DE102017208495A1

DE102017208495A1 - Verfahren zum Drucken und Verbundwerkstoff

Info

Publication number: DE102017208495A1
Application number: DE102017208495.2A
Authority: DE
Inventors: Dino Norberto BOCCACCINI; Massimiliano Valle
Original assignee: Petroceramics SpA
Current assignee: Petroceramics SpA
Priority date: 2016-05-20
Filing date: 2017-05-19
Publication date: 2017-11-23
Also published as: US10464257B2; US20170334132A1; ITUA20163643A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Drucken eines Verbundwerkstoffs (1), zum Beispiel auf Basis von Polymeren, Kohlenstoff, Silizium oder Metallen, umfassend die folgenden Schritte: i) Bereitstellen einer Mehrzahl von Bünden (2) aus Verstärkungsfasern (4), wobei die Verstärkungsfasern (4) eine Länge etwa im Bereich von 3–50 Millimeter haben und in einer Anzahl von etwa 1.000–100.000 pro Bund (2) vorhanden sind; ii) Ausrichten der Bünde (2) entlang eines vorab festgelegten Weges (X, X'); iii) Einschließen mindestens eines Teils der Bünde (2) in einer Matrix (6, 8), zum Beispiel auf Basis von Polymeren, Kohlenstoff, Silizium oder Metallen, wobei die Ausrichtung entlang des Weges (X, X') beibehalten wird; iv) Aufbringen und Härten mindestens einer Schicht (8) aus der Matrix (6, 8) aus dem Schritt iii), um den Verbundwerkstoff (1) zu realisieren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Drucken eines Verbundwerkstoffs und einen Verbundwerkstoff, der vorzugsweise (jedoch nicht notwendigerweise) über dieses Verfahren erhalten wird.
In den letzten Jahren haben sich Techniken der additiven Fertigung (so genanntes „additive manufacturing”), die durch das Übereinanderlegen von Schichten oder Lagern aus einem verflüssigten Werkstoff in der Lage sind, Produkte im Allgemeinen aus Kunststoff mit hoher Genauigkeit und mit Vorrichtungen zu erzeugen, bei denen sich die Herstellungs- und Investitionskosten progressiv senken, immer mehr verbreitet.
Kürzlich wurde versucht, die mit der obigen Technik hergestellten Produkte leistungsfähiger zu machen, insbesondere über das Einbringen geeigneter Substanzen (zum Beispiel in Form von Filamenten, Fasern oder Pulver), die, sobald sie in dem Endprodukt eingebettet sind, diesem verbesserte physikalische Eigenschaften verleihen.
Eine Faser ist eine einfache Einheit, in langgezogener Form, die Kohlenstoff, Glas oder andere Elemente enthält, die geeignet sind, auf eine einfache Einheit reduziert zu werden. Wenn das Element Kohlenstoff ist, wird die Faser „Kohlenstofffaser” genannt.
Ein Filament ist die Gesamtheit aus mehreren Fasern und/oder Polymeren in verschiedenen Formen.
Die derzeit im Bereich der additiven Fertigung eingesetzten Techniken gestatten allerdings nicht, einige technologische Anforderungen auf zufriedenstellende Weise zu erfüllen.
Die Patentanmeldung EP2894025 beschreibt ein Verfahren zur Realisierung einer Strukturanordnung, die eine erste und eine zweite Komponente umfassen kann. Diese erste und zweite Komponente sind thermoplastische Werkstoffe, denen eine Verstärkungsfaser zugesetzt wird. Die verwendete Technik ist das Aufbringen von „Lagern” oder Werkstoffschichten. Diese Techniken beschreiben Endlosfasern und keine Schnittfasern, mit der daraus folgenden geringeren Komplexität im Prozess zum Einbetten in das Erzeugnis.
Unter Schnittfaser (oder Bündel) ist eine gleichförmige Gruppierung von Fasern zu verstehen, die aus 1.000 bis 100.000 nebeneinander liegenden Fasern besteht, die im Wesentlichen parallel und verbunden (zum Beispiel miteinander verleimt) sind, vorzugsweise in einem einzigen Körper und mit einer Länge, die etwa im Bereich von 3–50 Millimeter liegt.
Die Patentanmeldung US 9,149,988 beschreibt verschiedene Ausführungsformen für 3D-Drucker und Verstärkungsfasern und deren Verwendungsweisen. Die verwendete Technik ist das klassische „additive manufacturing”, mit Schichten aus verschiedenen Werkstoffen, auch mit Fasern verstärkt, die extrudiert werden. Auch in diesem Fall sind die Fasern Endlosfasern und nicht von Schnittfasern gebildet.
Die Patentanmeldung US2014/0061974 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur additiven Fertigung dreidimensionaler Objekte, bei denen zwei oder mehr Werkstoffe gleichzeitig als ein Verbundwerkstoff extrudiert werden, mit mindestens einem Werkstoff in flüssiger Form und mindestens einem Werkstoff in fester Form, der vollständig im Inneren des flüssigen Werkstoffs eingeschlossen ist. In dieser Patentanmeldung wird eine Düse zum Extrudieren verschiedener thermoplastischer Elemente beschrieben. In dieser Patentanmeldung ist nicht die Möglichkeit vorgesehen, dass die Düse ihre Ausrichtung im Raum verändert, wenngleich der Faseraustritt gemäß der Düsenachse ausgerichtet bleibt. Ferner werden Endlosfasern und keine Schnittfasern verwendet.
Schließlich beschreibt die auf den Namen des Anmelders lautende Patentanmeldung WO2014/174540 ein Verfahren für die Realisierung von Bremsscheiben mit Faserverstärkung, wobei mindestens eine Schicht aus Fasern mit vorbestimmter Länge mit mindestens einem Bindeharz getränkt wird und wobei die Schicht aus mit Harz getränkten Fasern um einen Dorn gewickelt wird, bis ein zylindrischer, in koaxialer Richtung hohler Körper gebildet ist. Die Fasern werden während eines Schrittes zum Wickeln um einen Dorn im Raum ausgerichtet. Es ist jedoch nicht möglich, die Fasern auf verschiedene Weise und/oder in verschiedenen Ausrichtungen zueinander im Inneren desselben Layers auszurichten. Um die Ausrichtung der Fasern zu ändern, ist es nämlich notwendig, zusätzlich zur ersten aufgebrachten Schicht eine weitere Schicht aufzubringen, mit anderer Ausrichtung. Ferner ist es nicht möglich, die Länge und die Beschaffenheit dieser Fasern im Inneren desselben Erzeugnisses zu verändern.
Es gibt ferner Techniken, mit denen es möglich ist, Erzeugnisse auch mit komplexer Geometrie herzustellen, unter Verwendung von Endlosfasern, deren Ausrichtung sich mit unterschiedlichen Methoden mühelos steuern lässt, wie zum Beispiel das Aufwickeln von Fasern, diese Technik wird „filament winding” genannt. Diese Techniken sehen heute auch die Verwendung von Fasern vor, denen Polymere zugegeben wurden. Eine andere bekannte Technik sieht vor, diesen Polymeren Füllstoffe aus kurzen Fasern oder faserigen Partikeln zuzugeben, die in der Matrix zufällig zu verteilen sind.
Bei den derzeit bekannten Techniken werden die Faserpakete (Bündel oder Schnitt) während des Fließens des Filaments zur Realisierung eines Erzeugnisses zerlegt und/oder geraten durcheinander und unterbinden so ihre Zugabe.
Wenngleich die oben erwähnten Druckschriften des Standes der Technik und die bekannten Techniken sich zwar mit den Problemen in Bezug auf das Einbetten von durchgängigen oder zerkleinerten Fasern auseinander setzen, lösen sie jedoch nicht das sich stellende Problem, nämlich die Bereitstellung eines Verfahrens zur Realisierung eines Erzeugnisses, zum Beispiel einer Bremsscheibe, bei dem Faserbündel oder -pakete eine andere Ausrichtung und optional eine andere Länge im Raum haben und so zahlreiche und/oder verschiedene Freiheitsgrade gewährleisten.
Es war bis heute nicht möglich, eine additive Fertigungstechnik zu entwickeln, bei der den polymeren Werkstoffen Bünde oder Pakete aus kurzen Fasern (ansonsten in dieser Beschreibung als „Bündel” oder „Schnitt” definiert) zugegeben werden und deren Ausrichtung im Raum mit den gewünschten Freiheitsgraden gewährleistet wird. Die Freiheitsgrade der im Inneren einer Matrix verteilten Fasern sind wichtig, um ihr Verhalten im Raum zu bestimmen, wenn sie Beanspruchungen thermischer oder mechanischer Art ausgesetzt ist. Diese Matrix kann zum Beispiel kohlenstoff-, silizium- oder metallhaltig sein.
Die vorliegende Erfindung passt sich in diesen Kontext ein, indem sie ein Verfahren, eine Vorrichtung und einen Verbundwerkstoff vorschlägt, die in der Lage sind, die in Bezug auf den Stand der Technik beklagten Nachteile zu überwinden.
Es besteht die Notwendigkeit, die Fasern im Inneren eines Erzeugnisses oder Verbundwerkstoffs gemäß mindestens einer bevorzugten oder vordefinierten Richtung auszurichten.
Zusätzlich besteht die Notwendigkeit, die Ausrichtung der Faser im Inneren eines Erzeugnisses oder Verbundwerkstoffs zu verändern, je nach den Zonen, die mehr oder weniger mechanischen/thermischen Belastungen ausgesetzt sind.
Vorteilhafterweise ist es mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung möglich, die Fasern oder die Faserbündel im Inneren eines Erzeugnisses oder Verbundwerkstoffs auszurichten.
Weiter vorteilhafterweise ist es möglich, die Ausrichtung der Fasern, die Länge und deren Volumenkonzentration zu steuern.
Zusätzlich ist es möglich, die mechanische und/oder thermische Festigkeit des Produkts/Erzeugnisses/Verbundwerkstoffs zu erhöhen.
Ferner ist es möglich die thermisch-mechanischen Eigenschaften der Werkstoffe, die die Verteilung und Konzentration von Fasern steuern, anzupassen, sodass die mechanischen Eigenschaften in den kritischsten Zonen und die thermischen Eigenschaften in bevorzugten Richtungen erhöht werden. Insbesondere waren die Urheber dieser Erfindung in der Lage, ein Verfahren für das additive Aufbringen, oder additives manufacturing, von polymeren Verbundwerkstoffen, die Bündel oder Abschnitte mit vorzugsweise kurzen Fasern enthalten, ausfindig zu machen.
Die vorliegende Erfindung gestattet es, ein beliebig im Raum (X; Y; Z) ausgerichtetes Paket, einen Bund oder ein Bündel aus Fasern mittels Aufbringen mit einer Düse 62 (die ein mögliches Beispiel für die nachfolgend beschriebenen Aufbringungsmittel 62 ist) aufzubringen, die in der Form ausgebildet ist, dass die Fasern gemäß einer vordefinierten Richtung/Ausrichtung aufgebracht werden, und über eine Zugabe eines Harzes in der Nähe des Aufbringungspunktes.
Vorteilhafterweise können die Faserbünde, -pakete oder -bündel mit einer gewünschten Länge (typischerweise von 3 bis 50 mm) aus einer Anzahl von 1.000 bis 100.000 Fasern bestehen.
Vorteilhafterweise werden die Faserbünde oder -pakete ausgerichtet, bevor sie die obige Düse 62 erreichen. Weiter vorteilhafterweise werden die Faserbünde oder -pakete mittels mechanischer Schwingungen auf einer Fördereinrichtung ausgerichtet, bevor sie die Düse erreichen. Alternativ werden die Faserbünde oder -pakete mittels elektromagnetischer Felder in einer vorgeschalteten Einheit ausgerichtet, bevor sie die Düse erreichen.
Vorteilhafterweise können die Faserbünde oder -pakete während des Aufbringens vor der Zugabe des Harzes oder vorzugsweise nach der Zugabe des Harzes zum Beispiel von einem Endlos- oder längeren Filament in Segmente der gewünschten Länge geschnitten werden. Die Segmentierung der Faserbünde oder -pakete während des Aufbringens gestattet auf sehr effiziente Weise die Verwendung von Faserbündeln unterschiedlicher Länge im Inneren desselben Erzeugnisses, indem die Fasern auf differenzierte Weise dort positioniert werden, wo sie gebraucht werden (zum Beispiel in größerer Menge, wo vorgesehen ist, dass sich größere mechanische und/oder thermische Beanspruchungen des Erzeugnisses konzentrieren werden), und mit der geforderten Ausrichtung (X; Y; Z).
Vorteilhafterweise können mehrere Düsen – gleichzeitig oder nacheinander – verwendet werden, was die gleichzeitige Verwendung von Bündeln unterschiedlicher Maße (zum Beispiel im Hinblick auf die Länge und/oder den Querschnitt) gestattet, die in variabler Menge oder Konzentration vorhanden sind. Dies erweitert den Freiheitsgrad bei dem Entwurf der Verbundwerkstoffe aus kurzen Fasern (oder, besser gesagt, mit kurzem „Bund”), indem das Erzeugnis auf der Basis der gewünschten Anforderungen konzipiert wird.
Die Technik der vorliegenden Erfindung lässt sich mit anderen für die Endlosfasern oder die mit Füllstoff gefüllten Harze verwendeten Techniken integrieren, um eine Reihe von Produkten oder Erzeugnissen zu realisieren, bei denen sich der technische und wirtschaftliche Wert der verwendeten Komponenten bestmöglich optimieren lässt. Zum Beispiel können lange Fasern im äußeren Teil des Erzeugnisses und kurze Fasern, die im Inneren des Werkstoffes entsprechend ausgerichtet sind, vorgesehen werden, oder umgekehrt.
Die Technik der vorliegenden Erfindung erlaubt vorteilhafterweise die Realisierung eines Produkts/Erzeugnisses mit einer vorzugsweise aus Polymer bestehenden Matrix, mit Merkmalen, die für seine endgültige Verwendung von Nutzen sind.
Alternativ kann mit dieser Technik ein Vorformling realisiert werden, der gemäß den verschiedenen bekannten Techniken für die Herstellung von dichten, vorzugsweise polymeren Verbundwerkstoffen verarbeitbar ist. Der erhaltene Vorformling kann weiteren Festigungsprozessen unterzogen werden, wie zum Beispiel „Resin Transfer Molding”-Techniken bzw. RTM, „Polymer impregnation and pyrolysis” bzw. PIP, Pressungen oder anderen allgemein bekannten Techniken zur Verdichtung, Umformung von Werkstoffen polymerer und/oder metallischer Art.
Dieses Verfahren kann für die Realisierung von Verbundwerkstoffen mit Polymermatrix verwendet werden, indem die herkömmlichen Polymere verwendet werden, die üblicherweise verwendet werden, um dem Erzeugnis die angestrebten Merkmale zu verleihen. Zum Beispiel können Epoxidharze, PEEK oder andere Polymere verwendet werden, die für die Realisierung der Verbundstoffe bekannt sind und um dem Erzeugnis die angestrebten Merkmale zu verleihen. Die zur Bildung der Faserbünde oder -pakete verwendeten Fasern können Kohlenstofffasern, Glasfasern, Basaltfasern, Polymerfasern wie Kevlar, andere bei der Realisierung von Verbundwerkstoffen bekannte Fasern oder Kombinationen davon sein.
Alternativ sieht eine Technik zur Herstellung von Werkstoffen mit Keramikmatrix die Realisierung eines Vorformlings vor, der anschließend pyrolisiert und dann mit flüssigen Metallen, oder vorzugsweise mittels Silizium, infiltriert wird, um zum Beispiel Erzeugnisse aus Kohlenstoff-Keramik-Material (CCM) zu erhalten. Vorteilhafterweise sind diese Erzeugnisse aus CCM Bremsscheiben für Anwendungen im Kraftfahrzeug-/Flugzeugbau.
Dieses Verfahren kann effizient verwendet werden für die Realisierung von Vorformlingen aus Kohlenstofffaser/Kohlenstoff-Verbundwerkstoffen (Cf/C), bei dem der Kohlenstoff der Matrix, der die Kohlenstofffasern bindet, mindestens teilweise aus der pyrolytischen Zerlegung eines Polymers stammt (typischerweise werden Phenol- oder Epoxidharze als Kohlenstoffquelle verwendet).
Dieses Verfahren kann effizient verwendet werden für die Realisierung von Vorformlingen aus Kohlenstofffaser/Keramikmatrix-Verbundwerkstoffen (Cf/Si/SiC), bei denen die Matrix typischerweise aus Silizium und Siliziumcarbid besteht.
Die vorliegende Erfindung wird nunmehr auf der Basis der beigefügten Zeichnungen dargestellt, in denen:
die 1, 2, 3, 4 Längsschnitte von Düsen zeigen, die im vorliegenden Aufbringungsprozess einsetzbar sind, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
die 5 und 6, 7 und 8, 9 und 10, 11 und 12 jeweils paarweise eine Draufsicht von Beispielen für Filamente gemäß der vorliegenden Erfindung und einen Querschnitt durch dieselben Filamente zeigen, jeweils entlang der Ebenen A-A, B-B, C-C, D-D, wobei die Faserbünde in unterschiedlicher Konzentration in Bezug auf die Matrix zu sehen sind;
die 13, 14, 15 jeweils eine Draufsicht eines weiteren Beispiels für ein Filament gemäß der vorliegenden Erfindung, einen Querschnitt durch dasselbe Filament entlang der in 13 angegebenen Ebene E-E und eine entsprechende perspektivische Ansicht zeigen;
16 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung, die für die Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens konstruiert wurde, gemäß einer Variante zeigt;
die 17, 18, 19 eine schematische Darstellung der möglichen Ausrichtungen eines Aufbringungskopfes 100 gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen, jeweils – je nach der gezeigten Anordnung – nach links, nach unten bzw. nach rechts gedreht mittels des mit dem Bezugszeichen 21 bezeichneten Verbindungsgelenks.
Das obige Ziel wird mittels eines Verfahrens zum Drucken eines Erzeugnisses oder Verbundwerkstoffs 1 erreicht, umfassend die folgenden Schritte:

i) Bereitstellen einer Vielzahl von Bünden 2 aus Verstärkungsfasern 4, mit einer Länge etwa im Bereich von 3–50 Millimeter, wobei die Verstärkungsfasern 4 in einer Anzahl etwa im Bereich von 1.000–100.000 pro Bund 2 vorhanden sind;
ii) Ausrichten der Bünde 2 entlang eines vorab festgelegten Weges X, X', zum Beispiel geradlinig und/oder gekrümmt;
iii) Einschließen mindestens eines Teils der Bünde 2 in einer Matrix 6 (zum Beispiel auf Basis von Polymeren, Kohlenstoff, Silizium oder Metallen), wobei die Ausrichtung entlang dieses Weges beibehalten wird, zum Beispiel über die Aufbringungsdüse 62;
iv) Aufbringen und Härten der mindestens einen Schicht der Matrix 6 und 8 aus dem Schritt iii), um den Verbundwerkstoff 1 zu realisieren.

Vorzugsweise sind die Bünde 2 aus dem Schritt iii) vollständig in der Matrix 6 und 8 eingeschlossen, wie zum Beispiel in den 6, 8, 10, 12, 14 schematisch dargestellt.
Vorteilhafterweise erfolgt der Schritt ii) vor dem Schritt iii), weshalb die Ausrichtung der Bünde sozusagen „trocken” erfolgt, bevor die Matrix die Bünde und die jeweiligen Fasern benetzt. Diesbezüglich wird zum Beispiel auf die Ausführungsform in 1 oder in 4 verwiesen.
In der Beschickungslinie für die Bünde ist, vor dem Erreichen der Aufbringungsmittel 62 (und insbesondere der Düse), eine Vorrichtung 50 vorgesehen, in der die Faserbündel in gegenseitiger Ausrichtung ausgerichtet werden. Die Aufgabe dieser Vorrichtung 50 ist daher, eine fortlaufende Serie von ausgerichteten Fasern zu erzeugen. Rein beispielhaft könnte ein Rüttel-Kanal dieser Vorrichtung 50, der insbesondere eine Form mit sich verjüngender Breite hat, Teil der Ausrichtungsmittel 56 der Bünde 2 sein, wobei er insbesondere zur Erzeugung einer Kette aus Faserbünden verwendbar ist.
Ein Faserbund, -paket oder -bündel einer bestimmten Länge, das von den Ausrichtungsmitteln 56 kommt, erreicht die Aufbringungsmittel 62. Separat wird die Polymermatrix im Inneren der Beschickungsmittel 58, 60 erhitzt und auf einer bestimmten Schmelztemperatur gehalten, bei der sie in flüssiger oder halbflüssiger Form ist, bevor die Aufbringungsmittel beschickt werden, vorzugsweise mittels Extrusion durch einen Kolben 70. Die Viskosität des Harzes muss so eingestellt werden, dass sie in rheologischer Hinsicht kompatibel und für das gewählte Extrusionssystem geeignet ist.
Alternativ könnte die Vorrichtung 50 Beschickungsmittel 58, 60, 61 verschiedener Art umfassen, um das Erzeugnis oder den Verbundwerkstoff mehr als einer Matrix zu beschicken (4). Eine Kolbenaufheizeinheit könnte mit der erhitzt gehaltenen und extrudierten Matrix befüllt werden, um die Aufbringungsmittel – zum Beispiel direkt – zu beschicken, insbesondere einen Druckkopf von diesen, optional mit einem anderen Harz als dem, das die Schnittfasern mindestens teilweise umschließt.
In einer Variante der vorliegenden Erfindung könnten in das Filament aus der von der zweiten Düse extrudierten Matrix vorab Pulver oder einzelne Fasern zum Beispiel aus Kohlenstoff, die zerkleinert sind, eingebracht werden. Die zerkleinerte Faser und die Matrix, zum Beispiel in Pulverform, könnten in einen Mischer gefüllt werden, das Gemisch könnte in einer Heizeinheit erhitzt und dann extrudiert werden, wobei die Aufbringungsmittel direkt beschickt werden. Der Gewichtsanteil der Verstärkung aus zerkleinerten Kohlenstofffasern ist vorzugsweise im Bereich von 1 Gew.-% bis 20 Gew.-% zu halten.
Gemäß einer weiteren Variante ist die Matrix 6, 8 aus Schritt iii) in einer fließenden Phase, zum Beispiel flüssig oder (halb-)flüssig. Die Schmelztemperatur, und somit die Aufheiztemperatur, der Matrix beträgt zwischen 60 und 200°C.
Gemäß einer zweiten Variante ist die Matrix 6, 8 eine vernetzbare/aushärtbare Matrix.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform enthalten die Bünde 2 zwischen 1.000 und 100.000 Verstärkungsfasern 4, die (vorzugsweise im Wesentlichen parallel) nebeneinander liegen und verbunden sind (zum Beispiel miteinander verleimt oder verschweißt), vorzugsweise in einem einzigen Körper.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform haben die Verstärkungsfasern 4 (und somit auch die entsprechenden Bünde) eine Länge, die etwa im Bereich von 3–50 Millimeter oder im Bereich von 6–30 Millimeter liegt.
Gemäß verschiedenen Varianten könnte der Schritt ii) eine Ausrichtung der Bünde 2 über eine mechanische Kraft umfassen, zum Beispiel mittels Erschütterungen oder manuell, die auf die Bünde ausgeübt wird, und/oder könnte eine Ausrichtung der Bünde 2 über ein elektrisches Feld, ein magnetisches Feld oder ein elektromagnetisches Feld umfassen, das an diese Bünde 2 angelegt wird.
Was den Schritt i) betrifft, so könnte dieser Schritt folgende Teilschritte umfassen: a) Beschicken mit Endlosfaser-Filamenten 10; b) Trennen, zum Beispiel durch Schneidevorgänge, der Vielzahl von Bünden 2 von einem Endlosfaser-Filament 10.
Der Schneideschritt zum Erzeugen der Bündel bzw. Schnitte oder Bünde 2 kann ausgehend von Endlosfaser-Filamenten erfolgen, vor dem Schritt des Ausrichtens und Zugebens der Matrix/Matrizen (1) oder in der Nähe der Extrusionsdüse nach dem Zugeben der Matrix/Matrizen zu den Faserfilamenten (2). Trennen davon Teilschritt b), die Bünde 2 sind noch gegenseitig in Längsrichtung verbunden und bilden miteinander verbundene Verstärkungsfilamente 10. Nur in Teilschritt b), der zum Beispiel einen Schneidevorgang umfasst, wandeln sich die Filamente 10 in Bündel oder Schnitte, da diese Filamente in kürzere Fragmente geteilt werden, welche die obigen Bünde oder Pakete 2 realisieren.
Was die technischen Mittel zum Anwenden des obigen Verfahrens betrifft, so wird auf die folgende Beschreibung verwiesen. Gemäß einer vorteilhaften Variante, die zum Beispiel in 5 oder 6 gezeigt ist, oder in 8 oder 10, umfasst der Schritt iv) einen Teilschritt des Aufbringens mindestens einer Schicht aus der Matrix 6, 8 mit einer faserförmigen Ausgestaltung.
Zum Beispiel könnte der Querschnitt des in Schritt iv) aufgebrachten Erzeugnisses im Wesentlichen kreisförmig oder polygonal sein.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Variante, die zum Beispiel in 12 oder 15 schematisch dargestellt ist, umfasst der Schritt iv) einen Teilschritt des Aufbringens mindestens einer Schicht aus der Matrix 6, 8 in Form eines Bandes oder einer Matte, das/die eine Vielzahl von Faserreihen 14 enthält, die im Inneren dieses Bandes oder dieser Matte in Längsrichtung verlaufen und zum Beispiel zueinander im Wesentlichen parallel sind.
Die Ausgestaltung der Matrixschicht hängt somit von den technologischen Umständen und von der Bestimmung oder dem Einsatz des Werkstoffes ab.
Die in den 5 bis 15 gezeigten Varianten zeigen die Form der Filamente oder Bänder, die von der zur Verarbeitung des Bund-Matrix-Gemisches benötigten Vorrichtung erzeugt werden können. Form und Maß des erzeugten Filaments/Bandes (durchgängiges zweidimensionales Element) können von solchen Maßen sein, die geringfügig größer sind als die des gewählten Bündels mit der von dem gewählten Verfahren und der gewählten Anwendung geforderten Zugabe der Matrix (Mindestdurchmesser etwa 0,2 mm), bis zu solchen Maßen, dass sie mehrere nebeneinander liegende Bündel einschließen (zum Beispiel 100–200 Bündel; 10 cm2 Querschnitt), und Formen, die in diesem Fall unterschiedlich (zylindrisch, quaderförmig laminar) und funktional sein können für den additiven Prozess, der durchgeführt werden soll, und die Form des Erzeugnisses oder Verbundwerkstoffes in Herstellung.
In jedem Fall könnte die andere Ausgestaltung der Matrix zum Beispiel über eine entsprechende Auswahl einer Aufbringungs-/Extrusions-Matrize oder -düse erhalten werden, die im Schritt iv) einsetzbar ist.
Zum Beispiel könnte der Schritt iv) mindestens einen Schritt des Übereinanderlegens einer Vielzahl von Schichten des Produkts aus dem Schritt iii) umfassen, um einen dreidimensionalen Verbundwerkstoff 1 zu erhalten, wobei diese Schichten sich vorzugsweise durch die Konzentration von Bünden 2 in der Matrix 6, 8, durch die Anzahl und/oder Länge der Verstärkungsfasern 4 im Inneren des Schnittes und/oder durch die Ausrichtung der vorab festgelegten Wege X, X', und somit in Bezug auf die Ausrichtung der Bünde 4 in dem Verbundwerkstoff 1, unterscheiden.
Gemäß dieser Ausführungsform ist das Druckverfahren somit ein tatsächliches und eigenes Verfahren zum dreidimensionalen Drucken, oder zur additiven Fertigung, des mit Fasern angereicherten Verbundwerkstoffs, die dessen mechanische und/oder thermische Festigkeit verbessern, wodurch sich Geometrien und technische Merkmale erhalten lassen, die angesichts des derzeitigen technischen Standes ungewöhnlich und unerwartet sind.
Mit anderen Worten können die mechanischen Merkmale des Erzeugnisses oder Verbundwerkstoffes konzipiert werden, damit es im Bereich der Zonen oder der Richtungen, entlang derer die größten Beanspruchungen oder Belastungen zu erwarten sind, leistungsfähiger wird.
Gemäß einer technologisch wichtigen Variante sind der Schritt iii) und der Schritt iv) um eine Zeit beabstandet, die ausreichend reduziert ist, um die Zerlegung der Bünde 2 in von dem jeweiligen Bund 2 gelöste Verstärkungsfasern 4 zu vermeiden, die in der Matrix 6, 8 zum Beispiel zufällig verteilt sind.
Mit anderen Worten ist bevorzugt, dass, da einige Matrizen in fließender Form zerstörerische Effekte auf die Unversehrtheit der Bünde entfalten könnten (zum Beispiel hauptsächlich aufgrund von Phänomenen im Zusammenhang mit dem Fließen dieser Matrix oder kraft des eigenen Auflösungs-/Zerlegungsvermögens), die Zeit, die zwischen Schritt iii) und Schritt iv) liegt, nach der Beschaffenheit der Matrix bemessen wird. Darüber hinaus ist es ratsam, dass das Maß der relativen Bewegung zwischen den Faserbünden und der Matrix reduziert wird. Optional könnte das vorliegende Verfahren auch einen Schritt des lokalisierten Komprimierens des Erzeugnisses aus Schritt iii), vor dem Teilschritt des Härtens, umfassen, zum Beispiel, um diesem Produkt einen halb-vorläufigen Verlauf zu verleihen, der während des Härtens verfestigt wird.
Das obige Ziel wird darüber hinaus erreicht mittels einer Vorrichtung 50 zum Drucken eines Verbundwerkstoffes 1, zum Beispiel für die Realisierung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche:
Diese Vorrichtung 50 umfasst:

– Mittel 52, 54 zum Bereitstellen einer Vielzahl von Bünden 2;
– Mittel 56 zum Ausrichten der Bünde 2 entlang eines vorab festgelegten Weges X, X';
– Mittel 58, 60 zum Beschicken mindestens einer flüssigen, halbflüssigen oder pulvrigen Matrix 6, 8, zum Beispiel auf Basis von Polymeren, Kohlenstoff, Silizium oder Metallen, die entlang des vorab festgelegten Weges X, X' münden, um mindestens einen Teil der Bünde 2 in der Matrix 6, 8 einzuschließen, und die dazu ausgebildet sind, die Ausrichtung der Bünde 4 entlang dieses Weges X, X' zu bewahren;
– Mittel 62 zum Aufbringen mindestens einer Schicht aus der Matrix 6, 8, die mindestens einen Teil der Bünde 2 einschließt, um den Verbundwerkstoff 1 zu realisieren.

Gemäß einer bevorzugten Variante, sind die Bereitstellungsmittel 52, 54, die Ausrichtungsmittel 56, die Beschickungsmittel 58, 60 und die Aufbringungsmittel 62 in einen Aufbringungskopf 100 dieser Vorrichtung integriert.
Vorzugsweise umfassen die Bereitstellungsmittel 54 Schneidemittel 64 – wie zum Beispiel ein Drehmesser oder ein relativ zu den Filamenten aus Endlosfasern 10 bewegliches Schneideelement – um die – miteinander gruppierten – Verstärkungsfilamente 10 in eine Vielzahl von Bünden 2 zu trennen, wobei diese Bereitstellungsmittel vor (1) oder nach (2) der Mündungszone 66 der Beschickungsmittel 58, 60 entlang des vorab festgelegten Weges angeordnet sind.
Alternativ könnten die Bereitstellungsmittel 52 ein Behältnis umfassen, das die Bünde 4 in einem für deren Transport geeigneten Medium verteilt enthält.
Gemäß einer weiteren Variante könnten die Aufbringungsmittel 62 oder der obige Aufbringungskopf 100 relativ zu den Bereitstellungsmitteln 52, 54 gelenkartig montiert sein, um mindestens eine Drehachse R1 herum, insbesondere über ein Verbindungsgelenk 21, das zwischen den oben erwähnten Mitteln 52, 54, 62 angeordnet ist. Vorzugsweise könnte der Aufbringungskopf 100 um eine Vielzahl von aufeinander treffenden Drehachsen verstellbar sein, die zum Beispiel zueinander rechtwinkelig sind.
Das obige Ziel wird schließlich auch mittels eines Verbundwerkstoffes 1 erreicht, wie er im Folgenden beschrieben ist.
Vorzugsweise lässt sich dieser Verbundwerkstoff über das Verfahren nach einer der obigen Ausführungsformen erhalten. Daraus folgt, dass, auch wenn dies nicht ausdrücklich angegeben ist, dieser Werkstoff ein beliebiges bevorzugtes oder zusätzliches Merkmal aufweisen könnte, das sich – aus Sicht des Prozesses oder des Aufbaus – aus der obigen Beschreibung ableiten lässt.
Dieser Werkstoff 1 umfasst eine Vielzahl von Bünden aus Verstärkungsfasern 4, wobei die Verstärkungsfasern 4 eine Länge etwa im Bereich von 3–50 Millimeter haben und in einer Anzahl von größer oder gleich etwa 1.000–100.000 pro Bund vorhanden sind. Diese Bünde 2 sind entlang eines vorab festgelegten Weges X, X' ausgerichtet und sind mindestens teilweise in einer Matrix 6, 8 eingeschlossen, wobei diese Matrix 6, 8 in mindestens einer Schicht aufgebracht und gehärtet wird, um diesen Werkstoff 1 zu realisieren.
Gemäß einer weiteren Variante umfasst dieser Werkstoff eine Vielzahl von übereinander gelegten Matrixschichten, die aufgebracht und gehärtet werden, um einen dreidimensionalen Werkstoff 1 der gewünschten Dicke und/oder Beschaffenheit zu erhalten.
Auf innovative Weise ist die beschriebene Erfindung in der Lage, die oben erwähnten, in Bezug auf die bekannte Technik beklagten Nachteile zu überwinden.
Insbesondere gestatten das Verfahren, die Vorrichtung und der Werkstoff, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind, wünschenswerte mechanische Merkmale des Endprodukts mit der Möglichkeit der Herstellung über die additive Technik zu verbinden.
Darüber hinaus gestatten das beschriebene Verfahren und die beschriebene Vorrichtung vorteilhafterweise Produktgeometrien zu erhalten, die bei gleicher mechanischer Festigkeit nach dem Stand der Technik für unmöglich gehalten wurden.
Vorteilhafterweise gestatten das Verfahren und die Vorrichtung, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind, mechanische Merkmale zu erreichen, die gegenüber Erzeugnissen, die sich herkömmlicherweise beim dreidimensionalen Druck erhalten lassen, besser sind.
Vorteilhafterweise gestatten das Verfahren, die Vorrichtung und der Werkstoff, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind, Produkte mit Elastizitätsmodulen in Größenordnungen zu erhalten, die gegenüber anderen wärmeschmelzbaren Kunststoffen größer und trotzdem für einen 3D-Druckprozess geeignet sind.
Vorteilhafterweise gestatten das Verfahren, die Vorrichtung und der Werkstoff, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind, Werkstoffe zu realisieren, die in einer beliebigen Form geformt sind, auch in komplexeren Formen, wobei es virtuell keine Verschwendung von Rohstoffen gibt.
Vorteilhafterweise gestatten das Verfahren, die Vorrichtung und der Werkstoff, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind, die Matrixschichten mit sehr hoher Genauigkeit und Präzision zu platzieren.
Vorteilhafterweise gestattet das Verfahren, das Gegenstand der Erfindung ist, Erzeugnisse, zum Beispiel aus Polymer, mit hoher Festigkeit zu erhalten.
Um spezifische Anforderungen zu erfüllen, könnte ein Fachmann an den Ausführungsformen, der Vorrichtung und dem Verbundwerkstoff, die oben beschrieben sind, Varianten und Ersetzungen von Elementen durch andere funktional gleichwertige vornehmen.
Auch diese Varianten sind im Schutzumfang enthalten, wie dieser durch die folgenden Ansprüche definiert ist.
Ferner ist jede als zu einer möglichen Ausführungsform zugehörig beschriebene Variante unabhängig von den anderen beschriebenen Varianten realisierbar. Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Drucken eines Verbundwerkstoffs (1), zum Beispiel auf Basis von Polymeren, Kohlenstoff, Silizium oder Metallen, umfassend die folgenden Schritte:

i) Bereitstellen einer Vielzahl von Bünden (2) aus Verstärkungsfasern (4), wobei die Verstärkungsfasern (4) eine Länge etwa im Bereich von 3–50 Millimeter haben und in einer Anzahl von etwa 1.000–100.000 pro Bund (2) vorhanden sind;
ii) Ausrichten der Bünde (2) entlang eines vorab festgelegten Weges (X, X');
iii) Einschließen mindestens eines Teils der Bünde (2) in einer Matrix (6, 8), zum Beispiel auf Basis von Polymeren, Kohlenstoff, Silizium oder Metallen, wobei die Ausrichtung entlang des Weges (X, X') beibehalten wird;
iv) Aufbringen und Härten mindestens einer Schicht (8) aus der Matrix (6, 8) aus dem Schritt iii), um den Verbundwerkstoff (1) zu realisieren.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2894025 [0007]
WO 2014/174540 [0011]

Claims

Verfahren zum Drucken eines Verbundwerkstoffs (1), zum Beispiel auf Basis von Polymeren, Kohlenstoff, Silizium oder Metallen, umfassend die folgenden Schritte: i) Bereitstellen einer Mehrzahl von Bünden (2) aus Verstärkungsfasern (4), wobei die Verstärkungsfasern (4) eine Länge etwa im Bereich von 3–50 Millimeter haben und in einer Anzahl von etwa 1.000–100.000 pro Bund (2) vorhanden sind; ii) Ausrichten der Bünde (2) entlang eines vorab festgelegten Weges (X, X'); iii) Einschließen mindestens eines Teils der Bünde (2) in einer Matrix (6, 8), zum Beispiel auf Basis von Polymeren, Kohlenstoff, Silizium oder Metallen, wobei die Ausrichtung entlang des Weges (X, X') beibehalten wird; iv) Aufbringen und Härten mindestens einer Schicht aus der Matrix (6, 8) aus dem Schritt iii), um den Verbundwerkstoff (1) zu realisieren.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Bünde (2) die Anzahl von Verstärkungsfasern (4) enthalten, die nebeneinander liegen und in einem einzigen Körper verbunden sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Schritt ii) eine Ausrichtung der Bünde (2) über eine mechanische Kraft, zum Beispiel mittels Erschütterungen, und/oder über ein elektrisches Feld, ein magnetisches Feld oder ein elektromagnetisches Feld, das an die Bünde (2) angelegt wird, umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Schritt i) folgende Teilschritte umfasst: a) Beschicken mit Filamenten aus durchgängigen Verstärkungsfasern (10); b) Trennen, zum Beispiel durch Schneidevorgänge, der Vielzahl von Bünden (2) von den Filamenten (10).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Schritt iv) einen Teilschritt des Aufbringens mindestens einer Schicht aus der Matrix (6, 8) mit einer faserförmigen Ausgestaltung umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–5, bei dem der Schritt iv) einen Teilschritt des Aufbringens mindestens einer Schicht aus der Matrix (6, 8) in Form eines Bandes oder einer Matte (4d) umfasst, das/die eine Vielzahl von Faserreihen (14) enthält, die im Inneren des Bandes oder der Matte in Längsrichtung verlaufen und zueinander im Wesentlichen parallel sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Schritt iv) mindestens einen Schritt des Übereinanderlegens einer Vielzahl von Schichten des Produkts aus dem Schritt iii) umfasst, um einen dreidimensionalen Verbundwerkstoff (1) zu erhalten, wobei die Schichten sich vorzugsweise durch die Konzentration von Bünden (2) in der Matrix (6, 8), durch die Anzahl und/oder Länge der Verstärkungsfasern (4) im Inneren mindestens eines Paares von Schichten und/oder durch die Ausrichtung der vorab festgelegten Wege (X, X'), und somit der Bünde (4) in dem Verbundwerkstoff (1), unterscheiden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Schritt iii) und der Schritt iv) um eine Zeit beabstandet sind, die ausreichend reduziert ist, um die Zerlegung der Bünde (2) in von dem jeweiligen Bund (2) gelöste Verstärkungsfasern (4) zu vermeiden, die in der Matrix (6, 8) zum Beispiel zufällig verteilt sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend einen Schritt des lokalisierten Komprimierens des Erzeugnisses aus Schritt iii), vor dem Teilschritt des Härtens.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Matrix (6, 8) aus Schritt iii) flüssig, (halb-)flüssig oder in Pulverform ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Bünde (2) mindestens teilweise aus Kohlenstofffaser, Glasfaser, Basaltfaser, Polymerfasern wie Kevlar, anderen bei der Realisierung von Verbundwerkstoffen bekannten Fasern oder Kombinationen davon sind.
Vorrichtung (50) zum Drucken eines Verbundwerkstoffes (1), zum Beispiel für die Realisierung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend: – Mittel (52, 54) zum Bereitstellen einer Vielzahl von Bünden (2) aus Verstärkungsfasern (4), wobei die Verstärkungsfasern (4) eine Länge etwa im Bereich von 3–50 Millimeter haben und in einer Anzahl von etwa 1.000–100.000 pro Bund (2) vorhanden sind; – Mittel (56) zum Ausrichten der Bünde (2) entlang eines vorab festgelegten Weges (X, X'); – Mittel (58, 60) zum Beschicken mit einer flüssigen, halbflüssigen oder pulverförmigen Matrix (6, 8), zum Beispiel auf Basis von Polymeren, Kohlenstoff, Silizium oder Metallen, die entlang des vorab festgelegten Weges (X, X') münden, um mindestens einen Teil der Bünde (2) in der Matrix (6, 8) einzuschließen, und die dazu ausgebildet sind, die Ausrichtung der Bünde (4) entlang des Weges (X, X') zu bewahren; – Mittel (62) zum Aufbringen mindestens einer Schicht aus der Matrix (6, 8), die mindestens einen Teil der Bünde (2) einschließt, um den Verbundwerkstoff (1) zu realisieren.
Vorrichtung zum Drucken nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Bereitstellungsmittel (52, 54), die Ausrichtungsmittel (56), die Beschickungsmittel (58, 60) und die Aufbringungsmittel (62) in einen Aufbringungskopf (100) der Vorrichtung integriert sind.
Vorrichtung zum Drucken nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Bereitstellungsmittel (52, 54) Schneidemittel (64) – wie zum Beispiel ein Drehmesser – umfassen, um die miteinander gruppierten Verstärkungsfilamente (10) in eine Vielzahl von Bünden (2) zu trennen, wobei die Bereitstellungsmittel vor oder nach der Mündungszone (66) der Beschickungsmittel (58, 60) entlang des vorab festgelegten Weges angeordnet sind.
Vorrichtung zum Drucken nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Aufbringungsmittel (62) oder der obige Aufbringungskopf (100) relativ zu den Bereitstellungsmitteln (52, 54) gelenkartig montiert sind, um mindestens eine Drehachse (R1) herum, insbesondere über ein Verbindungsgelenk (21), das zwischen den oben erwähnten Mitteln (52, 54 62) angeordnet ist.
Verbundwerkstoff (1), der zum Beispiel über das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 erhalten wird, umfassend eine Vielzahl von Bünden (2) aus Verstärkungsfasern (4), wobei die Verstärkungsfasern (4) eine Länge etwa im Bereich von 3–50 Millimeter haben und in einer Anzahl von größer oder gleich etwa 1.000–100.000 pro Bund vorhanden sind, wobei die Bünde (2) entlang eines vorab festgelegten Weges (X, X') ausgerichtet und mindestens teilweise in einer Matrix (6, 8) eingeschlossen sind, wobei die Matrix (6, 8) in einer oder mehreren Schichten aufgebracht und gehärtet ist, um den Werkstoff (1) zu realisieren.
Werkstoff nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Matrix (6, 8) aus Polymer, Kohlenstoff, Silizium oder Metall ist.
Werkstoff nach Anspruch 16 oder 17, umfassend übereinandergelegte Matrixschichten, die aufgebracht und gehärtet sind, um einen dreidimensionalen Verbundwerkstoff (1) zu erhalten, wobei die Schichten sich durch die Konzentration von Bünden (2) in der Matrix (6, 8), durch die Anzahl und/oder Länge der Verstärkungsfasern (4) im Inneren mindestens eines Paares von Schichten und/oder durch die Ausrichtung der vorab festgelegten Wege (X, X'), und somit durch die Ausrichtung der Bünde (4), unterscheiden.