WO2020109280A1 - Additive fertigung 3-dimensionaler formkörper mittels filamenten mit hohem aspektverhältnis - Google Patents

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WO2020109280A1
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Dirk Achten
Nicolas Degiorgio
Jonas KÜNZEL
Robert Maleika
Thomas BÜSGEN
Maximilian Wolf
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Covestro Deutschland AG
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    • B29C64/30—Auxiliary operations or equipment
    • B29C64/307—Handling of material to be used in additive manufacturing
    • B29C64/321—Feeding

Definitions

  • the present invention relates to an FDM print head for producing 3-dimensional shaped bodies in a 3D printer, which is set up to process an asymmetrical filament with an aspect ratio of> 1.5 to ⁇ 1000.
  • the invention also relates to a 3D printer with such a printhead, an FDM method using the printhead.
  • additive manufacturing of molded articles has become increasingly important in the industrial environment.
  • a very high degree of design freedom is paired with low storage and tool costs, which significantly improves the economy of very small series or individual pieces compared to well-known manufacturing processes, such as injection molding.
  • plastics are heated above their melting temperature and extruded in layers or at points from a nozzle.
  • the position of the printhead and thus also the location of the melt can be individually controlled via a computer using a CAD program, so that after solidification of the melt on a surface or repeated discharge on layers already deposited, 3D objects of even complex geometries can be obtained .
  • the achievable resolution of the objects is a function of the original data resolution, the motor function of the print head, the nozzle shape and the material properties of the polymer used.
  • the disadvantage of the method is that sequential production is very time-consuming and the functionality of the valuables is not always guaranteed as desired. There is a close interaction between functionality and expenditure of time, which in practice requires a targeted coordination between material, material processing and the parameters of the printing process such as temperature and discharge. This optimization is essential to create optically homogeneous moldings with uniform mechanical properties using 3D printing.
  • WO 2016 170 030 A1 discloses a method for producing a three-dimensional object, the outer surface of which comprises at least one surface section which is produced by first producing a surface section in two-dimensional form on a flat base plate (5) by means of an additive manufacturing method, comprising the following steps: I) applying at least one curable polymer or curable reaction resin, each with a modulus of elasticity according to DIN 53504 (Stand April 18, 2015) in the hardened state of ⁇ 250 MPa in flowable form as material webs on a flat base plate (5) by means of a layer-forming molding process for creating a first layer (6); II) applying a second layer (7) to the first layer (6) by means of the same or a different layer-forming molding process as in step I); III) optionally applying from 1 to 48 further layers in accordance with step II), in each case a new layer being applied to the previous layer; IV) curing the layers; V) detaching the hardened surface section from the flat base plate (5); VI) shaping the hardened
  • WO 2018 158 239 A1 discloses a print head for an additive melt layering process with a thermoplastic construction material, comprising: at least one entrance for receiving a construction material into the print head; - At least one melting area arranged after the entrance and at least temporarily fluidly connected to the entrance for melting the building material; and at least one first outlet, which is at least temporarily fluidly connected to the melting area, for discharging melted building material at a first discharge rate from the melting area; wherein the printhead further comprises at least one second outlet, which is at least temporarily fluidly connected to the melting area, for discharging melted or non-melted building material at a second discharge rate from the melting area; and - the first discharge rate can be influenced by a first discharge rate influencer for the molten building material.
  • EP 2 483 060 B1 relates to a system comprising: an extrusion-based digital production system and a consumable, the consumable having a ribbon thread, the ribbon thread having a length and a non-cylindrical cross-sectional profile, the cross-sectional profile having a rectangular geometry with a cross-sectional shape Width to thickness aspect ratio of about 2: 1 or greater, the cross-sectional profile configured to match a corresponding rectangular geometry of a non-cylindrical condenser of the extrusion-based digital manufacturing system, the condenser having an entrance cross-sectional area Ae and one hydraulic diameter Dh, where Dh ⁇ 0.95 ⁇ VAc, to bring about a reaction time with the non-cylindrical condenser that is at least 1.5 times faster than the reaction time with a cylindrical thread in a cylindrical condenser for a same thermally limited, maximum volumetric flow rate can be achieved.
  • Another object of the invention is to provide a method which enables time-efficient production of 3D printed products. Furthermore, it is the object of the present invention to provide a 3D printing head and 3D printer for producing these products.
  • a printhead according to claim 1, a 3D printer according to claim 7 and a method according to claim 8 are therefore proposed.
  • Advantageous further developments are specified in the subclaims. They can be combined as required, unless the context clearly indicates the opposite.
  • a print head according to the invention for producing 3-dimensional shaped bodies in a 3D printer has at least one feed unit for a filament, a melting unit for melting the filament and a print head nozzle.
  • the feed unit and the reflow unit are set up to process an asymmetrical filament with an aspect ratio of> 1.5 and ⁇ 1000 and a cooling unit is arranged between the feed unit and the reflow unit, through which the filament is guided to the reflow unit.
  • a 3D printer has a print head according to the invention.
  • the 3D printer can have further elements such as positioning and control units.
  • a method for additive manufacturing of 3-dimensional shaped bodies by means of fused deposition modeling comprises at least the following steps: a) Providing a filament comprising a polymeric material with a filament aspect ratio Apii ament , calculated as a quotient of filament width and thickness, of> 1.5 and ⁇ 1000, preferably> 10 and ⁇ 800, particularly preferably of> 100 and ⁇ 500; b) feeding the filament to a printhead according to the invention; and c) one or more layers of filament melted out in the printhead through the print head nozzle of the print head to obtain the shaped body.
  • the invention has several advantages over the prior art.
  • asymmetrical filaments with the aspect ratios specified above, significantly more homogeneous printed moldings can be obtained and the printing speed can be increased significantly compared to conventional 3D printing processes. So there are cheaper products available, which are also characterized by improved mechanical and optical quality.
  • the process and product advantages are attributed, on the one hand, to the fact that the aspect filaments have an improved surface-to-volume ratio compared to the round or oval filaments usually used.
  • Round or oval filaments from the prior art have a particularly small surface area due to their symmetry per volume. This can be advantageous in the production, the material logistics of the filaments, but it leads to the fact that there are thick filaments with unfavorable surface properties for 3D printing.
  • the surface-to-volume ratio is increased compared to the known filaments, since a larger surface volume is available per amount of material.
  • the increased surface volume can be used to heat, melt or melt the same amount of material faster and more evenly.
  • the rheology of the molten polymer discharge appears to be influenced not only by the thermal but also by the shear history of the filament.
  • the adapted filament geometry enables a significantly more uniform shear history to be set for the individual volume elements, so that the alignment of the polymer chains is more defined compared to "uneven", round or oval filaments with a thick core.
  • the extrusion process takes place with evenly aligned polymer chains, which can contribute to more uniform material properties. Overall, this results in a faster and more homogeneous melting and extrusion process, which can lead to cheaper and more uniform workpieces.
  • the method according to the invention is a method for additive manufacturing of 3-dimensional shaped bodies. Additive processes as such are known from the prior art. Additive manufacturing is a process in which a component is built up in layers based on digital 3D design data by storing material. It differs from conventional, abrasive manufacturing methods.
  • additive manufacturing is understood in particular to mean FDM (fused deposition modeling), FDM ("fused filament fabrication”) or FFF ("fused filament fabrication”). All in all, processes that are not based on melting or sintering powders or particles, but that work with macroscopic filaments as a material carrier. 3-dimensional moldings are workpieces of any geometry, which extend in three spatial directions.
  • the cooling unit makes it possible to simultaneously obtain a homogeneous melt in the melting unit and a thermoplastic polymer material which is not present in the contact-adhesive area and has the aspect ratios described with the resulting advantages outside of the melting unit.
  • the method according to the invention requires the provision of a filament comprising a polymeric material with a filament aspect ratio A FUament , calculated as the quotient of the filament width and thickness, of> 1.5 and ⁇ 1000, preferably> 10 and ⁇ 800, particularly preferably of> 100 and ⁇ 500.
  • a filament to be used according to the invention is a macroscopic “continuous fiber”, which can expediently be made up on a roll.
  • the dimension of the filament which is characterized by its length, does not contribute to determining the aspect ratio.
  • the aspect ratio according to the invention does not change numerically if the filament is 50 cm, 2 m or 50 m long. To determine the aspect ratio, only two other filament lengths can be used Filament axes contribute.
  • the filament can have a rectangular cross section with two sides of different lengths, the ratio of the two sides, that is to say the quotient of the side lengths, being in the range given above.
  • the aspect ratio results from the lengths of the axes of symmetry.
  • the filament can also have a triangular basic shape that is not isosceles.
  • the mean value of the two dimensions used for the calculation is used in each case.
  • the filament width is the axis of symmetry of the filament with the largest dimension and the thickness is defined as the axis of symmetry of the filament with the smallest dimension.
  • the filaments to be used according to the invention are asymmetrical and therefore always have a greater width than thickness, which is expressed in an aspect ratio not equal to 1.
  • the filament comprises at least one polymeric material, the polymeric material changing from a solid to a liquid or plastic state with the application of thermal energy.
  • Suitable polymeric base materials are, for example, thermoplastic polymers. These can be homopolymers, alternating copolymers, statistical copolymers, block copolymers or elastomer alloys.
  • the polymer is a polyurethane, a rubber, or a polycarbonate.
  • the rubber can be the base material and can be used before curing or vulcanization.
  • rubbers are the vulcanizates of natural and synthetic rubbers.
  • the polymer can be a thermoplastic polyurethane elastomer.
  • the elastomer is a thermoplastic polyurethane elastomer which can be obtained from the reaction of a polyisocyanate component and a polyol component, the polyol component comprising a polyester polyol which has a pour point (ASTM D5985: 2014) of> 25 ° C.
  • diols in the molecular weight range from> 62 to ⁇ 600 g / mol can furthermore be used as chain extenders in the reaction to give this polyurethane.
  • 4,4 '-MDI or a mixture containing IPDI and HDI as the polyisocyanate component are preferred.
  • Preferred pour points (no flow point) for this polyester polyol are> 35 ° C, more preferably> 35 ° C to ⁇ 55 ° C.
  • a measuring vessel is set with the sample in a slow rotation (0.1 rev / min).
  • a flexibly mounted measuring head dips into the sample and when the pour point is reached the sudden increase in viscosity moves it away from its position, the resulting tilting movement triggers a sensor.
  • polyester polyols which can have such a pour point are reaction products of phthalic acid, phthalic anhydride or symmetrical a, co-C4 to C10 dicarboxylic acids with one or more C2 to C10 diols. They preferably have a number average molecular weight Mn of> 400 g / mol to ⁇ 6000 g / mol.
  • Suitable diols are in particular monoethylene glycol, 1, 4-butanediol, 1, 6-hexanediol and neopentyl glycol.
  • polyester polyols are given below with their acid and diol components: adipic acid + monoethylene glycol; Adipic acid + monoethylene glycol + 1,4-butanediol; Adipic acid + 1,4-butanediol; Adipic acid + 1,6-hexanediol + neopentyl glycol; Adipic acid + 1, 6-hexanediol; Adipic acid + 1,4-butanediol + 1,6-hexanediol; Phthalic acid (anhydride) +
  • Preferred polyurethanes are obtained from a mixture containing IPDI and HDI as the polyisocyanate component and a polyol component containing a preferred polyester polyol mentioned above.
  • the combination of a mixture comprising IPDI and HDI as the polyisocyanate component with a polyester polyol composed of adipic acid + 1, 4-butanediol + 1,6-hexanediol is particularly preferred to form the polyurethanes.
  • polyester polyols have an OH number (DIN 53240: 2007) of> 25 to ⁇ 170 mg KOH / g and / or a viscosity (75 ° C, DIN 51550) of> 50 to ⁇ 5000 mPas.
  • An example is a polyurethane which is obtainable from the reaction of a polyisocyanate component and a polyol component, the polyisocyanate component comprising an HDI and IPDI and the polyol component comprising a polyester polyol which comprises the reaction of a reaction mixture comprising adipic acid and 1,6-hexanediol and 1,4-butanediol is available with a molar ratio of these diols of> 1: 4 to ⁇ 4: 1 and which has a number average molecular weight Mn (GPC, against polystyrene standards) of> 4000 g / mol to ⁇ 6000 g / mol.
  • Mn number average molecular weight
  • Such a polyurethane can have an amount of complex viscosity
  • Suitable polyurethanes are:
  • polyester polyurethanes with terminal hydroxyl groups as described in EP 019 294 6 Al, produced by reacting a) polyester diols with a molecular weight of more than 600 g / mol and optionally b) diols with a molecular weight in the range from 62 to 600 g / mol as chain extenders with c) aliphatic diisocyanates while maintaining an equivalent ratio of hydroxyl groups of components a) and b) to isocyanate groups of component c ) from 1: 0.9 to 1: 0.999, component a) comprising at least 80% by weight of polyester diols of the molecular weight range 4000 to 6000 based on (i) adipic acid and (ii) mixtures of 1,4-dihydroxybutane and 1,6-dihydroxyhexane in the molar ratio of the diols from 4: 1 to 1: 4.
  • polyacrylic rubber ACM
  • SBR styrene-butadiene rubber
  • SI polysiloxane
  • VMQ vinyl methyl silicone
  • NR nitrile rubber
  • HNBR hydrogenated nitrile rubber
  • XNBR carboxylated Nitrile rubber
  • XHNBR carboxylated hydrogenated nitrile rubber
  • EPDM polychloroprene rubber
  • Vamac fluorinated rubber
  • FKM isobutylene rubber
  • IIR polybutadiene rubber
  • BR polybutadiene rubber
  • the rubbers in the uncrosslinked, uncured, uncured state are brought into the desired shape by means of an additive manufacturing process and cured, crosslinked or vulcanized only in a subsequent process step, usually by temperature storage.
  • the filament is fed while melting to a print head according to the invention.
  • the filament can be fed to the print head, for example, via a transport mechanism, which pushes the filament piece by piece from a transport or storage roll to the print head. On the way from the roll to the print head or on the print head itself, the filament is then converted from a solid to at least a plastic or liquid state with the application of thermal energy.
  • the liquefied or plasticized mass can be immediately extruded from the die gap / printhead.
  • the melted polymeric material can be temporarily stored in a collecting container in front of the print head.
  • the material feed and the volume flow can be decoupled from the material volume flow of the filament.
  • the nozzle gap can expediently be configured symmetrically, the two of the axes of symmetry defining the width and the thickness of the nozzle gap.
  • Rectangular nozzle gaps result in a different length and width of the nozzle gap.
  • the length and the width of the nozzle gap are the same. The latter also applies to a round nozzle gap.
  • the length and width are defined as the longest and the shortest dimension of the gap.
  • the geometry of the nozzle gap can be square or round.
  • step c) the melted filament is discharged one or more times in layers through the nozzle opening in order to obtain the shaped body.
  • the molten polymer is applied one or more times from the filament to a substrate or to a polymer that has already been discharged and solidified again.
  • the corresponding dimensions of the nozzle opening and of the filament differ in the width X and / or the thickness Y by> 5%, preferably by> 10%, particularly preferably by> 25%, wherein they preferably do not differ differ more than 95%.
  • the dimensions of the nozzle gap are matched to the dimensions of the filament. Without being bound by theory, this can be attributed to better melting behavior and more uniform shear stress on the polymer in the die gap.
  • the corresponding dimensions are in each case the longest and the shortest axis of the filament and the nozzle gap.
  • the nozzle opening can be, for example, 1 cm wide and 0.5 mm thick.
  • the comparison of the dimensions results from the comparison of the gap dimension with the longest dimension to the filament dimension with the longest dimension.
  • the dimensions of the filament that has not yet been melted are considered. Structures and / or material which have a smaller or a larger dimension than the filament itself can thus be extruded through the different nozzle dimensions.
  • the corresponding dimensions of the nozzle opening and of the filament differ in width X and / or thickness Y by a maximum of 95%.
  • the thickness Y of the nozzle opening is
  • the nozzle gap is chosen to be smaller in comparison to the filament used. Due to the changed dimensions compared to the filament, a better alignment of the polymer chains can be achieved, which is reflected in the structure of the molded body. For example, molded articles with a strong preferred direction of the mechanical properties of the deposited layers can be obtained. Further preferred ratios can be> 20% and ⁇ 90%, further preferably> 40% and ⁇ 70%.
  • the width X of the nozzle opening is> 5% and ⁇ 90% of the filament width.
  • the width of the nozzle opening can also have a significant influence on the quality of the molded body produced. This is surprising since the dimensions of the width of the nozzle gap are usually significantly larger than the thickness of the nozzle gap. In this respect it would be expected that the extrusion result is independent of the die gap width.
  • a reduced width of the nozzle gap compared to the filament can contribute to an improvement in the molded body.
  • Further preferred ratios between width X and filament width can be> 10% and ⁇ 80%, preferably> 20% and ⁇ 70%.
  • both the width X and the thickness Y of the nozzle opening are> 20% and ⁇ 80% of the filament thickness.
  • the nozzle gap is chosen to be smaller overall compared to the dimensions of the filament. Taking into account the thermally induced volume change due to the melting, suitable shear forces can be obtained with these relations, which can contribute to preferred mechanical properties of the extruded molded body.
  • the filament has a width of
  • filaments can provide a sufficiently high material volume flow, which leads to a preferably high production speed. The amounts of material can be melted very quickly and the result is a homogeneously plasticized polymer in which the thermal history of the individual volume elements is the same.
  • the ratio is within the scope of a further preferred embodiment of the method between the aspect ratio of the filament A F u ament and the aspect ratio of the nozzle opening A Ause (A FUament / A nozzle )> 5 and ⁇ 50.
  • the quotient of the aspect ratio of filament and nozzle gap within of the range specified above. This can contribute to preferred material preparation and uniform shear stress in the extrusion process.
  • the polymeric material of the filament comprises a thermoplastic polymer selected from the group consisting of thermoplastics with a melting temperature> 35 ° C. and ⁇ 300 ° C. or mixtures of at least two of them.
  • Thermoplastics with a melting temperature in the specified temperature range show a change in volume during melting, which, in combination with the aspect ratios considered here, leads to particularly mechanically stable 3D-printed molded articles.
  • thermoplastics with a Tg> 80 ° C and or an MVR at 50 ° C above the softening temperature (Tg or melting point in the presence of a melting point) of ⁇ 100 cm 2/10 min at a weight of 2.16 kg.
  • Preferred materials are therefore in particular those which are characterized as extrusion or film types in thermoplastic processing, since they particularly benefit from the larger heat transfer surface of the filaments with a high aspect ratio and the conveying force and the higher shear in the combination of film feed and extrusion heads according to the invention.
  • a significantly improved processing and higher extrusion speeds can be achieved via the higher heat energy that can be added and the higher shear.
  • the polymeric material of the filament comprises a thermoplastic polyurethane, a rubber or a polycarbonate.
  • the polyurethane is preferably a thermoplastic polyurethane which can be obtained from the reaction of a polyisocyanate component and a polyol component, the polyol component comprising a polyester polyol which has a pour point (ASTM D5985: 2014) of> 25 ° C.
  • the combination of a filament comprising such TPU with a slit-shaped print head nozzle is particularly preferred, the width of the print head nozzle corresponding to the width of the filament.
  • the filament has at least two layers, the at least two layers preferably having at least one inner pressure film and one outer protective film, the outer protective film preferably not being melted.
  • Filaments which have reactive polymers can also be processed by means of the method according to the invention.
  • the polymers of these Filaments react with environmental variables such as air humidity or oxygen.
  • These filaments can be protected by a protective film that is not melted on.
  • very fast 3D printing processes can be realized synergistically, so that materials can be printed that would not be printable without protective film and with normal round filaments .
  • isocyanate-functional or silane-functional moisture-curing reactive systems can be processed, or thermoplastics with low Tg, which stick to the roll using the prior art process and can no longer be unwound.
  • thermoplastics with low Tg which stick to the roll using the prior art process and can no longer be unwound.
  • Other possible uses are multi-material filaments consisting of 2 or more layers, which can be both co-extruded and laminated.
  • Multi-layer films - preferably co-extruded multi-layer films - can also be processed.
  • the filament also contains reinforcing fibers.
  • the reinforcing fibers are preferably continuous fibers which are aligned along the longitudinal direction of the filament. Suitable fiber contents are, for example,> 5% by weight, particularly preferably> 10% by weight and very particularly preferably> 15% by weight, the fibers having a fiber length of preferably at least 1 mm, particularly preferably at least 1.5 mm, very particularly preferably have at least 2 mm.
  • it can be a continuous fiber, as used, for example, in so-called organic sheets or surface-structured films. The latter can be promoted better because there is better frictional resistance.
  • the shear of the long fiber-reinforced filaments in the print head is significantly more uniform, which can contribute to better alignment of the fibers in the print body.
  • long fibers can advantageously be processed efficiently and in a controlled manner.
  • two or more different filaments are fed to the printhead at the same time. Due to the large surface area, different filaments can be melted reproducibly within a short period of time, so that more than one filament can be processed at the same time.
  • the different filaments can be the same or different materials and the different layers can have the same or different properties such as thicknesses or colors. There may also be materials in the filaments which react with one another, with or without exposure to heat or through the entry of oxygen or moisture. In this way, two or more reactive substances can be used simultaneously in different Filaments are fed to the print head and react with each other before or in the print head. It is thus possible to produce “in-situ” connections which, for example, are not stable in storage, for example in the form of PUs “synthesized” shortly before or in the nozzle.
  • gradient materials can also be printed out, the composition of which varies as a function of time.
  • 3D-printed workpieces can be produced which have a defined material gradient.
  • mechanically sensitive areas of the printed workpiece can be specifically reinforced or the optical properties can be specifically controlled by filaments with different color compositions.
  • the latter can also be achieved, for example, by feeding an at least two-layer asymmetrical filament. Due to the larger surface area, both sides of the filament can be heated very precisely at the same or different temperatures.
  • the connections in the different filament layers are preferably mobilized by the heating process and a controlled chemical reaction can take place between the connections of the different filament layers.
  • the heating temperature can also be controlled very precisely as a function of the layer in the layer composite.
  • two different foils are processed as a combined filament in the form of a layer composite.
  • the different layers can be mixed with one another in the extruder or, if necessary, also react and thus form a new compound, for example a new polymer.
  • a new polymer for example, by transesterification from two different esters or carbonates, by re-urethanization from two different polyurethanes, allophanatization by reaction of an alcohol with a uretdione, ionic crosslinking by reaction of a thermoplastic containing polyvalent metal salts (for example ZnO or Al sulfate) with a carboxyl-containing polymer or reaction of one Isocyanate-containing polymer with an alcohol-containing polymer.
  • This can significantly increase the flexibility of 3D printing as a whole and benefits in particular from the uniform heating of the asymmetrical filaments.
  • the at least one filament comprises thermoplastic polyurethane and the filament has a Shore A hardness according to DIN ISO 7619-1: 2012 of> 5 and ⁇ 80.
  • Shore A hardness according to DIN ISO 7619-1: 2012 of> 5 and ⁇ 80.
  • the range of hardness of the filament is preferably in a range from> 20 to ⁇ 75, furthermore preferably> 30 and ⁇ 65.
  • filaments of different hardness can also be co-extruded with one another and optionally mixed.
  • the configuration of the 3D printer according to the invention By means of the configuration of the 3D printer according to the invention, very fast printing processes can be realized, in particular also more homogeneous, printed shaped bodies are available.
  • the discharge can be carried out by multiple parallel or arbitrarily arranged individually switchable nozzles of the printer. It is also possible for the melted filament material to be discharged through size-variable nozzles, for example with a variable width.
  • a cutter function can be integrated in the print head or in / in front of the nozzle, which enables the processing and cutting of long fiber-reinforced filaments.
  • a combination with modified nozzle geometries is also possible, for example multiple nozzles, slot nozzles, variable nozzles for more efficient application of thermoplastics in 3D and 2D printing.
  • FIG. 1 a printhead according to the invention
  • FIG. 2 shows a possible embodiment of the filaments that can be used according to the invention
  • FIG. 3A and 3 B further refinements of filaments according to the invention.
  • FIG. 4 the definition of the feed angle of a filament according to the invention to a pair of rollers
  • FIG. 5 different nozzle shapes for extrusion of the filaments that can be used according to the invention.
  • FIG. 1 shows a print head 100 according to the invention for producing 3-dimensional shaped bodies in a 3D printer with a feed unit 300 for a filament 200, a fusing unit 400 for fusing the filament 200 and a printhead nozzle 500.
  • the filament 200 is supplied by the feed unit 300, which here is designed as a pair of rollers, conveyed and melted in the melting unit 400, which can be operated electrically, for example.
  • the melted filament strand 210 exits the printhead via the printhead nozzle 500.
  • the feed unit 300 and the reflow unit 400 are set up to process an asymmetrical filament 200 with an aspect ratio of> 1.5 and ⁇ 1000, which includes in particular the conveying and the melting. Examples of filament cross sections are given in the following FIGS. 2 and 3A to 3C.
  • a cooling unit 600 is also arranged between the feed unit 300 and the melting unit 400, through which the filament 200 is guided to the melting unit 400.
  • the dimensions of the filament to be processed can also determine dimensions in printhead 100.
  • the through opening in the cooling unit 600, through which the filament 200 is guided to the melting unit 400, can have the same cross section as the filament 200 itself. Cross-sectional areas of the through opening in the cooling unit 600 are also conceivable, which correspond to the cross section of the filament plus at most 50%, plus at most 30% or plus at most 15%.
  • the feed unit 300 can be heatable or coolable. To process a large number of polymers and to implement a very fast production process, it has proven to be advantageous to feed the filament to the extrusion die at a temperature. On the one hand, the feed unit 300 can be cooled when processing filaments from polymers with very low T g in order to avoid buildup.
  • the print head nozzle can be set up to be opened and closed during the 3D printing process on the instruction of a control unit.
  • the reflow unit 400 may have multiple heat sources.
  • the sequential heating of the filament 200 by means of several heat sources can contribute to a particularly uniform and gentle melting of the filament. Temperature peaks are avoided and the period in which the filament is completely melted can be kept particularly short. The latter can counteract unwanted, thermally induced degradation processes of the melted filament.
  • the printed filament 210 is at least temporarily decoupled from the entry volume of the supplied filament via a temperature-controlled reservoir arranged in front of the print head nozzle 500 and / or a controllable material outlet for the melted filament material.
  • the cooling unit 600 is designed as a channel provided with cooling fins.
  • the distance in the cooling unit 600 through which the filament 200 is guided to the melting unit 400 is longer than the width of the filament 200.
  • the distance is> 1.5 to ⁇ 10 times longer than the width of the filament 200.
  • the cooling unit 600 and the melting unit 400 are not connected to one another over the full area.
  • the thermal separation is effected by a circumferential gap 700.
  • a passage for guiding the filament 200 which is preferably formed by a thermally low-conductive, high-melting ceramic or polymeric material.
  • the passage can be formed by a thin metallic guide layer, so that the heat transfer from the heating element to the cooling element is as low as possible.
  • the height of the passage is preferably smaller than the width of the filament.
  • the width of the print head nozzle 500 is> 10% to ⁇ 95% of the width of the filament 200 and / or the thickness of the print head nozzle 500 is> 10% to ⁇ 95% of the thickness of the filament 200.
  • the filament 200 has a width of> 500 ⁇ m to ⁇ 50 mm and / or the filament has a thickness of> 20 ⁇ m to ⁇ 5 mm.
  • Preferred widths are> 1 mm to ⁇ 30 mm and preferred thicknesses are from> 50 pm to ⁇ 5 mm.
  • the printhead according to the invention can be set up to process a plurality of filaments.
  • mixtures of thermoplastics can be created directly in the heating head.
  • the composition of the mixtures can be influenced via different feed rates of the filaments to the melting unit.
  • the conveyance of the filaments can be supported by baffles and differently dimensioned melting zones can be constructed. In this way, material mixtures with different temperatures and / or thermal histories can be extruded in a targeted manner.
  • an asymmetrical filament with the aspect ratio provided according to the invention can be bent in the form of a flat band in the reflow unit and guided along the edges of the reflow unit.
  • the melted or plasticized mass of the filament then converges in or just before the print head nozzle and is extruded. If a further material is melted in the interior of the melting unit, for example in the central axis of the melting unit and added, material mixtures can be printed out in which a material is protected or encapsulated by another material.
  • FIG. 2 schematically shows a possible geometry of a filament 200 with a aspect ratio according to the invention.
  • a rectangular filament 2 with a filament width 8 and a filament thickness 7 is shown.
  • the thickness 7 is significantly smaller than the filament width 8. The result is an easily meltable filament 2 with a large surface area.
  • FIG. 3A schematically shows a possible geometry of a filament 200 with an aspect ratio according to the invention.
  • An oval filament 2 with a filament width 8 and a filament thickness 7 is shown.
  • the thickness 7 is significantly smaller than the filament width 8. The result is an easily meltable filament 2 with a large surface area.
  • FIG. 3B schematically shows a possible geometry of a filament 200 with an aspect ratio according to the invention.
  • a rectangular filament 2 is shown with rounded corners, a filament width 8 and a filament thickness 7.
  • the maximum dimensions of the rounded rectangle 2 are considered.
  • the thickness 7 is significantly smaller than the filament width 8. The result is an easily meltable filament 2 with a large surface area.
  • the FIG. 4 schematically shows the determination of the feed angle of the filament 200 to feed rolls 3.
  • the angle is formed by the center line 9, which runs perpendicular to the roll pair axis and centrally to the roll gap.
  • the other leg of the angle is formed by the tangent 10 to the supplied filament 2.
  • This angle can be set, for example, by further mechanical guide elements (not shown).
  • the angled feed of the filament 2 means that significantly more constant feed speeds of the filament 2 to the print head 1 can be maintained.
  • the feed unit can comprise two rollers and a guide for the filaments, the guide being set up to feed filaments into the roller gap at an angle of> 5 ° and ⁇ 85 °. Due to the non-symmetrical feeding of the filaments into the nip, in contrast to a straight introduction, a significantly more uniform material volume flow for asymmetrically shaped filaments can be achieved. Without being bound by theory, the more even volume flow can result from the fact that the filament bends somewhat due to the angled feed. The result is a live material reservoir, which can compensate for slight fluctuations in the conveyor unit, for example the pair of rollers.
  • the angle results from a vector parallel to the axis of symmetry of the pair of rollers and passing through the center of the nip and a filament vector which touches the filament in front of the nip.
  • the angle is shown in FIG. 4 defined. This angular range has proven to be particularly suitable for building up a sufficiently pre-tensioned filament.
  • FIG. 5A-C show different printhead nozzles for processing the invention provided filaments 2.
  • a symmetrical printhead nozzle is shown in which the nozzle gap has the same width and thickness. Round or square nozzle gap geometries are therefore recorded in this embodiment.
  • FIG. 5B schematically shows a cross section of an asymmetrical nozzle gap of a slot nozzle.
  • the slot nozzle has only a small thickness and a larger width.
  • FIG. 5C shows a multi-extrusion die in which several die heads are installed. Material can be extruded through each individual nozzle head.

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Abstract

Ein Druckkopf (100) zur Herstellung 3 -dimensionaler Formkörper in einem 3D-Drucker, mindestens aufweisend eine Zuführeinheit (300) für ein Filament (200), eine Aufschmelzeinheit (400) zum Aufschmelzen des Filaments (200) und eine Druckkopfdüse (500), zeichnet sich dadurch aus, dass die Zuführeinheit (300) und die Aufschmelzeinheit (400) eingerichtet sind, um ein asymmetrisches Filament (200) mit einem Aspektverhältnis von ≥ 1,5 und ≤ 1000 zu verarbeiten und dass zwischen der Zuführeinheit (300) und der Aufschmelzeinheit (400) eine Kühleinheit (600) angeordnet ist, durch welche hindurch das Filament (200) zur Aufschmelzeinheit (400) geführt wird.

Description

Additive Fertigung 3-dimensionaler Formkörper mittels Filamenten mit hohem
Aspektverhältnis
Die vorliegende Erfindung betrifft einen FDM-Druckkopf zur Herstellung 3-dimensionaler Formkörper in einem 3D-Drucker, welcher eingerichtet ist, um ein asymmetrisches Filament mit einem Aspektverhältnis von > 1,5 bis < 1000 zu verarbeiten. Die Erfindung betrifft ebenfalls einen 3D-Drucker mit einem solchen Druckkopf ein FDM-Verfahren unter Einsatz des Druckkopfs.
Die additive Fertigung von Formkörpem hat im industriellen Umfeld einen immer größeren Stellenwert eingenommen. In diesem Herstellungsverfahren ist dabei eine sehr hohe Gestaltungsfreiheit mit geringen Lager- sowie Werkzeugkosten gepaart, welches die Wirtschaftlichkeit sehr kleiner Serien oder von Einzelstücken, im Vergleich zu altbekannten Herstellverfahren, beispielsweise Spritzguss, deutlich verbessert. Innerhalb des hier betrachteten additiven 3D-Drucks werden Kunststoffe über ihre Schmelztemperatur erhitzt und Schicht- oder punktweise aus einer Düse heraus extrudiert. Die Position des Druckkopfs und damit auch der Ablageort der Schmelze lässt sich individuell über einen Rechner mittels eines CAD-Programm steuern, sodass nach Erstarren der Schmelze auf einem Untergrund oder bei wiederholtem Austragen auf schon abgelegten Schichten, 3D-Objekte auch komplexer Geometrien erhalten werden können. Die erreichbare Auflösung der Objekte ergibt sich als Funktion der ursprünglichen Datenauflösung, der Motorik des Druckkopfes, der Düsenform und den Materialeigenschaften des verwendeten Polymers.
Nachteilig an dem Verfahren ist jedoch, dass die sequentielle Fertigung sehr zeitaufwendig und die Funktionalität der Wertstücke nicht immer wie gewünscht gewährleistet ist. Zwischen Funktionalität und Zeitaufwand ergibt sich eine enge Wechselwirkung, welche in der Praxis eine gezielte Abstimmung zwischen Material, Materialaufarbeitung und den Parametern des Druckprozesses wie Temperatur und Austrag erfordert. Diese Optimierung ist unerlässlich, um optisch homogene Formkörper mit gleichmäßigen mechanischen Eigenschaften mittels 3D-Druck zu erzeugen.
In der Patentliteratur werden unterschiedlichste Herstellverfahren und Vorrichtungen zur Herstellung von Objekten mittels 3D-Druck beschrieben.
Die WO 2016 170 030 Al offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objektes, dessen Außenfläche wenigstens einen Flächenabschnitt umfasst, der erzeugt wird indem mittels eines additiven Fertigungsverfahrens (schichtaufbauendes Formgebungsverfahren) auf einer planen Basisplatte (5) zunächst ein Flächenabschnitt in zweidimensionaler Form produziert wird, umfassend die folgenden Schritte: I) Aufträgen wenigstens eines aushärtbaren Polymers oder aushärtbaren Reaktionsharzes mit jeweils einem Elastizitätsmodul gemäß DIN 53504 (Stand 18.04.2015) im gehärteten Zustand von < 250 MPa in fließfähiger Form als Materialbahnen auf eine plane Basisplatte (5) mittels eines schichtaufbauenden Formgebungsverfahrens zur Erstellung einer ersten Schicht (6); II) Aufträgen einer zweiten Schicht (7) auf die erste Schicht (6) mittels des gleichen oder eines anderen schichtaufbauenden Formgebungsverfahren wie in Schritt I); III) optional Aufträgen von 1 bis 48 weiteren Schichten gemäß Schritt II) wobei jeweils eine neue Schicht auf die jeweils vorherige Schicht aufgetragen wird; IV) Aushärten der Schichten; V) Ablösen des ausgehärteten Flächenabschnitt von der planen Basisplatte (5); VI) Formen des ausgehärteten Flächenabschnitts in ein dreidimensionales Objekt; und VII) Fixieren des dreidimensionalen Objektes.
Weiterhin offenbart die WO 2018 158 239 Al einen Druckkopf für ein additives Schmelzschichtungsverfahren mit einem thermoplastischen Aufbaumaterial, umfassend: - mindestens einen Eingang zur Aufnahme eines Aufbaumaterials in den Druckkopf hinein; - mindestens einen nach dem Eingang angeordneten und mit dem Eingang wenigstens zeitweise fluidisch verbundenen Schmelzbereich zum Aufschmelzen des Aufbaumaterials; und - mindestens einen mit dem Schmelzbereich wenigstens zeitweise fluidisch verbundenen ersten Ausgang zum Austragen von aufgeschmolzenem Aufbaumaterial mit einer ersten Austragsrate aus dem Schmelzbereich; wobei - der Druckkopf weiterhin mindestens einen mit dem Schmelzbereich wenigstens zeitweise fluidisch verbundenen zweiten Ausgang zum Austragen von aufgeschmolzenem oder nicht aufgeschmolzenem Aufbaumaterial mit einer zweiten Austragsrate aus dem Schmelzbereich umfasst; und - die erste Austragsrate durch einen ersten Austragsraten- Beeinflusser für das geschmolzene Aufbaumaterial beeinflussbar ist.
EP 2 483 060 Bl betrifft ein System aufweisend: ein auf Extrusion basierendes digitales Herstellungssystem und ein Verbrauchsmaterial, wobei das Verbrauchsmaterial einen Bandfaden aufweist, wobei der Bandfaden eine Länge und ein nicht-zylindrisches Querschnittsprofil aufweist, wobei das Querschnittsprofil eine rechteckige Geometrie mit einem Querschnitt- Seitenverhältnis von Breite zu Dicke von etwa 2:1 oder größer aufweist, wobei das Querschnittsprofil dazu eingerichtet ist, um mit einer korrespondierenden rechteckigen Geometrie eines nichtzylindrischen Verflüssigers des Extrusion-basierenden digitalen Herstellungssystem zusammen zu passen, wobei der Verflüssiger eine Eintritts-Querschnittsfläche Ae und einen hydraulischen Durchmesser Dh aufweist, wobei Dh < 0.95 · VAc, um eine Reaktionszeit mit dem nicht- zylindrischen Verflüssiger zu bewirken, die wenigstens 1,5 mal schneller ist als die Reaktionszeit, welche mit einem zylindrischen Faden in einem zylindrischen Verflüssiger für eine gleiche thermisch-begrenzte, maximale volumetrische Durchflussrate erreichbar ist.
Trotz der schon bekannten Verfahren im Bereich des 3D-Drucks allgemein und insbesondere im Bereich des FDM („Fused Filament Fabrication“) oder des FFF („Fused Filament Fabrication“), besteht weiterhin ein gesteigertes Interesse an Verfahren, welche mit einer hohen Herstellgeschwindigkeit optisch und funktional homogene 3D-gedruckte Erzeugnisse bereitstellen können. Weiterhin besteht ein großes Bedürfnis an verbesserten Vorrichtungen, welche die Aufarbeitung der Herstellmaterialien erleichtern und zu einer effizienten und reproduzierbaren Herstellungsweise beitragen.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung mindestens einen Nachteil des Standes der Technik mindestens zu einem Teil zu überwinden. Weiterhin besteht die Aufgabe ein Verfahren zur Herstellung komplexer 3D-gedruckter Erzeugnisse bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, das eine zeiteffiziente Herstellung von 3D- gedruckten Erzeugnissen ermöglicht. Des Weiteren ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen 3D-Druckopf und 3D-Drucker zur Herstellung dieser Erzeugnisse anzugeben.
Vorgeschlagen wird daher ein Druckkopf gemäß Anspruch 1, ein 3D-Drucker nach Anspruch 7 und ein Verfahren nach Anspruch 8. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Sie können beliebig kombiniert werden, sofern sich aus dem Kontext nicht eindeutig das Gegenteil ergibt.
Ein erfindungsgemäßer Druckkopf zur Herstellung 3 -dimensionaler Formkörper in einem 3D- Drucker, weist mindestens eine Zuführeinheit für ein Filament, eine Aufschmelzeinheit zum Aufschmelzen des Filaments und eine Druckkopfdüse auf.
Die Zuführeinheit und die Aufschmelzeinheit sind eingerichtet, um ein asymmetrisches Filament mit einem Aspektverhältnis von > 1,5 und < 1000 zu verarbeiten und zwischen der Zuführeinheit und der Aufschmelzeinheit ist eine Kühleinheit angeordnet, durch welche hindurch das Filament zur Aufschmelzeinheit geführt wird.
Ein 3D-Drucker weist einen erfindungsgemäßen Druckkopf auf. Der 3D-Drucker kann weitere Elemente wie Positionier- und Steuerungseinheiten aufweisen. Ein Verfahren zur additiven Fertigung 3 -dimensionaler Formkörper mittels fused deposition modeling umfasst mindestens die Schritte: a) Bereitstellen eines Filaments umfassend ein polymeres Material mit einem Filament- Aspektverhältnis Apiiament, berechnet als Quotient aus Filamentbreite und -dicke, von > 1,5 und < 1000, bevorzugt > 10 und < 800, besonders bevorzugt von > 100 und < 500; b) Zuführen des Filaments zu einem erfindungsgemäßen Druckkopf; und c) ein- oder mehrmaliges schichtweises Austragen von im Druckkopf aufgeschmolzenem Filament durch die Druckkopfdüse des Druckkopfs zum Erhalt des Formkörpers.
Die Erfindung weist gegenüber dem Stand der Technik mehrere Vorteile auf. Durch die Verwendung asymmetrischer Filamente mit oben angegebenen Aspektverhältnissen können deutlich homogenere gedruckte Formkörper erhalten und die Druckgeschwindigkeit gegenüber üblichen 3D-Druckprozessen deutlich gesteigert werden. Es sind also kostengünstigere Produkte erhältlich, welche sich zudem noch durch eine verbesserte mechanische und optische Qualität auszeichnen.
Ohne durch eine Theorie gebunden zu sein, werden die Verfahrens- und Produktvorteile zum einen darauf zurückgeführt, dass die Aspekt-Filamente im Vergleich zu den üblicherweise verwendeten, runden oder ovalen Filamenten, ein verbessertes Oberflächen-zu- Volumenverhältnis aufweisen. Runde oder ovale Filamente aus dem Stand-der-Technik weisen aufgrund ihrer Symmetrie pro Volumen eine besonders geringe Oberfläche auf. Dies kann bei der Herstellung, der Materiallogistik der Filamente vorteilhaft sein, führt aber dazu, dass für den 3D-Druck dicke Filamente mit ungünstigen Oberflächeneigenschaften vorliegen.
Bei den erfindungsgemäß vorgesehenen Filamenten ist das Oberflächen-zu- Volumenverhältnis gegenüber den bekannten Filamenten vergrößert, da pro Materialmenge ein größeres Oberflächenvolumen bereitsteht. Das vergrößerte Oberflächenvolumen kann dazu genutzt werden, dieselbe Materialmenge schneller und gleichmäßiger aufzuheizen, an- oder aufzuschmelzen.
Es müssen keine dicken Schichten, sondern nur flache Bereiche erhitzt werden, welches den Aufschmelzvorgang insgesamt verkürzt und Temperaturspitzen oder ungleichmäßige Temperaturverteilungen im Material deutlich verringert. Die einzelnen Materialvolumenelemente werden mit derselben Temperaturhistorie extrudiert und so können unerwünschte Abbauprozesse und Ungleichmäßigkeiten in der Temperatur der Volumenelemente ausgeschlossen werden.
Dies kann die Gleichmäßigkeit des Austrags und die Gleichmäßigkeit des erhaltenen 3D-Körpers erhöhen. Zum anderen scheint die Rheologie des geschmolzenen Polymeraustrags neben der thermischen auch von der Scherhistorie des Filaments beeinflusst. Durch die adaptierte Filamentgeometrie lässt sich eine deutlich gleichmäßigere Scherhistorie für die einzelnen Volumenelemente einstellen, sodass die Ausrichtung der Polymerketten im Vergleich zu „ungleichmäßigen“, runden oder ovalen Filamenten mit einem dicken Kern, definierter ist.
Der Extrusionsprozess erfolgt mit gleichmäßig ausgerichteten Polymerketten, welches zu gleichmäßigeren Materialeigenschaften beitragen kann. Insgesamt ergibt sich also ein schnellerer und homogenerer Aufschmelz- und Extrusionsprozess, welches zu günstigeren und gleichmäßigeren Werkstücken führen kann. Das erfindungsgemäße Verfahren ist ein Verfahren zur additiven Fertigung 3 -dimensionaler Formkörper. Additive Verfahren als solche sind dabei aus dem Stand- der-Technik bekannt. Die Additive Fertigung bezeichnet einen Prozess, bei dem auf der Basis von digitalen 3D- Konstruktionsdaten durch das Ablagem von Material schichtweise ein Bauteil aufgebaut wird. Es unterscheidet sich insofern von den konventionellen, abtragenden Fertigungsmethoden.
Unter additiver Fertigung wird im Sinne der Erfindung insbesondere die FDM (Fused deposition modeling), FDM („Fused Filament Fabrication“) oder das FFF („Fused Filament Fabrication“) verstanden. Also insgesamt Prozesse, welche nicht auf dem Aufschmelzen oder sinterten von Pulvern oder Partikeln basieren, sondern mit makroskopischen Filamenten als Materialträger arbeiten. 3 -dimensionale Formkörper sind dabei Werkstücke beliebiger Geometrie, welche sich in drei Raumrichtungen erstrecken.
Es ist ebenfalls möglich, dass mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens im Wesentlichen flächige, d.h. eigentlich zweidimensionale Werkstücke hergestellt werden, wobei auch flächige Werkstücke aufgrund der Ausdehnung in der dritten Dimension als 3D-Werkstücke angesehen werden. Mit dem erfindungsgemäßen Druckkopf, den diesen enthaltenen 3D-Drucker und dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine möglichst geringe Wandreibung des geförderten Filaments ermöglicht. Ohne erfindungsgemäß vorgesehene Kühleinheit würde das Filament, welches sich noch außerhalb der Aufschmelzeinheit befindet, allmählich durch deren Wärme aufgeheizt werden. Hierdurch steigt die Haftung des Materials an den Wänden der Förderstrecke stark an, was erwartbare Probleme bei der Materialzufuhr mit sich bringt. Durch die Kühleinheit wird es ermöglicht, gleichzeitig eine homogene Schmelze in der Aufschmelzeinheit und ein nicht im kontaktklebrigen Bereich vorliegendes thermoplastisches Polymermaterial der beschriebenen Aspektverhältnisse mit den sich daraus ergebenden Vorteilen außerhalb der Aufschmelzeinheit zu erhalten. Das erfindungsgemäße Verfahren erfordert im Schritt a) das Bereitstellen eines Filaments umfassend ein polymeres Material mit einem Filament-Aspektverhältnis AFUament, berechnet als Quotient aus Filamentbreite und -dicke, von > 1,5 und < 1000, bevorzugt > 10 und < 800, besonders bevorzugt von > 100 und < 500. Ein erfindungsgemäß zu verwendendes Filament ist dabei eine makroskopische „Endlosfaser“, welche zweckmäßigerweise auf einer Rolle konfektioniert sein kann.
Die Dimension des Filaments, welches durch seine Länge charakterisiert wird, trägt nicht zur Bestimmung des Aspektverhältnisses bei. Insofern ändert sich das erfindungsgemäße Aspektverhältnis numerisch nicht, wenn das Filament 50 cm, 2 m oder 50 m lang ist. Zur Bestimmung des Aspektverhältnisses können also außer der Filamentlänge nur zwei andere Filamentachsen beitragen.
So kann das Filament beispielsweise einen rechteckigen Querschnitt mit zwei unterschiedlich langen Seiten aufweisen, wobei das Verhältnis der beiden Seiten, also der Quotient der Seitenlangen, im oben angegebenem Bereich liegt. Für ovale Filamente ergibt sich das Aspektverhältnis aus den Längen der Symmetrieachsen. Das Filament kann aber auch eine nicht gleichschenklige, dreieckige Grundform aufweisen. Bei unregelmäßig oder nicht gleichmäßig geformten Filamenten wird jeweils der Mittelwert der beiden zur Berechnung herangezogenen Dimensionen herangezogen. Die Filamentbreite ist dabei die Symmetrieachse des Filaments mit der größten Ausdehnung und die Dicke als die Symmetrieachse des Filaments mit der kleineren Ausdehnung definiert. Die erfindungsgemäß zu verwendenden Filamente sind asymmetrisch und weisen also immer eine größere Breite als Dicke auf, was sich in einem Aspektverhältnis ungleich 1 ausdrückt.
Das Filament umfasst mindestens ein polymeres Material, wobei das polymere Material unter Zuführung von Wärmeenergie von einem festen in einen flüssigen oder plastischen Zustand übergeht. Geeignete polymere Grundstoffe sind beispielsweise thermoplastische Polymere. Diese können Homopolymere, alternierende Copolymere, statistische Copolymere, Blockcopolymere oder Elastomerlegierungen sein.
In einem weiteren Beispiel ist das Polymer ein Polyurethan, ein Kautschuk oder ein Polycarbonat. Der Kautschuk kann dabei das Basismaterial darstellen und vor Härtung oder Vulkanisation eingesetzt werden. In der Technik werden als Gummis die Vulkanisate von Natur- und Synthesekautschuken bezeichnet. Das Polymer kann in einer bevorzugten Ausführungsform ein thermoplastisches Polyurethanelastomer sein.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Erzeugnisses ist das Elastomer ein thermoplastisches Polyurethanelastomer, das erhältlich ist aus der Reaktion einer Polyisocyanatkomponente und einer Polyolkomponente, wobei die Polyolkomponente ein Polyesterpolyol umfasst, welches einen Stockpunkt (ASTM D5985:2014) von > 25 °C aufweist.
Gegebenenfalls können bei der Reaktion zu diesem Polyurethan weiterhin Diole des Molekulargewichtsbereichs von > 62 bis < 600 g/mol als Kettenverlängerungsmittel eingesetzt werden. Bevorzugt sind 4,4‘ -MDI oder eine Mischung enthaltend IPDI und HDI als Polyisocyanatkomponente.
Bevorzugte Stockpunkte (No Flow Point) für dieses Polyesterpolyol sind > 35 °C, mehr bevorzugt > 35 °C bis < 55 °C. Zur Bestimmung des Stockpunkts wird ein Messgefäß mit der Probe in eine langsame Rotation (0.1 U/min) versetzt. Ein flexibel gelagerter Messkopf taucht in die Probe ein und wird bei Erreichen des Stockpunkts durch die sprunghafte Zunahme der Viskosität aus seiner Lage wegbewegt, die resultierende Kippbewegung löst einen Sensor aus.
Beispiele für Polyesterpolyole, welche solch einen Stockpunkt aufweisen können, sind Reaktionsprodukte von Phthalsäure, Phthalsäureanhydrid oder symmetrischen a,co-C4- bis C10- Dicarbonsäuren mit einem oder mehreren C2- bis C10-Diolen. Sie weisen bevorzugt ein zahlenmittleres Molekulargewicht Mn von > 400 g/mol bis < 6000 g/mol auf. Geeignete Diole sind insbesondere Monoethylenglykol, 1 ,4-Butandiol, 1 ,6-Hexandiol und Neopentylglykol.
Bevorzugte Polyesterpolyole sind nachfolgend unter Angabe ihrer Säure- und Diolkomponenten angegeben: Adipinsäure + Monoethylenglykol; Adipinsäure + Monoethylenglykol + 1 ,4-Butandiol; Adipinsäure + 1 ,4-Butandiol; Adipinsäure + 1,6-Hexandiol + Neopentylglykol; Adipinsäure + 1 ,6- Hexandiol; Adipinsäure + 1 ,4-Butandiol + 1,6-Hexandiol; Phthalsäure(anhydrid) +
Monoethylenglykol + Trimethylolpropan; Phthalsäure(anhydrid) + Monoethylenglykol. Bevorzugte Polyurethane werden aus einer Mischung enthaltend IPDI und HDI als Polyisocyanatkomponente und einer Polyolkomponente enthaltend ein zuvor genanntes bevorzugtes Polyesterpolyol erhalten. Besonders bevorzugt ist die Kombination einer Mischung enthaltend IPDI und HDI als Polyisocyanatkomponente mit einem Polyesterpolyol aus Adipinsäure + 1 ,4-Butandiol + 1,6- Hexandiol zum Aufbau der Polyurethane.
Es ist ferner bevorzugt, dass diese Polyesterpolyole eine OH-Zahl (DIN 53240:2007) von > 25 bis < 170 mg KOH/g und/oder eine Viskosität (75 °C, DIN 51550) von > 50 bis < 5000 mPas aufweisen.
Als Beispiel genannt sei ein Polyurethan, das erhältlich ist aus der Reaktion einer Polyisocyanatkomponente und einer Polyolkomponente, wobei die Polyisocyanatkomponente ein HDI und IPDI umfasst und wobei die Polyolkomponente ein Polyesterpolyol umfasst, welches aus der Reaktion einer Reaktionsmischung umfassend Adipinsäure sowie 1,6-Hexandiol und 1,4- Butandiol mit einem Molverhältnis dieser Diole von > 1 :4 bis < 4:1 erhältlich ist und welches ein zahlenmittleres Molekulargewicht Mn (GPC, gegen Polystyrol-Standards) von > 4000 g/mol bis < 6000 g/mol aufweist. Solch ein Polyurethan kann einen Betrag der komplexen Viskosität |h*| (bestimmt durch Viskosimetriemessung in der Schmelze mit einem Platte/Platte- Oszillationsviskosimeter gemäß ISO 6721-10:2015 bei 100 °C und einer Scherrate von 1/s) von > 4000 Pas bis < 160000 Pas aufweisen.
Weitere Beispiele für geeignete Polyurethane sind:
Weitgehend lineare, endständige Hydroxylgruppen aufweisende Polyesterpolyurethane wie in EP 019 294 6 Al beschrieben, hergestellt durch Umsetzung von a) Polyesterdiolen eines über 600 g/mol liegenden Molekulargewichts und gegebenenfalls b) Diolen des Molekulargewichtsbereichs von 62 bis 600 g/mol als Kettenverlängerungsmittel mit c) aliphatischen Diisocyanaten unter Einhaltung eines Äquivalentverhältnisses von Hydroxylgruppen der Komponenten a) und b) zu Isocyanatgruppen der Komponente c) von 1 :0,9 bis 1 :0,999, wobei die Komponente a) zu mindestens 80 Gew.-% aus Polyesterdiolen des Molekulargewichtsbereichs 4000 bis 6000 auf Basis von (i) Adipinsäure und (ii) Gemischen aus 1 ,4-Dihydroxybutan und 1,6-Dihydroxyhexan im Molverhältnis der Diole von 4:1 bis 1 :4 besteht.
Hinsichtlich des Kautschuks sind bevorzugt: Polyacryl-Gummi (ACM), Styrol-Butadien-Gummi (SBR), Polysiloxan (SI), Vinyl Methyl Silikon (VMQ), Nitril-Gummi (NR), Hydriertes Nitril Gummi, (HNBR), Carboxyliertes Nitril Gummi (XNBR), Carboxyliertes hydriertes Nitril Gummi (XHNBR), Ethylenpropylen Copolymer Gummi (EPDM), Polychloropren Gummi (CR), Vamac, Fluoriertes Gummi (FKM), Isobutylen Gummi (IIR), Polybutadien Gummi (BR) oder einer Mischung wenigstens zweier dieser Materialien. Nach Vulkanisation oder Härtung des Kautschuks kann dieser als Gummi bezeichnet werden. Im erfindungsgemäßen Verfahren werden die Kautschzuke im unvemetzten, unvulkanisierten, ungehärteten Zustand mittels eines additiven Fertigungsprozesses in die gewünschte Form gebracht und erst in einem anschließenden Prozessschritt, üblicherweise durch Temperaturlagerung, ausgehärtet, vernetzt oder vulkanisiert. Im Schritt b) erfolgt das Zuführen des Filaments unter Aufschmelzen zu einem erfindungsgemäßen Druckkopf.
Das Zuführen des Filaments zum Druckkopf kann beispielsweise über eine Transportmechanik erfolgen, welche das Filament stückweise von einer Transport- oder Lagerrolle zum Druckkopf hin vorschiebt. Auf dem Weg von der Rolle zum Druckkopf oder auch am Druckkopf selbst wird das Filament dann unter Zuführung von Wärmeenergie von einem festen in zumindest einen plastischen oder flüssigen Zustand überführt.
Die verflüssigte oder plastifizierte Masse kann dabei sofort aus dem Düsenspalt/Druckkopf extrudiert werden. Es ist aber auch möglich, dass das aufgeschmolzene polymere Material in einem Sammelbehälter vor dem Druckkopf zwischengelagert wird. Die Materialzuführung und der Volumenfluss können in diesen Fällen von dem Material- Volumenfluss des Filaments entkoppelt sein. Zweckmäßigerweise kann der Düsenspalt symmetrisch ausgestaltet sein, wobei die zwei der Symmetrieachsen die Breite und die Dicke des Düsenspaltes definieren.
Bei rechteckigen Düsenspalten ergeben sich eine unterschiedliche Länge und Breite des Düsenspaltes. Bei quadratischen Düsenspalten sind die Länge und die Breite des Düsenspaltes gleich groß. Letzteres gilt auch für einen runden Düsenspalt. Bei nicht geometrischen Düsenspalten wird die Länge und Breite als die längste und die kürzeste Ausdehnung des Spaltes definiert. In den Fällen, in denen die Breite und die Dicke des Düsenspaltes gleich groß sind, kann die Geometrie des Düsenspaltes quadratisch oder rund sein. Ebenso ist ein Multiextrusionskopf denkbar, wobei mindestens eine der einzelnen Düsen oben genannte Bedingung erfüllt.
Im Schritt c) erfolgt ein ein- oder mehrmaliges schichtweises Austragen des aufgeschmolzenen Filaments durch die Düsenöffnung zum Erhalt des Formkörpers. Zum Aufbau des Formkörpers er folgt ein ein- oder mehrmaliges Aufträgen des aufgeschmolzenen Polymers aus dem Filament auf einen Untergrund oder auf schon ausgetragenes und wieder erstarrtes Polymer. Beim Austrag kann dabei beispielsweise entweder der Druckkopf, die Düsenöffnung des Druckkopfes, der schon gebil dete Teil des Formkörpers oder der Untergrund auf dem der Formkörper erstellt wird, bewegt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens unterscheiden sich die entsprechenden Dimensionen der Düsenöffnung und des Filaments in der Breite X und/oder der Dicke Y um > 5 %, bevorzugt um > 10 %, besonders bevorzugt um > 25 %, wobei sie sich bevorzugt nicht um mehr als 95 % unterscheiden. Zur Herstellung möglichst homogener und mechanisch stabiler Formkörper hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, dass die Dimensionen des Düsenspaltes auf die Dimensionen des Filaments abgestimmt werden. Ohne durch die Theorie gebunden zu sein kann dies auf ein besseres Aufschmelzverhalten und auf eine gleichmäßigere Scherbelastung des Polymers im Düsenspalt zurückgeführt werden. Bei einem rechteckigen Filament und einem rechteckigen Düsenspalt sind die sich entsprechenden Dimensionen jeweils die längste und die kürzeste Achse des Filaments und des Düsenspaltes. Bei einem Filament beispielsweise der Breite 2 cm und der Dicke von beispielsweise 1 mm kann die Düsenöffnung beispielsweise 1 cm breit und 0,5 mm dick sein. Der Vergleich der Dimensionen ergibt sich in diesem Fall durch den Vergleich der Spaltdimension mit der längsten Ausdehnung zur Filamentdimension mit der längsten Ausdehnung. Für die kürzeren Filamentdimensionen gilt entsprechendes. Es werden die Dimensionen des noch nicht aufgeschmolzenen Filaments betrachtet. Durch die unterschiedlichen Düsendimensionen können also Strukturen und/oder Material extrudiert werden, welche eine kleinere oder eine größere Ausdehnung als das Filament selbst aufweist. Zudem hat es sich als geeignet herausgestellt, dass sich die entsprechenden Dimensionen der Düsenöffnung und des Filaments in der Breite X und/oder der Dicke Y sich um maximal 95 % unterscheiden. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens beträgt die Dicke Y der Düsenöffnung
> 10% und < 95 % der Filamentdicke. Zum Erhalt eines möglichst gleichmäßigen Extrusionsbildes und guter mechanischer Eigenschaften des extrudierten Formkörpers hat es sich als besonders geeignet herausgestellt, dass der Düsenspalt im Vergleich zum eingesetzten Filament kleiner gewählt wird. Durch die im Vergleich zum Filament veränderten Dimensionen kann eine bessere Ausrichtung der Polymerketten erreicht werden, welches sich im Gefüge des Formkörpers widerspiegelt. Es können beispielsweise Formkörper mit starker Vorzugsrichtung der mechanischen Eigenschaften der abgelegten Schichten erhalten werden. Weiter bevorzugte Verhältnisse können bei > 20% und < 90 %, weiterhin bevorzugt bei > 40% und < 70 % liegen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens beträgt die Breite X der Düsenöffnung > 5 % und < 90 % der Filamentbreite. Neben der Dicke kann auch die Breite der Düsenöffnung einen deutlichen Einfluss auf die Qualität des hergestellten Formköpers haben. Dies ist überraschend, da üblicherweise die Dimensionen des Düsenspaltes in der Breite deutlich größer sind als die Dicke des Düsenspaltes. Insofern wäre erwartbar, dass das Extrusionsergebnis von der Düsenspaltbreite unabhängig ist. Auch hier kann eine im Vergleich zum Filament reduzierte Breite des Düsenspaltes zu einer Verbesserung des Formköpers beitragen. Weiter bevorzugte Verhältnisse zwischen Breite X und Filamentbreite können bei > 10% und < 80 %, bevorzugt bei > 20% und < 70 % liegen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens betragen sowohl die Breite X als auch die Dicke Y der Düsenöffnung > 20 % und < 80 % der Filamentdicke. Zur Steuerung des Materialflusses und für eine reproduzierbare und geeignete Scherbelastung des aufgeschmolzenen Filaments hat es sich als besonders geeignet herausgestellt, dass der Düsenspalt im Vergleich zu den Dimensionen des Filaments insgesamt kleiner gewählt wird. Unter Berücksichtigung der thermisch induzierten Volumenänderung durch das Aufschmelzen lassen sich mit diesen Relationen geeignete Scherkräfte erhalten, welche zu bevorzugten mechanischen Eigenschaften des extrudierten Formkörpers beitragen können.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens weist das Filament eine Breite von
> 500 pm bis < 50 mm auf und/oder das Filament weist eine Dicke von > 20 pm bis < 5 mm auf. Bevorzugte Breiten sind > 1 mm bis < 30 mm und bevorzugte Dicken sind von > 50 gm bis < 5 mm. In diesen Dimensionen können Filamente einen hinreichend hohen Materialvolumenfluss bereitstellen, welches zu einer bevorzugt hohen Herstellgeschwindigkeit führt. Die Materialmengen lassen sich sehr schnell aufschmelzen und es ergibt sich ein homogen plastifiziertes Polymer, in welchem die thermische Historie der einzelnen Volumenelemente gleich ist.
Im Rahmen einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist das Verhältnis zwischen dem Aspektverhältnis des Filaments AFuament und dem Aspektverhältnis der Düsenöff ung Aüüse (AFUament/ADüse) > 5 und < 50. Für viele Polymere hat es sich als günstig herausgestellt, dass der Quotient der Aspektverhältnisse von Filament und Düsenspalt innerhalb des oben angegebenen Bereiches liegen. Dies kann zu einer bevorzugten Materialaufbereitung und einer gleichmäßigen Scherbelastung im Extrusionsprozess beitragen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens umfasst das polymere Material des Filaments ein thermoplastisches Polymer ausgesucht aus der Gruppe bestehend aus Thermoplasten mit einer Schmelztemperatur > 35°C und < 300°C oder Mischungen von mindestens zwei daraus. Gerade die Thermoplaste mit einer Schmelztemperatur im angegebenen Temperaturbereich zeigen eine Volumenänderung beim Schmelzen, welche in Kombination mit den hier betrachteten Aspektverhältnissen zu besonders mechanisch stabilen 3D-gedruckten Formkörpem führen.
Besonders bevorzugte Materialien für den Einsatz im erfindungsgemäßen Verfahren sind Thermoplaste mit einem Tg > 80°C und oder einem MVR bei 50°C oberhalb der Erweichungstemperatur (Tg, bzw. Schmelzpunkt bei Anwesenheit eines Schmelzpunktes) von < 100cm2 / 10 min bei einem Gewicht von 2,16 kg. Bevorzugte Materialien sind also im Besonderen solche, die als Extrusions- oder Folientypen in der Thermoplastverarbeitung gekennzeichnet sind, da diese von der größeren Wärmeübertragungsfläche der Filamente mit hohem Aspektverhältnis und der Förderkraft und der höheren Scherung in der erfindungsgemäßen Kombination von Folieneinzug und Extrusionsköpfen besonders profitieren. Es können über die höhere zufügbare Wärmeenergie und die höhere Scherung eine deutlich verbesserte Verarbeitung und höhere Extrusionsgeschwindigkeiten erreicht werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens umfasst das polymere Material des Filaments ein thermoplastisches Polyurethan, einen Kautschuk oder ein Polycarbonat. Vorzugsweise ist das Polyurethan ein thermoplastisches Polyurethan, das erhältlich ist aus der Reaktion einer Polyisocyanatkomponente und einer Polyolkomponente, wobei die Polyolkomponente ein Polyesterpolyol umfasst, welches einen Stockpunkt (ASTM D5985:2014) von > 25 °C aufweist. Besonders bevorzugt ist die Kombination eines Filaments umfassend solche TPU mit einer schlitzförmigen Druckkopfdüse, wobei die Breite der Druckkopfdüse der Breite des Filaments entspricht.
Weiterhin bevorzugt ist ein Verfahren, in welchem das Filament einen mindestens zwei schichtigen Aufbau aufweist, wobei der mindestens zweischichtige Aufbau bevorzugt mindestens eine innere Druck- und eine äußere Schutzfolie aufweist, wobei die äußere Schutzfolie bevorzugt nicht aufgeschmolzen wird. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich auch Filamente verarbeiten, welche reaktive Polymere aufweisen. Beispielsweise können die Polymere dieser Filamente mit Umgebungsvariablen wie beispielsweise Luftfeuchte oder Sauerstoff reagieren. Durch eine nicht mit aufgeschmolzene Schutzfolie können diese Filamente geschützt werden. In Kombination mit den schnellen Aufheizraten, bedingt durch die im Vergleich zum Stand-der- Technik größeren Oberfläche der Filamente, lassen sich synergistisch sehr schnelle 3D- Druckprozesse realisieren, sodass Materialien verdruckt werden können, welche ohne Schutzfolie und mit normalen runden Filamenten nicht verdruckbar wären. Derart lassen sich beispielsweise Isocyanat- oder Silan-funktionelle feuchtigkeitshärtende Reaktivsysteme verarbeiten oder auch Thermoplaste mit niedrigem Tg, welche nach dem Stand-der-Technik- Verfahren auf der Rolle verkleben und sich nicht mehr abwickeln lassen. Weitere Anwendungsmöglichkeiten sind Multimaterial-Filamente aus 2 oder mehr Schichten, welche sowohl co-extrudiert wie auch laminiert sein können. Es können ebenfalls Mehrschichtfolien - bevorzugt co-extrudierte Mehrschichtfolien - verarbeitet werden.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens enthält das Filament weiterhin Verstärkungsfasem. Vorzugsweise sind die Verstärkungsfasem Endlosfasem, welche entlang der Längsrichtung des Filaments ausgerichtet sind. Geeignete Fasergehalte sind zum Beispiel > 5 Gew.-%, besonders bevorzugt > 10 Gew.-% und ganz besonders bevorzugt > 15 Gew..%, wobei die Fasern eine Faserlänge von bevorzugt mindestens 1 mm, besonders bevorzugt mindestens 1,5 mm, ganz besonders bevorzugt mindestens 2 mm aufweisen. In einer besonderen Ausführungsform kann es eine Endlosfaser sein, wie sie beispielsweise in sogenannten Organoblechen oder oberflächenstrukturierten Folien Verwendung findet. Letztere lassen sich besser fördern, da ein besserer Reibwiderstand vorliegt.
Ohne durch die Theorie gebunden zu sein ist die Scherung der langfaserverstärkten Filamente im Druckkopf deutlich gleichmäßiger, welches zu einer besseren Ausrichtung der Fasern im Druckkörper beitragen kann. Insofern können vorteilhafterweise auch Langfasem effizient und gesteuert verarbeitet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden gleichzeitig zwei oder mehr unterschiedliche Filamente, von denen mindestens eines erfindungsgemäß ist, bevorzugt zwei oder alle erfindungsgemäße Filamente sind, dem Druckkopf zugeführt. Aufgrund der großen Oberfläche lassen sich innerhalb geringer Zeitspannen unterschiedliche Filamente reproduzierbar aufschmelzen, so dass auch mehr als ein Filament gleichzeitig verarbeitet werden kann. Die unterschiedlichen Filamente können dasselbe oder verschiedene Materialien und die unterschiedlichen Schichten können dieselben oder unterschiedliche Eigenschaften wie Dicken oder Farben aufweisen. Es können zudem Materialien in den Filamenten vorliegen, welche miteinander, mit oder ohne Hitzeeinwirkungen oder durch Sauerstoff- oder Feuchtezutritt, reagieren. Derart können zwei oder mehr reaktive Substanzen gleichzeitig in unterschiedlichen Filamenten dem Druckkopf zugeführt werden und vor oder im Druckkopf miteinander reagieren. Es lassen sich somit„in-situ“ Verbindungen hersteilen, welche beispielsweise nicht lagerstabil sind, beispielsweise in Form von kurz vor oder in der Düse„synthetisierten“ PUs.
Durch Variation der Zuführgeschwindigkeiten der einzelnen Filamente lassen sich auch Gradientenmaterialien ausdrucken, deren Zusammensetzung als Funktion der Zeit variiert. Auf diese Art und Weise und basierend auf der homogenen Erhitzung der erfindungsgemäßen Filamente können 3D-gedruckte Werkstücke hergestellt werden, welche einen definierten Materialgradienten aufweisen. So können beispielsweise mechanisch sensible Stellen des gedruckten Werkstücks gezielt verstärkt oder die optischen Eigenschaften durch Filamente mit unterschiedlichen Farbzusammensetzungen gezielt gesteuert werden. Letzteres lässt sich beispielsweise auch durch Zuführung eines mindestens zwei-schichtigen asymmetrischen Filaments erreichen. Durch die größere Oberfläche lassen sich beide Filamentseiten sehr exakt mit derselben oder unterschiedlichen Temperaturen erhitzen. Die Verbindungen in den unterschiedlichen Filamentschichten werden durch den Erhitzungsprozess bevorzugt mobilisiert und es kann eine gesteuerte chemische Reaktion zwischen den Verbindungen der unterschiedlichen Filamentschichten stattfinden. Durch den Einsatz von Heizdüsen mit mehreren Heizquellen, kann zudem die Heiztemperatur als Funktion der Schicht im Schichtverbund sehr genau gesteuert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden zwei unterschiedliche Folien als kombiniertes Filament in Form eines Schichtverbundes verarbeitet. Die unterschiedlichen Schichten können im Extruder miteinander gemischt werden oder gegebenenfalls auch reagieren und so eine neue Verbindung, beispielsweise ein neues Polymer, bilden. Beispielsweise durch Umesterung aus zwei verschiedenen Estern oder Carbonaten, durch Umurethanisierung aus zwei verschiedenen Polyurethanen, Allophanatisierung durch Reaktion eines Alkohols mit einem Uretdion, Ionische Vernetzung durch Reaktion eines Thermoplasten enthaltend mehrwertige Metallsalze (beispielsweise ZnO oder Al-Sulfat) mit einem carboxylgruppenhaltigen Polymer oder Reaktion eines isocyanathaltigen Polymers mit einem alkoholhaltigen Polymeren. Dies kann die Flexibilität des 3D-Drucks insgesamt deutlich erhöhen und profitiert im besonderem Maße von der gleichmäßigen Erhitzung der asymmetrischen Filamente.
Weiterhin erfindungsgemäß ist ein Verfahren, wobei das mindestens ein Filament thermoplastisches Polyurethan umfasst und das Filament eine Shore A Härte nach DIN ISO 7619-1 :2012 von > 5 und < 80 aufweist. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass sich„weiche“ Materialien in den erfindungsgemäß asymmetrischen Filamenten besser und gleichmäßiger drucken lassen. Dies steht im Gegensatz zu den üblicherweise runden Filamenten, welche in der Verarbeitung von Materialien mit niedriger Härte deutliche Schwierigkeiten wie ein konstanter Materialfluss und eine gleichmä- ßige Aufheizung und Scherung zeigen. Bevorzugt liegt der Härtebereich des Filaments in einem Bereich von > 20 bis < 75, weiterhin bevorzugt bei > 30 und < 65. In einer besonderen Ausführungsform können auch Filamente unterschiedlicher Härte miteinander co-extrudiert und gegebenenfalls gemischt werden.
Mittels der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des 3D-Druckers lassen sich sehr schnelle Druckvorgänge realisieren, wobei insbesondere auch homogenere, gedruckte Formkörper erhältlich sind. Der Austrag kann durch multiple parallele oder beliebig angeordnete einzeln schaltbare Düsen des Druckers erfolgen. Es ist auch möglich, dass Austrag des aufgeschmolzenen Filamentmaterials durch größenveränderliche Düsen, beispielsweise mit variabler Breite, erfolgt. Weiterhin kann im Druckkopf oder in/vor der Düse eine Cutter Funktion integriert sein, welche die Verarbeitung und das Schneiden langfaserverstärkter Filamente ermöglicht. Möglich ist auch eine Kombination mit veränderten Düsengeometrien, beispielsweise Mehrfachdüsen, Schlitzdüsen, veränderliche Düsen zur effizienteren Applikation von Thermoplasten im 3D- und 2D- Druck. Für die weiteren Vorteile einer solchen Ausgestaltung eines 3D-Druckers wird auf die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahren und hier insbesondere auf die Vorteile der Verwendung asymmetrischer Filamente zur Herstellung von 3D-gedruckten Formkörpem verwiesen.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung einzuschränken. Es zeigen die:
FIG. 1 einen erfindungsgemäßen Druckkopf;
FIG. 2 eine mögliche Ausgestaltung der erfindungsgemäß einsetzbaren Filamente;
FIG. 3Aund 3 B weitere Ausgestaltungen erfindungsgemäßer Filamente;
FIG. 4 die Definition des Zuführwinkels eines erfindungsgemäßen Filaments zu einem Walzenpaar;
FIG. 5 unterschiedliche Düsenformen zur Extrusion der erfindungsgemäß einsetzbaren Filamente;
FIG. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Druckkopf 100 zur Herstellung 3 -dimensionaler Formkörper in einem 3D-Drucker mit einer Zuführeinheit 300 für ein Filament 200, einer Aufschmelzeinheit 400 zum Aufschmelzen des Filaments 200 und einer Druckkopfdüse 500. Das Filament 200 wird durch die Zuführeinheit 300, welche hier als Walzenpaar ausgebildet ist, gefördert und in der Aufschmelzeinheit 400, welche beispielsweise elektrisch betrieben werden kann, geschmolzen. Der Strang 210 des aufgeschmolzenen Filaments verlässt den Druckkopf über die Druckkopfdüse 500. Die Zuführeinheit 300 und die Aufschmelzeinheit 400 sind eingerichtet, um ein asymmetrisches Filament 200 mit einem Aspektverhältnis von > 1,5 und < 1000 zu verarbeiten, worunter insbesondere das Fördern und das Schmelzen fällt. Beispiele für Filamentquerschnitte sind in den nachfolgenden Figuren 2 und 3Abis 3C angegeben.
Zwischen der Zuführeinheit 300 und der Aufschmelzeinheit 400 ist weiterhin eine Kühleinheit 600 angeordnet, durch welche hindurch das Filament 200 zur Aufschmelzeinheit 400 geführt wird. Die Dimensionen des zu verarbeitenden Filaments können auch Abmessungen im Druckkopf 100 bestimmen. So kann die durchgehende Öffnung in der Kühleinheit 600, durch welche hindurch das Filament 200 zur Aufschmelzeinheit 400 geführt wird, den gleichen Querschnitt wie das Filament 200 selbst aufweisen. Denkbar sind auch Querschnittsflächen der durchgehenden Öffnung in der Kühleinheit 600, welche dem Querschnitt des Filaments plus höchstens 50%, plus höchstens 30% oder plus höchstens 15% entsprechen.
Die Zuführeinheit 300 kann heizbar oder kühlbar ausgeführt sein. Zur Verarbeitung einer Vielzahl an Polymeren und zur Realisierung eines sehr schnellen Herstellungsverfahrens hat es sich als vorteilhaft erwiesen, das Filament der Extrusionsdüse temperiert zuzuführen,. Die Zuführeinheit 300 kann zum einen bei der Verarbeitung von Filamenten aus Polymeren mit sehr niedrigen Tg gekühlt werden, um Anhaftungen zu vermeiden.
Die Druckkopfdüse kann eingerichtet sein, um während des 3D-Druckvorgangs auf Anweisung einer Steuereinheit geöffnet und verschlossen zu werden.
Die Aufschmelzeinheit 400 kann mehrere Wärmequellen aufweisen. Das sequentielle Aufheizen des Filaments 200 mittels mehrerer Wärmequellen kann zu einem besonders gleichmäßigen und schonenden Aufschmelzen des Filaments beitragen. Es werden Temperaturspitzen vermieden und die Zeitspanne, in denen das Filament ganz aufgeschmolzen ist, kann besonders kurzgehalten werden. Letzteres kann ungewollten, thermisch induzierten Abbauprozessen des aufgeschmolzenen Filaments entgegenwirken.
Es ist möglich, dass das ausgedruckte Filament 210 über ein vor der Druckkopfdüse 500 angeordnetes, temperierbares Reservoir und/oder einen steuerbaren Materialauslass für das aufgeschmolzene Filamentmaterial von dem Eintragsvolumen des zugeführten Filaments zumindest zeitweilig entkoppelt wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, welche in FIG. 1 dargestellt ist, ist die Kühleinheit 600 als mit Kühlrippen versehener Kanal ausgebildet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist in der Kühleinheit 600 die Strecke, durch die hindurch das Filament 200 zur Aufschmelzeinheit 400 geführt wird, länger als die Breite des Filaments 200. Vorzugsweise ist die Strecke > 1,5- bis < 10-mal länger als die Breite des Filaments 200.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform, welche ebenfalls in FIG. 1 dargestellt ist, sind die Kühleinheit 600 und die Aufschmelzeinheit 400 nicht vollflächig miteinander verbunden. Auf diese Weise kann eine bessere thermische Trennung zwischen Aufschmelzeinheit 400 und Kühleinheit 600 erreicht werden. In der in FIG. 1 dargestellten Anordnung wird die thermische Trennung durch einen umlaufenden Spalt 700 bewirkt. Zwischen Aufschmelzeinheit 400 und Kühleinheit 600 befindet sich lediglich eine Passage zum Führen des Filaments 200. die bevorzugt durch ein thermisch gering leitfähiges hochschmelzendes keramisches oder polymeres Material ausgebildet ist. Alternativ kann die Passage durch eine dünne metallischen Führungsschicht ausgebildet werden, so dass ein möglichst geringer Wärmeübergang vom Heizelement zum Kühlelement erfolgt. Bevorzugt ist Höhe der Passage aus Stabilitätsgründen kleiner als die Breite des Filaments.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform beträgt die Breite der Druckkopfdüse 500 > 10% bis < 95% der Breite des Filaments 200 und/oder die Dicke der Druckkopfdüse 500 beträgt > 10% bis < 95% der Dicke des Filaments 200.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Filament 200 eine Breite von > 500 pm bis < 50 mm auf und/oder das Filament weist eine Dicke von > 20 pm bis < 5 mm auf. Bevorzugte Breiten sind > 1 mm bis < 30 mm und bevorzugte Dicken sind von > 50 pm bis < 5 mm.
Der erfindungsgemäße Druckkopf kann eingerichtet sein, um eine Mehrzahl an Filamenten zu verarbeiten. Auf diese Weise können Gemische von Thermoplasten direkt im Heizkopf erzeugt werden. Die Zusammensetzung der Gemische kann über unterschiedliche Förderraten der Filamente zur Aufschmelzeinheit beeinflusst werden. Die Förderung der Filamente kann durch Leitbleche unterstützt werden und es können unterschiedlich dimensionierte Aufschmelzzonen konstruiert werden. Es lassen sich so gezielt Materialmischungen mit unterschiedlicher Temperatur und/oder thermischer Historie extrudieren.
In einer weiteren Ausführungsform des Druckkopfes kann zum Beispiel ein asymmetrisches Filament mit dem erfindungsgemäß vorgesehenen Aspektverhältnis in Form eines flachen Bandes in der Aufschmelzeinheit gebogen und an den Rändern der Aufschmelzeinheit entlanggeführt werden. Die geschmolzene oder plastifizierte Masse des Filaments läuft dann im oder kurz vor der Druckkopfdüse wieder zusammen und wird extrudiert. Wird im Inneren des der Aufschmelzeinheit, beispielsweise in der Mittelachse der Aufschmelzeinheit, ein weiteres Material aufgeschmolzen und dazugegeben, lassen sich Materialmischungen ausdrucken, in denen ein Material durch ein anderes Material geschützt oder gekapselt vorliegt.
Die FIG. 2 zeigt schematisch eine mögliche Geometrie eines Filaments 200 mit einem erfindungsgemäßen Aspektverhältnis. Dargestellt ist ein rechteckiges Filament 2 mit einer Filamentbreite 8 und einer Filamentdicke 7. In diesem Beispiel ist die Dicke 7 deutlich kleiner als die Filamentbreite 8. Es ergibt sich ein leicht aufschmelzbares Filament 2 mit großer Oberfläche.
Die FIG. 3A zeigt schematisch eine mögliche Geometrie eines Filaments 200 mit einem erfindungsgemäßen Aspektverhältnis. Dargestellt ist ein ovales Filament 2 mit einer Filamentbreite 8 und einer Filamentdicke 7. In diesem Beispiel ist die Dicke 7 deutlich kleiner als die Filamentbreite 8. Es ergibt sich ein leicht aufschmelzbares Filament 2 mit großer Oberfläche.
Die FIG. 3B zeigt schematisch eine mögliche Geometrie eines Filaments 200 mit einem erfindungsgemäßen Aspektverhältnis. Dargestellt ist ein rechteckiges Filament 2 mit abgerundeten Ecken, einer Filamentbreite 8 und einer Filamentdicke 7. Zur Bestimmung des Aspektverhältnisses werden die maximalen Dimensionen des abgerundeten Rechtecks 2 betrachtet. In diesem Beispiel ist die Dicke 7 deutlich kleiner als die Filamentbreite 8. Es ergibt sich ein leicht aufschmelzbares Filament 2 mit großer Oberfläche.
Die FIG. 4 zeigt schematisch die Bestimmung des Zuführwinkels des Filaments 200 zu Zuführwalzen 3. Der Winkel wird durch die Mittellinie 9 gebildet, welche senkrecht zur Walzenpaarachse und mittig zum Walzenspalt verläuft. Der andere Schenkel des Winkels wird durch die Tangente 10 an das zugeführte Filament 2 gebildet. Dieser Winkel kann beispielsweise durch weitere mechanische Führungselemente (nicht dargestellt) eingestellt werden. Durch die gewinkelte Zuführung des Filaments 2 können deutlich konstantere Zuführgeschwindigkeiten des Filaments 2 zum Druckkopf 1 eingehalten werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die Zuführeinheit zwei Walzen und eine Führung für die Filamente umfassen, wobei die Führung eingerichtet ist Filamente in einem Winkel von > 5° und < 85° in den Walzenspalt hinein zu führen. Durch die nicht symmetrische Zuführung der Filamente in den Walzenspalt kann im Gegensatz zu einer geraden Einführung ein deutlich gleichmäßigerer Materialvolumenstrom für asymmetrisch ausgestaltete Filamente erreicht werden. Ohne durch die Theorie gebunden zu sein kann sich der gleichmäßigere Volumenstrom dadurch ergeben, dass durch die gewinkelte Zuführung sich das Filament etwas durchbiegt. Es ergibt sich ein unter Spannung stehendes Materialreservoir, welches leichte Schwankungen der Fördereinheit, beispielsweise des Walzenpaares, ausgleichen kann. Der Winkel ergibt sich dabei aus einem Vektor parallel zur Symmetrieachse des Walzenpaares und durch die Mitte des Walzenspaltes gehend und einem Filamentvektor, welcher das Filament vor dem Walzenspalt tangiert. Der Winkel ist in FIG. 4 definiert. Dieser Winkelbereich hat sich zum Aufbau eines ausreichend vorgespannten Filaments als besonders geeignet erwiesen.
Die FIG. 5A-C zeigen unterschiedliche Druckkopfdüsen zur Verarbeitung der erfindungsgemäß vorgesehenen Filamente 2. In der FIG. 5A ist eine symmetrische Druckkopfdüse dargestellt, in der der Düsenspalt dieselbe Breite und Dicke aufweist. Es sind also runde oder quadratische Düsenspaltgeometrien in dieser Ausführungsform erfasst.
In der FIG. 5B ist schematisch ein Querschnitt eines asymmetrischen Düsenspalts einer Schlitzdüse dargestellt. Die Schlitzdüse weist nur eine kleine Dicke und eine größere Breite auf.
Die FIG. 5C zeigt eine Multiextrusionsdüse, in welcher mehrere Düsenköpfe verbaut sind. Durch jeden einzelnen Düsenkopf kann Material extrudiert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Druckkopf (100) zur Herstellung 3 -dimensionaler Formkörper in einem 3D-Drucker, mindestens aufweisend eine Zuführeinheit (300) für ein Filament (200), eine Aufschmelzeinheit (400) zum Aufschmelzen des Filaments (200) und eine Druckkopfdüse (500), dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführeinheit (300) und die Aufschmelzeinheit (400) eingerichtet sind, um ein asymmetrisches Filament (200) mit einem Aspektverhältnis von > 1,5 und < 1000 zu verarbeiten und dass zwischen der Zuführeinheit (300) und der Aufschmelzeinheit (400) eine Kühleinheit (600) angeordnet ist, durch welche hindurch das Filament (200) zur Aufschmelzeinheit (400) geführt wird.
2. Druckkopf gemäß Anspruch 1, wobei die Kühleinheit (600) als mit Kühlrippen versehener Kanal ausgebildet ist.
3. Druckkopf gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei in der Kühleinheit (600) die Strecke, durch die hindurch das Filament (200) zur Aufschmelzeinheit (400) geführt wird, länger ist als die Breite des Filaments (200).
4. Druckkopf gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Kühleinheit (600) und die Aufschmelzeinheit (400) nicht vollflächig miteinander verbunden sind.
5. Druckkopf gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Breite der Druckkopfdüse (500) > 10% bis < 95% der Breite des Filaments (200) beträgt und/oder die Dicke der Druckkopfdüse (500) > 10% bis < 95% der Dicke des Filaments (200) beträgt.
6. Druckkopf gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Filament (200) eine Breite von > 500 pm bis < 50 mm aufweist und/oder das Filament eine Dicke von > 20 pm bis < 5 mm aufweist.
7. 3D-Drucker, aufweisend einen Druckkopf gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6.
8. Verfahren zur additiven Fertigung 3 -dimensionaler Formkörper mitels füsed deposition modeling, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mindestens die Schritte umfasst: a) Bereitstellen eines Filaments (200) umfassend ein polymeres Material mit einem Filament- Aspektverhältnis Apiiament, berechnet als Quotient aus Filamentbreite und -dicke, von > 1,5 und < 1000; b) Zufuhren des Filaments (200) zu einem Druckkopf (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6; und c) ein- oder mehrmaliges schichtweises Austragen von im Druckkopf (100) aufgeschmolzenem Filament (210) durch die Druckkopfdüse (500) des Druckkopfs (100) zum Erhalt des Formkörpers.
9. Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei das Filament (200) eine Breite von > 500 pm bis < 50 mm aufweist und/oder das Filament eine Dicke von > 20 pm bis < 5 mm aufweist.
10. Verfahren gemäß Anspruch 8 oder 9, wobei das Verhältnis zwischen dem Aspektverhältnis des Filaments AFikment und dem Aspektverhältnis der Öffnung der Druckkopfdüse (500) Aüüse (Apilament/ ADüse) > 5 Und < 50 lSt.
11. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei das polymere Material des Filaments (200) ein thermoplastisches Polyurethan, einen Kautschuk oder ein Polycarbonat umfasst.
12. Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei das Polyurethan ein thermoplastisches Polyurethan ist, das erhältlich ist aus der Reaktion einer Polyisocyanatkomponente und einer Polyolkomponente, wobei die Polyolkomponente ein Polyesterpolyol umfasst, welches einen Stockpunkt (ASTM D5985:2014) von > 25 °C aufweist.
13. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei das Filament (200) einen mindestens zweischichtigen Aufbau aufweist.
14. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei das Filament (200) weiterhin Verstärkungsfasem enthält.
15. Verfahren gemäß Anspruch 14, wobei die Verstärkungsfasem Endlosfasem sind, welche entlang der Längsrichtung des Filaments (200) ausgerichtet sind.
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