CN112512773B - 用于制造纤维增强的增塑剂的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明描述连续纤维增强的增塑剂的制造，以用于增材地制造连续纤维增强的塑料构件。将塑料材料经由第一注入开口(10)导入到单螺杆挤出机(1)中并且熔化。将干燥的、连续的纤维条(23)的质量流dmF/dt经由第二注入开口(11)导入到单螺杆挤出机(1)中、以塑料熔体浸渍并且作为纤维增强的增塑剂(32)排出。在第二注入开口(11)的输送侧，单螺杆挤出机(1)的螺杆(8)这样构造，使得纤维条(23)基本上未损坏地排出。在可预定的时间区段上将质量流dmF/dt与从dmS/dt单螺杆挤出机(1)排出的塑料熔体(29)的质量流保持在第一质量流理论比例中，或者在可预定的时间区段上将质量流dmF/dt与从单螺杆挤出机(1)排出的纤维增强的增塑剂(32)的质量流dmP/dt保持在第二质量流理论比例中，在所述第一质量流理论比例或所述第二质量流理论比例中，所排出的连续的纤维条基本上完全以塑料熔体浸渍。

Description

用于制造纤维增强的增塑剂的方法和设备
技术领域
本发明涉及用于制造纤维增强的增塑剂的一种方法和一种设备。本发明还涉及一种这样的按照本发明的增塑剂的应用和一种按照本发明的用于增材制造纤维增强的塑料构件的设备。
背景技术
由现有技术在不同的实施方式中已知借助于增材制造(所谓的3D打印)来制造塑料构件。在所谓的熔融沉积成型(FDM；德语：Schmelzschichtung)或熔丝制造(FFF)中，借助于3D打印机层式地由塑料熔体构成塑料构件。为此，示例性地参阅WO2015/171832A1。在使用包含纤维的塑料颗粒或塑料小棒时，可以借助于3D打印也制造短纤维增强的塑料构件。
由期刊“Carbon Composites Magazin”，1/2016期，ISSN2366-8024，第43和44页已知在3D打印中制造具有35％纤维体积含量的连续纤维增强的结构，其方式是，作为原材料使用由玻璃纤维和聚丙烯构成的混合纱线作为增强组分和基质组分。
用于制造连续纤维增强的塑料构件的另一种变型方案是所谓的无纬布带(UD-Tape)的应用。在这里涉及相对昂贵的半成品，其在耗费的制造方法中产生并且此后才可以在制造连续纤维增强的塑料构件时用于再处理。
发明内容
从上面提到的现有技术出发，本发明的任务在于，给出用于制造纤维增强的增塑剂的一种方法和一种设备，所述增塑剂以一个或多个连续的纤维条来增强并且因此所述增塑剂适用于增材制造连续纤维增强的塑料构件。
为此，本发明提供一种用于借助于单螺杆挤出机制造纤维增强的增塑剂的方法，所述单螺杆挤出机具有缸和在所述缸中可旋转地支承的螺杆，其中，将塑料材料经由所述缸中的第一注入开口供给到所述单螺杆挤出机中并且在所述单螺杆挤出机中熔化成塑料熔体，其中，在所述第一注入开口的输送侧将一个或多个连续的纤维条的质量流dmF/dt经由所述缸中的第二注入开口导入到所述单螺杆挤出机中，其中，在所述第二注入开口的区域中，所述塑料材料作为塑料熔体存在，其中，所述连续的纤维条在干燥状态中输入到塑料熔体中并且以塑料熔体浸渍，其中，由纤维条和塑料熔体构成的混合物从处于所述缸的输送侧端部上的喷嘴作为纤维增强的增塑剂排出，其中，使用在所述第二注入开口的输送侧具有螺杆几何结构的螺杆，使得所供给的连续的纤维条基本上未损坏地且以塑料熔体浸渍地从所述喷嘴排出，其中，存在从所述喷嘴排出的塑料熔体的质量流dmS/dt和从所述喷嘴排出的纤维增强的增塑剂的质量流dmP/dt，其中，所述质量流dmF/dt和所述质量流dmS/dt相对于彼此处于第一比例中，在所述第一比例中，从所述喷嘴排出的连续的纤维条基本上完全以塑料熔体浸渍，其中，所述第一比例表示第一质量流理论比例，所述第一质量流理论比例在可预定的时间区段上基本上保持恒定，和/或所述质量流dmF/dt和所述质量流dmP/dt相对于彼此处于第二比例中，在所述第二比例中，从所述喷嘴排出的连续的纤维条基本上完全以塑料熔体浸渍，其中，所述第二比例表示第二质量流理论比例，所述第二质量流理论比例在可预定的时间区段上基本上保持恒定。
此外，本发明提供一种用于实施按照本发明的方法的设备，所述设备包括：
-单螺杆挤出机，所述单螺杆挤出机具有缸和在所述缸中可旋转地支承的且以变化的转速可驱动的螺杆，
-所述缸中的第一注入开口，所述第一注入开口用于将塑料材料供给到单螺杆挤出机中，
-所述缸中的第二注入开口，所述第二注入开口用于将一个或多个连续的纤维条的质量流dmF/dt供给到所述单螺杆挤出机中，其中，所述第二注入开口设置在所述第一注入开口的输送侧，
-纤维供给装置，所述纤维供给装置构造用于将一个或多个连续的纤维条以可预定的纤维供给速度引入到所述第二注入开口中，
-设置在所述缸的输送侧端部上的喷嘴，经由所述喷嘴，由纤维条和塑料熔体构成的混合物能够作为纤维增强的增塑剂排出，和
-控制单元，所述控制单元构造用于在可预定的时间区段上将所述质量流dmF/dt与从所述喷嘴排出的塑料熔体的质量流dmS/dt保持在第一质量流理论比例中，或者在可预定的时间区段上将所述质量流dmF/dt与从所述喷嘴排出的纤维增强的增塑剂的质量流dmP/dt保持在第二质量流理论比例中，在所述第一质量流理论比例或所述第二质量流理论比例中，从所述喷嘴排出的连续的纤维条基本上完全以塑料熔体浸渍，
-其中，所述螺杆在所述第二注入开口的输送侧构造成具有以下螺杆几何结构的区段，在所述螺杆几何结构中，连续的纤维条能够基本上未损坏地从所述喷嘴排出。
本发明的核心构思在于，借助于单螺杆挤出机熔化塑料材料，使得将连续的纤维条输入到塑料熔体中并且将所述纤维条基本上未损坏地且以塑料熔体浸渍地从所述单螺杆挤出机的喷嘴排出。所述单螺杆挤出机包括缸和在所述缸中可旋转地支承的螺杆。将塑料材料经由所述缸中的第一注入开口供给到所述单螺杆挤出机中并且在所述单螺杆挤出机中熔化成塑料熔体。在所述第一注入开口的输送侧将一个或多个连续的纤维条的质量流dmF/dt经由所述缸中的第二注入开口导入到所述单螺杆挤出机中。在所述第二注入开口的区域中，所述塑料材料作为塑料熔体存在。所述连续的纤维条在干燥状态中输入到塑料熔体中并且以塑料熔体浸渍。由纤维条和塑料熔体构成的混合物从处于所述缸的输送侧端部上的喷嘴作为连续纤维增强的增塑剂排出。为了使连续的并且以塑料熔体浸渍的纤维条尽可能未损坏地从喷嘴排出，使用在所述第二注入开口的输送侧具有为此适用的螺杆几何结构的螺杆。优选所述螺杆的这个区段可以构造为纯输送螺杆。产生从所述喷嘴排出的塑料熔体的质量流dmS/dt和从所述喷嘴排出的纤维增强的增塑剂的质量流dmP/dt。所述质量流dmF/dt和所述质量流dmS/dt应相对于彼此处于第一比例中，其中，从所述喷嘴排出的连续的纤维条基本上完全以塑料熔体浸渍。所述第一比例表示第一质量流理论比例，所述第一质量流理论比例在可预定的时间区段上基本上保持恒定。备选于所述第一比例或补充于所述第一比例，所述质量流dmF/dt和所述质量流dmP/dt应相对于彼此处于第二比例中，在所述第二比例中，从所述喷嘴排出的连续的纤维条基本上完全以塑料熔体浸渍，其中，所述第二比例表示第二质量流理论比例，所述第二质量流理论比例在可预定的时间区段上基本上保持恒定。
借助于按照本发明的方法阻止：在可预定的时间区段上从喷嘴排出比纤维材料多的塑料熔体或比塑料熔体多的纤维材料。图3a示出一种状态，在该状态中，排出比纤维材料多的塑料熔体，并且图3b示出一种状态，在该状态中，排出比塑料熔体多的纤维材料。在图3c中示出一种状态，在该状态中，存在所述第一质量流理论比例和/或所述第二质量流理论比例。为较清楚可见，在图3a、图3b和图3c中，纤维条作为以塑料熔体包套地示出。然而，在实际中将纤维条由塑料熔体渗透。也可以说，纤维条以塑料熔体浸渍。
如果应将仅唯一一个以塑料熔体浸渍的连续的纤维条从喷嘴排出，则可以这样设定和优选这样调节对第一质量流理论比例和/或第二质量流理论比例的设定，使得从所述喷嘴排出的纤维条具有以塑料熔体覆盖的且优选光滑的表面。
如果应使用多个纤维条并且应将多个以塑料熔体浸渍的纤维条从所述喷嘴排出，则可以这样设定和优选这样调节对所述第一质量流理论比例和/或所述第二质量流理论比例的设定，使得从所述喷嘴排出的所浸渍的纤维条分别具有以塑料熔体覆盖的且优选光滑的表面。结果是因此可以排出纤维条的整个束，其中，每个纤维条本身基本上完全由塑料熔体浸渍。在完全浸渍的纤维条的束中，在可能存在的间隙中可以存在附加的塑料熔体。在完全浸渍的纤维条的束中，所述束同样可以作为这样的束具有以塑料熔体覆盖的且优选光滑的表面。
在本发明的扩展方案中可以规定：在前置的学习阶段中确定所述第一质量流理论比例和/或所述第二质量流理论比例。为此可以进行适合的试验，以便确定质量流dmF/dt与熔体流dmS/dt和/或质量流dmF/dt与增塑剂流dmP/dt的适合的或者说正确的第一比例。
学习阶段例如可以包括以下步骤：
1.设定开始的纤维供给速度，其对应于螺杆在纤维拉入区中的周向速度；
2.设定开始的塑料质量流，其对应于最大程度地由所插入的螺杆可塑化的塑料质量流；
3.将所述纤维供给速度降低了例如所述开始的纤维供给速度的5％；
4.这样经常地重复先前的步骤，直至所排出的纤维塑料条具有光滑的表面。
备选地，学习阶段也可以具有后续的步骤：
1.设定开始的纤维供给速度，其对应于螺杆在纤维拉入区中的周向速度的60％；
2.设定开始的塑料质量流，其对应于最大程度地由所插入的螺杆可塑化的塑料质量流；
3.将所述塑料质量流降低了例如所述开始的塑料质量流的5％；
4.这样经常地重复先前的步骤，直至所排出的纤维塑料条具有光滑的表面。
按照本发明的第一方面可以设定和优选调节所述第一质量流理论比例和/或所述第二质量流理论比例，其方式是，设定和优选如此调节所述纤维条向所述单螺杆挤出机中供给的速度v和/或所述螺杆的转速n和/或向所述单螺杆挤出机中供给的塑料材料的质量流dmK/dt，使得它们相对于彼此处于以下比例中，在该比例中存在所述质量流理论比例。
按照本发明的另一个方面可以使用具有变化的喷嘴横截面的喷嘴，其中，这样设定和优选这样调节所述喷嘴横截面，使得存在所述第一质量流理论比例和/或所述第二质量流理论比例。
优选可以使用纤维增强的增塑剂以用于增材制造纤维增强的塑料构件。如果仅使用按照本发明产生的增塑剂、即仅连续纤维增强的增塑剂，则连续纤维增强的塑料构件可以在3D打印方法中制造。
然而也可以产生这样的应用情况，在那里塑料构件的部分不必或不应设有纤维增强。在这种情况下，在增材制造时不仅需要连续纤维增强的增塑剂，而且需要未增强的增塑剂、即纯塑料熔体。按照本发明的另一个构思，因此可以在一个或多个可预定的时间区段上中断对纤维条的供给，并且在所述时间区段中可以仅将塑料熔体从所述喷嘴排出。
优选可以在这里借助于在所述喷嘴上设置的切割装置在可预定的时间区段的开始时切断所述纤维条并且在该时间区段的持续时间上停止纤维条向所述单螺杆挤出机中的进一步供给，从而在该时间区段的持续时间上仅将塑料熔体从所述喷嘴排出。
按照本发明的设备包括：
-单螺杆挤出机，所述单螺杆挤出机具有缸和在所述缸中可旋转地支承的且以变化的转速可驱动的螺杆，
-所述缸中的第一注入开口，所述第一注入开口用于将塑料材料供给到所述单螺杆挤出机中，
-所述缸中的第二注入开口，所述第二注入开口用于将一个或多个连续的纤维条的质量流dmF/dt供给到所述单螺杆挤出机中，其中，所述第二注入开口设置在所述第一注入开口的输送侧，
-纤维供给装置，所述纤维供给装置构造用于将一个或多个连续的纤维条以可预定的纤维供给速度引入到所述第二注入开口中，
–设置在所述缸的输送侧端部上的喷嘴，经由所述喷嘴可以将由纤维条和塑料熔体构成的混合物作为纤维增强的增塑剂排出，和
-控制单元，所述控制单元构造用于在可预定的时间区段上将所述质量流dmF/dt与从所述喷嘴排出的塑料熔体(29)的质量流dmS/dt保持在第一质量流理论比例中，和/或在可预定的时间区段上将所述质量流dmF/dt与从所述喷嘴排出的纤维增强的增塑剂的质量流dmP/dt保持在第二质量流理论比例中，其中，从所述喷嘴排出的连续的纤维条基本上完全以塑料熔体浸渍，
-其中，所述螺杆在所述第二注入开口的输送侧构造成具有以下螺杆几何结构的区段，在所述螺杆几何结构中，连续的纤维条可以基本上未损坏地从所述喷嘴排出。
优选所述螺杆区段在所述第二注入开口的输送侧构造为单纯的输送螺杆并且具有螺杆轴，所述螺杆轴具有螺旋形环绕的螺杆螺棱，其中，设置有恒定的螺纹深度、恒定的螺纹宽度和恒定的螺棱宽度。为了使纤维可以特别有效率地以塑料熔体浸透，螺杆区段可以在第二注入开口的输送侧具有螺杆螺棱形状，其中，驱动侧面相对于螺杆螺棱的周面倒棱或倒圆。以这种方式，在螺杆螺棱与缸内壁之间产生压力梯度，该压力梯度使塑料向纤维间隙中的渗透变得容易。为了在处理期间尽可能不使纤维变短，螺杆区段在第二注入开口的输送侧具有以下空隙大小，该空隙大小至少对应于所供给的纤维条的厚度、然而优选具有0.5mm至2.5mm之间的值。为了避免纤维断裂，螺杆螺棱的相应面的过渡部(驱动侧面、周面、必要时棱角、被动的侧面)可以圆形地实施。
按照本发明的一个方面，所述控制单元特别是可以构造用于可以这样控制和优选这样调节所述纤维供给速度v的值和/或所述螺杆的转速n的值，使得所述第一质量流理论比例和/或所述第二质量流理论比例可以恒定地保持在可预定的值上。
按照本发明的另一个方面可以设置有计量单元，所述计量单元构造用于将塑料材料的可预定的质量流dmK/dt输入到所述第一注入开口中。所述控制单元然后可以附加于此地构造用于这样控制和优选这样调节所述计量单元的塑料材料的质量流dmK/dt的值，使得所述第一质量流理论比例和/或所述第二质量流理论比例可以恒定地保持在可预定的值上。
在本发明的一种改进方案中，所述喷嘴可以具有变化的喷嘴横截面。在这种情况下，所述控制单元可以附加于此地构造用于可以这样控制和优选这样调节所述喷嘴横截面，使得所述第一质量流理论比例和/或所述第二质量流理论比例可以恒定地保持在可预定的值上。
此外可以在所述喷嘴上设置有切割装置，利用所述切割装置可以切断从所述喷嘴排出的纤维条。因此可能的是：在可预定的时间区段的开始时切断所述纤维条，并且在该时间区段的持续时间上停止纤维条向所述单螺杆挤出机中的进一步供给，从而在该时间区段的持续时间上仅将塑料熔体从所述喷嘴排出。必要时，需要的或有意义的也可以是：截断从喷嘴排出的纤维条并且短期停止连续纤维增强的增塑剂的排出，例如以便随后在另一个位置上以增材制造连续纤维增强的塑料构件继续。这最终取决于：在制造连续纤维增强的塑料构件时应怎样铺设增塑剂。
按照本发明，因此也规定按照本发明的设备用于增材制造连续纤维增强的塑料构件的应用，其中，所述设备安装在多轴工业机器人上，利用所述多轴工业机器人，所述喷嘴在底板上运动并且可以将由连续纤维增强的增塑剂构成的条放置在所述底板上。必要时可以在增材制造时不仅使用连续纤维增强的增塑剂而且使用未增强的增塑剂。出于这个目的，可以在一个或多个可预定的时间区段上中断对纤维条的供给，并且在这些时间区段中仅将塑料熔体从所述喷嘴排出。
在按照本发明的设备用于增材制造连续纤维增强的塑料构件的应用中可以设置有底板，从所述喷嘴排出的增塑剂的条可以放置在所述底板上，其中，所述底板可以沿一个或多个方向在空间中移动。
必要时，在空间中可移动的底板也可以与安装在多轴工业机器人上的按照本发明的设备一起使用。优选所述底板可以沿一个或多个方向(x、y、z)在空间中移动。
优选所述纤维供给速度和在所述喷嘴与所述条的放置点之间的相对速度基本上相同。在纤维供给速度过低时可能引起纤维条断开。在纤维供给速度过高时可能引起在底板上形成材料拥堵。
必要时，可以同时使用多个按照本发明的设备。然后可以从一个所述设备或同时从多个设备进行纤维增强的增塑剂的排出。所述设备可以在此如此运行，使得根据要制造的纤维增强的塑料构件使用相同的或不同构造的设备，所述设备对应于希望的塑料构件分别交替地或者说依次地或多个同时地运行。在这里可以使用由不同的纤维材料和/或不同的塑料材料构成的纤维条。
本发明具有一系列相对于现有技术的优点，其中在下面应列举一些。
取代昂贵的半成品(UD-Tape)，可以使用低成本的标准材料、即筒管上的商业通用的纤维条(所谓的纤维粗纱)和商业通用的塑料颗粒。
对连续纤维增强的增塑剂的直接放置此外能实现根据构件几何结构有针对性地适配纤维条。塑对料构件的符合负荷路径的增强因此能低成本地实现。由此也产生高的轻型结构潜力，因为纤维增强仅在需要的地方进行。
此外可以几乎自由地选择纤维材料的类型和塑料、即基质材料的类型。由此，在增材制造纤维增强的塑料构件时产生高程度的关于材料组合的灵活性。
如果塑料构件应不仅由纤维增强的组成部分而且由未纤维增强的组成部分构成，则可以借助于本发明获得两个组成部分之间的良好接合，因为相同的基质材料或者说塑料材料不仅用于构件的纤维增强的组成部分而且用于支撑结构(即所述构件的未增强的组成部分)。
附图说明
下面应借助实施例并且参考附图详细描述本发明。附图中：
图1示出按照本发明的设备的透视图，其具有挤出机的部分剖面；
图2示出图1中的区段30的放大图；
图2a至图2d示出图2中的螺杆螺棱的实施方式不同的区域X的放大图；
图3a示出以较高的塑料份额作为纤维份额的排出；
图3b示出以较高的纤维份额作为塑料份额的排出；
图3c示出以纤维材料的质量流和塑料熔体的质量流的正确的比例的排出。
具体实施方式
图1示出用于增材制造连续纤维增强的塑料构件的设备。所述设备也可以称为用于制造连续纤维增强的塑料构件的3D打印机。所述设备包括单螺杆挤出机1、计量单元2、多轴工业机器人3、纤维供给装置4和底板5，在所述底板上可以放置经浸渍的纤维条6。借助于多轴工业机器人3可以将单螺杆挤出机1移动到空间中的任意位置中。在图1的图示中，单螺杆挤出机1竖直地定向。单螺杆挤出机1包括缸7和在该缸中可旋转支承的螺杆8，所述螺杆可以由具有变化的且可调节的转速的旋转驱动装置9驱动。在螺杆8的后端部上，在缸7中设置有用于将塑料材料供给到单螺杆挤出机1中的第一注入开口10。在第一注入开口10的输送侧设置有用于供给一个或多个纤维条的第二注入开口11。在缸7的输送侧端部上设置有喷嘴12和切割装置13。喷嘴12可以如此构造，使得所述喷嘴具有变化的喷嘴横截面。为此，喷嘴12例如可以与照相仪器的光圈类似地具有很多圆形设置的、彼此啮合的薄板。通过同时改变薄板的定位角可以放大或缩小流动横截面。借助于切割装置13可以切断经浸渍的纤维条6。必要时，切割装置13也可以装备有密封元件，以便能够在短时间上闭锁喷嘴12的排出开口，例如如果在一个位置上应停止并且在另一个位置上应继续所述排出的话。塑料材料向缸7中的供给经由注入漏斗14和管15进行。所述塑料材料优选借助于计量单元2输入到注入漏斗14中。计量单元2包括材料漏斗16、输送缸17、输送螺杆18和计量驱动装置19。纤维供给装置4包括具有一个或多个纤维筒管21的纤维储备容器20和纤维制动装置22。借助于纤维制动装置22可以调节速度v，以该速度将纤维条23经由注入开口11拉入到缸7中。必要时，底板5可以在空间中移动，如这以箭头x、y和z标明。这样的定位装置本身已知并且因此在此处无需详细描述。
螺杆8可以在第一注入开口10与第二注入开口11之间的区域中以本身已知的方式构造，以便能够熔化所供给的塑料材料并且将其朝喷嘴12的方向输送。在这里可以使用由现有技术已知的各种螺杆实施方式。仅取决于：塑料材料在达到第二注入开口11时充分熔化，从而纤维条23可以输入到塑料熔体中并且以塑料熔体浸渍。
在第二注入开口11的输送侧，螺杆8构造为纯输送螺杆，如这在图2中以放大的比例尺可看出。特别是螺杆8在这个区域中构造为具有螺旋形环绕的螺杆螺棱25的螺杆轴24。螺杆8在这个区域中具有恒定的螺纹深度26(参见图2a)、恒定的螺纹宽度27和恒定的螺棱宽度28。利用螺杆8的这种设计方案(与单螺杆挤出机1的在下面详细描述的运行一起)保证：纤维条23可以基本上未损坏地从喷嘴12排出。为了能够特别有效率地以塑料熔体浸透所述纤维，螺杆区段可以在第二注入开口的输送侧具有螺杆螺棱形状，其中，驱动侧面相对于螺杆螺棱的周面倒棱(图2b)或倒圆(图2c)。以这种方式，在螺杆螺棱与缸内壁之间产生压力梯度，该压力梯度使塑料向纤维间隙中的渗透变得容易。为了在处理期间尽可能不使纤维变短，螺杆区段在第二注入开口的输送侧具有以下空隙大小，该空隙大小至少对应于所供给的纤维条的厚度，然而优选具有0.5mm至2.5mm之间的值(图2、图2a、图2b、图2c、图2d)。为了避免纤维断裂，螺杆螺棱的相应面的过渡部(驱动侧面、周面、必要时倒棱、被动的侧面)可以是圆形的(图2d)。
下面应描述在图1和图2中示出的设备的运行。借助于计量单元2可以进行塑料材料向缸7中的所调节的供给，其方式是，借助于计量驱动装置19调节给缸7供给的塑料材料的质量流dmK/dt。利用旋转驱动装置9可以调节螺杆7的转速n。借助于纤维制动装置22可以调节速度v，纤维条23以该速度输入到缸7中并且因此输入到塑料熔体中。因此，在从喷嘴排出时存在从喷嘴12排出的纤维条的质量流dmF/dt和从喷嘴12排出的塑料熔体的质量流dmS/dt。借助于调整参数“塑料材料的质量流dmK/dt”和“螺杆的转速n”可以调节从喷嘴12排出的塑料熔体的质量流dmS/dt。借助于纤维制动装置22可以调节从喷嘴12排出的纤维条的质量流dmF/dt。按照本发明的一种核心构思，设定和优选也调节运行状态，其中，从喷嘴12排出的纤维条(在图1中仅唯一一个纤维条)的质量流dmF/dt和从喷嘴排出的塑料熔体的质量流dmS/dt相对于彼此处于这样的比例中，使得从喷嘴12排出的纤维条、即当前纤维条6基本上完全由塑料熔体浸渍。这个比例表示质量流理论比例，该质量流理论比例应基本上保持恒定，以便在增材制造连续纤维增强的塑料构件时获得良好结果。在所述设备以质量流理论比例运行时，连续纤维增强的增塑剂从喷嘴12排出，所述增塑剂特别良好地适用于增材制造连续纤维增强的塑料构件。
在图3a至图3c中示出，连续纤维增强的增塑剂32如何在所述设备的不同运行状态中从喷嘴12排出。图3a示出一种状态，在该状态中，排出比纤维材料多的塑料熔体，并且图3b示出一种状态，在该状态中，排出比塑料熔体多的纤维材料。在图3c中示出一种状态，在该状态中，存在所述质量流理论比例。在图3a中，纤维条6不是仅以塑料熔体29浸渍，而是围绕纤维条6排出附加的塑料熔体29。在图3b中，仅排出不完全浸渍的纤维条6。这应通过纤维条6的不连续黑的图示标明。在图3c中，排出完全以塑料熔体29浸渍的纤维条6。为较清楚可见，在图3c中，纤维条6作为以塑料熔体29包套地示出。然而，在实际中将纤维条6由塑料熔体渗透。也可以说，纤维条6在图3c中完全以塑料熔体29浸渍。在理想情况下，存在由纯塑料材料29构成的薄的表面层，该表面层包围所浸渍的纤维条6。
因此，借助于按照本发明的方法阻止：与希望的相比从喷嘴12排出比纤维材料多的塑料熔体(图3a)或比塑料熔体多的纤维材料(图3b)。
如果应将仅唯一一个利用塑料熔体浸渍的连续的纤维条从喷嘴排出，则可以这样进行对质量流理论比例的设定，使得从喷嘴排出的纤维条具有光滑的且以塑料熔体覆盖的表面。
优选可以在前置的学习阶段中确定所述质量流理论比例。
如果使用具有变化的喷嘴横截面的喷嘴12，则也可以将喷嘴横截面用作用于质量流理论比例的调整参数。在这里，这样设定和调节喷嘴横截面，使得存在所述质量流理论比例。
为了增材制造连续纤维增强的塑料构件，喷嘴12可以相对于底板5按照预定的程序移动。为此，底板5和/或单螺杆挤出机1可以在空间中这样移动，使得连续纤维增强的增塑剂32或所浸渍的连续的纤维条6按照塑料构件的数据放置在底板5上。
如果应制造一种塑料构件，在那里所述塑料构件的部分不必或不应设有纤维增强，则不仅连续纤维增强的增塑剂32而且未增强的增塑剂、即纯塑料熔体29从喷嘴12排出。为此，可以在一个或多个可预定的时间区段上中断对纤维条23的供给，并且在所述时间区段中可以仅将塑料熔体29从喷嘴12排出。纤维条6的切断可以借助于设置在喷嘴12上的切割装置13进行。在可预定的时间区段的开始时切断纤维条6并且在该时间区段的持续时间上停止纤维条23向单螺杆挤出机1中的进一步供给，从而在该时间区段的持续时间上仅将塑料熔体29从喷嘴12排出。
根据应用情况可以仅使用单个干燥的纤维条23，如这在图1的实施例中是所述情况。在此，可以这样设定和优选调节所述质量流理论比例，使得从喷嘴12排出的所浸渍的纤维条6具有光滑的且以塑料熔体29覆盖的表面。
附图标记列表
1  单螺杆挤出机
2  计量单元
3  多轴工业机器人
4  纤维供给装置
5  底板
6  纤维条-浸渍
7  缸
8  螺杆
9  旋转驱动装置
10 用于塑料材料的第一注入开口
11 用于纤维材料的第二注入开口
12 喷嘴
13 切割装置
14 注入漏斗
15 管
16 材料漏斗
17 输送缸
18 输送螺杆
19 计量驱动装置
20 纤维储备容器
21 纤维筒管
22 纤维制动装置
23 纤维条
24 螺杆轴
25 螺杆螺棱
26 螺纹深度
27 螺纹宽度
28 螺棱宽度
29 塑料熔体
30 输送螺杆
31 塑料颗粒
32 纤维增强的增塑剂。

Claims (34)

1.用于借助于单螺杆挤出机(1)制造纤维增强的增塑剂的方法，所述单螺杆挤出机具有缸(7)和在所述缸中可旋转地支承的螺杆(8)，其中，将塑料材料经由所述缸(7)中的第一注入开口(10)供给到所述单螺杆挤出机(1)中并且在所述单螺杆挤出机中熔化成塑料熔体，其中，在所述第一注入开口(10)的输送侧将一个或多个连续的纤维条(23)的质量流dmF/dt经由所述缸(7)中的第二注入开口(11)导入到所述单螺杆挤出机(1)中，其中，在所述第二注入开口(11)的区域中，所述塑料材料作为塑料熔体存在，其中，所述连续的纤维条(23)在干燥状态中输入到塑料熔体中并且以塑料熔体浸渍，其中，由纤维条和塑料熔体构成的混合物从处于所述缸(7)的输送侧端部上的喷嘴(12)作为纤维增强的增塑剂(32)排出，其中，使用在所述第二注入开口(11)的输送侧具有螺杆几何结构的螺杆(8)，使得所供给的连续的纤维条(23)基本上未损坏地且以塑料熔体(29)浸渍地从所述喷嘴(12)排出，其中，存在从所述喷嘴排出的塑料熔体的质量流dmS/dt和从所述喷嘴排出的纤维增强的增塑剂(32)的质量流dmP/dt，其中，所述质量流dmF/dt和所述质量流dmS/dt相对于彼此处于第一比例中，在所述第一比例中，从所述喷嘴(12)排出的连续的纤维条基本上完全以塑料熔体浸渍，其中，所述第一比例表示第一质量流理论比例，所述第一质量流理论比例在可预定的时间区段上基本上保持恒定，和/或所述质量流dmF/dt和所述质量流dmP/dt相对于彼此处于第二比例中，在所述第二比例中，从所述喷嘴(12)排出的连续的纤维条基本上完全以塑料熔体浸渍，其中，所述第二比例表示第二质量流理论比例，所述第二质量流理论比例在可预定的时间区段上基本上保持恒定。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，
在前置的学习阶段中确定所述第一质量流理论比例或所述第二质量流理论比例。
3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，
设定所述第一质量流理论比例或所述第二质量流理论比例，其方式是，设定所述纤维条(23)向所述单螺杆挤出机(1)中供给的速度v和/或所述螺杆(8)的转速n和/或向所述单螺杆挤出机(1)中供给的塑料材料的质量流dmK/dt，使得它们相对于彼此处于以下比例中，在该比例中存在所述质量流理论比例。
4.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，
调节所述第一质量流理论比例或所述第二质量流理论比例，其方式是，调节所述纤维条(23)向所述单螺杆挤出机(1)中供给的速度v和/或所述螺杆(8)的转速n和/或向所述单螺杆挤出机(1)中供给的塑料材料的质量流dmK/dt，使得它们相对于彼此处于以下比例中，在该比例中存在所述质量流理论比例。
5.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，
使用具有变化的喷嘴横截面的喷嘴(12)，并且设定所述喷嘴横截面，使得存在所述第一质量流理论比例或所述第二质量流理论比例。
6.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，
使用具有变化的喷嘴横截面的喷嘴(12)，并且调节所述喷嘴横截面，使得存在所述第一质量流理论比例或所述第二质量流理论比例。
7.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，
使用所述纤维增强的增塑剂(32)以用于增材制造纤维增强的塑料构件。
8.按照权利要求7所述的方法，其特征在于，
在一个或多个可预定的时间区段上中断对纤维条(23)的供给并且在所述时间区段中仅将塑料熔体(29)从所述喷嘴(12)排出，其中，所述第一质量流理论比例或所述第二质量流理论比例仅在供给纤维条(23)时存在。
9.按照权利要求8所述的方法，其特征在于，
借助于在所述喷嘴(12)上设置的切割装置(13)在可预定的时间区段的开始时切断所浸渍的纤维条并且在该时间区段的持续时间上停止干燥的纤维条(23)向所述单螺杆挤出机(1)中的进一步供给，从而在该时间区段的持续时间上仅将塑料熔体(29)从所述喷嘴(12)排出。
10.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，
使用多个纤维条(23)，并且设定所述第一质量流理论比例或所述第二质量流理论比例，使得从所述喷嘴(12)排出的所浸渍的纤维条分别具有以塑料熔体(29)覆盖的表面。
11.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，
使用多个纤维条(23)，并且调节所述第一质量流理论比例或所述第二质量流理论比例，使得从所述喷嘴(12)排出的所浸渍的纤维条分别具有以塑料熔体(29)覆盖的表面。
12.按照权利要求10所述的方法，其特征在于，
所述表面是光滑的。
13.按照权利要求11所述的方法，其特征在于，
所述表面是光滑的。
14.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，
使用单个纤维条(23)，并且设定所述第一质量流理论比例或所述第二质量流理论比例，使得从所述喷嘴(12)排出的所浸渍的纤维条具有以塑料熔体(29)覆盖的表面。
15.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，
使用单个纤维条(23)，并且调节所述第一质量流理论比例或所述第二质量流理论比例，使得从所述喷嘴(12)排出的所浸渍的纤维条具有以塑料熔体(29)覆盖的表面。
16.按照权利要求14所述的方法，其特征在于，
所述表面是光滑的。
17.按照权利要求15所述的方法，其特征在于，
所述表面是光滑的。
18.用于实施按照权利要求1至17中任一项所述的方法的设备，所述设备包括：
-单螺杆挤出机(1)，所述单螺杆挤出机具有缸(7)和在所述缸中可旋转地支承的且以变化的转速可驱动的螺杆(8)，
-所述缸(7)中的第一注入开口(10)，所述第一注入开口用于将塑料材料供给到单螺杆挤出机(1)中，
-所述缸(7)中的第二注入开口(11)，所述第二注入开口用于将一个或多个连续的纤维条(23)的质量流dmF/dt供给到所述单螺杆挤出机(1)中，其中，所述第二注入开口(11)设置在所述第一注入开口(10)的输送侧，
-纤维供给装置(4)，所述纤维供给装置构造用于将一个或多个连续的纤维条(23)以可预定的纤维供给速度引入到所述第二注入开口(11)中，
-设置在所述缸(7)的输送侧端部上的喷嘴(12)，经由所述喷嘴，由纤维条和塑料熔体构成的混合物能够作为纤维增强的增塑剂(32)排出，和
-控制单元，所述控制单元构造用于在可预定的时间区段上将所述质量流dmF/dt与从所述喷嘴(12)排出的塑料熔体(29)的质量流dmS/dt保持在第一质量流理论比例中，或者在可预定的时间区段上将所述质量流dmF/dt与从所述喷嘴排出的纤维增强的增塑剂(32)的质量流dmP/dt保持在第二质量流理论比例中，在所述第一质量流理论比例或所述第二质量流理论比例中，从所述喷嘴(12)排出的连续的纤维条基本上完全以塑料熔体浸渍，
-其中，所述螺杆(8)在所述第二注入开口(11)的输送侧构造成具有以下螺杆几何结构的区段，在所述螺杆几何结构中，连续的纤维条(23)能够基本上未损坏地从所述喷嘴(12)排出。
19.按照权利要求18所述的设备，其特征在于，
具有螺杆几何结构的所述区段构造为输送螺杆(30)并且具有螺杆轴(24)，所述螺杆轴具有螺旋形环绕的螺杆螺棱(25)，其中，设置有恒定的螺纹深度(26)、恒定的螺纹宽度(27)和恒定的螺棱宽度(28)。
20.按照权利要求18或19所述的设备，其特征在于，
所述控制单元构造用于控制所述纤维供给速度v的值和/或所述螺杆(8)的转速n的值，使得所述第一质量流理论比例和/或所述第二质量流理论比例能够恒定地保持在可预定的值上。
21.按照权利要求18或19所述的设备，其特征在于，
所述控制单元构造用于调节所述纤维供给速度v的值和/或所述螺杆(8)的转速n的值，使得所述第一质量流理论比例和/或所述第二质量流理论比例能够恒定地保持在可预定的值上。
22.按照权利要求18或19所述的设备，其特征在于，
设置有计量单元(2)，所述计量单元构造用于将塑料材料的可预定的质量流dmK/dt输入到所述第一注入开口中，并且所述控制单元构造用于在所述计量单元(2)上控制塑料材料的质量流dmK/dt的值，使得所述第一质量流理论比例和/或所述第二质量流理论比例能够恒定地保持在可预定的值上。
23.按照权利要求18或19所述的设备，其特征在于，
设置有计量单元(2)，所述计量单元构造用于将塑料材料的可预定的质量流dmK/dt输入到所述第一注入开口中，并且所述控制单元构造用于在所述计量单元(2)上调节塑料材料的质量流dmK/dt的值，使得所述第一质量流理论比例和/或所述第二质量流理论比例能够恒定地保持在可预定的值上。
24.按照权利要求18或19所述的设备，其特征在于，
所述喷嘴(12)具有变化的喷嘴横截面，并且所述控制单元构造用于控制所述喷嘴横截面，使得所述第一质量流理论比例和/或所述第二质量流理论比例能够恒定地保持在可预定的值上。
25.按照权利要求18或19所述的设备，其特征在于，
所述喷嘴(12)具有变化的喷嘴横截面，并且所述控制单元构造用于调节所述喷嘴横截面，使得所述第一质量流理论比例和/或所述第二质量流理论比例能够恒定地保持在可预定的值上。
26.按照权利要求18或19所述的设备，其特征在于，
在所述喷嘴(12)上设置有切割装置(13)，利用所述切割装置能够切断从所述喷嘴(12)排出的纤维条。
27.按照权利要求18至26中任一项所述的设备用于增材制造纤维增强的塑料构件的应用，其中，所述设备安装在多轴工业机器人(3)上，利用所述多轴工业机器人，所述喷嘴(12)在底板(5)上运动并且能够将由纤维增强的增塑剂(32)构成的条放置在所述底板(5)上。
28.按照权利要求27所述的应用，其特征在于，
所述纤维供给速度和在所述喷嘴(12)与所述条的放置点之间的相对速度基本上相同。
29.按照权利要求27或28所述的应用，其中，同时使用多个按照权利要求18至26中任一项所述的设备，其中，从一个所述设备或同时从多个设备进行纤维增强的增塑剂(32)的排出。
30.按照权利要求29所述的应用，其中，使用由不同的纤维材料和/或不同的塑料材料构成的纤维条。
31.按照权利要求18至26中任一项所述的设备用于增材制造纤维增强的塑料构件的应用，其中，设置有底板(5)，从所述喷嘴(12)排出的纤维增强的增塑剂(32)的条能够放置在所述底板上，其中，所述底板(5)能够沿一个或多个方向(x、y、z)在空间中移动。
32.按照权利要求31所述的应用，其特征在于，
所述纤维供给速度和在所述喷嘴(12)与所述条的放置点之间的相对速度基本上相同。
33.按照权利要求31或32所述的应用，其中，同时使用多个按照权利要求18至26中任一项所述的设备，其中，从一个所述设备或同时从多个设备进行纤维增强的增塑剂(32)的排出。
34.按照权利要求33所述的应用，其中，使用由不同的纤维材料和/或不同的塑料材料构成的纤维条。
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