die Faserbeimischung können funktionsfähige Verstärkungseffekte erzielt werden, die eine deutliche Steigerung der mechanischen Eigenschaften bewirken. Gleichzeitig ist durch die Polymerisation in einem Stück die mechanische Festigkeit des Polymers isotrop. In a particularly advantageous embodiment of the invention, a reinforcing material, in particular in the form of fibers, is chosen as the filler. Glass fibers, for example, are suitable. The use of such reinforcing materials in printing materials has hitherto led to a further conflict of objectives with regard to filigree structures, since a nozzle with a small orifice required for filigree structures tends to be clogged by the reinforcing materials. Functional reinforcement effects can be achieved by adding fibers, which bring about a significant increase in the mechanical properties. At the same time, the mechanical strength of the polymer is isotropic due to the polymerisation in one piece.

In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein Monomer gewählt, das zu einem Polymer polymerisiert, welches mit dem Druckmaterial stoffgleich ist. Das Polymer im Innenraum verbindet sich dann auch chemisch mit einer Druckstruktur des Objekts. Somit entsteht insgesamt ein massives Objekt aus dem Polymer, das gleichzeitig filigrane Außenkonturen aufweist, schnell mit dem Polymer ausfüllbar ist und im Hinblick auf die mechanische Festigkeit als fast einstückig anzusehen ist.In a further particularly advantageous embodiment of the invention, a monomer is chosen which polymerizes to form a polymer which is of the same material as the printing material. The polymer in the interior then also chemically combines with a printed structure of the object. This results in a solid object made of the polymer, which at the same time has filigree outer contours, can be quickly filled with the polymer and can be regarded as almost one-piece in terms of mechanical strength.

Allgemein kann das Verfahren gemäß der Erfindung alle 3D-Druckverfahren, die mit thermoplastischen Kunststoffen arbeiten, aufwerten. Zugleich kann insbesondere im Prototyping und in Kleinserien der Spritzguss substituiert werden. Insbesondere können der Zeitaufwand und die Kosten, die bei jeder Herstellung und Änderung der Spritzgussform anfallen, vermieden werden.In general, the method according to the invention can upgrade all 3D printing methods that work with thermoplastics. At the same time, injection molding can be substituted, especially in prototyping and in small series. In particular, the time and expense associated with each manufacture and modification of the injection mold can be avoided.

Nach dem zuvor Gesagten bezieht sich die Erfindung auch auf einen 3D-Drucker, der dadurch besonders zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist, dass ein erster Druckkopf für das Druckmaterial und ein zweiter Druckkopf für das Füllmaterial vorgesehen ist.According to what has been said above, the invention also relates to a 3D printer which is particularly designed to carry out the method according to the invention in that a first print head is provided for the printing material and a second print head is provided for the filling material.

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.Further measures improving the invention are presented in more detail below together with the description of the preferred exemplary embodiments of the invention with the aid of figures.

Figurenlistecharacter list

Es zeigen:

1 Ablaufdiagramm eines Verfahrens 100 nach Stand der Technik und
2 ein Ablaufdiagramm des Verfahrens 100 gemäß der Erfindung.

Show it:

1 Flowchart of a method 100 according to the prior art and
2 a flow chart of the method 100 according to the invention.

1 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 100 nach Stand der Technik, wobei in Schritt 110 zunächst eine Druckstruktur 11 gefertigt wird. Diese Druckstruktur 11 enthält einen Innenraum 12, der in Schritt 120 mit einem Füllmaterial 22, welches Verstärkungsfasern 25 enthält, gefüllt wird. Hierbei wird das Füllmaterial 125 optional in Eingriff mit Hinterschnitten in der Druckstruktur gebracht. Optional können nun weitere Iterationen stattfinden, in denen die Druckstruktur 11 erweitert und entsprechende Innenräume 12 mit Füllmaterial 22 belegt werden. 1 FIG. 1 shows a flow chart of a method 100 according to the prior art, with a print structure 11 first being produced in step 110 . This pressure structure 11 contains an interior space 12 which is filled in step 120 with a filling material 22 containing reinforcing fibers 25 . In this case, the filling material 125 is optionally brought into engagement with undercuts in the pressure structure. Optionally, further iterations can now take place, in which the print structure 11 is expanded and corresponding inner spaces 12 are covered with filling material 22 .

In Schritt 130 wird das im Füllmaterial 22 enthaltene Monomer 23 zu einem Polymer 24 polymerisiert, wobei optional (Schritt 135) während der Polymerisation weiter Füllmaterial 22 zugeführt wird.In step 130, the monomer 23 contained in the filler material 22 is polymerized to form a polymer 24, with optional (step 135) further filler material 22 being supplied during the polymerization.

Anschließend kann nach Wahl des Anwenders das Komposit aus Druckstruktur 11 und im Innenraum 12 derselben enthaltenem, mit Fasern 25 verstärktem Polymer 24 als fertiges Objekt 10 verwendet werden, oder es kann in Schritt 140 die Druckstruktur 11 entfernt werden.Subsequently, the composite of print structure 11 and polymer 24 reinforced with fibers 25 contained in the interior 12 of the same can be used as the finished object 10, or the print structure 11 can be removed in step 140.

2 zeigt ein Ablaufdiagramm des Verfahrens 100 gemäß der Erfindung wobei analog zum Stand der Technik in Schritt 110 zunächst eine Druckstruktur 11 gefertigt wird. Diese Druckstruktur 11 enthält einen Innenraum 12, der in Schritt 120 mit einem Füllmaterial 22, welches Verstärkungsfasern 25 enthält, gefüllt wird. Hierbei wird das Füllmaterial 125 optional in Eingriff mit Hinterschnitten in der Druckstruktur gebracht. Optional können nun weitere Iterationen stattfinden, in denen die Druckstruktur 11 erweitert und entsprechende Innenräume 12 mit Füllmaterial 22 belegt werden. Das Füllmaterial 22 umfasst bevorzugt Caprolactam als Monomer 23. Die Druckstruktur 11, bzw. die Hülle des gedruckten Objektes 10, bzw. Bauteils befindet sich in einer beheizten Füllkammer. Das Bauteil 10 muss dabei eine Temperatur von mindestens 80°C aufweisen, um eine Kristallisation des Caprolactam (Schmelztemperatur 68 °C) während des Befüllens 120 zu verhindern. Alle Tanks, Leitungen, Mischköpfe und Düsen der Befülleinheit sind ebenfalls auf eine Temperatur von mindestens 80°C zu beheizen um die Kristallisation des Caprolactam zu vermeiden. 2 shows a flow chart of the method 100 according to the invention, in which, analogously to the prior art, in step 110 a print structure 11 is first produced. This pressure structure 11 contains an interior space 12 which is filled in step 120 with a filling material 22 containing reinforcing fibers 25 . In this case, the filling material 125 is optionally brought into engagement with undercuts in the pressure structure. Optionally, further iterations can now take place, in which the print structure 11 is expanded and corresponding inner spaces 12 are covered with filling material 22 . The filling material 22 preferably comprises caprolactam as a monomer 23. The printing structure 11 or the shell of the printed object 10 or component is located in a heated filling chamber. The component 10 must have a temperature of at least 80° C. in order to prevent the caprolactam (melting point) from crystallizing temperature 68 °C) during filling 120 to prevent. All tanks, lines, mixing heads and nozzles of the filling unit must also be heated to a temperature of at least 80°C to prevent the caprolactam from crystallizing.

Das Caprolactam 23 wird in der Befülleinheit zunächst durch ein herkömmliches Heizelement erwärmt und aufgeschmolzen. Die notwendigen Additive (wie beispielsweise Aktivator, Katalysator, Flammschutzmittel, ...) werden mit aufgeschmolzen oder nachträglich in das Füllmaterial 22, bzw. die Schmelze dosiert. Um eine gute Vermischung des Füllmaterials 22, bzw. der flüssigen Komponenten zu gewährleisten, wird die Schmelze 22 über einen Mischkopf des 3D Druckers geführt und anschließend durch eine Düse in das Objekt, bzw. Bauteil gefüllt. Nun muss die Schmelze 22 möglichst schnell auf die notwendige Reaktionstemperatur von 140°C bis 170°C, bevorzugt 160°C gebracht werden. Dafür wird in Schritt 130 das im Füllmaterial 22 enthaltene Monomer 23 zu einem Polymer 24 polymerisiert, wobei das Füllmaterial 22 mit Hilfe von Mikrowellenstrahlung erwärmt wird 150. Dabei wird die Druckstruktur 11, bzw. die 3D-gedruckte Hülle auf 100°C bis 150°C erwärmt und mit dem bei ca. 110°C aufgeschmolzenem Gemisch aus Caprolactam 23 und den zur Polymerisation notwendigen Additiven befüllt. Im dazu ablaufenden Prozessschritt 150 wird das Caprolactamgemisch 22 mit Hilfe von Mikrowellenstrahlung auf die notwendige Reaktionstemperatur von 140°C bis 170°C gebracht.The caprolactam 23 is first heated and melted in the filling unit by a conventional heating element. The necessary additives (such as activator, catalyst, flame retardant, ...) are also melted or subsequently metered into the filling material 22 or the melt. In order to ensure good mixing of the filling material 22 or the liquid components, the melt 22 is guided over a mixing head of the 3D printer and then filled into the object or component through a nozzle. Now the melt 22 must be brought to the required reaction temperature of 140°C to 170°C, preferably 160°C, as quickly as possible. For this purpose, in step 130 the monomer 23 contained in the filling material 22 is polymerized to form a polymer 24, with the filling material 22 being heated 150 with the aid of microwave radiation C and filled with the mixture of caprolactam 23 melted at approx. 110°C and the additives required for polymerisation. In the associated process step 150, the caprolactam mixture 22 is brought to the necessary reaction temperature of 140° C. to 170° C. with the aid of microwave radiation.

Die Energie wird durch die Mikrowellenstrahlung schnell und selektiv in die Schmelze 22 abgegeben. Die dabei entstehende Bauteilerwärmung erfolgt dabei von innen nach außen. Die Heizleistung ist über die Mikrowellenstrahlung stufenlos und innerhalb von Sekundenbruchteilen zu regeln, wobei Hystereseeffekte vermieden werden.The energy is quickly and selectively released into the melt 22 by the microwave radiation. The resulting component heating occurs from the inside to the outside. The heat output can be regulated steplessly and within fractions of a second via the microwave radiation, whereby hysteresis effects are avoided.

Durch Zusatz von Additiven in die Druckstruktur 11, bzw. die äußere Hülle, kann diese auch in die Mikrowellenstrahlung eingekoppelt werden. Dadurch entsteht eine Wärmeleitung von der Hülle 11 direkt in das erwärmte und reaktive Caprolactam 23. Dadurch beginnt die Reaktion an der Hülle 11 und eine sehr gute Verbindung von Hülle 11 und Füllmaterial 22, bzw. Kern wird erreicht. Dadurch bilden sich vereinzelt PA6 Polymere an der Hülle 11, wodurch sich eine Fortsetzung der Polymerisation ergibt. Dadurch wird eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der Hülle 11 und dem Kern 22 erzielt. Ein Ablösen der Hülle 11 vom Kern 22 ist somit ausgeschlossen.By adding additives to the pressure structure 11 or the outer shell, this can also be coupled into the microwave radiation. This creates heat conduction from the shell 11 directly into the heated and reactive caprolactam 23. As a result, the reaction begins at the shell 11 and a very good connection between the shell 11 and the filling material 22 or core is achieved. As a result, isolated PA6 polymers form on the shell 11, resulting in a continuation of the polymerization. As a result, a material connection between the shell 11 and the core 22 is achieved. A detachment of the shell 11 from the core 22 is thus excluded.

Anschließend kann das Komposit aus Druckstruktur 11 und im Innenraum 12 derselben enthaltenem, mit Fasern 25 verstärktem Polymer 24 als fertiges Objekt 10 verwendet werden.The composite of the print structure 11 and the polymer 24 reinforced with fibers 25 contained in the interior 12 of the same can then be used as the finished object 10 .

Ein 3D-Drucker zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst beispielsweise eine Grundplatte, auf der die Druckstruktur 11 aufzubauen ist. Die Grundplatte ist in einem heizbaren Bauraum angeordnet. Weiterhin kann der Drucker beispielsweise drei Druckköpfe aufweisen. Der erste Druckkopf heizt dabei ein als Granulat vorliegendes Druckmaterial auf und gibt es in plastifizierter Form über eine Düse mit einer Austrittsöffnung selektiv an den Stellen aus, die zur Druckstruktur 11 gehören. Der zweite Druckkopf erhält sowohl ein Monomer 23 als auch Verstärkungsfasern 25. Im Inneren des zweiten Druckkopfes mischen sich das Monomer 23 und die Verstärkungsfasern 25 zum Füllmaterial 22, das aus der Austrittsöffnung des zweiten Druckkopfs austritt. Der dritte Druckkopf heizt ein weiteres, als Granulat vorliegendes Material bis zur Plastifizierung auf und gibt es durch seine Austrittsöffnung aus. Der dritte Druckkopf dient zum Aufbringen einer Trägerstruktur auf der Grundplatte, In jeder aufgebauten Schicht wird an den zur Trägerstruktur gehörenden Orten das Material der Trägerstruktur aufgebracht, und an den zur Druckstruktur 11 gehörenden Orten wird das Druckmaterial aufgebracht.A 3D printer for carrying out the method according to the invention comprises, for example, a base plate on which the print structure 11 is to be built. The base plate is arranged in a heatable space. Furthermore, the printer can have three print heads, for example. The first print head heats up a print material present as a granulate and outputs it in plasticized form via a nozzle with an outlet opening selectively at the points that belong to the print structure 11 . The second print head receives both a monomer 23 and reinforcing fibers 25. Inside the second print head, the monomer 23 and the reinforcing fibers 25 mix to form the filling material 22, which emerges from the outlet opening of the second print head. The third print head heats another material, which is in the form of granules, until it becomes plastic and ejects it through its outlet. The third print head is used to apply a carrier structure to the base plate. In each built-up layer, the material of the carrier structure is applied to the locations belonging to the carrier structure, and the printing material is applied to the locations belonging to the printing structure 11 .

In einer alternativen Ausgestaltung des 3D-Druckers kann das Füllmaterial 22 auch mit zwei Druckköpfen im Wechsel eingebracht werden, die zwei Komponenten des Füllmaterials 22 enthalten. Beispielsweise kann der Druckkopf ein Gemisch aus Monomer 23, Katalysator und Verstärkungsfasern 25 enthalten, und der Druckkopf kann ein Gemisch aus Monomer 23, Aktivator und Verstärkungsfasern 25 enthalten. Durch das wechselweise Auftragen kommt es dann innerhalb des Innenraums 12 zur Durchmischung. In dem auf diese Weise aktivierten Gemisch kann die Polymerisation durch kurzzeitige Erwärmung mit Hilfe der Mikrowellenstrahlung auf etwa 130 °C angestoßen und anschließend bei einer Bauraumtemperatur zwischen 40 °C und 70 °C fortgesetzt werden.In an alternative configuration of the 3D printer, the filling material 22 can also be introduced alternately with two print heads, which contain two components of the filling material 22 . For example, the printhead may contain a mixture of monomer 23, catalyst, and reinforcing fibers 25, and the printhead may contain a mixture of monomer 23, activator, and reinforcing fibers 25. The alternating application then results in mixing within the interior space 12 . In the mixture activated in this way, the polymerisation can be initiated by brief heating with the aid of microwave radiation to about 130° C. and then continued at an installation space temperature of between 40° C. and 70° C.

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

US 2016046803 A1 [0003]US2016046803A1 [0003]
DE 102016222558 A1 [0005]DE 102016222558 A1 [0005]

Claims

Verfahren (100) zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts (10), umfassend folgende Schritte: eine Druckstruktur (11), welche einen Innenraum (12) definiert, wird mittels 3D-Druck aus einem Druckmaterial (21) gefertigt (110); ein Füllmaterial (22), welches mindestens ein flüssiges oder pastöses Monomer (23) umfasst, wird in den Innenraum (12) eingebracht (120), dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial (22) mit Hilfe von Mikrowellenstrahlung erwärmt wird (150) und zu einem Polymer (24) polymerisiert (130).Method (100) for producing a three-dimensional object (10), comprising the following steps: a print structure (11) which defines an interior space (12) is manufactured (110) by means of 3D printing from a print material (21); a filling material (22) which comprises at least one liquid or pasty monomer (23) is introduced (120) into the interior (12), characterized in that the filling material (22) is heated (150) with the aid of microwave radiation and polymerized (130) in a polymer (24).

Verfahren (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial (22) durch die Mikrowellenstrahlung auf eine Reaktionstemperatur von 140°C bis 170°C gebracht wird.Method (100) according to claim 1 , characterized in that the filling material (22) is brought to a reaction temperature of 140°C to 170°C by the microwave radiation.

Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Füllmaterial (22) gewählt wird, welches mindestens einen festen Füllstoff (25) enthält.Method (100) according to any one of Claims 1 or 2 , characterized in that a filling material (22) is selected which contains at least one solid filler (25).

Verfahren (100) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verstärkungsstoff, insbesondere in Form von Fasern, als Füllstoff (25) gewählt wird.Method (100) according to claim 3 , characterized in that a reinforcing material, in particular in the form of fibers, is chosen as the filler (25).

Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Monomer (23) gewählt wird, das zu einem Polymer (24) polymerisiert, welches mit dem Druckmaterial (21) stoffgleich ist.Method (100) according to one of the preceding claims, characterized in that a monomer (23) is selected which polymerizes to form a polymer (24) which is the same material as the printing material (21).

Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Einbringen (120) des Füllmaterials (22) weiteres Druckmaterial (21) mittels 3D-Druck aufgebracht wird (110).Method (100) according to one of the preceding claims, characterized in that after the introduction (120) of the filling material (22), further printing material (21) is applied by means of 3D printing (110).

Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Caprolactam als Monomer (23) gewählt und zu einem Polyamid PA6 als Polymer (24) polymerisiert (130) wird.Method (100) according to one of the preceding claims, characterized in that caprolactam is selected as the monomer (23) and polymerized (130) to form a polyamide PA6 as the polymer (24).

Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Objekt (10) von innen nach außen erwärmt wird.Method (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the object (10) is heated from the inside to the outside.

Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckstruktur (11) Additive aufweist, die mit der Mikrowellenstrahlung koppelbar sind, wodurch sich die Druckstruktur (11) erwärmt.Method (100) according to any one of Claims 1 until 7 , characterized in that the pressure structure (11) has additives which can be coupled with the microwave radiation, whereby the pressure structure (11) heats up.

Verfahren (100) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitung zusätzlich von der Druckstruktur (11) in das Füllmaterial (22) eingebracht wird.Method (100) according to claim 9 , characterized in that the heat conduction is additionally introduced from the pressure structure (11) into the filling material (22).

3D-Drucker (30) zur Durchführung eines Verfahrens (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Druckkopf für das Druckmaterial (11) und ein zweiter Druckkopf für das Füllmaterial (22) vorgesehen sind.3D printer (30) for carrying out a method (100) according to one of Claims 1 until 10 , characterized in that a first print head for the printing material (11) and a second print head for the filling material (22) are provided.