DE102008021644A1

DE102008021644A1 - Verfahren zur Herstellung von Endprodukten mit Trommeln

Info

Publication number: DE102008021644A1
Application number: DE102008021644A
Authority: DE
Original assignee: FABIDOO GmbH
Current assignee: RAPIDOBJECT GMBH, DE
Priority date: 2008-04-30
Filing date: 2008-04-30
Publication date: 2009-11-05

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung von beliebig gestalteten Endprodukten beschrieben, wobei das Verfahren zumindest folgende Verfahrensschritte aufweist: Herstellung zumindest eines Rohprodukts, vorzugsweise einer Vielzahl von Rohprodukten, mittels einer Rapid-Prototyping/Manufacturing-Maschine, insbesondere 3-D-Drucker, Nachbearbeitung von zumindest einem Rohprodukt, vorzugsweise einer Vielzahl von Rohprodukten, in einer Dreheinrichtung, wobei die Dreheinrichtung die Rohprodukte und einen Kunststoff oder Lack umfasst, welche insbesondere aus Polyurethanen, Epoxydharze oder PU-Lacke aufgebaut sind und welche sich vorzugsweise in flüssiger Form zusammen mit den Rohprodukten in der Dreheinrichtung befindet, und wobei zumindest die Oberfläche der Rohprodukte mittels einer kontinuierlichen oder unterbrochenen Rotation der Dreheinrichtung von dem sich in der Dreheinrichtung befindenden Kunststoff überzogen wird, um entsprechende Endprodukte mit einer mit Kunststoff ummantelten Oberfläche jeweils aus einem Rohprodukt zu erhalten.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von beliebig gestalteten Endprodukten, wobei die Herstellung von Rohprodukten mittels einer Rapid-Prototyping-Maschine und eine Nachbearbeitung zu den entsprechenden Endprodukten vorgesehen ist.
Stand der Technik
Den hier genannten Rapid-Prototyping/Manufacturing-Maschinen ist gemeinsam, dass sie ein generatives Herstellungsverfahren verwenden, das heißt Objekte werden mittels der Rapid-Prototyping/Manufacturing-Maschinen insbesondere durch das Auftragen von vielen Schichten zu einem dreidimensionalen physikalischen Objekt aufgebaut. Eine Ausprägung dieser Maschinen sind die 3D-Drucker der Firma Z-Corp/Contex.
Bei Z-Corp 3D-Druckern findet beispielsweise Polymergipspulver Verwendung, das durch Härter und Druckfarbe während des Druckvorgangs abbindet. Andere Basismaterialien sind zum Beispiel Kunststoffe, kunststoffbeschichteter Formsand, Metall- oder Keramikpulver.
Das Druckerzeugnis kann zunächst jedoch nur als Rohprodukt bezeichnet werden, da es sehr instabil ist, meist farblich viel zu blass ist und eine nicht homogene, poröse Oberfläche hat.
Das Rohprodukt ist jedoch sehr saugfähig für geeignete Flüssigkeiten, ohne dass dessen Farben dabei verlaufen. Diese Saugfähigkeit wird von den existierenden Nachbearbeitungstechniken ausgenutzt, um die Stabilität des Rohproduktes zu erhöhen.
Eine Technik ist das Tränken mit einem Sekundenkleber, entweder durch tauchen oder durch Betropfen. Eine weitere das Tränken mit einem Zweikomponenten-Kunststoff, z. B. einem Epoxyd-Harz oder Poly-Urethan, durch Pinseln oder Tauchen. Des weiteren gibt es die Möglichkeit des Tränkens mit Wachs durch Tauchen. Im Rapid-Prototyping-Fachjargon wird „tränken” auch „infiltrieren” genannt.
Die Oberflächenqualität ist bei allen Verfahren matt und verkratzt beziehungsweise verschmutzt leicht.
Oft ist die Oberfläche, wie sie durch den Stabilisierungsprozess entsteht, für Prototypen in ihrer Qualität ausreichend. Um sie trotzdem zu verbessern, wird Lack in mehreren Schichten mittels Sprühtechniken (Sprühdose oder Sprühpistole) aufgetragen. Die Oberfläche wird dadurch glänzend und geringfügig robuster.
Ohne Lackierung haben Objekte, die mit den bekannten Verfahren nachbearbeitet wurden, die bereits genannten Probleme der Mattigkeit, Kratz- und Verschmutzgefahr. Außerdem sind die Objekte weder gegen Spritzwasser noch gegen UV-Licht ausreichend geschützt. Des weiteren haben sie folgende spezifischen Probleme:
Mit Sekundenkleber infiltriert ergibt sich keine hohe Stabilität und Farbverluste durch Nässe sind möglich. Auch bei Zweikomponenten-Kunststoffen treten starke Farbverluste durch Nässe auf, wenn nur die Infiltration angewendet wird. Wachs liefert das am wenigsten stabile Resultat und schmilzt ab 60°C.
Um widerstandsfähige Objekte mit einer ansprechenden Oberfläche zu erhalten, ist mit dem bisherigen Stand der Technik eine Lackierung notwendig.
Manuelles Sprühlackieren, insbesondere bei kleinen Objekten, ist jedoch eine zeitaufwendige, fehleranfällige Technik, die außerdem Geschick des Bearbeiters erfordert – und dadurch teuer ist.
Vorliegende Erfindung
Um die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden, ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von beliebig gestalteten Endprodukten, wobei die Herstellung von Rohprodukten mittels einer Rapid-Prototyping-Maschine und eine Nachbearbeitung zu den entsprechenden Endprodukten vorgesehen ist, zu schaffen, wobei die Endprodukte eine verbesserte Struktur bzw. Oberfläche aufweisen. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren bereitzustellen, durch welches Endprodukte mit einer kratzfesten Oberfläche in kostengünstiger Art und Weise herstellbar sind.
Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, die mittels Rapid-Prototyping/Manufacturing-Maschinen, insbesondere 3D-Druckern, hergestellten Rohprodukte zu stabilisieren und mit einer robusten und gleichzeitig ansprechenden Oberfläche zu versehen.
Diese Aufgabe bzw. Aufgaben wird bzw. werden durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Insbesondere ist das Verfahren zur Herstellung von beliebig gestalteten Endprodukten vorteilhaft, wobei das Verfahren zumindest folgende Verfahrensschritte aufweist:
Herstellung zumindest eines Rohprodukts, vorzugsweise einer Vielzahl von Rohprodukten, mittels einer Rapid-Prototyping-Maschine, insbesondere 3D-Drucker,
Nachbearbeitung von zumindest einem Rohprodukt, vorzugsweise einer Vielzahl von Rohprodukten, in einer Dreheinrichtung, wobei die Dreheinrichtung die Rohprodukte und einen Kunststoff oder Lack umfasst, welche insbesondere aus Polyurethanen, Epoxydharze oder PU-Lacke aufgebaut sind und welche sich vorzugsweise in flüssiger Form zusammen mit den Rohprodukten in der Dreheinrichtung befindet,
und wobei zumindest die Oberfläche der Rohprodukte mittels einer kontinuierlichen oder unterbrochenen Rotation der Dreheinrichtung von dem sich in der Dreheinrichtung befindenden Kunststoff überzogen wird, um entsprechende Endprodukte mit einer mit Kunststoff ummantelten Oberfläche jeweils aus einem Rohprodukt zu erhalten.
Insbesondere ist es vorteilhaft, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren in einfacher und kostengünstiger Art und weise Endprodukte mit einer besonders kratz und stoßfesten Oberfläche erzeugt werden.
Ein Teil des erfinderischen Schrittes besteht darin, eine entsprechende Dreheinrichtung gemäß Anspruch 1 zur Nachbearbeitung zu verwenden bzw. eine optimierte Form des Trommel-Verfahrens zur Stabilisierung und Beschichtung der Roherzeugnisses einer Rapid-Manufacturing-Maschine, insbesondere eines 3D-Druckers, zu verwenden.
Sowohl zum Stabilisieren als auch zum Beschichten wird das gleiche Material verwendet – dies ist ein Vorteil, jedoch nicht zwangsläufig notwendig. Als Material haben sich transparente Poly-Urethane und Epoxyd-Harze (Zweikomponenten-Gießkunststoffe) als geeignet erwiesen. Lacke oder ähnliches sind aber ebenso möglich. Diese Materialien werden im folgenden mit „Kunststoff” bezeichnet.
Je nach gewünschter Oberfläche ist das Verfahren in einem oder mehreren Schritten anzuwenden.
Anhand der nachfolgenden Zeichnungen sollen vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung rein beispielhaft dargestellt und erläutert werden.
1 zeigt eine Drehvorrichtung gemäß der Erfindung.
2 zeigt die Drehvorrichtung gemäß der Erfindung mit Rohprodukten und Füllsteinen in der sich drehenden Trommel.
3 zeigt die Drehvorrichtung gemäß der Erfindung mit Rohprodukten und Füllsteinen
4 zeigt die Drehvorrichtung gemäß der Erfindung mit horizontaler Drehachse
5 zeigt die Drehvorrichtung gemäß der Erfindung mit angewinkelter Drehachse
6 zeigt die verschiedenen Schichten eines behandelten Rohproduktes im Querschnitt
7 zeigt einen Ausschnitt der verschiedenen Schichten eines behandelten Rohproduktes im Querschnitt
Ausführungsform 1: Einmal Trommeln – fertig
Zuerst werden die Rohprodukte mittels eines Rapid-Prototyping/Manufacturing-Verfahrens Schicht für Schicht hergestellt. Insbesondere beim farbigen 3D-Druck wird hierbei bereits die Oberfläche mit einer Farbschicht versehen. Auf diese Weise werden insbesondere Fotos auf die Oberfläche des Rohproduktes projiziert und aufgetragen.
Nach der Herstellung der Rohprodukte mittels eines Rapid-Prototyping/Manufacturing-Verfahrens wird der Kunststoff in einem Behälter vermischt, wobei die Rohprodukte optional darin getränkt werden können. Danach werden die Rohprodukte zusammen mit dem Kunststoff in einer sechs- oder achteckigen Trommel (11, siehe 1), mehrere Minuten bis Stunden, gedreht (2) – optional mit Füllklötzen beziehungsweise Füllsteinen (12, siehe 3). Dabei verteilt sich der Kunststoff gleichmäßig auf den Rohprodukten. Die Dauer der Trommelung hängt von den gewünschten End-Eigenschaften und dem verwendeten Kunststoff ab. Auch ist es möglich, die Trommel in verschiedenen Winkeln anzuordnen (4 und 5).
Die Füllsteine dienen dazu, den Kunststoff auch in den Vertiefungen im Werkstück zu verteilen und somit für einen gleichmäßigen Kunststoffauftrag zu sorgen. Die Füllsteine können hierbei eine spezielle Form haben, die für die Form des Rohproduktes optimiert ist. Auch unterschiedliche Füllsteinformen innerhalb eines Trommelvorgangs sind möglich. Anstelle von Füllsteinen können außerdem auch Stoffkugeln verwendet werden, oder beliebige andere Objekte, die in die Vertiefungen des Rohproduktes eindringen können.
Je nach Trommelgröße, Werkstückmenge und gewünschter Oberfläche sind Füllsteinmenge, Kunststoffmenge, Trommelzeit und ggf. Trommeltemperatur und Drehgeschwindigkeit anzupassen.
Während des Trommelvorgangs härtet der Kunststoff und stabilisiert dadurch das Rohprodukt (50, siehe 6) – er erfüllt somit den Zweck einer Infiltration (54, siehe 6: Tiefe der Infiltration). Gleichzeitig wird das Werkstück mit einer ansprechenden Oberfläche versehen (51, siehe 7), die oberhalb der Oberfläche des Rohproduktes (52, siehe 6) liegt. Das Härten des Kunststoffes kann durch beheizen der Trommel beschleunigt werden.
Die Rohprodukte werden nach dem Trommeln aus der Trommel entnommen. Es ist möglich, solange zu trommeln, bis sie ausgehärtet und trocken sind. Es ist auch möglich, das Trommeln zu beenden, sobald der Kunststoff angehärtet aber noch leicht flüssig ist.
Um die Rohprodukte zu trocknen, wenn die Oberfläche noch nicht vollständig gehärtet ist, werden Trockenöfen oder Konvektionsöfen verwendet. In diesem Schritt zieht sich die Oberfläche glatt und erhält so ein ansprechendes Aussehen und eine angenehme Haptik. Außerdem ist sie extrem kratzbeständig und wasserfest.
Das Endprodukt ist erheblich robuster als bei allen anderen bekannten Verfahren, da die Kunststoffschicht an der Oberfläche zur Stabilisierung beitragen. Die Stabilisierung und Oberflächenbearbeitung erfolgt in einem Verfahren, das gut automatisierbar und gut skalierbar ist für große Werkstückmengen, und kein geschicktes oder umfangreich geschultes Personal erfordert.
Eine Trommel ist außerdem preiswert in der Anschaffung und die Investionskosten sind dadurch sehr gering.
Ausführungsform 2: Einmal Trommeln mit vorherigem Infiltrieren
Feine Strukturen im 3D-Roherzeugnis können bei alleinigem „Einmal-Trommeln” unter Umständen abpoliert werden – z. B. werden Spitzen abgeflacht, ähnlich wie beim Schmirgeln.
Abhilfe schafft das vorhergehende infiltrieren mit anschließendem Trocknen, wodurch noch keine Oberfläche auf das Rohprodukt aufgetragen wird (6, 51). Dadurch erhält das Rohprodukt eine matte Oberfläche, ist jedoch stark gehärtet.
In 6 ist das Rohprodukt mit seinen verschiedenen Schichten zu sehen. Schicht 52 ist die Oberfläche des Rohproduktes. Bis zu Schicht 53 wird vom 3D-Drucker die Farbe aufgetragen – darunter ist das Rohprodukt „ungefärbt”. Bis zum Punkt 54 dringt die Infiltration in das Rohprodukt ein. Im inneren (55) bleibt es unbehandelt, d. h. so, wie es vom Drucker erzeugt wird.
Erst nach der Infiltration erfolgt das Trommeln. Scharfe Kanten bleiben so erhalten. Durch das Trommel wird die harte Kunststoff Oberfläche (6, 51) aufgetragen, wie in Ausführungsform 1 beschrieben.
Durch die Verwendung eines Kunststoffes, sowohl zum Infiltrieren, wie auch zum Oberflächenauftrag, ergibt sich eine hervorragende Bindung der Schichten.
Ausführungsform 3: Mehrmaliges Trommeln
Durch wiederholtes Trommeln der Rohprodukte kann die Oberfläche Schicht für Schicht noch glänzender gemacht werden. Mit jeder Kunststoffschicht wird es außerdem „dicker” und dadurch stabiler und robuster.
Die einzelnen Trommelvorgänge können entweder bis zum völligen aushärten des Kunststoffes erfolgen, oder die Rohprodukte können noch leicht nass sein und zwischen den Trommelungen, zum Beispiel in einen Ofen, getrocknet werden. Auch eine Mischform ist möglich.

Claims

Verfahren zur Herstellung von beliebig gestalteten Endprodukten, wobei das Verfahren zumindest folgende Verfahrensschritte aufweist: Herstellung zumindest eines Rohprodukts, vorzugsweise einer Vielzahl von Rohprodukten, mittels einer Rapid-Prototyping/Manufacturing-Maschine, insbesondere 3D-Drucker, Nachbearbeitung von zumindest einem Rohprodukt, vorzugsweise einer Vielzahl von Rohprodukten, in einer Dreheinrichtung, wobei die Dreheinrichtung die Rohprodukte und einen Kunststoff oder Lack umfasst, welche insbesondere aus Polyurethanen, Epoxydharze oder PU-Lacke aufgebaut sind und welche sich vorzugsweise in flüssiger Form zusammen mit den Rohprodukten in der Dreheinrichtung befindet, und wobei zumindest die Oberfläche der Rohprodukte mittels einer kontinuierlichen oder unterbrochenen Rotation der Dreheinrichtung von dem sich in der Dreheinrichtung befindenden Kunststoff überzogen wird, um entsprechende Endprodukte mit einer mit Kunststoff ummantelten Oberfläche jeweils aus einem Rohprodukt zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während der Herstellung mittels der Rapid-Prototyping/Manufacturing-Maschine, insbesondere dem 3D-Drucker, Rohprodukte mit einer farbigen Oberfläche erzeugt werden, welche vorzugsweise eine Fotografie darstellt oder vorzugsweise eine beliebige Anzahl unterschiedlicher Farben umfasst, und wobei die farbige Oberfläche der Rohprodukte mittels der Dreheinrichtung zumindest teilweise oder vollständig mit Kunststoff überzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohprodukte in der Dreheinrichtung, welche in Form einer rotierenden Trommel ausgebildet ist, um die Längsachse der Trommel durch einen Antriebsmotor in Bewegung versetzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohprodukte zusammen mit dem Kunststoff und Füllelementen in die Dreheinrichtung vor dem Ummanteln der Rohprodukte in die Dreheinrichtung eingebracht werden, welche insbesondere in Form von spezifisch ausgeformten Füllsteinen ausgebildet sind und zur gleichmäßigen Verteilung des Kunststoffs auf die Oberfläche der Rohprodukte vorgesehen sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohprodukte vor dem Ummanteln mit Kunststoff innerhalb der Dreheinrichtung oder außerhalb der Dreheinrichtung mit dem gleichen oder einem zusätzlichen Kunststoff infiltriert werden, wobei die Infiltration durch eine vorbestimmte Verweildauer der Rohprodukte in einem Bad des flüssigen Kunststoffs oder eines zusätzlichen flüssigen Kunststoffs vorgenommen wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohprodukte in der Dreheinrichtung mit mehreren Schichten oder aufbauende Schichtdicken von dem gleichen Kunststoff oder unterschiedlichen Kunststoffen überzogen werden, wobei insbesondere zwischen den einzelnen Beschichtungsvorgängen in der Dreheinrichtung ein vollständiges oder ein nur teilweises Trocknen der vorherigen Kunststoffbeschichtung erfolgt.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gegenzeichnet, dass die in der Dreheinrichtung mit Kunststoff überzogenen Endprodukte mittels einer Trockeneinrichtung getrocknet werden.
Vorrichtung zur Kunststoffbeschichtung von Rohprodukten, insbesondere nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, welche als Dreheinrichtung ausgebildet ist und zumindest einen Hohlkörper mit einer Drehachse umfasst, wobei der Hohlkörper vorzugsweise durch eine mehreckige Trommel aufgebaut ist und für Flüssigkeiten im wesentlichen undurchlässig ist, wobei die Drehachse durch eine steuerbare Antriebseinheit in Rotation bringbar ist und wobei die sich innerhalb des Hohlkörpers befindlichen Rohprodukte durch die Rotation des Hohlkörpers derart in Bewegung versetzbar sind, dass zumindest die Oberfläche der Rohprodukte mit dem Kunststoff überzogen werden, um entsprechende Endprodukte mit einer mit Kunststoff ummantelten Oberfläche jeweils aus einem Rohprodukt zu erhalten.