CN114222655B - 挤出用于增材制造构件的纤维增强塑料材料的方法和挤出装置 - Google Patents

挤出用于增材制造构件的纤维增强塑料材料的方法和挤出装置 Download PDF

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Abstract

所提出的解决方案涉及一种用于挤出用于增材制造构件(1)的纤维增强的塑料材料的方法和装置，其中‑将纤维增强的塑料材料(8)输送给挤出装置(2)并且在挤出装置(2)的加热区(43)中加热，以便随后将纤维增强的塑料材料(8)输送给挤出装置(2)的挤出喷嘴(10)，在所述挤出喷嘴处挤出用于要制造的构件的具有纤维增强的塑料材料(8)的材料线，和‑将挤出装置(2)的螺旋输送器(3)用于将纤维增强的塑料材料(8)输送通过加热区(43)，所述螺旋输送器的长径比小于10。在加热区(43)中为纤维增强的塑料材料(8)提供最大5.5cm3的体积，并且将螺旋输送器(3)的转速限制为最大每分钟30转。

Description

挤出用于增材制造构件的纤维增强塑料材料的方法和挤出 装置
技术领域
所提出的解决方案涉及一种用于挤出用于增材制造构件的纤维增强的塑料材料的挤出方法和挤出装置。
背景技术
挤出装置，例如呈螺旋挤出机的形式的挤出装置尤其在借助于注塑和压铸批量生产构件的领域中使用。在此，螺旋输送器、注射喷嘴和模具通常彼此成水平线。用主要作为颗粒或粉末形式存在的材料进行填充在此通常发生在螺杆挤出机的最后方的部分中，即发生在所谓的进料区中。材料经由套在挤出机的管段上的料斗直接竖直地引导到螺旋输送器上。由于在料斗中的防止桥接的足够大的横截面，材料受重力驱动落到螺旋输送器上并且被所述螺旋输送器吸入。在批量生产的领域中通常使用所谓的三区螺杆挤出机，所述三区螺杆挤出机将材料吸入并且输送至喷嘴。所述材料被压缩、脱气和均质化。然后形成压力以填充模具。
螺杆挤出机的进料区通常构成为螺杆挤出机的壳体中的管段。在该管段上设置有料斗，材料能够经由所述料斗被输送到螺杆。管段和料斗的最小横截面在此能够选择为，使得不会发生作为颗粒存在的材料的桥接。在此，这在很大程度上取决于所使用的散装材料的料堆角和摩擦系数。
在DE 10 2014 018 081 A1中描述了一种用于增材制造金属构件的3D打印装置。在这种情况下同样使用螺杆挤出机，所述螺杆挤出机加工作为颗粒存在的加工材料。在3D打印装置的可移动的打印头中，借助于垂直设置的螺杆挤出机将可热塑性变形的加工材料分层挤出，以便能够产生三维构件。DE 10 2014 018 081 A1中不包含关于将加工材料输送给挤出机螺杆的详细说明。
用于增材制造的螺杆挤出机的使用尤其受到其重量和结构大小的限制，所述结构大小通常在很大程度上取决于螺旋输送器(挤出机螺杆)的长度，因为螺杆挤出机要么必须构成为可移动的，要么将整个结构区域移动。然而，后一种变型方案使得需要将整个3D打印装置的尺寸确定为明显过大的。此外，在至今已知的用于增材制造的挤出方法中通常能够观察到：借助于其在加工纤维增强的塑料材料时，在要制造的构件的期望的或者甚至要求的材料强度仅能困难地实现或者根本无法实现。
发明内容
在该背景下，所提出的解决方案所基于的目的是，进一步改进用于增材制造的纤维增强的塑料材料的加工，以便能够克服或者至少减少从现有技术中至今已知的缺点。
所述目的通过根据本发明的方法以及根据本发明的挤出装置来实现。
在此，在所提出的用于挤出用于增材制造构件的纤维增强的塑料材料的方法中提出：-将纤维增强的塑料材料输送给挤出装置并且在挤出装置的加热区中加热，以便随后将纤维增强的塑料材料输送给挤出装置的，必要时可更换的挤出喷嘴，在所述挤出喷嘴处挤出用于要制造的构件的具有(熔化的)纤维增强的塑料材料的材料线，和
-将挤出装置的螺旋输送器用于将纤维增强的塑料材料输送通过加热区，所述螺旋输送器的长径比小于10。
此外，在所提出的解决方案的范围内，在加热区中为纤维增强的塑料材料提供小于5.5cm3的体积，并且螺旋输送器(围绕其纵轴线)的转速被限制为最大每分钟30转。
所提出的解决方案因此以实验获得的认知为基础，基于以下构思：对于挤出用于增材制造构件的纤维增强的塑料材料而言，一方面，螺旋输送器(挤出机螺杆)结合小于10的长径比，具有在加热区中限制为5.5cm3或更少的体积，以及螺旋输送器的限定地限制的每分钟30转或更低的最大转速是特别有利的，以便能够用纤维增强的塑料材料以基于挤出的方式增材制造构件。已示出的是，基于所提出的解决方案能够有效地避免在挤出时塑料材料的降解，并且同时在制成的构件中实现特别有利的纤维取向，这对提高在制成的构件上的材料强度起到正面作用。螺旋输送器的有限的转速，尤其结合螺旋输送器的小于10的长径比和在加热区中的纤维增强的塑料材料的限制为5.5cm3或更少的体积，在此例如也能够对在挤出时经由螺旋输送器施加到塑料材料上的剪切力起到正面影响，使得在制成的构件中获得相对长的且未剪切的纤维。因此，螺旋输送器的受限的转速引起(对于剪切速率决定性的)在常规的注塑机中更小的环周速度，在其约50分之一至80分之一的范围内。
在该情况下，在一个实施方案变型形式中有利的是，在加热区中为纤维增强的塑料材料提供在2.5cm3至5.5cm3、尤其2.5cm3至4.5cm3的范围内的体积。尤其，在一个实施方案变型形式中，提供在3.0cm3至3.5cm3的范围内的体积，例如约为3.30cm3的体积。在挤出装置的加热区中提供用于纤维增强的塑料材料的体积在此由空腔的在限定加热区的壳体部段中构成的并且螺旋输送器在其中延伸的体积减去在加热区中通过螺旋输送器本身占据的体积来计算。
在一个实施方案变型形式中，用于纤维增强的塑料材料的螺旋输送器的输送速率设定为，使得要朝向挤出喷嘴的方向输送的纤维增强的塑料材料在加热区中停留最长20分钟。在此，在考虑螺旋输送器的限制为最大每分钟30转的转速的情况下，直接在挤出装置上可设定输送速率和/或停留时间。替选地，能够经由改变螺旋输送器的转速来设定输送速率和/或停留时间。
尤其根据所使用的塑料材料和所输送的纤维增强的塑料材料的原材料的形状，能够对于要输送的纤维增强的塑料材料在加热区中的至少1.5秒，尤其至少4.75秒或50秒，并且最大为20分钟的停留时间设定螺旋输送器的输送速率。例如，在特定的纤维增强的塑料材料的情况下，当纤维增强的塑料材料以粉末或颗粒形式输送给挤出装置时，在1.5至约60秒或数分钟的范围内的停留时间被证明为是有利的。
塑料材料的输送速率例如能够设定为至少每小时5cm3的值和/或最大每小时7500cm3的值。螺旋输送器因此能够具有相对高的输出。例如，输送速率能够在每小时10cm3至每小时5500cm3的范围内，尤其例如在每小时10cm3至每小时2500cm3、每小时10cm3至每小时250cm3的范围内设定。
在一个实施方案变型中，用于纤维增强的塑料材料的螺旋输送器的输送速率例如设定为在每小时150cm3至每小时220cm3的范围内的值，尤其是在每小时150cm3至每小时200cm3的范围内的值。例如，对于每小时10cm3的输送速率和在加热区中提供用于纤维增强的塑料材料的3.3cm3的体积，能够将纤维增强的塑料材料在加热区中的最大停留时间设定为小于20分钟。
纤维增强的塑料材料例如能够具有热塑性基质材料和碳纤维和/或玻璃纤维，和/或其它芳族聚酰胺纤维和/或合成纤维和/或塑料基纤维和/或天然纤维和/或陶瓷纤维。替选地或补充地，基质材料能够具有以下材料中的至少一种材料，尤其由以下材料之一构成：聚碳酸酯、聚乳酸、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物、聚甲醛、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚酰胺。
在一个实施方案变型形式中，纤维增强的塑料材料包含至少一种附加的增强材料，例如由粉末和/或碎片构成的增强材料。尤其，能够含有由玻璃构成的碎片作为附加的增强材料。
在一个实施方案变型形式中，塑料材料经由材料供应部被输送给挤出装置的进料区。例如，为此设有料斗状的入口，以用于限定进料区。在进料区处能够设有螺旋输送器的进料区域，从所述进料区域向外，通过将螺旋输送器围绕其(螺杆)纵轴线转动能够将输送给进料区的、例如粉末状或颗粒状的、纤维增强的塑料材料朝向挤出喷嘴的方向输送。在此，经由螺旋输送器的螺杆螺距将纤维增强的塑料材料带走。在此，螺旋输送器的螺杆螺距构成为，使得塑料材料直至到达加热区之前不会被压缩。经由螺旋输送器进行压缩于是例如仅在螺旋输送器的熔化和压缩区中进行，所述熔化和压缩区位于加热区的范围内并且引起塑料材料的压缩以及以与输送给加热区的热量结合的方式引起塑料材料的熔化。原则上为此也能够提供螺杆螺距的斜率变化或螺旋输送器的构成螺杆螺距的轴的直径的变化。
原则上，纤维增强的塑料材料作为复合材料能够具有增强材料、尤其是纤维的至少10％的体积或质量份额。
原则上，在挤出方法的范围内，纤维的取向还能够通过工艺参数，尤其是挤出温度的变化来控制，和/或所施加的纤维增强的塑料材料的纤维能够铺设为，使得将要制造的构件的经由材料线施加的两个或更多的层相互连接。
所提出的解决方案的另一方面涉及一种用于挤出用于增材制造构件的纤维增强的塑料材料的挤出装置。
在此，挤出装置具有加热区，在该加热区中加热要挤出的纤维增强的塑料材料，以便随后将纤维增强的塑料材料输送给挤出装置的(必要时可更换的)挤出喷嘴，在所述挤出喷嘴处能够挤出用于要制造的构件的具有(熔化的)纤维增强的塑料材料的材料线。此外，用于将纤维增强的塑料材料输送通过加热区并且朝向挤出喷嘴的方向输送的挤出装置具有螺旋输送器，所述螺旋输送器的长径比小于10。根据所提出的解决方案，在加热区中，提供用于纤维增强的塑料材料的体积小于5.5cm3。此外，经由挤出装置的电子控制装置将螺旋输送器的转速限制为最大每分钟30转。
原则上，能够经由所提出的挤出装置实现塑化的、纤维增强的塑料材料的快速压缩，这又防止了纤维增强的塑料材料的离析进而分解。此外，在挤出期间有利的，从而相对低的剪切力能够到达要挤出的塑料材料上。关于此，总体上能够实现在借助于在挤出喷嘴处挤出的、由纤维增强的塑料材料制成的材料线来增材制造构件时的明显改进。
借助所提出的挤出装置的一个实施方案变型形式，能够执行所提出的挤出方法的一个实施方案变型形式。因此，结合所提出的挤出方法的实施方案变型形式所描述的优点和特征也适用于所提出的挤出装置的实施方案变型形式，并且反之亦然。
经由挤出装置的电子控制装置也能够预设用于纤维增强的塑料材料的螺旋输送器的输送速率，使得要朝向挤出喷嘴的方向输送的纤维增强的塑料材料在加热区中停留最多30分钟，尤其停留至少1.5秒和最多20分钟。
例如，替选地或补充地，能够经由控制装置预设螺旋输送器的(体积)输送速率，并且将其预设为至少每小时5cm3和/或限制为最大每小时7500cm3。这尤其包括一个实施方案变型形式，其中经由电子控制装置，能够将输送速率设定为不低于每小时10cm3，但是最大为每小时7500cm3，例如限制为最大每小时5500cm3、每小时2500cm3、每小时1000cm3或每小时250cm3。
经由挤出装置的电子控制装置，必要时根据所输送的塑料材料和/或根据在加热区内对于纤维增强的塑料材料提供的体积(尤其在可更换用于形成加热区的壳体部段的情况下)，例如能够预先设定螺旋输送器的特定的(体积)输送速率。这样，挤出装置的用户例如仅须在与控制装置耦合的操纵单元处输入所输送的纤维增强的塑料材料的类型和形状，然后，电子控制装置从中基于所存储的参考值(在用于螺旋输送器的不可超过的最大转速为每分钟30转的情况下)设定特定的输送速率，使得要挤出的纤维增强的塑料材料在加热区中的停留时长保持在20分钟以下。因此，于是例如能够根据以下内容改变预设的输送速率：将具有何种类型的纤维的何种热塑性基质材料输送给挤出装置，和/或纤维增强的塑料材料作为粉末还是作为颗粒输送给挤出装置。
在一个实施方案变型形式中，加热区被限制为40mm的最大长度和25mm的最大直径。因此，在该实施方案变型形式中，关于此为纤维增强的塑料材料提供的体积毫无问题地小于5.5cm3，尤其还取决于：螺旋输送器在加热区内所占据的体积。
在一个实施方案变型形式中，螺旋输送器具有沿塑料材料的输送方向上升的螺旋叶片。在此，螺旋叶片例如能够具有7mm至17mm的，尤其是8mm至15mm的斜率。尤其借助螺旋输送器的这种配置，结合基于所提出的解决方案预设的参数而示出：至少在具有热塑性基质的颗粒状输送的纤维增强的塑料材料的情况下，能够实现纤维在制成的构件中的有利的取向，以及还有在制成的构件中的相对长的并且没有被剪切的纤维。
在一个实施方案变型形式中，加热区在位于塑料材料的输送方向上的端部处具有锥形渐缩部，经由所述锥形渐缩部能够将纤维增强的塑料材料输送给挤出喷嘴。例如，该锥形渐缩部于是具有在50°至65°的范围内、尤其在55°到60°的范围内、例如为58°的开度角渐缩部的度数在此同样能够是在要制造的构件处的材料强度和纤维取向的影响因素。
如已经阐述的，挤出装置具有进料区，纤维增强的塑料材料能够在所述进料区处被输送给螺旋输送器。在一个实施方案变型形式中，加热区于是沿塑料材料的输送方向跟随在屏障区之后，所述屏障区将加热区与挤出装置的进料区在空间上分离。经由屏障区于是例如构成在进料区和加热区之间的热学屏障。在此有利的能够是，
-屏障区通过壳体部段由以下材料形成，所述材料与形成邻接于屏障区的、至少部分地形成加热区的壳体部段的材料相比具有较低的热导率，和
-至少部分地形成加热区的壳体部段具有比形成屏障区的壳体部段更大的热质量。
例如，屏障区的壳体部段由高强度的或硬的、但是导热能力差的例如陶瓷材料制成。必要时也能够在屏障区处设有冷却装置，以便能够经由挤出装置的加热区将进料区的加热限制到最小程度。在一个实施方案变型形式中，屏障区由氧化锆或氧化铝制成。
在一个实施方案变型形式中，螺旋输送器的轴的直径在加热区内沿塑料材料的输送方向增大至少一次。例如，在加热区内设有直径的锥形增大部，以便能够辅助压缩纤维增强的塑料材料。因此，在此所提及的实施方案变型形式包括：轴在螺旋输送器的第一螺杆部段处的直径具有(较小的)第一直径，而轴在沿输送方向紧接在其后的第二螺杆部段处具有(较大的)第二直径。因此，螺旋输送器尤其能够根据填料螺杆的类型构成。为了增大在第一和第二螺杆部段之间的直径，例如能够设有锥形的过渡区域，在所述过渡区域处，螺旋输送器的轴的直径沿输送方向从第一直径增大为第二直径。
这尤其包括一个实施方案变型形式，其中螺旋输送器的轴的直径在加热区内，并且尤其例如在螺旋输送器的熔化和压缩区中，锥形地具有在7°至10°的范围内的角度并且增大至螺旋输送器的轴的最小的(第一)直径的1.5至2倍。在基于此的改进方案中，直径于是直至螺旋输送器的位于输送方向上的端部，在螺旋输送器的排料区的区域中是恒定的。
例如，在一个实施方案变型形式中提出，加热区沿着塑料材料的(通过螺旋输送器预设的)输送方向并且平行于螺旋输送器的纵轴线以下述长度延伸，所述长度最大对应于沿着螺旋输送器的纵轴线测量的(总)长度的一半。因此，加热区长度最大是螺旋输送器的长度的一半大小。加热区长度相对于螺旋输送器的总长度的这种几何限制，尤其关于螺旋输送器的预期的长径比小于10方面，在特定的配置中被证明为是有利的。
替选地或补充地，螺旋输送器的熔化和压缩区以及沿塑料材料的输送方向跟随其后的并且具有螺旋输送器的轴向端部的排料区可以在加热区内延伸，其中熔化和压缩区以及排料区一起不超过螺旋输送器的沿着纵轴线测量的长度的三分之一。螺旋输送器的在挤出装置的加热区内形成熔化和压缩区以及排料区的那部分的长度因此不超过螺旋输送器的总长度的1/3。
尤其在该实施方案变型形式中能够提出，与螺旋输送器的进料区域相比，螺旋输送器在熔化和压缩区中的螺距减小，熔化和压缩区沿输送方向跟随在进料区域之后，并且在所述进料区域处，纤维增强的塑料材料的原材料被输送给螺旋输送器。因此，关于在挤出装置内的塑料材料的输送方向，沿着螺杆纵轴线和朝向挤出喷嘴的方向，熔化和压缩区跟随在进料区之后，而排料区跟随在熔化和压缩区之后。
在一个实施方案变型形式中，在螺旋输送器的位于塑料材料的输送方向上的轴向端部与挤出喷嘴之间的区域中设置有储存器，在所述储存器中能够将熔化的纤维增强的塑料材料保持在过压状态下。因此，挤出装置在所提及的区域中具有储存器，所述储存器设立和设置为用于，在挤出装置运行时，将熔化的纤维增强的塑料材料保持在过压状态下，以便使塑料材料能够在挤出喷嘴处作为材料线排出。
例如，在此，储存器平行于输送方向并且平行于螺旋输送器的纵轴线以下述长度延伸，所述长度最大对应于螺旋输送器的沿着纵轴线测量的长度的三分之一。因此，储存器长度不超过螺旋输送器的总长度的1/3。
例如，储存器的最大长度为螺旋输送器的长度的1/15。
在一个实施方案变型形式中，挤出喷嘴具有在0.25mm至2mm的范围内的喷嘴直径。尤其，挤出喷嘴能够是可更换的，使得能够在挤出装置处使用具有不同喷嘴直径的挤出喷嘴，所述喷嘴直径例如分别位于0.25mm至2mm的范围内。
所提出的解决方案的另一方面还涉及一种具有所提出的挤出装置的至少一个实施方案变型形式的3D打印装置和/或具有用于执行所提出的挤出方法的实施方案变型形式的挤出装置的3D打印装置。尤其，这种3D打印装置能够设立和设置为用于借助于其挤出装置实施的热塑性熔体分层方法，其中挤出装置至少用作为在三轴运动学上的3D打印装置的打印头的部分。
附图说明
附图示例性地图解示出所提出的解决方案的可行的实施方案变型形式。在此示出：
图1示出用于借助于3D打印装置的紧凑的螺杆挤出机来增材加工纤维增强的塑料材料的3D打印装置的示意图；
图2示出螺杆挤出机的横截面视图；
图3示出螺杆挤出机的另一横截面视图；
图4示出螺杆挤出机的俯视图；和
图5示出借助于螺杆挤出机铺设的、由挤出的纤维增强的塑料材料构成的材料线/带的机械啮合的示意图。
具体实施方式
图1示意性地并且以立体图示出3D打印装置，其中所提出的呈螺杆挤出机2的形式的挤出装置的一个实施方案变型形式设置为3D打印装置的打印头的部分。借助于螺杆挤出机2，纤维增强的塑料材料能够通过热塑性熔体分层用于增材制造构件1。螺杆挤出机2在此能够经由三轴运动学在平台或底座11上方移动，在所述平台或底座处构成要制造的构件1。由熔化的纤维增强的塑料材料制成的材料线在此经由螺杆挤出机2的挤出喷嘴10施加在底座11上。挤出工艺经由螺杆挤出机2的电子控制装置20来控制。
如根据图2和3的放大的横截面视图以及根据图4的俯视图对于螺杆挤出机2图解示出的，螺杆挤出机2具有螺旋输送器3，以用于朝向挤出喷嘴10的方向输送以粉末或颗粒形式输送的纤维增强的塑料材料8。所述螺旋输送器3的总长度沿着(螺杆)纵轴线经过进料区31、紧随其后的熔化和压缩区32延伸直至排料区33。螺旋输送器3在此围绕其纵轴线可转动地容纳在螺杆挤出机2的壳体4中并且能够经由在此未示出的马达驱动器转动。
至少部分地容纳螺旋输送器3的壳体4在图2和3的横截面视图中示出有不同的壳体部段41g、42g和43g。各个壳体部段41g、42g、43g在此也能够形成独立的壳体部段，所述壳体部段相互连接并且共同限定壳体4。第一壳体部段41g限定了用于供应粉末状或颗粒状的纤维增强的塑料材料8的料斗状入口5，所述纤维增强的塑料材料作为复合材料例如具有其中嵌入纤维的热塑性基质材料。沿通向挤出喷嘴10的输送方向，用于形成热学的屏障区42的第二壳体部段42g紧随在具有入口8的第一壳体部段41g之后，所述入口限定用于供应塑料材料的进料区41。屏障区42将进料区41与加热区43分开，所述加热区通过壳体4的随后的第三壳体部段43g形成。为了将进料区41与加热区43热分离，第二壳体部段42g例如通过高强度的、但是导热能力非常差的、例如陶瓷的材料制成，并且必要时具有附加的进料冷却装置。例如，热学的屏障区42的壳体部段42g由氧化锆或氧化铝构成。
为了构成加热区43，第三壳体部段43g具有加热元件9或在环周侧分布设置的多个加热元件9。经由加热元件9将朝向挤出喷嘴10的方向输送的纤维增强的塑料材料8熔化，使得所述纤维增强的塑料材料能够以材料线从挤出喷嘴10中挤出，所述材料线的厚度通过在此在壳体4上可更换地固定的挤出喷嘴10的几何形状来确定。
在根据规定安装的状态下竖直地设置的螺旋输送器3在壳体4内延伸，使得螺旋输送器3的进料区域31完全被第一壳体部段41g和借此形成的进料区41包围。经由螺旋输送器3的在第三壳体部段43g内进而在加热区43内的紧随进料区31之后的压缩和熔化区32，通过螺旋输送器3将塑料材料8压缩。为此，所述螺旋输送器3构成为填料螺杆，其中螺旋输送器3的轴6的直径在熔化和压缩区32的区域中锥形地具有7°至10°的角度，并且增大至螺旋输送器3的最小直径的1.5至2倍。
在螺旋输送器3的紧随在熔化和压缩区32之后的并且同样仍位于加热区43内的排料区33中，螺旋输送器3的轴6的(较大的)直径保持恒定。储存器7沿纤维增强的塑料材料的输送方向紧随在排料区33之后，进而紧随在螺旋输送器3的轴向端部之后。所述储存器7构成在螺旋输送器3的轴向端部和挤出喷嘴10之间并且至少部分地在加热区43中通过第三壳体部段43g的内部的朝向螺旋输送器3的侧表面的锥形渐缩部V限定。在该储存器7中将熔化的纤维增强的塑料材料保持在过压下，其中在此，储存器7的最大长度是螺旋输送器3的总长度的1/15。在第三壳体部段43g的朝向挤出喷嘴10的方向在内侧设置的锥形渐缩部V当前具有58°或更大的数量级的开度角
在所示出的螺杆挤出机2中，在螺旋输送器3的进料区域31中，塑料材料8首先被容纳在料斗状入口5中，并且通过螺旋输送器3沿着输送方向向下运输。由于在壳体4中的热学的屏障区42，塑料材料8直至构成屏障区42的第二壳体部段42g是可自由流动的。此外提出，直至到达在壳体4内的加热区43，不进行由于螺旋输送器3的螺杆螺距改变或轴6的直径的改变而引起的压缩。
塑料材料8在向下直接紧随在屏障区42之后的加热区43中才被熔化和压缩。为此，在加热区43处当前在壳体侧设有径向设置的加热元件9，所述加热元件在加热区43的整个长度上伸展并且能够实现非常局部地引入热能。加热区43在此在壳体侧具有最大对应于螺旋输送器3的一半长度的长度。构成加热区43的第三壳体部段43g具有比构成屏障区42的第二壳体部段42g更大的热导率并且还具有比该第二壳体部段42g更大的热质量。
在所示出的呈螺杆挤出机2形式的挤出装置中，在壳体4内部在加热区43中提供用于纤维增强的塑料材料8的体积被限制为小于5.5cm3，当前被限制为约3.30cm3。换言之，在加热区43中对于沿着螺旋输送器3的纵轴线朝向挤出喷嘴10的方向要输送的塑料材料8提供3.30cm3的最大体积。在此，该体积由在第三壳体部段43g中的螺旋输送器3以其熔化和压缩区32和其排料区33在其中延伸的空腔和由螺旋输送器3本身占据的体积之差计算得出。
此外，经由电子控制装置20将螺旋输送器3的最大转速限制为围绕(螺杆)纵轴线每分钟30转。在考虑该转速限制的情况下，螺旋输送器3的体积输送速率当前被设定为，使得朝向挤出喷嘴10的方向要输送的纤维增强的塑料材料8在加热区中43停留最多20分钟，在此例如至少1.5秒，但是最多20分钟。当前，在这种情况下实现了螺旋输送器3的在直至每小时7500cm3、尤其是每小时5500cm3、每小时2500cm3、每小时1000cm3或每小时250cm3的范围内的同时相对高的输出。结合螺旋输送器3的小于10的长径比实现，纤维增强的塑料材料8在加热区43中停留相对短的时间，因此避免了塑料材料8的降解。这也通过构成最大长度为24mm且直径小于18mm的加热区43来促进。此外已证实的是，在根据之前提及的工艺参数借助螺杆挤出机2实施的挤出方法中，包含在粉末状或颗粒状的塑料材料8中的纤维仅被剪切为相对小的部分，并且约70％的纤维沿挤出喷嘴10的移动方向铺设。因此能够与构件几何结构无关地实现对要制造的构件1的纤维取向的影响，进而对强度的影响。在3D打印过程中，仅须操纵挤出喷嘴10的移动路径。
在加热区43中以及沿着螺旋输送器3的熔化和压缩区32的通过时间原则上取决于所使用的纤维增强的塑料材料8。根据所提出的解决方案，将螺旋输送器3的最大转速限制为最大每分钟30转。因此，结合螺旋输送器3的小于10的长径比，产生低的剪切力，并且通过时间选择为，使得塑料材料8在加热区中的停留时间最多为20分钟。由于通过预设的低于5.5cm3的体积限定而保持为较小量的塑料材料8在几何形状方面也设计为相对短的加热区43中(尤其关于螺旋输送器3的长度)的借此尤其也基于输送速率确定的短的停留时间，塑料材料8仅短时间地留在热的状态下，并且保持在熔化和压缩区32中的熔体具有足够短的通过时间。
在图1至4中示出的紧凑的螺杆挤出机2在此能够加工纤维增强的塑料材料8，所述塑料材料例如包含下文提及的基质材料中的至少一种：聚碳酸酯、聚乳酸、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物、聚甲醛、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚酰胺。此外，能够将呈玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维、钢纤维、碳纤维、合成纤维、塑料基纤维、天然纤维和/或陶瓷纤维形式的不同的增强材料嵌在基质材料中。粉末或由玻璃构成的碎片或其它材料也能够用作为附加的增强部。塑料同样能够是矿物增强的。
在应用场景中，纤维增强的塑料材料8的纤维份额大于或等于10％，其中不含有连续纤维。
借助螺杆挤出机2或借助螺杆挤出机2形成打印头的一部分的3D打印装置能够有效地增材制造构件1。对于构件1，例如能够经由借助螺杆挤出机2实施的挤出工艺根据图5的示意图借助于由纤维增强的塑料材料8构成的挤出的材料线施加层(材料带)，所述层含有70％的纤维，所述纤维沿挤出喷嘴10的移动方向铺设。其余30％的纤维在所有空间方向上从所施加的(印刷的)层中伸出，因此产生上下相叠地铺设的层的相互间的机械啮合。以这种方式能够在制成的构件1中实现相对高的材料强度，并且能够有针对性地预设制成的构件1的变形和失败行为。
附图标记列表：
1构件
10挤出喷嘴
11底座
2螺杆挤出机(挤出装置)
20控制装置
3螺旋输送器/挤出机螺杆
31进料区域
32熔化和压缩区
33排料区
34端部区域
340纤维
4壳体
41进料区
42(热学的)屏障区
41g、42g、43g壳体部段
43加热区
5入口
6轴
7储存器
8纤维增强的塑料材料
9加热元件
V渐缩部
开度角

Claims (27)

1.一种用于挤出用于增材制造构件(1)的纤维增强的塑料材料的方法，其中
-将所述纤维增强的塑料材料(8)输送给挤出装置(2)并且在所述挤出装置(2)的加热区(43)中加热，以便随后将所述纤维增强的塑料材料(8)输送给所述挤出装置(2)的挤出喷嘴(10)，在所述挤出喷嘴处挤出用于要制造的构件的具有纤维增强的塑料材料(8)的材料线，和
-使用所述挤出装置(2)的螺旋输送器(3)将所述纤维增强的塑料材料(8)输送通过所述加热区(43)，所述螺旋输送器的长径比小于10，
其特征在于，
在所述加热区(43)中为所述纤维增强的塑料材料(8)提供最大5.5cm3的体积，并且将所述螺旋输送器(3)的转速限制为最大每分钟30转，并且
所述挤出装置(2)具有进料区(41)，在所述进料区处能够将所述纤维增强的塑料材料输送给所述螺旋输送器(3)，并且所述加热区(43)沿所述塑料材料(8)的输送方向跟随在屏障区(42)之后，所述屏障区将所述加热区(43)与所述挤出装置(2)的所述进料区(41)在空间上分离，其中
所述屏障区(42)通过壳体部段(42g)形成，所述壳体部段由以下材料构成，所述材料的热导率低于构成邻接于所述屏障区(42)的、至少部分地形成所述加热区(43)的壳体部段(43g)的材料的热导率，和
至少部分地形成所述加热区(43)的壳体部段(43g)具有比形成所述屏障区(42)的壳体部段(42g)更大的热质量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述加热区中为所述纤维增强的塑料材料提供在2.5cm3至5.5cm3的范围内的体积。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述加热区中为所述纤维增强的塑料材料提供在3.0cm3至3.5cm3的范围内的体积。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将用于所述纤维增强的塑料材料(8)的所述螺旋输送器(3)的输送速率设定为，使得要朝向所述挤出喷嘴(10)的方向输送的纤维增强的塑料材料(8)在所述加热区(43)中停留最多20分钟。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，将用于所述纤维增强的塑料材料(8)的所述螺旋输送器(3)的输送速率设定为，使得要朝向所述挤出喷嘴(10)的方向输送的纤维增强的塑料材料(8)在所述加热区(43)中停留至少0.5秒和最多30分钟。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将用于所述纤维增强的塑料材料(8)的所述螺旋输送器(3)的输送速率设定为至少5cm3/小时的值。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，将用于所述纤维增强的塑料材料(8)的所述螺旋输送器(3)的输送速率设定为最大7500cm3/小时的值。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，将用于所述纤维增强的塑料材料(8)的所述螺旋输送器(3)的输送速率设定为在小于250cm3/小时的范围内的值。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，用于所述纤维增强的塑料材料(8)的所述螺旋输送器(3)的输送速率设定为在150cm3/小时至220cm3/小时的范围内的值。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纤维增强的塑料材料具有热塑性的基质材料和碳纤维、玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维、合成纤维、塑料基纤维、天然纤维和/或陶瓷纤维。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述基质材料具有聚碳酸酯、聚乳酸、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物、聚甲醛、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯或聚酰胺。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纤维增强的塑料材料包含增强材料的粉末和/或碎片作为附加的增强材料。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述纤维增强的塑料材料包含由玻璃构成的碎片作为附加的增强材料。
14.一种用于挤出用于增材制造构件(1)的纤维增强的塑料材料的挤出装置，其中
-所述挤出装置(2)具有加热区(43)，在所述加热区中加热要挤出的纤维增强的塑料材料，以便随后将所述纤维增强的塑料材料(8)输送给所述挤出装置(2)的挤出喷嘴(10)，在所述挤出喷嘴处能够挤出用于要制造的所述构件的具有纤维增强的塑料材料(8)的材料线，和
-用于将所述纤维增强的塑料材料(8)输送通过所述加热区(43)的挤出装置(2)具有螺旋输送器(3)，所述螺旋输送器的长径比小于10，
其特征在于，
在所述加热区(43)中，为所述纤维增强的塑料材料(8)提供最大5.5cm3的体积，并且经由所述挤出装置(2)的电子控制装置(20)将所述螺旋输送器(3)的转速限制为最大每分钟30转，并且
所述挤出装置(2)具有进料区(41)，在所述进料区处能够将所述纤维增强的塑料材料输送给所述螺旋输送器(3)，并且所述加热区(43)沿所述塑料材料(8)的输送方向跟随在屏障区(42)之后，所述屏障区将所述加热区(43)与所述挤出装置(2)的所述进料区(41)在空间上分离，其中
-所述屏障区(42)通过壳体部段(42g)形成，所述壳体部段由以下材料构成，所述材料的热导率低于构成邻接于所述屏障区(42)的、至少部分地形成所述加热区(43)的壳体部段(43g)的材料的热导率，和
-至少部分地形成所述加热区(43)的壳体部段(43g)具有比形成所述屏障区(42)的壳体部段(42g)更大的热质量。
15.根据权利要求14所述的挤出装置，其特征在于，经由所述挤出装置(2)的电子控制装置(20)将用于所述纤维增强的塑料材料(8)的螺旋输送器(3)的输送速率预设为，使得要朝向所述挤出喷嘴(10)的方向输送的纤维增强的塑料材料(8)在所述加热区(43)中停留最多20分钟。
16.根据权利要求14所述的挤出装置，其特征在于，经由所述电子控制装置(20)预设所述螺旋输送器(3)的至少5cm3/小时的输送速率。
17.根据权利要求14所述的挤出装置，其特征在于，经由所述电子控制装置(20)将所述螺旋输送器(3)的输送速率限制为最大7500cm3/小时。
18.根据权利要求14所述的挤出装置，其特征在于，所述加热区(43)具有40mm的最大长度和25mm的最大直径。
19.根据权利要求14所述的挤出装置，其特征在于，所述螺旋输送器(3)具有沿所述塑料材料(8)的输送方向上升的螺旋叶片，所述螺旋叶片具有7mm至17mm的上升斜率。
20.根据权利要求14所述的挤出装置，其特征在于，所述加热区(43)在位于所述塑料材料(8)的输送方向上的端部处具有锥形渐缩部(V)，经由所述锥形渐缩部能够将所述纤维增强的塑料材料(8)输送给所述挤出喷嘴(10)，并且所述锥形渐缩部(V)具有在50°至65°的范围内的开度角
21.根据权利要求14所述的挤出装置，其特征在于，所述螺旋输送器(3)的轴(6)的直径在所述加热区(43)内沿所述塑料材料(8)的输送方向增大至少一次。
22.根据权利要求21所述的挤出装置，其特征在于，所述轴(6)的直径在所述加热区(43)内锥形地具有在7°至10°的范围内的角度并且增大至所述螺旋输送器(3)的轴(6)的最小的直径的1.5倍至2倍。
23.根据权利要求14所述的挤出装置，其特征在于，所述加热区(43)沿着所述塑料材料(8)的输送方向并且平行于所述螺旋输送器(3)的纵轴线以最大对应于沿着所述螺旋输送器(3)的纵轴线测量的长度的一半的长度延伸。
24.根据权利要求14所述的挤出装置，其特征在于，所述螺旋输送器(3)的熔化和压缩区(32)以及沿所述塑料材料(8)的输送方向跟随其后的并且具有所述螺旋输送器(3)的轴向端部的排料区(33)在所述加热区(43)内延伸，并且所述熔化和压缩区(32)以及所述排料区(33)一起不超过所述螺旋输送器(3)的沿着纵轴线测量的长度的三分之一。
25.根据权利要求14所述的挤出装置，其特征在于，在所述螺旋输送器(3)的位于所述塑料材料(8)的输送方向上的轴向端部与所述挤出喷嘴(10)之间的区域中设置有储存器(7)，在所述储存器中能够将熔化的纤维增强的塑料材料(8)保持在过压状态下。
26.根据权利要求25所述的挤出装置，其特征在于，所述储存器平行于所述输送方向并且平行于所述螺旋输送器(3)的纵轴线以最大对应于所述螺旋输送器(3)的沿着所述纵轴线测量的长度的三分之一的长度延伸。
27.一种3D打印装置，所述3D打印装置具有根据权利要求14所述的至少一个挤出装置(2)。
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