CN113733549A - 一种复合部件的添材制造方法和复合部件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于复合部件(1)的添材制造方法，其中通过添材制造的方式将流体基体材料(2)依次引入制造装置(4)以形成添材制造的部件(3)，其中增强元件(5)至少部分地被引入流体基体材料(2)和/或设置在基体材料(2)上。本发明还涉及根据该方法生产的复合部件(1)。所提出的方法是一种用于生产复合部件(1)的成本效益好且简单的方法，与现有技术相比，复合部件(1)的机械性能得到了改善。

Description

一种复合部件的添材制造方法和复合部件
技术领域
本发明涉及一种通过添材制造生成复合部件的方法，以及一种通过根据本发明的方法生产的复合部件。
背景技术
“添材制造”是指流体材料依次引入制造装置或逐层应用于载体上，从而创造三维工件的制造方法。在该过程中，逐层制造根据预定义尺寸和形状(例如CAD数据)，从一个或多个流体材料，以计算机控制的方式执行。在逐层应用期间，发生物理或化学硬化或熔化过程。添材制造中使用的典型流体材料有塑料、合成树脂、陶瓷和金属。甚至是碳或石墨材料也可以用于添材制造。“添材制造”也可以同义地理解为3D打印。
US8827684B1公开了一种具有多个打印头同时操作以最小化打印时间的3D打印机。这里，打印头包括用于传送灯丝的多个步进马达和用于熔化灯丝的加热元件。然后，熔化的灯丝由具有规定直径的喷嘴打印，并沉积到打印床上。第一层一凝固，就再涂一层。因此，部件逐层构建起来。在这方面，可以加工各种热塑性材料或其他流体材料(例如金属)。
DE2020115103801U1公开了一种包括多个加工头的3D打印机，用于生产具有集成电气功能元件的3D打印部件。这里，半成品部件由第一加工头生产出，半成品部件的电气功能元件从第二加工头插入。然后，从第一加工头施加进一步的材料以嵌入电子部件。因此，部件在这里也逐层的构建起来。
3D打印部件通常无法承受高机械负载。本申请主要应用于塑料的部件，塑料的部件的原材料(例如PLA或PET)，没有高机械强度。为了能够与现代材料的机械性能竞争(例如纤维增强塑料)，需要提高以这种方式印制的部件的稳定性。
发明内容
本发明的目的是提出一种用于生产复合部件的成本效益好且简单的方法以及以这种方式制造的复合部件本身，复合部件与现有技术相比，在机械性能方面有改善。
上述目的通过具有权利要求1的特征的方法和具有权利要求11特征的复合部件来实现。
应当注意的是，权利要求中单独规定的特征可以以任何期望的技术上有意义的方式(甚至超出类别限制(例如在方法和设备之间))相互结合，并公开了本发明的进一步配置。说明书还特别结合附图对本发明进行了特征化和具体化地描述。
还应注意，本文中使用的连接词“和/或”位于两个特征之间，以便将它们连接起来，应始终以这样的方式来解释，即在根据本发明的主题的第一实施例中只能存在第一特征，在第二实施例中只能存在第二特征，在第三实施例中，第一和第二特征都可以存在。
本发明的关键是，在添材制造过程中，一个或多个增强元件被引入到添材制造部件(特别是在3D打印方法过程中产生的部件)的基体材料中。如果增强元件具有较高的机械稳定性，则这种增强元件可以对添材制造部件的机械性能产生积极影响和改善添材制造部件的机械性能。本发明还可以提供的是，增强元件的稳定性改善特性仅对复合部件的复合材料产生影响，而增强元件本身不一定具有高的机械稳定性。
根据本发明的用于复合部件的添材制造的方法，流体基体材料通过添材制造的方式被依次引入制造装置中，以形成添材制造的部件。在该方法中，增强元件至少部分地引入基体材料和/或设置在基体材料上。
如一开始所述，添材制造可理解为通过依次(累积的)施加或沉积材料来生成或修改部件的生产方法。在本发明的情况下，上述的材料是流体基体材料。在这方面(例如可以通过3D打印机进行添材制造)，本文中通常称为在制造装置。在该方法中，流体材料(这里是基体材料)被逐层地提供，上述流体材料首先沉积在制造装置的载体表面上，然后沉积在已经施加的(可选地至少部分硬化或固化的)材料上。热塑性材料(例如PLA、PET或ABS)，特别适合作为流体基体材料。但是，也可以使用其他流体材料(例如金属或其他硬化材料(例如陶瓷))。材料可以经历化学硬化(这被理解为，特别是指可以通过热或以基于辐射的方式引发的聚合)，但同时也可以经历物理硬化或热硬化。这里，在正在进行的制造过程中，可以将增强元件引入(例如插入)基体材料中的适当的位置。然后添加进一步的基体材料，从而使增强元件嵌入基体材料中并被基体材料包围。增强元件可以通过以下方式引入基体材料中，增强元件仅被基体材料部分包围，即部分地凸出超过基体材料或设置在基体材料的表面上。为了以这种方式提供制造的复合部件的特别高的机械稳定性，将增强元件完全嵌入基体材料中是有利的。通过这种方式，增强元件可以显著地改善复合部件的机械性能(例如在纤维增强复合部件的情况下)，这是通常已知的方式。作为替代或补充，可提供在(至少部分硬化的)基体材料上设置增强元件。由此，以这种方式生产的部件可以包括(至少部分地)引入(或嵌入)基体材料和/或设置在基体材料(即部件表面)上的增强元件。在本发明的上下文中，“设置”在这里被理解为特别是指复合部件的部件表面上的设置。
下面将详细描述从属权利要求中指定的有利配置以及本发明所提出的方法的进一步有利(或可能)配置。
根据本发明提出的方法的第一配置，可以提供纤维带用作增强元件。例如，纤维带可以是扁平纤维带。此类带可设置在滚轴上，从滚轴上无问题展开，并沉积在复合部件上的适当位置，以进行添材制造。因此可以缠绕纤维带。这种纤维带易于储存、运输和加工。词语“纤维带”应理解为，与纵向范围相比，带具有较低的材料厚度。“带”的长度通常也大于宽度。纤维带包括(除其他可能的组成部分外)纤维，特别是增强纤维。根据所述方法，不仅可以沿着要制造的复合部件的单独部分区域提供增强元件(例如纤维带)的骨架肋板，而且在要制造的复合部件(即已经引入制造装置的基体材料)的表面的整个表面积上施加增强元件。相应地，增强元件可以延伸到根据该方法生产的复合部件上的复合部件的整个横截面上。在这种情况下，使用纤维织物代替纤维带是有利的。
根据本发明提出的方法的另一配置，可以提供纤维带包括嵌入塑料基体(特别是热塑性材料)中的单向排列的连续纤维。塑料也可以是合成树脂(例如聚酯树脂或环氧树脂)。单向排列的连续纤维具有这样的优点，即纤维带(特别是在纤维带的纵向上)的机械性能显著地提高。在这一点上，提高纤维带的机械性能意味着提高纤维带的机械稳定性(特别是拉伸强度、剪切强度、冲击韧性等)。最终，纤维带的机械性能的改善也可带来要制造的复合部件的有针对性的增强。在塑料基体中嵌入纤维可以简化纤维带的易操作性，从而简化增强元件的定位。与根据本发明在添材生产期间引入制造装置中的基体材料相比，纤维带的塑料基体(其中嵌入纤维)可以是类似或不同的材料。
根据本发明提出的方法的另一配置，可以提供使用天然纤维和/或矿物纤维和/或塑料纤维形式的连续纤维。天然纤维具有良好的机械性能，具有成本效益和生物无害性。此类天然纤维的使用增加了通过根据本发明的方法制造的复合部件的可持续性，并促进了它的废弃处理或再循环利用。典型的天然纤维可以是，例如，棉纤维、亚麻纤维、大麻纤维、黄麻纤维、红麻纤维、苎麻纤维、剑麻纤维或木纤维。从生物聚合物中获得的纤维也可以在更广泛的意义上被称为天然纤维，并且可以在本例中使用。矿物纤维具有很好的机械性能，但往往更难加工。碳化纤维或聚芳酰胺纤维具有良好的机械强度，易于加工。当对复合部件的机械性能有特殊要求时，使用上述材料的组合可能是有利的。例如，碳化纤维或聚芳酰胺纤维的组合导致碳化纤维的高强度和聚芳酰胺纤维的高冲击韧性。
根据本发明提出的方法的另一配置，可以提供增强元件被流体基体材料完全包围。这可能导致复合零件经历均匀的强化，而不仅仅是某些区域的强化。根据复合部件的使用情况，均匀强化(例如在整个部件横截面或纵截面上的强化)可能是必需的或有益的。
根据本发明提出的方法的另一配置，可以提供借助于可移动引导的沉积单元(尤其是在三维空间中可移动引导的沉积单元)将流体基体材料引入制造装置中。“引入制造装置”可以理解为首先将基体材料施加到制造装置的载体表面(载体表面不是制造的复合部件的一部分)或施加到设置在制造装置中的基板(这可以是复合部件的组成部分)。这也可能意味着施加到已经引入的(可能已经部分或完全硬化的)基体材料。
沉积单元可以包括供给基体材料(例如作为线状灯丝)的功能部分和熔化基体材料的功能部分。基体材料的进一步供给导致熔化区域中的压力降低，因为基体材料通过喷嘴从沉积单元排出。
然后将出现的基体材料引入制造装置中，并可以在制造装置中堆叠。沉积单元可由一个或多个马达操作的线性主轴进行移动和定位。线性主轴可以集成在制造装置中。沉积单元在x、y和z三个空间方向中的一个或多个方向上的移动可以由线性主轴执行。还可以将线性主轴与旋转导轨组合，从而使沉积单元能够在三维空间中灵活地移动和定位。同样的事情可以由机器人执行，沉积单元可以设置在机器人上(特别是在机械臂上)。例如，这样的机械臂可以有多个构件。并联机器人(Delta-Roboters)的使用也是合适的。然而，沉积单元不必在三维空间中移动。关键是使部件和沉积单元之间的相对运动成为可能。因此，例如，沉积单元和复合部件沿着一个、多个或所有运动方向的相对运动受复合部件的移动的影响或受与实施相关的制造装置的影响的情况并不少见(这个例子中沉积单元是静止的)。沉积单元也不必位于制造装置内部，只要它可以在制造装置中，例如通过机械臂实现上述定位。相应地，可以提供，在多个制造装置中使用同一个沉积单元，同一个机械臂执行定位。上述操作也可以通过任何其它单元来执行，以便移动和定位沉积单元。
根据本发明提出的方法的另一配置，可以提供，通过可移动的铺设单元(尤其是在三维空间中可移动的铺设单元)将增强元件引入基体材料和/或设置在基体材料上。这里还需要在要制造的复合部件(其设置在制造装置中)和铺设单元之间提供相对运动。铺设单元可以以与沉积单元相同的方式定位和移动(也就是说，例如通过线性主轴或机械臂)。然而，铺设单元设置在机械臂上是优选的。上述机械臂还可将增强元件供给至多个制造装置。铺设单元优选为用于定位和沉积纤维带的带状铺设单元。铺设单元可以连接到预铺设单元，在预铺设单元上卷起或提供(存储)纤维带。
根据本发明提出的方法的另一配置，可以提供沉积单元和铺设单元可以由同一个移动单元移动。因此，例如，可以降低成本。这种集成设置还在控制技术方面提供了优点，因为两个单元可以以简单的方式通过同一个控制单元或在控制单元上执行的软件进行控制。这种装置还可以确保相对于复合部件的(沉积单元和铺设单元的)可再现的定位，因为沉积单元和铺设单元的两个位置基于相同的坐标系，并且可以由相同的测量装置检测以核查位置。在这方面，一种特定的配置可以使得两个单元都安装在具有多个构件的机械臂的末端，并且将单元定位在要制造的复合部件上的相应位置。这里，在这种情况下，基体材料或增强元件可以连续或平行地布置。
根据本发明提出的方法的进一步配置，可以提供沉积单元和铺设单元可以由单独的移动单元移动。铺设单元和沉积单元能够彼此独立地定位和移动可能是有利的，因此这两个单元可以在要制造的复合部件上的不同位置或在不同的制造装置中并行地使用。
根据本发明提出的方法的另一配置，可以提供沉积单元和/或铺设单元将流体基体材料或增强元件供给到多个制造装置。如果铺设单元可以独立于沉积单元而定位和移动，则铺设单元向多个制造装置供应增强元件或将增强元件沉积在多个制造装置那里可能是方便的。这同样适用于沉积单元。当提供由一个沉积单元和/或铺设单元供应给多个制造装置时(这也可以应用于集成沉积和铺设单元)，沉积单元和/或铺设单元必须被引导以便到达所有制造装置。
还可以容易地在一个加工站中提供多个沉积单元和/或铺设单元，以便以这种方式提高复合部件的制造速度(特别是在加工站的多个制造装置的多个复合部件同时制造的情况下)。加工站可以是机动车辆生产线的一部分。
如前所述，本发明的目的也通过复合部件来实现。复合部件通过根据本发明的方法制造，并且包括基体材料和至少部分引入基体材料中和/或设置在基体材料上的增强元件。
附图说明
本发明的进一步特征和优点来自于对本发明的示例性实施例的以下描述，这些示例性实施例不应被理解为限制性的，并且将在下文中参考附图进行更详细地解释。在附图中，以示意图形式示出：
图1：示出了通过设置在制造装置内的铺设单元和沉积单元生产(纤维增强)复合部件的一个实施例变型图。
图2：示出了通过设置在制造装置外部的铺设单元生产(纤维增强)复合部件的一个实施例变型图。
图3：示出了用于生产(纤维增强)复合部件的一个实施例变型图，铺设单元供应多个制造装置。
具体实施方式
图中所示的制造装置适用于执行单独的方法步骤和生产由基体材料和增强元件制成的纤维复合部件，纤维复合部件的机械性能比纯基体材料部件有所提高。
图1示出了具有沉积单元6和铺设单元7的制造装置4，两者都安装在同一个移动单元8上。移动单元8使得沉积单元6和铺设单元7能够垂直和水平地移动(如箭头所示)。所示的排列适于添材制造纤维复合部件1。在该过程中，来自沉积单元6的基体材料2被引入到制造装置4中，并且通过移动沉积单元6并注入基体材料2来提供相应的部件形状。增强元件5从铺设单元7沉积在基体材料2上。以这种方式制造的部件3包括基体材料2和嵌入基体材料2中或沉积在基体材料2上的增强元件5。部件3可以称为纤维复合部件1。
图2示出了具有沉积单元6的制造单元4和用于沉积单元6的单独的移动单元8a。这里，铺设单元7同样由单独的移动单元8b移动和定位。以这种方式制造的部件3包括基体材料2和增强元件5。使用单独的移动单元8a、8b使得结构能够同时将基体材料2和增强元件5引入制造装置4中。铺设单元7也可以在这样的配置中用于多个制造装置4。
图3示出由多个制造装置4a、4b组成的加工站的结构，多个制造装置4a、4b由同一铺设单元7供应增强元件5。移动单元8b(未示出)独立于沉积单元6的移动单元8a(同样未示出)。在这方面，铺设单元7的移动单元8b被配置和形成为使得铺设单元7能够到达两个制造装置4a、4b。
附图标记清单
1纤维复合部件
2基体材料
3部件
4制造装置
4a/4b制造装置
5增强元件
6沉积单元
7铺设单元
8移动单元
8a/8b移动单元

Claims (11)

1.一种复合部件(1)的添材制造方法，其中通过添材制造将流体基体材料(2)依次引入制造装置(4)以形成添材制造的部件(3)，其中增强元件(5)至少部分引入所述基体材料(2)和/或设置在所述基体材料(2)上。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用纤维带作为所述增强元件(5)。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述纤维带包括单向排列的连续纤维，所述单向排列的连续纤维嵌入塑料基体中，特别是嵌入热塑性材料中。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，使用天然纤维和/或矿物纤维和/或塑料纤维形式的所述连续纤维。
5.根据权利要求1至4中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述增强元件(5)被所述流体基体材料(2)完全包围。
6.根据权利要求1至5中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述流体基体材料(2)通过沉积单元(6)引入所述制造装置(4)，所述沉积单元(6)被可移动地引导，尤其是在三维空间中被可移动地引导。
7.根据权利要求1至5中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述增强元件(5)通过铺设单元(7)引入所述基体材料(2)和/或设置在所述基体材料(2)上，所述铺设单元(7)是可移动的，尤其是可在三维空间中移动。
8.根据权利要求6和7所述的方法，其特征在于，所述沉积单元(6)和所述铺设单元(7)可以通过共用的移动单元(8)移动。
9.根据权利要求6和7所述的方法，其特征在于，所述沉积单元(6)和所述铺设单元(7)可以通过单独的移动单元(8a、8b)移动。
10.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述沉积单元(6)和/或所述铺设单元(7)向多个制造装置(4a、4b)供应所述流体基体材料(2)或所述增强元件(5)。
11.根据权利要求1至10中任一项权利要求所述的复合部件，其特征在于，所述复合部件(1)包括所述基体材料(2)和至少部分引入其中和/或设置在其上的所述增强元件(5)。
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