Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils im Wege der additiven Fertigung, wobei als Werkstoff für das Bauteil ein Polymer, vorzugsweise ein Thermoplast, verwendet wird, wobei das Bauteil durch schichtweises Aufträgen des Polymers im Schmelzezustand erzeugt wird, und wobei optional die Polymerschmelze unmittelbar nach ihrem aus einer Düse erfolgenden Auftrag mittels einer Verdichtungseinrichtung verdichtet wird.

Für das eingangs beschriebene Verfahren existieren verschiedene Methoden zu Bereitstellung des Polymerwerkstoffs. Beim sogenannten Fused Deposition Modeling (FDM) oder Fused Filament Fabrication (FFF) wird im Wege des 3D-Drucks ein Werkstück schichtweise aus einem schmelzfähigen Kunststoff aufgebaut, der z.B. als Filament bereitgestellt wird. Die Erfindung betrifft insbesondere auf Extrusion basierende additive Fertigungsverfahren, bei denen der z.B. als Granulat bereitgestellte Polymerwerkstoff zunächst in einer Extruderschnecke erhitzt und aufgeschmolzen wird. Diese Verfahren eignen sich vor allem zur Herstellung vergleichsweise großer Bauteile, bei denen zur Erzeugung entsprechend großer Schichthöhen große Düsendurchmesser zum Einsatz kommen. Beim Einsatz großer Düsendurchmesser besteht generell das Problem, dass die aufeinandergeschichteten Polymerlagen nur einen relativ kleinen Verbindungsbereich miteinander haben und ein vergleichsweise großes Hohlraumvolumen zwischen den einzelnen Polymerschichten entsteht. Hierdurch werden die mechanischen Eigenschaften der entsprechenden Bauteile zum Teil deutlich beeinträchtigt. Dieses Problem besteht aber auch unabhängig vom Düsendurchmesser bei entsprechender Menge an ausgestossenem Material pro Verfahrwegstrecke sowie in Abhängigkeit der Schichthöhe, der Schmelzestabilität des Materials, sowie dessen Abkühlgeschwindigkeit.

Aus der WO 2016 077 473 A1 ist eine 3D- Druckvorrichtung bekannt, bei der die frisch aufgeschichteten Polymerlagen durch einen Pressvorgang mit plattenförmigen, beheizten Verdichtungsvorrichtungen verdichtet werden. Hiermit allein sind jedoch auch noch keine umfassend zufriedenstellenden Bauteileigenschaften erzielbar. Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren mit den eingangs beschriebenen Merkmalen anzugeben, mit dem verbesserte mechanische Eigenschaften des damit hergestellten Bauteils erzielbar sind.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Polymerschmelze unmittelbar nach ihrem Auftrag zusätzlich mittels einer Kühlvorrichtung auf eine Temperatur von maximal 20 °C, vorzugsweise maximal 10 °C oberhalb des Schmelzintervalls des Polymers abgekühlt wird. Insbesondere liegt es im Rahmen der Erfindung, die Polymerschmelze mittels der Kühlvorrichtung auf eine Temperatur abzukühlen, die innerhalb des Schmelzintervalls, vorzugsweise unterhalb des unteren Randes des Schmelzintervalls, insbesondere wenigstens 10 °C, z.b. wenigstens 20 °C unterhalb des unteren Randes des Schmelzintervalls des Polymers liegt. Das Vorliegen eines Schmelzintervalls - also die Tatsache, dass sich der Schmelzvorgang beim Erwärmen über einen Temperaturbereich hinzieht - ist eine typische Eigenschaft von Kunststoffen, die u.a. mit unterschiedlichen Kettenlängen der einzelnen Moleküle zusammenhängt. So erstreckt sich beispielsweise das Schmelzintervall von Niederdruckpolyethylen (LDPE) über einen Temperaturbereich von 105 bis 120 °C, das Schmelzintervall von Hochdruckpolyethlen (HDPE) hingegen über einen Temperaturbereich von 125 bis 135 °C und das Schmelzintervall von Polyamid 6 (PA 6) über einen Temperaturbereich von 215 bis 225 °C. Lediglich bei einigen wenigen kristallinen Kunststoffen schrumpft das Schmelzintervall sozusagen zu einem singulären Schmelzpunkt zusammen (Bsp. isotaktisches Polypropylen mit einem Schmelzpunkt von 176 °C). Erfindungsgemäß findet also unmittelbar nach dem Auftrag einer frischen Polymerlage eine gezielte Kühlung derselben mittels einer Kühlvorrichtung, wodurch der Erstarrungsvorgang der Schmelze beschleunigt wird. Überraschenderweise führt diese gezielte Kühlung, insbesondere im Zusammenhang mit einer Verdichtung der frisch aufgetragenen Polymerschmelze, zu einer Reduzierung der Porosität zwischen den einzelnen Polymerschichten (kleinere bzw. keine Lunker) sowie zu einer Verbesserung der Anhaftung des frisch aufgetragenen Materials auf den bereits gedruckten Teil des Werkstücks und damit einhergehend zu einer Verbesserung der Materialeigenschaften dieses 3D-gedruckten Bauteils, beispielsweise in Form einer höheren Dichte des geschichteten Kunststoffmaterials und/oder eine erhöhten Wärmeformbeständigkeit und/oder verbesserten Bruchfestigkeitswerten, also einer verbesserten Zug- und/oder Druck- und/oder Biegezug- und/oder Scher- und/oder Torsionsfestigkeit. Auch in Bezug auf die geometrischen Freiheitsgrade des damit durchgeführten 3D-Drucks ist die erfindungsgemäße Lehre vorteilhaft. Zweckmäßigerweise wird die vorbeschriebene Abkühlung auf eine Temperatur von höchstens 50 °C unterhalb des unteren Randes des Schmelzintervalls begrenzt.

Zweckmäßigerweise ist die Kühlvorrichtung in die Verdichtungseinrichtung intergriert, d.h. die Verdichtungseinrichtung führt gleichsam mit der Verdichtung auch eine Kühlung der frisch aufgetragenen Polymerschmelze durch. Die Kühlvorrichtung kann mit mindestens einem ein Kühlmedium, vorzugsweise Kühlluft und/oder Kühlwasser, transportierenden Fluidkanal versehen sein. So kann beispielsweise der mindestens eine Fluidkanal in mindestens eine Wirkeinheit der Verdichtungseinrichtung eingebracht sein. Die Wirkeinheit kann grundsätzlich z.B. als Stampferplatte ausgebildet sein. Vorzugsweise kann also die Stampferplatte gleichzeitig als Kühlvorrichtung ausgebildet sein. Beim Kontakt der Stampferplatte mit der frisch aufgetragenen Polymerschmelze, also während des Stampfvorganges, wird diese somit gleichzeitig erfindungsgemäß heruterkühlt. Der Fluidkanal kann innerhalb der Platte mäanderförmig und/oder in Plattenebene verlaufen. Es liegt aber auch im Rahmen der Erfindung, dass die Kühlung kontaktlos erfolgt, indem z.B. die frisch aufgetragene Polymerschmelze direkt mit Kühlmedium (i.d.R. Kühlluft) beaufschlagt wird. Die entsprechende Vorrichtung zum Ausstoß des Kühlmediums zwecks direkter Beaufschlagung der Polymerschmelze kann wiederum in die mindestens eine Wirkeinheit der Kühlvorrichtung, z.B. Stampferplatte, integriert sein. Auch die Kombination der beiden vorbeschriebenen Maßnahmen zur Kühlung - also sowohl durch den Kontakt der Kühlvorrichtung mit der Schmelze als auch durch kontaktlose Kühlung - liegt im Rahmen der Erfindung. Die Position der Verdichtungseinrichtung wird zweckmäßigerweise an die Verfahrrichtung der Düse angepasst. Im Rahmen der Erfindung liegt es aber auch, dass die Stampferplatte in Form eines offenen oder geschlossenen Rings, vorzugsweise kreisförmig, ausgebildet und um die Düse herum angeordnet ist. Dies hat den Vorteil, dass die Position der Stampferplatte in diesem Fall nicht an die Verfahrrichtung der Düse angepasst werden muss.

Zweckmäßigerweise führt die Verdichtungseinrichtung während des Verdichtungsvorganges oszillierende Bewegungen aus. Hierbei hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn der Spitze-Tal-Wert der oszillierenden Bewegungen das 0,1 bis 3-fache, vorzugsweise das 0,25 bis 1,5-fache der Schichthöhe des bereits verdichteten Polymerschmelzestrangs beträgt. Vorzugsweise werden die oszillierenden Bewegungen mit einer Frequenz von 0,005 bis 50 Hz, vorzugsweise 0,01 bis 25 Hz, insbesondere 0,1 bis 10 Hz, bspw. 1 bis 10 Hz, z.B. 3 bis 8 Hz ausgeführt. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird die Frequenz während des additiven Fertigungsvorgangs, vorzugsweise fortlaufend, an die Verfahrgeschwindigkeit der Düse, aus der die Polymerschmelze austritt, angepasst. So kann es beispielsweise von Vorteil sein, wenn die Frequenz mit zunehmender Verfahrgeschwindigkeit der Düse ebenfalls zunimmt. Im Rahmen der Erfindung liegt es aber auch, dass die oszillierenden Bewegungen der Verdichtungseinrichtung mit einer konstanten Frequenz unabhängig von der Verfahrgeschwindigkeit der Düse ausgeführt werden. Die oszillierende Bewegung kann z.B. durch ein Kurbelgetriebe realisiert werden, das die Rotationsbewegung eines Antriebsmotors in eine entsprechende lineare Schwingung transferiert. Der Spitze-Tal- Wert kann beispielsweise über die Länge des entsprechenden Kurbelarmes eingestellt werden, wobei diese Länge z.B. über die Verdrehung zweier exzentrischer Wellen zueinander eingestellt werden kann, während die Frequenz der Oszillationsbewegung zweckmäßigerweise über die Drehzahl des Antriebsmotors bzw. ein Motorgetriebe justierbar ist. Durch die oszillierenden Bewegungen der Verdichtungseinrichtung wird der frisch aufgetragene Polymerschmelzestrang, der in der Regel mit im wesentlichen kreisförmigem Querschnitt aus der Düse austritt, effizient in eine gestauchte, im wesentlichen ellipsenförmige Querschnittsform überführt, wodurch die Kontaktfläche mit dem bereits gedruckten Material vergrößert und damit die Anbindung an dieses verbessert wird.

Zweckmäßigerweise beträgt am unteren Scheitelpunkt der oszillierenden Bewegungen der vertikale Abstand zwischen der Unterkante der Verdichtungseinrichtung und der Unterkante der Düse, aus der die Polymerschmelze austritt, das 0 bis 0,8-fache, vorzugsweise das 0 bis 0,3-fache der Schichthöhe des bereits verdichteten, frisch aufgetragenen Polymerschmelzestrangs. Hierdurch kann eine besonders effiziente Verdichtung erzielt werden, was sich ebenfalls positiv auf die mechanischen Eigenschaften des gedruckten Bauteils auswirkt. Die untere Grenze von 0 bei den vorstehend genannten Intervallen, bei der die Unterkante der Düse sich entsprechend auf der selben Höhe befindet wie die Verdichtungseinrichtung am unteren Scheitelpunkt ist technisch insbesondere dann relevant, wenn die Polymerschmelze nach ihrem Austritt aus der Düse aufquillt (z.B. durch Schäumung) und sich somit der obere Rand des frisch aufgetragenen Polymermerstrangs vor der Verdichtung oberhalb der Unterkante der Düse befindet. D.h. es findet dann auch beim Wert von 0 eine Verdichtung statt. Die Verdichtungseinrichtung wird zweckmäßigerweise in ihrem Wirkbereich mit einer Beschichtung versehen, die eine Anhaftung von frisch aufgetragenem Polymer verhindert, bzw. zumindest die Haftungsneigung reduziert. Diese Beschichtung kann aus einem Polymer, z.B. PTFE, PVDF, FEP, oder aber auch z.B. aus Keramik bestehen. Die Verdichtungseinrichtung kann in ihrem Wirkbereich mit einer eine Vielzahl von Vertiefungen und/oder Erhöhungen aufweisenden Oberflächenstruktur versehen sein, beispielsweise in Form einer Noppen- oder Gitterstruktur.

Gegenstand der Erfindung ist auch polymeres Bauteil, hergestellt mit dem vorbeschriebenen Verfahren. Wie eingangs bereits erläutert, kommen die Vorteile der erfindungsgemäßen Lehre insbesondere bei vergleichsweise großen Werkstücken zum Tragen, die beispielsweise ein Außenvolumen von mehr als 100 Litern, z.B. mehr als 250 Litern aufweisen. Hierbei meint der Begriff Außenvolumen jenes Volumen, welches von einer gedachten geschlossenen, an der Außenwandung des Bauteils flächig anliegenden sowie Bauteilöffnungen flächig überdeckenden Begrenzung umschlossen wird. Der Durchmesser des aus der Düse austretenden Polymerschmelzestrangs ist daher in der Regel auch vergleichsweise groß, z.B. 2,5 bis 50 mm, insbesondere 4 bis 35 mm, bspw. 8 bis 20 mm.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlich erläutert. Es zeigen schematisch:

Fig. 1a eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens

Fig. 1 b die Ansicht A in Fig. 1a

Fig. 2 eine vergrößerte Detailansicht der Fig. 1a, b

Fig. 3 die in Fig. 2 dargestellte Stampferplatte von unten gesehen

Fig. 4 ein Temperaturdiagramm zur Darstellung der erfindungsgemäßen Abkühlung frisch aufgetragener Polymerschmelze

Fig. 5 die Mechanik zur Erzeugung einer oszillerenden Bewegung gemäß der erfindungsgemäßen Lehre

Fig. 6 die Draufsicht B in Fig. 2 für eine alternative Ausführungsform der Vorrichtung durch Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in vereinfachter Darstellung Die Fig. 1a,b zeigen eine 3D-Druckvorrichtung 100 zur Herstellung eines Bauteils 1 im Wege der additiven Fertigung. Die 3D-Druckvorrichtung weist eine in vertikale Richtung z verschiebbare Auflageplatte 2 (Fig. 1a) für das herzustellende Bauteil 1 sowie eine in horizontaler Ebene, also die Raumrichtungen x, y verfahrbare Düse 3 auf, aus der der Bauteilwerkstoff in Form einer thermoplastischen, ggf. Verstärkungsfasern enthaltende Polymerschmelze 4, z.B. aus Polyamid, einem Polyolefin (bspw. PP oder PE), einem Polyester, einem thermoplastischen Polyurethan oder einem Styrolcopolymer austritt. Die Polymerschmelze 4 wird mit Hilfe eines nicht dargestellten Extruders bereitgestellt, mit dem z.B. in Granulatform vorliegendes Polymer aufgeschmolzen wird. Das Bauteil 1 wird durch schichtweises Aufträgen des Polymers 4 im Schmelzezustand erzeugt, wobei hierzu die Auflageplatte 2 gemäß dem Fortschritt der Bauteilerzeugung immer weiter nach unten abgesenkt wird (Fig. 1b). Die Düse 3 ist im Ausführungsbeispiel auf einem Schlitten 5 montiert, der in der Horizontalebene x, y an Schienen 6 geführt ist. Alternativ hierzu ist es auch denkbar, dass die Düse 3 an einem Roboterarm befestigt ist (nicht dargestellt). Ferner kann die Düse 3 auch auf einem Gestell montiert sein, welches eine Verfahrbarkeit in vertikale Raumrichtung z sowie eine horizontale Verfahrbarkeit in eine Raumrichtung x (also insgesamt in einer vertikalen Ebene) ermöglicht, wobei die Verfahrbarkeit in eine weitere horizontale Raumrichtung y (also quer, insbesondere senkrecht zur vertikalen Ebene) durch eine entsprechend bewegbare Auflageplatte gewährleistet ist (nicht dargestellt). Die Düse 3 ist, ebenso wie die Auflageplatte 2, beheizbar ausgebildet und an einen (nicht dargestellten) Extruder angeschlossen, welcher granulatförmiges Polymermaterial aufschmilzt und zur Düse 3 fördert.

In Figur 2 ist der Auftrag von Polymerschmelze 4 mittels der 3 Düse auf die Oberfläche 7 des bereits aufgeschichteten Materials des Bauteils 1 im Detail dargestellt. Es ist erkennbar, dass die mit der Temperatur TD aus die Düse austretende Polymerschmelze 4 unmittelbar nach ihrem frischen Auftrag als Polymerschmelzestrang 14 mittels einer Verdichtungseinrichtung 8 verdichtet wird. Zusätzlich wird die Polymerschmelze 4 ebenfalls unmittelbar nach ihrem Auftrag mittels einer Kühlvorrichtung 9 auf eine Temperatur TK von maximal 20 °C (Zustand (a) ), vorzugsweise maximal 10 °C (Zustand (b) ) oberhalb des Schmelzintervalls S des Polymers 4 abgekühlt. Insbesondere wird die Polymerschmelze 4 mittels der Kühlvorrichtung auf eine Temperatur TK abgekühlt, die innerhalb des Schmelzintervalls (Zustand (c) ), vorzugsweise unterhalb des Schmelzintervalls (Zustand (d) ), insbesondere wenigstens 10 °C unterhalb des Schmelzintervalls (Zustand (e) ) des Polymers liegt. Im Ausführungsbeispiel wird das Polymer 4 auf eine Temperatur T _K heruntergekühlt, die mehr als 15 °C unterhalb des unteren Randes des Schmelzintervall S des Polymers liegt. Dieser Abkühlvorgang wird im Zeit-Temperatur-Diagramm gemäß Fig. 4 verdeutlicht. Darin sind auf der Abszisse die Zeit t und auf der Ordinate die Temperatur T aufgetragen und das Schmelzintervall S des Polymers 4 als schraffierte Fläche dargestellt. Der obere bzw. der untere Rand des Schmelzintervalls des Polymers 4 sind mit T _S o bzw. Tsu gekennzeichnet. Es ist erkennbar, wie das Polymer 4 von der Düsenaustrittstemperatur TD mittels der Kühlvorrichtung auf die Temperatur TK abgekühlt wird und entsprechend hierbei vollständig erstarrt. Die vorstehend genannten Zustände a) bis e) sind im Diagramm ebenfalls eingezeichnet.

Im Ausführungsbeispiel weist die Verdichtungseinrichtung 8 zur Verdichtung der Polymerschmelze 4 eine ebenfalls am Schlitten 6 angeordnete Stampferplatte 9 auf, welche gleichzeitig als Kühlvorrichtung K ausgebildet ist. Es ist anhand einer vergleichenden Betrachtung der Fig. 2 und 3 erkennbar, dass die Stampferplatte 9 mit einem ein Kühlmedium 10, vorzugsweise Kühlluft und/oder Kühlwasser, transportierenden Fluidkanal 11 versehen ist, der innerhalb der Stampferplatte 9 mäanderförmig und in Plattenebene verläuft. Beim Kontakt der Stampferplatte 9 mit der frisch aufgetragenen Polymerschmelze 4, also während des Stampfvorganges, wird diese somit gleichzeitig mit dem durch die Stampferplatte 9 zirkulierende Kühlmedium 11 heruterkühlt. Gemäß einer nicht dargestellten Alternative oder auch ergänzend kann auch eine kontaktlose Kühlung der Polymerschmelze 4 erfolgen, indem sie direkt mit Kühlmedium, z.B. mit Kühlluft beaufschlagt wird. Die Vorrichtung zur Bereitstellung der Kühlluft kann wiederum and der oszillierenden Verdichtungseinrichtung 8 oder auch alternativ ortsfest am Schlitten 5 zur Führung der Düse 3 bzw. der Düse 3 selbst angeordnet sein. Die Stampferplatte 9 ist in ihrem Wirkbereich mit einer Beschichtung 12 versehen, die eine Anhaftung von frisch aufgetragenem Polymer 4 an der Verdichtungseinrichtung 8 verhindert. Ferner weist die Stampferplatte 9 in ihrem Wirkbereich eine Oberflächenstruktur mit einer Vielzahl von Vertiefungen in Form eines Gitters 13 auf. Die Position der Stampferplatte 9 kann an die Verfahrrichtung der Düse 3 angepasst werden. Im Rahmen der Erfindung liegt es aber auch, dass gemäß Fig. 6 die Stampferplatte 9 in Form eines geschlossenen kreisförmigen Rings ausgebildet und um die Düse 3 herum angeordnet ist (nicht dargestellt). Dies hat den Vorteil, dass die Position der Stampferplatte 9 in diesem Fall nicht an die Verfahrrichtung der Düse 3 angepasst werden muss.

In Fig 2 ist außerdem erkennbar, dass die Stampferplatte 9 während des Verdichtungsvorganges oszillierende Bewegungen in vertikaler Richtung z _s ausführt. Hierbei beträgt der Spitze-Tal-Wert S _S T einer oszillierenden Bewegung (also der Hub und somit der vertikale Abstand zwischen der höchsten und der tiefsten Position der oszillierenden Stampferplatte 9) das 0,25 bis 1,5-fache der Schichthöhe s _P des bereits verdichteten Polymerschmelzestrangs 14‘. Die oszillierenden Bewegungen werden mit einer Frequenz von 0,01 bis 25 Hz ausgeführt. Außerdem wird die Frequenz während des additiven Fertigungsvorgangs fortlaufend an die Verfahrgeschwindigkeit v der Düse 3 angepasst. Dies erfolgt derart, dass die Frequenz mit zunehmender Verfahrgeschwindigkeit v der Düse 3 ebenfalls zunimmt.

Der am unteren Scheitelpunkt der oszillierenden Bewegungen vorliegende vertikale Abstand ts zwischen der Unterkante 15 der Stampferplatte und der Düsenunterkante 16 (welche oberhalb der Unterkante 15 liegt), aus der die Polymerschmelze 4 austritt, beträgt das 0 bis 0,8-fache, vorzugsweise das 0 bis 0,3-fache der Schichthöhe s _P des bereits verdichteten Polymerschmelzestrangs 14‘ . Dieser Abstand t _s entspricht der Stampftiefe des Verdichtungsvorganges. Die untere Grenze von 0 bei den vorstehend genannten Intervallen, bei der die Düsenunterkante 16 sich entsprechend auf der selben Höhe befindet wie die Verdichtungseinrichtung 8 am unteren Scheitelpunkt ist im Ausführungsbeispiel relevant, sofern die Polymerschmelze 4 nach ihrem Austritt aus der Düse 3 aufquillt (z.B. durch Schäumeffekte) und sich somit in diesem Fall der obere Rand (angedeutet durch die strichpunktierte Linie q) des frisch aufgetragenen Polymermerstrangs 4 vor der Verdichtung oberhalb der Düsenunterkante 16 befindet. D.h. es findet dann auch beim Wert von 0 eine Verdichtung statt.

Die oszillierende Bewegung der Verdichtungseinrichtung 8 kann durch ein in Fig. 5 dargestelltes Kurbelgetriebe 17 realisiert werden, das die Rotationsbewegung w eines Antriebsmotors 18 in eine entsprechende lineare Schwingung in Richtung z _s transferiert. Der Spitze-Tal-Wert SST kann beispielsweise über die Länge des entsprechenden Kurbelarmes 19 eingestellt werden, wobei diese Länge z.B. über die Verdrehung zweier (nicht näher darsgestellter) exzentrischer Wellen zueinander eingestellt werden kann, während die Frequenz der Oszillationsbewegung zweckmäßigerweise über die Drehzahl des Antriebsmotors 18 bzw. ein Motorgetriebe (nicht dargestellt) justierbar ist.

Das im Ausführungsbeispiel hergestellte Bauteil 1 ist vergleichsweise groß und besitzt ein von der Oberfläche O des Bauteils umschlossenes Außenvolumen von mehr als 100 Litern. Die Herstellung kleinerer Bauteile wird hierdurch jedoch selbstverständlich nicht ausgeschlossen. Der Durchmesser d _P des aus der Düse 3 austretenden Polymerschmelzestrangs 14 beträgt im Ausführungsbeispiel 20 bis 30 mm.

Patentansprüche