DE102012012463A1 - Verfahren zum computergesteuerten Drucken von thermoplastischen Kunststoffteilen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum computergesteuerten Drucken von thermoplastischen Kunststoffteilen. Der Kunststoffteil weist dabei eine organische Form auf. Zunächst wird der Kunststoff aufgeschmolzen und über eine Extruderdüse zu Kunststofffäden extrudiert. Diese werden dann computergesteuert in Kraftrichtung aufgebracht und formen so den Kunststoffteil. Mittels der Kunststofffäden werden sowohl eine dünnwandige Außenhülle, als auch eine in der Außenhülle angeordnete Stützstruktur gedruckt, um den Kunststoffteil zu bilden.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum coputergesteuerten Drucken von thermoplastischen Kunststoffteilen. Solche Verfahren sind grundsätzlich bereits bekannt. Die so gedruckten Kunststoffteile sind jedoch häufig spröde und wenig schlagzäh und weisen eine geringe mechanische Belastbarkeit auf. Sie können daher lediglich als Muster oder ähnliches dienen. Darüber hinaus sind solche Teile üblicherweise auf herkömmliche Art konstruiert und weisen somit rechte Winkel, glatte Kanten, plane Seiten und Wände u. ä. auf.
• In vielen Bereichen ist es heute erforderlich, Bauteile vorzusehen, die möglichst zug- und druckbeständig und mechanisch belastbar sind, dabei jedoch trotzdem ein geringes Gewicht aufweisen. Solche Bauteile sind für viele Bereiche notwendig, unter anderem auch in der Automobilindustrie. Dabei ist es notwendig, dass die Bauteile unterschiedlichste Formen und Ausprägungen haben können. Derartige Bauteile werden heute üblicherweise aus Aluminium gefertigt. Dies ist jedoch schwerer als Kunststoff, wobei den entsprechenden Kunststoffteilen die notwendige mechanische Belastbarkeit fehlt. Darüber hinaus ist Aluminium vergleichsweise teuer und aufgrund der steigenden Rohstoffpreise ist in den nächsten Jahren eine weitere Verteuerung zu erwarten.
• Aufgabe der Erfindung ist es daher Kunststoffteile sowie ein Verfahren zum Drucken von Kunststoffteilen dahingehend zu verbessern, dass diese mechanisch belastbar sind und trotzdem ein geringes Gewicht aufweisen. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst, denen folgende besondere Bedeutung zukommt.
• Es werden Kunststoffteile in organischer Form hergestellt. Unter organischen Formen sind Formen zu verstehen, wie sie in der Natur vorkommen, beispielsweise bei Bäumen, Ästen, Knochen, Schädeln, Spinnennetzen u. ä. natürlich gewachsenen Teilen. Diese weisen häufig wenig rechte Winkel oder gerade Kanten oder plane Seitenflächen auf. Dies kann jedoch auch vorkommen. Die entsprechenden organischen Formen sind solchen natürlich gewachsenen Formen angenähert. Eine genaue mechanische Berechnung solcher Formen ist oft schwierig. Solche organischen Formen sind oft deutlich stabiler als auf herkömmliche Weise konstruierte.
• Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der thermoplastische Kunststoff zunächst aufgeschmolzen und über eine Extruderdüse in Form von Kunststofffäden computergesteuert in Kraft- bzw. Belastungsrichtung aufgebracht. Die Kunststofffäden werden dabei derart angeordnet, dass eine dünnwandige Außenhülle entsteht, sowie eine in der Außenhülle angeordnete Stützstruktur. Der so gebildete organisch geformte Kunststoffteil ist durch den geringeren Materialaufwand und die Verwendung von Kunststoff sehr leicht, aber sowohl durch die organische Form, als auch durch die Außenhülle mit Stützstruktur sehr stabil. Vorteilhaft bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist auch, dass die für das Verfahren benötigten Ausstattungen und Anlagen nur einmalig angeschafft werden müssen. Auch wenn dann anders geformte Bauteile gefertigt werden sollen, entfällt eine bei herkömmlichen Herstellungsverfahren erforderliche Anschaffung neuer und teurer Werkzeuge. Unter thermoplastischem Material wird auch ein thermoplastisch – also unter Wärmeeinwirkung schmelzbarer – wirkender Verbundwerkstoff verstanden, dessen wenigstens eine Komponente ein klassischer thermoplastischer Kunststoff ist, während andere Komponenten auch nicht-thermoplastischer Natur sein können.
• Besonders bewährt hat sich die Verwendung eines Kunststoffs mit geringem Wärmeausdehnungskoeffizienten, welcher druckstabil ist. Hier ist beispielsweise PLA (Polylactid) vorteilhaft. Dieser Kunststoff wird aus organischen Materialien, nämlich aus Milchsäure und Stärke, hergestellt und ist somit unabhängig von Erdölvorkommen. Darüber hinaus ist er auch voll kompostierbar. Der Kunststoff weist eine geringe Dichte auf und hat einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten, so dass die gedruckten Kunststoffteile beim Abkühlen nicht schrumpfen. Dies ist wichtig, um die genauen Abmaße der Kunststoffteile sicher zu stellen oder auch Serien von Kunststoffteilen zuverlässig herstellen zu können.
• Die im Kunststoffteil befindliche Stützstruktur kann unterschiedliche Ausprägungen haben. So können die einzelnen Kunststofffäden der Stützstruktur chaotisch verlaufen oder auch geordnet bzw. symmetrisch ausgebildet sein. Schließlich ist es auch denkbar, das Innere der Außenhülle vollständig mit Kunststofffäden auszufüllen. Welche Variante von Stützstruktur gewählt wird, ist vom jeweiligen Anwendungsfall abhängig. Je mehr Kunststofffäden in der Stützstruktur vorhanden sind, desto höher ist das jeweilige Gewicht des Kunststoffteiles. Es ist selbstverständlich auch möglich verschieden geformte Stützstrukturen in dem gleichen Kunststoffteil vorzusehen. Dadurch hat der Kunststoffteil an verschiedenen Stellen verschiedene Eigenschaften, wie Festigkeit oder Elastizität. Diese können so konstruktiv gesetzt werden.
• Um eine passende organische Form für den Kunststoffteil zu finden bzw. zu entwickeln, gibt es mehrere Möglichkeiten. Selbstverständlich kann die organische Form direkt gezeichnet bzw. skizziert werden und als Vorlage für das Steuerprogramm des Druckprozesses dienen. Es ist jedoch auch möglich, eine beliebige nichtorganische Form zu zeichnen, skizzieren, einzuscannen oder zu fotografieren und dann mit Hilfe eines Computerprogrammes in eine organische Form umzuwandeln. Darüber hinaus ist es auch möglich, ein dreidimensionales Modell herzustellen, welches dann eingescannt oder fotografiert wird. Auch dieses dreidimensionale Modell kann dann mit Hilfe eines Computerprogrammes in eine organische Form umgewandelt werden. Diese umgewandelten organischen Formen werden dann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gedruckt. Selbstverständlich ist es auch möglich, ein organisches dreidimensionales Modell herzustellen und einzuscannen bzw. zu fotografieren und direkt dem Steuerungsprogramm für den Druckprozess zuzuführen. Als Scanner sind neben herkömmlichen zweidimensionalen Scannern auch, insbesondere für dreidimensionale Modelle, 3D-Scanner denkbar. Ist die organische Form des Kunststoffteiles nicht ausreichend stabil bzw. soll diese noch verstärkt werden, so kann in dem Computerprogramm auf einfache Art und Weise eine Änderung Druckvorlage durchgeführt und die genaue Form des Kunststoffteils angepasst werden. Dies ist bei den hier verwendeten organischen Formen deutlich einfacher als bei herkömmlichen Herstellungsprozessen, bei denen zunächst Berechnungen angestellt und dann neue Zeichnungen mit geänderter Bemaßung angefertigt werden müssen. Auch die Anschaffung neuer geänderter Werkzeuge entfällt.
• Je nach Anwendungsfall können während des Druckens auch elektrische bzw. elektronische Komponenten, Anschlussbuchsen, Leitungen oder Ähnliches in den Kunststoffteil mit eingebaut werden. Hierzu werden diese Komponenten vor oder während des Druckvorganges eingelegt und zumindest bereichsweise mit Kunststoff umdruckt. Hierdurch ist es nicht notwendig, noch derartige Komponenten noch nachträglich an dem Kunststoffteil zu befestigen.
• Um neben der Druckbelastbarkeit, die insbesondere durch die Stützstruktur gegeben ist, auch noch eine zusätzliche stärkere Zugbelastbarkeit des Kunststoffteiles sicherzustellen, kann dieses nach dem Druck zumindest bereichsweise mit Kohlenstofffasern, insbesondere in Kraftrichtung, umwickelt werden. Hierfür existieren spezielle Wickeltechniken, um einen Kunststoffteil gezielt in Kraft- bzw. Belastungsrichtung zu verstärken und für Zugkräfte belastbarer zu machen. Die verwendeten Kohlenstofffasern werden dabei nicht mehr nachträglich durch Bohrungen o. ä. verletzt, so dass sie – anders als bei anderen Verwendungen von Kohlenstofffasern – nicht geschwächt werden, sondern besonders stark und strapazierfähig bleiben. Die durch die Stützstruktur bewirkte Druckbelastbarkeit und die durch die Kohlenstofffasern bewirkte Zugbelastbarkeit ergänzen sich dabei und schaffen so ein sehr belastbares stabiles Bauteil.
• Weiterhin bevorzugt ist es, dann den umwickelten Kunststoffteil mit einem flüssigen aushärtenden Material zu ummanteln, wie beispielsweise einem Epoxidharz oder Cyanakrylat. Dies verbindet den durch den Druckvorgang hergestellten Kunststoffteil besser mit den Wicklungen aus Kohlenstofffaser. Hierdurch wird ein komplexes Verbundwerkstück hergestellt, welches noch stärkeren Belastungen standhalten kann.
• In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das gesamte Verfahren robotergesteuert durchgeführt. So können beispielsweise die Entnahme des fertig gedruckten Kunststoffteiles nach dem Drucken, die Zuführung von elektrischen bzw. elektronischen Komponenten bzw. Buchsen oder Leitungen, die Umwicklung des Kunststoffteiles mit Kohlenstofffasern oder auch der weitere Einbau des fertigen Kunststoffteiles in ein komplexeres System robotergesteuert durchgeführt werden.
• Abschließend sei noch darauf hingewiesen, dass die hier dargestellten Ausführungsformen lediglich beispielhafte Verwirklichungen der Erfindung sind. Diese kann auch noch weitere Verfahren umfassen. Es sind noch weitere Abwandlungen und Änderungen möglich.

Claims (10)

1. Verfahren zum computergesteuerten Drucken von thermoplastischen Kunststoffteilen wobei der Kunststoffteil eine organische Form aufweist, wobei zunächst der Kunststoff aufgeschmolzen wird und über eine Extruderdüse Kunststofffäden hergestellt werden, welche dann computergesteuert in Kraftrichtung bzw. in Belastungsrichtung aufgebracht werden, und wobei mittels der Kunststofffäden eine dünnwandige Außenhülle und eine in der Außenhülle angeordnete Stützstruktur gedruckt werden, die den Kunststoffteil bilden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf der Kunststofffäden in der Stützstruktur chaotisch ausgebildet ist.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf der Kunststofffäden in der Stützstruktur symmetrisch bzw. geordnet ausgebildet ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstruktur das Innere der Außenhülle vollständig ausfüllt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst eine beliebige nicht-organische Form gezeichnet, skizziert, eingescannt, fotografiert oder als dreidimensionales Modell hergestellt und dann eingescannt oder fotografiert wird, welche dann mit Hilfe eines Computerprogrammes in eine organische Form umgewandelt wird, die dann gedruckt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass elektrische oder elektronische Komponenten und/oder Buchsen vor oder während des Druckens eingelegt werden und zumindest bereichsweise mit umdruckt werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoffteil nach dem Druck zumindest bereichsweise mit Kohlenstofffaser in Kraftrichtung umwickelt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der umwickelte Kunststoffteil in ein flüssiges aushärtendes Material, wie ein Epoxidharz oder Cyanacrylat, ummantelt wird, welches den Kunststoffteil mit den Wicklungen verbindet.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Kunststoff ein druckstabiler Kunststoff mit geringem Wärmeausdehnungskoeffizienten verwendet wird, wie beispielsweise PLA (Polylactid).
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ganz oder teilweise robotergesteuert durchgeführt wird.