DE10157757B4

DE10157757B4 - Bauteil enthaltend Laminatschichten und Vefahren zur Herstellung eines solchen Bauteils

Info

Publication number: DE10157757B4
Application number: DE10157757A
Authority: DE
Inventors: Hans-Arno Dr.-Ing. Jantzen; Thomas Dr.-Ing. Lanner; Edwin Dipl.-Ing. Neugebauer; Torsten Dipl.-Ing. Schell; Bernhard Dr.-Ing. Wiedemann
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Daimler AG
Priority date: 2001-11-27
Filing date: 2001-11-27
Publication date: 2005-08-11
Anticipated expiration: 2021-11-28
Also published as: DE10157757A1

Abstract

Bauteil enthaltend Laminatschichten, welche mit einem Klebstoff beschichtet sind, wobei die Beschichtung nicht vollflächig vorliegt, sondern derart, daß sich beim Zusammenfügen zweier Laminatschichten zwischen diesen ein Kanalsystem zur Durchleitung eines Fluids ausbildet, dadurch gekennzeichnet, daß das Kanalsystem mit einem ausgehärteten Fluid ausgefüllt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauteil enthaltend Laminatschichten und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauteils gemäß der Oberbegriffe der Patentansprüche 1 und 9. Ein solches Bauteil und Verfahren sind bereits aus der US 5 730 817 A bekannt.

Die Herstellung eines Bauteils mittels des LOM-Prozesses (Laminated Object Manufacturing) erfolgt, in dem einzelne Materialschichten (Laminatmaterial) miteinander verbunden werden und aus jeder Schicht mittels eines Lasers eine beispielsweise durch CAD-Daten – vorgegebene Form ausgeschnitten wird. Durch Wiederholung dieses Verfahrensschrittes wird ein dreidimensionales Bauteil aufgebaut. Das Laminatmaterial besteht üblicherweise aus Papier oder Kunststofffolien, die einseitig mit einem druck– oder temperatursensitiven Klebstoff beschichtet sind.

Aus der DE 100 11 701 A1 ist ein Bauteil aus Gewebelagen bekannt, die punktuell miteinander verklebt sind. Die punktuelle Verklebung dient dazu, die Fexibilität des Bauteils – einer Schutzweste – zu gewährleisten; sie liefert nur eine begrenzte Festigkeit.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Bauteil enthaltend Laminatschichten sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauteils anzugeben, welches eine höhere Festigkeit aufweist.

Die Erfindung ist in Bezug auf das Bauteil durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 wiedergegeben. Die weiteren Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Bauteils (Patentansprüche 2 bis 8) sowie das zu schaffende Verfahren (Patentanspruch 9). Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens enthält der Patentanspruch 10.

Die Aufgabe wird bezüglich des zu schaffenden Bauteils enthaltend Laminatschichten erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Laminatschichten mit einem Klebstoff beschichtet sind; wobei die Beschichtung nicht vollflächig vorliegt, sondern derart, daß sich beim Zusammenfügen zweier Laminatschichten zwischen diesen ein Kanalsystem ausbildet, welches mit einem ausgehärteten Fluid ausgefüllt ist.

Üblicherweise ist LOM-Laminatmaterial flächig mit Klebstoff beschichtet. Nach der Verbindung zweier Lagen eines solchen beschichteten Laminatmaterials treten an den Grenzflächen zwischen Kleber und Laminat mit steigender Beanspruchung Delaminationen auf. Der Klebstoff ist im ausgehärteten Zustand undurchlässig für Fluide. Beabsichtigt man ein mittels LOM-Prozess hergestelltes Bauteil mit einem Fluid zu imprägnieren, so kann das Fluid nur seitlich in die einzelnen Schichten des Laminatmaterials eindringen, nicht jedoch in die Klebstoffschichten. Die Eindringtiefe in das Laminatmaterial ist nur gering.

Bei dem erfindungsgemäß Bauteil bildet sich jedoch ein Kanalsystem zwischen den Laminatschichten aus, durch welches das Fluid fließen kann. Imprägniert man also ein derartiges Bauteil zum Beispiel mit einem aushärtbaren Harz, so fließt dieses durch das Kanalsystem und verbindet so alle Volumenbereiche des Bauteils miteinander und verhindert dadurch die Delaminationen an den Grenzflächen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Kanalsystem in allen Richtungen – also sowohl quer als auch parallel zu den Laminatschichten – durchlässig ist, aber auch eine Durchlässigkeit in nur eine Richtung erhöht die mechanischen Eigenschaften eines Bauteils nach dessen Imprägnierung und Aushärtung wesentlich.

Geeignete nichtflächige Beschichtungen sind linienförmig, vorzugsweise linear oder mäanderartig oder punktförmig ausgebildet. Sie erlauben eine ausreichend starke Verbindung der einzelnen Laminatschichten durch das übliche LOM-Verfahren und ermöglichen gleichzeitig eine sehr gute Imprägnierbarkeit mit hohem Volumenanteil an Imprägnierfluid.

Als besonders vorteilhaft hat sich eine punktförmige Beschichtung erwiesen, bei der ein einzelner Klebstoffpunkt einen Durchmesser im Bereich von circa 0,1 mm bis circa 0,2 mm und die Beschichtung eine Punktdichte von 4 Punkte/mm² bis circa 36 Punkte/mm² aufweist.

Ein geeigneter Klebstoff für die Beschichtung ist ein – vorzugsweise thermoplastischer – Schmelzklebstoff. Das ausgehärtete Thermoplast erweicht bei üblichen Temperaturbeanspruchungen nicht wieder, sondern zersetzt sich erst bei sehr hohen Temperaturen.

Vorteilhaft ist auch die Verwendung von Laminatmaterial, das poröse und/oder gewebeartige Struktur aufweist, da dies die Imprägnierung begünstigt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bauteils besteht das Laminatmaterial aus Naturfasern, vorzugsweise Papier, und/oder aus Kunststoff. Die Vorteile dieser Ausgestaltung bestehen in der Umweltverträglichkeit der Naturfasern und in der guten, insbesondere einstellbaren Kompatibilität der Kunststoffe zu dem verwendeten Klebstoff sowie darin, daß beide sehr kostengünstig sind.

Die Aufgabe wird bezüglich des zu schaffenden Verfahrens zur Herstellung eines Bauteils erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zunächst Laminatschichten derart mit einem Klebstoff beschichtet werden, dass sich beim Zusammenfügen zweier Laminatschichten zwischen diesen ein Kanalsystem zur Durchleitung eines Fluids ausbildet, dass danach das Laminatmaterial in üblicher Weise zu dem Bauteil aufgebaut wird, daß danach das Kanalsystem mit einem aushärtbaren Fluid infiltriert wird und daß danach das Fluid ausgehärtet wird.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die gleichen, die bereits als Vorteile des erfindungsgemäßen Laminatmaterials aufgezählt wurden.

Besonders vorteilhaft ist es, als Fluid ein Harz zu verwenden, welches bei Raumtemperatur flüssig vorliegt, vorzugsweise mit einer Viskosität im Bereich von circa 1 und 300 mPas und/oder vorzugsweise mit einer Topfzeit im Bereich von circa 30 bis 600 Minuten und/oder vorzugsweise im ausgehärteten Zustand eine Zersetzungstemperatur von mehr als circa 150°C aufweist.

Die Aushärtung des Harzes wird vorzugsweise durch Temperaturerhöhung initiiert oder bewirkt.

Nachfolgend werden anhand eines Ausführungsbeispiels das erfindungsgemäße Bauteil und das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert.

Ein Laminatmaterial aus porösem Papier wird mit einem handelsüblichen temperatursensitiven thermoplastischen Kunststoff punktweise beschichtet, wobei die Punkte einen Durchmesser kleiner 1mm haben und eine Flächendichte von circa 4 Punkte/mm² bis 36 Punkte/mm2 haben. Der Wärmeeintrag während des LOM-Prozesses zur Aushärtung des thermoplastischen Kunststoffes erfolgt durch Kontakt, vorzugsweise mit einer Heizrolle, so daß zunächst die einzelnen Laminatschichten verbunden werden und ein Kanalsystem zwischen Ihnen entsteht. Das so hergestellte Bauteil wird nun mit einem handelsüblichen aushärtbaren Harz imprägniert. Bei großen Bauteilen wird die Imprägnierung mittels eines Vakuums unterstützt. Eine Delamination an den Grenzflächen zwischen Klebstoff und Laminatmaterial wird vermieden, da durch die Imprägnierung keine Grenzflächen mehr auftauchen sondern eine durchgehende Füllung des Laminatmaterials vorliegt. Die sonst unvermeidbare Richtungsabhängigkeit der mechanischen Eigenschaften des Bauteils wird nahezu vollständig beseitigt und es entsteht ein Bauteil mit hoher homogener Belastbarkeit, welches ohne weitere Prozeßschritte eingesetzt werden kann.
Das erfindungsgemäße Laminatmaterial und das erfindungsgemäße Verfahren erweisen sich in den Ausführungsformen des vorstehend beschriebenen Beispiels als besonders geeignet für die schnelle und einfache LOM-Herstellung von homogen belastbaren Bauteilen, insbesondere von Werkzeugen.

Claims

Bauteil enthaltend Laminatschichten, welche mit einem Klebstoff beschichtet sind, wobei die Beschichtung nicht vollflächig vorliegt, sondern derart, daß sich beim Zusammenfügen zweier Laminatschichten zwischen diesen ein Kanalsystem zur Durchleitung eines Fluids ausbildet, dadurch gekennzeichnet, daß das Kanalsystem mit einem ausgehärteten Fluid ausgefüllt ist.
Bauteil nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das Kanalsystem ausgebildet ist zur Durchleitung eines Fluids in der Ebene zwischen zwei Laminatschichten.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung linienförmig vorliegt, vorzugsweise linear oder mäanderartig.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung punktuell vorliegt.
Bauteil nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, daß ein einzelner Klebstoffpunkt einen Durchmesser im Bereich von circa 0,1 mm bis circa 0,2 mm und die Beschichtung eine Punktdichte von 4 Punkte/mm² bis circa 36 Punkte/mm² aufweist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß der Klebstoff ein Schmelzklebstoff ist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß das Laminatmaterial poröse und/oder gewebeartige Struktur aufweist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, daß das Laminatmaterial aus Naturfasern, vorzugsweise Papier, und/oder Kunststoff besteht.
Verfahren zur Herstellung eines Bauteils bei dem zunächst Laminatschichten derart mit einem Klebstoff beschichtet werden, daß sich beim Zusammenfügen zweier Laminatschichten zwischen diesen ein Kanalsystem zur Durchleitung eines Fluids ausbildet, dadurch gekennzeichnet daß mittels des Rapid-Prototyping Prozess des Laminated-Object-Manufacturing aus den Laminatschichten ein Bauteil aufgebaut wird, und das Kanalsystem mit einem aushärtbaren Fluid ausgefüllt wird und daß danach das Fluid ausgehärtet wird.
Verfahren zur Herstellung eines Bauteils nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, daß als Fluid ein Harz verwendet wird, welches bei Raumtemperatur flüssig vorliegt vorzugsweise mit einer Viskosität im Bereich von circa 1 bis 300 mPas und/oder vorzugsweise mit einer Topfzeit im Bereich von circa 30 bis 600 Minuten und/oder vorzugsweise im ausgehärteten Zustand eine Zersetzungstemperatur von mehr als circa 150°C aufweist.