DE102018102731B4

DE102018102731B4 - Vorrichtung und Verfahren zur additiven Herstellung eines Werkstücks oder Bauteils aus verstärkten Kunststoffen

Info

Publication number: DE102018102731B4
Application number: DE102018102731.1A
Authority: DE
Inventors: Vincent Morrison; Clemens Lieberwirth; René Zielke; Robert Radon; Tim Weidner
Original assignee: AIM3D GmbH
Current assignee: AIM3D GmbH
Priority date: 2018-02-07
Filing date: 2018-02-07
Publication date: 2023-03-02
Anticipated expiration: 2038-02-08
Also published as: DE102018102731A1

Abstract

Vorrichtung zur additiven Herstellung eines Werkstücks oder Bauteils aus verstärkten Kunststoffen,wobei die Vorrichtung eine dreidimensional verfahrbare Kinematik aufweist, enthaltend eine Unterlage (11) und wenigstens einen vertikalen Schneckenextruder (2),wobei der Schneckenextruder (2) ein Gehäuse (4) und eine an dem Gehäuse (4) angeordnete, auswechselbare Extrusionsdüse (10) aufweist,wobei in dem Schneckenextruder (2) eine eine Welle (6) umfassende Förderschnecke (3) angeordnet ist, welche ein Längen-Durchmesserverhältnis kleiner zehn hat, und die Förderschnecke (3) in einen Einzugsbereich (31), eine Schmelz- und Kompressionszone (32) mit einer Erhöhung eines Wellendurchmessers der Förderschnecke (3) und einer Ausstoßzone (33) unterteilt ist,dadurch gekennzeichnet, dassdas Gehäuse (4) entlang einer Längsachse des Schneckenextruders (2) in eine Einzugszone (41), eine thermische Barrierezone (42), ein Heizzone (43) undein Reservoir (7), in welchem das Material (8) in einem Zustand des Überdrucks gehalten wird, unterteilt ist, wobei die Trennung der Heizzone (43) von der Einzugszone (41) durch einen hochfesten, aber thermisch schlecht leitfähigen Werkstoff in der Barrierezone (42) erfolgt,die Heizzone (43) eine maximale Länge einer halben Länge der Förderschnecke (3) aufweist und die Schmelz- und Kompressionszone (32) und die Ausstoßzone (33) zusammen eine maximale Länge von 1/3 der Länge der Förderschnecke (3) haben,die Schmelz- und Kompressionszone (32) unterhalb der Barrierezone (41) und im Bereich der Heizzone (43) des Gehäuses (4) angeordnet ist unddie Förderschnecke (3) an ihrer Welle (6) einen ansteigenden Durchmesser in der Art aufweist, dass sich der Durchmesser der Welle (6) in der Schmelz- und Kompressionszone (32), gegenüberliegend zur Heizzone (43), in Richtung der Ausstoßzone (33) erhöht und in der Ausstoßzone (33) auf einem erhöhten Niveau gleichbleibend ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur additiven Herstellung eines Werkstücks oder Bauteils aus verstärkten Kunststoffen bzw. der Fertigung von Kompositen mittels eines Extrusionsverfahrens - Composite Extrusion Modeling (CEM) mit Hilfe von Schneckenextrudern kleiner Baugröße.
Im Gegensatz zum klassischen Spritzguss stellt die Verarbeitung von verstärkten Kunststoffen im Bereich der additiven Fertigung eine große technische Hürde dar. Gründe dafür sind der hohe Verschleiß und das schwierige Handling von verstärkten Kunststoffen. Dabei steht der Verarbeitung von faserverstärkten Filamenten im typischen 3D-Druckverfahren nach US 5121329 A die schwierige bis derzeit unmögliche Herstellung von hochwertigen Filamenten gegenüber. Dies betrifft vor allem die Gruppe der glasfaserverstärkten Kunststoffe. Ein erster Lösungsansatz für dieses Problem ist in WO 2017/212190 A1 beschrieben. Ein Filament das derart hergestellt wird, bietet unter Umständen die Möglichkeit auf einem entsprechenden 3D-Drucker verarbeitet zu werden, jedoch ist der Volumenanteil der Fasern im gesamten Bauteil geringer. Zudem entspricht ein solches Filament keinem Standardwerkstoff aus dem Kunststoffspritzguss und ist aufwendig in der Herstellung.
Eine weitere bekannte Lösung zur Herstellung von verstärkten Werkstücken aus Kunststoffen ist die Verarbeitung von Endlosfasern, wie sie z.B. in DE 102015122647 A1 , DE 112015002058 T5 und US 9370896 B2 beschrieben ist. Diese Verfahren eignen sich aber nicht, um Werkstücke herzustellen, die mit Bauteilen vergleichbar sind, welche mittels Serienfertigungsverfahren wie dem Spritzguss gefertigt wurden. Zudem können auf diese Weise auch keine kurzfaserverstärkten Komposite hergestellt werden.
Zudem ist in DE 102016013857 A1 auch eine Lösung beschrieben, die die Fasern während der Herstellung des Bauteiles zumischt. Dies bedeutet, dass sowohl der Kunststoff, als auch die Fasern separat dem Herstellungsprozess zugeführt werden müssen und somit die Mischung der Bestandteile im Prozess auch entsprechend überwacht werden muss.
Außerdem ist auch der Ansatz bekannt, die Verbundwerkstoffe durch das Aufschmelzen von Pulver herzustellen. Dies ist unter anderem in DE 102016208196 A1 beschrieben. Dieses Vorgehen ähnelt dem Lösungsansatz in DE 102016013857 A1 und zeichnet sich durch die gleichen Probleme im Bereich des Faserhandlings aus. So ist durch die lose Schüttung des Kunststoffpulvers und der Fasern eine entsprechende Homogenität nur schwer sicherzustellen und muss entsprechend überwacht werden. Zudem ist das Verfahren durch die Nutzung eines Energiestrahls, wie z.B. eines Lasers, aufwendig und somit teuer in der Umsetzung.
Ferner ist auch die Verbindung von verstärkten Kunststoffen im Pulverbettverfahren auf der Basis von chemischen Reaktionen bekannt. Die ist z.B. in DE 102015223238 A1 beschrieben. Auch hier sind Faserhandling und Anlagentechnik entsprechend kompliziert.
Schneckenextruder finden vor allem im Bereich der Serienfertigung von Bauteilen mittels Spritzguss und Druckguss Anwendung. Dabei befinden sich Extruderschnecke, Einspritzdüse und Matrize meist in einer waagerechten Linie zueinander. Die Befüllung mit Material, das hauptsächlich als Granulat oder Pulver vorliegt, erfolgt dabei in der Regel im hintersten Teil des Schneckenextruders, in der sogenannten Einzugszone. Das Material wird über einen Trichter, der auf einem Rohrschnitt des Extruders aufsitzt, direkt vertikal auf die Extruderschnecke geführt. Durch einen ausreichend großen Querschnitt im Trichter, der eine Brückenbildung verhindert, fällt das Material schwerkraftgetrieben auf die Schnecke und wird von ihr eingezogen.
Im Bereich der Serienfertigung werden in der Regel sogenannte Drei-Zonen-Schneckenextruder eingesetzt, welche das Material einziehen und zur Düse fördern. Das Material wird komprimiert, entlüftet und homogenisiert. Danach wird ein Druck zur Füllung der Matrize aufgebaut.
Die Einzugszone des Schneckenextruders ist häufig als Rohrschnitt im Gehäuse des Schneckenextruders ausgeführt. Auf diesem Rohrschnitt ist ein Trichter angeordnet über den das Material der Schnecke zugeführt werden kann. Rohrschnitt und Trichter sind von ihrem minimalen Querschnitt dabei so zu wählen, dass sich keine Brückenbildung des als Granulat vorliegenden Materials ergeben kann. Dies hängt dabei stark von Schüttwinkel und Reibungskoeffizient des verwendeten Schüttgutes ab.
Aus dem Stand der Technik ist weiterhin bekannt, dass Stopfschnecken eingesetzt werden um schüttgutförmiges Material einem Extruder zuzuführen. Die Rotationsachse der Stopfschnecke schneidet sich mit der Rotationsachse der Extruderschnecke. Weiterhin muss die Stopfschnecke im Verhältnis zum Schüttgut relativ groß gehalten werden um das Material im Ganzen zu fördern. Dies macht die Geometrie der Schnecke sehr groß. Bei einer Verkleinerung des Schneckendurchmessers wird ein höherer Antrieb benötigt, der in der Lage ist das Material zu zerkleinern. Aus den genannten Gründen eignet sich diese Lösung nicht für einen kompakten Extruder.
Um einen Einzug und eine Förderbarkeit des Materials zu gewährleisten, wird in der Regel ein Verhältnis zwischen Außenradius des Schneckenblattes zum Radius der Schneckenwelle gewählt, das einem Vielfachen der Korngröße des zu verarbeitenden Granulates entspricht. Die Komprimierung und Homogenisierung des Materials hat einen Druckaufbau zur Folge, der für die gleichmäßige Extrusion eines luftfreien Materials erforderlich ist. Dabei ist zu beachten, dass zu hohe Kompressionsraten zu hohen Scherbelastungen für das Material führen. Gerade bei Kompositmaterialien kann dies zu unerwünschten Entmischungsvorgängen führen. Um dies zu verhindern aber gleichzeitig eine ausreichende Kompression und Homogenisierung zu erreichen, wird der Anstieg des Schneckendurchmessers nicht zu groß gewählt. Die konstruktive Lösung besteht aus einer längeren Kompressionszone. Übliche Verhältnisse zwischen Schneckendurchmesser und Schneckenlänge liegen daher bei ca. 16 bis 20. Es sind Lösungen bekannt in denen kompaktere Schneckenextruder beschrieben sind
In EP 1063075 B1 ist ein kompakter Schneckenextruder beschrieben, der durch den Einsatz mehrerer parallel angeordneter Schnecken die Gesamtlänge des Extruders reduziert. Dabei laufen jeweils zwei Schnecken in einer gemeinsamen Kammer in eine Richtung. Am Ende der Kammer wird das Material durch eine Passage in eine weitere Kammer übergeben, in der zwei parallel laufenden Schnecken das Material in die entgegengesetzte Richtung fördern. Dabei wird die Schneckensteigung so variiert, dass eine stufenweise Verdichtung des Materials erfolgt. Durch Aneinanderreihung mehrerer Kammern mit parallel laufenden Schnecken kann der Grad der Verdichtung eingestellt werden. Die beschriebene Lösung reduziert dabei die Länge des Extrudergehäuses auf Kosten einer größeren Breite durch die parallel angeordneten Kammern. Der Bauraum und das Gewicht des Extruders nehmen dabei nicht ab und auch die wirksame Schneckenlänge wird nicht reduziert, da das Material alle Kammern durchlaufen muss.
In CN 105936119 A wird ebenfalls ein Schneckenextruder in kompakter Bauweise beschrieben. Bei dieser Lösung handelt es sich um einen koaxialen Aufbau zweier Schnecken in einem Gehäuse. Das Material wird dabei zunächst radial auf der äußeren als Hohlwelle ausgeführten Schnecke zugeführt. Am Ende der Förderrichtung erfolgt eine Umlenkung des Materials in einen Spalt, der durch die Anordnung einer weiteren gegenläufig fördernden Schnecke in der Hohlwelle entsteht. Durch die zusätzliche Anordnung einer inversen Schnecken-Geometrie auf der Innenwand der Hohlwellen-Schnecke entsteht ein noch höherer Kompressionseffekt. Diese Lösung reduziert ebenfalls die Länge des Extrudergehäuses, die wirksame Schneckenlänge bleibt jedoch weitestgehend gleich groß, da das Material auf eine weitere Schnecke überführt wird, die platzsparend angeordnet ist. Hierdurch erhöht sich der Durchmesser des Extrudergehäuses sowie dessen Masse.
Im Bereich der additiven Fertigung mittels thermo-mechanisch verformbaren Materialien werden zu einem Großteil Kunststoffdrähte verwendet, die in eine beheizte Düse gepresst werden, um den Extrusionsprozess darzustellen. Es sind auch Lösungen bekannt, die einen Schneckenextruder für den Extrusionsprozess verwenden.
In DE 102014018081 A1 ist eine Anlage zur additiven Fertigung metallischer Bauteile beschrieben. Hierbei kommt ebenfalls ein Schneckenextruder zum Einsatz, der als Granulat vorliegendes Material verarbeitet. In einem verfahrbaren Druckkopf wird mittels eines senkrecht angeordneten Schneckenextruders thermoplastisch verformbares Material schichtweise extrudiert, um dreidimensionale Bauteile zu erzeugen. Die beschriebene Lösung bezieht sich hauptsächlich auf die Anordnung des Druckkopfes im Gesamtsystem als auch auf die Art und Weise der Zuführung von Material zum Druckkopf. Weiterhin werden andere Extruderausführungen beschrieben, die nicht auf der Verarbeitung von Granulat basieren. Die vorliegende Lösung beschreibt nicht die Problematik, die sich im Bereich der Zuführung und der Aufschmelzung von verstärkten Kunststoffen ergeben.
In US 2015/0321419 A1 wird ebenfalls eine Anlage zur additiven Verarbeitung von granulatförmigem Material beschrieben. Dabei kommt ebenfalls ein Schneckenextruder zum Einsatz, der sowohl senkrecht als auch waagerecht, dabei aber immer feststehend ausgeführt sein kann. Das Material wird über einen Trichter und eine Rutsche direkt über eine Öffnung in der Rohrwand auf eine Extruderschnecke geführt. Die Schnecke ist dabei als Drei-Zonen-Schnecke ausgeführt und weist ein Längen-Durchmesser-Verhältnis von 15 bis 24 auf. Damit handelt es sich zwar um eine im Durchmesser kleiner skalierte Schecke, die jedoch dasselbe Längen- Durchmesser-Verhältnis aufweist wie übliche Drei-Zonen-Extruderschnecken aus dem Bereich des Spritzgusses. Eine Reduzierung des Längen-Durchmesser-Verhältnisses wird nicht beschrieben. Durch die Ausführung der Materialaufnahme als Rohrschnitt handelt es sich lediglich um einen vertikal gelegten klassischen Drei-Zonen-Schneckenextruder Aufbau.
Der Einsatz von Schneckenextrudern für die additive Fertigung ist vor allem durch deren Baugröße, die vor allem durch die Länge der Schnecke definiert wird, und ihr Gewicht limitiert, da sie entweder verfahrbar ausgeführt sein müssen oder das gesamte Baufeld bewegt wird. Letztere Lösung macht es allerdings erforderlich, den gesamten Drucker deutlich zu überdimensionieren.
Mit den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen ist es bisher nicht möglich, das Längen-Durchmesserverhältnis von Extruderschnecken für faserverstärkte Kunststoffe zu reduzieren. Um hohe Bauraten und damit hohe Geschwindigkeit in einem additiven Fertigungsprozess zu erreichen, müssen die verfahrbaren Elemente der Anlage möglichst schnell bewegt werden. Bei der in US 2015/0321419 A1 beschriebenen Lösung wird aufgrund der Tatsache, dass der Extruder nicht weiter verkleinert werden kann, die Baufläche auf der das Teil gedruckt wird, in x, y und z verfahren. Bei größeren Bauteilen oder bei der Verwendung von Material mit einer höheren Dichte sind aufgrund der großen bewegten Masse keine hohen Bauraten mehr möglich. Die weiterhin bekannten Lösungen reduzieren lediglich die Länge des Extruders, jedoch nicht dessen Baugröße bzw. die Masse; auch das Längen/ Durchmesserverhältnis bleibt jeweils mehr oder weniger unverändert.
Darstellung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, die additive Verarbeitung von verstärkten Kunststoffen in einem thermoplastischen Schmelzschichtungsverfahren mithilfe eines kompakten Schneckenextruders zu ermöglichen. Auf diese Weise sollen auch Kompositwerkstoffe verarbeitet werden können, die bisher nur im konventionellen Spritzguss, jedoch nicht mit additiven Fertigungstechnologien verarbeitet werden können. Dabei ist es das Ziel der Erfindung, dieselben Materialien und Materialformen zu verarbeiten wie sie im Spritzguss verwendet werden.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Vorrichtung zur additiven Herstellung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zur additiven Herstellung gemäß Anspruch 8 gelöst.
Durch die rasche Komprimierung des plastifizierten Materials wird eine Entmischung bzw. Zersetzung des Kompositwerkstoffes verhindert, wodurch die additive Verarbeitung in Form der Extrusion eines Materialfadens ermöglicht wird.
Figurenliste
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. Hierzu zeigt

1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur additiven Verarbeitung von verstärkten Kunststoffen mithilfe eines kompakten Schneckenextruders,
2 einen Schnitt durch den Druckkopf des Schneckenextruders von der Seite,
3 einen Schnitt durch den Druckkopf des Schneckenextruders von vorn,
4 eine Draufsicht auf den Druckkopf mit dem Schneckenextruder und
5 schematische Darstellung einer mechanischen Verzahnung von abgelegten Materialbahnen.

Die in 1 gezeigte schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur additiven Verarbeitung von verstärkten Kunststoffen durch eine thermoplastische Schmelzschichtung in Form eines Bauteils 1 weist einen kompakten und mittels eines mechanischen Antriebs verfahrbaren Extruder, insbesondere einen Schneckenextruder 2, auf einer dreiachsigen Kinematik auf. Der kompakte Schneckenextruder 2 ist durch seine technische Ausgestaltung in der Lage, konventionelle Kompositwerkstoffe aus dem Spritzguss direkt zu verarbeiten. Dazu wird der kompakte Schneckenextruder 2 über eine geeignete Materialzufuhr mit thermoplastischem Material 8 in Form von Spritzgussgranulat befüllt, wobei das Spritzgussgranulat ein Komposit ist. Auf einer Unterlage 10 wird durch das Verfahren des Schneckenextruders 2 auf der dreiachsigen Kinematik additiv ein Bauteil 1 aufgebaut.
In 2 ist ein Schnitt durch den Schneckenextruder 2 von der Seite zu sehen. Die Förderschnecke 3 ist vertikal angeordnet und in mehrere Abschnitte eingeteilt: ein Einzugsbereich 31 der Förderschnecke 3, eine Schmelz- und Kompressionszone 32 mit einer Erhöhung des Wellendurchmessers der Förderschnecke 3 und einer Ausstoßzone 33 der Förderschnecke 3. Auf der anderen Seite ist das Gehäuse 4 ebenfalls in verschiedene Zonen eingeteilt: eine Einzugszone 41 am oberen Ende des Gehäuses 4, eine thermische Barrierezone 42, eine Heizzone 43 und ein Reservoir 7, in welchem das Material 8 in einem Zustand des Überdrucks gehalten wird. Die Trennung der Heizzone 43 von der Einzugszone 41 erfolgt durch einen hochfesten, aber thermisch sehr schlecht leitfähigen vorzugsweise keramischen Werkstoff bzw. einen harten thermischen schlecht leitfähigen vorzugsweise keramischen Werkstoff und einer entsprechenden Einzugskühlung. Das thermisch nicht bzw. schlecht leitende Material kann zum Beispiel Zirkoniumoxid oder Aluminiumoxid sein. Die Einzugszone 41 des Gehäuses 4 umschließt den Einzugsbereich 31 der Förderschnecke 3. In dem Einzugsbereich 31 wird das Material 8 zunächst in einem trichterförmigen Einlass 5 aufgenommen und durch die Förderschnecke 3 nach unten transportiert. Durch die thermische Barrierezone 42 in dem Gehäuse 4 ist das Material 8 bis zu diesem Abschnitt rieselfähig. Die technische Ausgestaltung der Förderschnecke 3 sieht es vor, dass bis zum Erreichen der Heizzone 43 des Gehäuses 4 keine Kompression aufgrund einer Steigungsänderung der Schneckengänge oder des Durchmessers der Welle 6 der Förderschnecke 3 erfolgt. Die Heizzone 43 schließt sich nach unten gerichtet direkt an die Barrierezone 42 an. Die Heizzone 43 ist gehäuseseitig eine kompakte einzonige Heizzone 43. In der Heizzone 43 wird das Material 8 aufgeschmolzen. Durch eine radiale Anordnung von mehreren Heizelementen 9 die über die gesamte Länge der Heizzone 43 verlaufen, wird eine sehr lokale Einbringung der Wärmeenergie erreicht. Die Heizzone 43 hat gehäuseseitig maximal eine Länge von 1/2 der Länge der Förderschnecke 3. Im Abschnitt der Heizzone 43 liegt die Schmelz- und Kompressionszone 32 der Förderschnecke 3. Der Durchmessers der Welle 6 der Förderschnecke 3 erhöht sich konisch in dem Bereich der Schmelz- und Kompressionszone 32 mit einem Winkel von 7° bis 10° und bis zu einem 1,5- bis 2-fachen des kleinsten Durchmessers der Förderschnecke 3 und ist in der Ausstoßzone 33 auf dem nunmehr höheren Niveau konstant. Alternativ oder zusätzlich kann neben der Erhöhung des Durchmessers der Welle 6 eine Verringerung der Gangsteigung der Förderschnecke 3 vorgesehen werden. Die Schmelz- und Kompressionszone 32 und die Ausstoßzone 33 nehmen dabei eine Länge von maximal 1/3 der Länge der Förderschnecke 3 ein. Unterhalb der Förderschnecke 3 und oberhalb einer Extrusionsdüse 10 ist ein Reservoir 7 für geschmolzenes Material 8 aus Kurzfaserwerkstoffen angeordnet, das in seiner Höhe mindestens der einfachen Länge der verwendeten Fasern entspricht. Das Reservoir 7 hat eine max. Länge von 1/15 der Länge der Förderschnecke 3. Das Längen-Durchmesserverhältnis der Förderschnecke 3 ist kleiner als zehn.
Die Durchlaufzeit in der Schmelz- und Kompressionszone 32 ist abhängig vom Material 8 und wird entsprechend so gewählt, dass es zu keiner Zersetzung des Kunststoffes kommt. Durch die sehr kurze Heizzone 43 verbleibt das Material 8 nur kurze Zeit im heißen Zustand und damit hat die in der Schmelz- und Kompressionszone 32 vorgehaltene Schmelze eine hinreichend kurze Durchlaufzeit.
Die 3 zeigt einen seitlichen Schnitt durch den Schneckenextruder 2 und die 4 zeigt eine Draufsicht auf den Schneckenextruder 2.
Die Verarbeitung der Materialien 8 auf dem kompakten Schneckenextruder 2 wird durch eine Ausgestaltung von verschiedenen Zonen der Förderschnecke 3 und des Gehäuses 4 erreicht. Dabei hat der zu verwendende Schneckenextruder 2 eine besonders kurze Schmelz- und Schmelz- und Kompressionszone 32 mit einer großen thermischen Masse.
In 3 wird besonders deutlich die Schmelz- und Kompressionszone 32 mit dem ansteigenden Durchmesser der Welle 6 der Förderschnecke 3 und die Ausstoßzone 33 gezeigt. In der Schmelz- und Kompressionszone 32, gegenüberliegend zur Heizzone 43, erhöht sich der Durchmesser der Welle 6 in Richtung Ausstoßzone 33. In der Ausstoßzone 33 ist der Durchmesser der Welle 6 auf dem erhöhten Niveau gleichbleibend und die Förderschnecke 3 ist in ihrem Endbereich 34 mit einer Fase versehen. Die Förderschnecke 3 ist in dem Gehäuse 4 so angeordnet, dass die Schmelz- und Kompressionszone 32 vorzugsweise erst unterhalb der thermischen Barrierezone 42 des Gehäuses 4 angeordnet ist.
Die Draufsicht in 4 zeigt den Schneckenextruder 2 und die Anordnung der Heizelemente 9. Vorzugsweise sind hier vier Heizelemente 9 angeordnet, wobei auch die Anordnung von mehr als vier Heizelementen 9 vorstellbar ist.
Die Herstellung von Werkstücken und Bauteilen aus verstärkten Kunststoffen erfolgt mit einem kompakten Schneckenextruder 2 in einem 3D-Druckverfahren. Dieser kompakte Schneckenextruder 2 ist durch seine technische Ausgestaltung in der Lage als verstärktes Material 8 konventionelle Spritzgussgranulate direkt zu verarbeiten, wobei die Spritzgussgranulate Kompositwerkstoffe sind. Diese Kompositwerkstoffe bestehen aus einer Kombination aus verschiedenen Matrixmaterialien wie Polycarbonaten, Polylactaten, Polyethylenen, Polyethylenterephthalat, Polymethylmethacrylat, Polybutylenterephthalaten, Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymeren, Polyoxymethylen, Polypropylen, Polystyrol, Polyvinylchlorid oder Polyamiden und verschiedenen Verstärkungsmaterialien in Form von Kugeln oder Fasern aus Glas, Aramid, Stahl, Carbon, synthetische Fasern, kunststoffbasierte Fasern, Naturfasern und/oder Keramikfasern vorliegen. Als Verstärkung können auch Mehl oder Bruchstücke aus Glas oder andere Werkstoffen genutzt werden oder der Kunststoff ist mineralverstärkt. Diese Aufzählung ist beispielhaft und kann jederzeit durch äquivalente Materialien 8 ergänzt werden. Der verstärkte Kunststoff für das zu verarbeitende Material 8 hat einen Faseranteil von größer oder gleich 10% und es werden keine Endlosfasern eingesetzt. Beispielsweise wird als Material 8 ein Komposit verwendet, welches ein thermoplastisches Matrixmaterial beinhaltet. Das zugeführte Material 8 wird in den Schneckenextruder 2 eingezogen, plastifiziert und ausgestoßen. Dabei wird ein dünner Strang plastifiziertes Material 8, dessen Form und Größe durch die Geometrie der Extrusionsdüse 10 (Ausstoßdüse) definiert ist, auf eine Unterlage 11 aufgetragen. Durch die Bewegung des Schneckenextruders 2 in der Ebene und des Absenkens der Unterlage 11 wird ein dreidimensionaler Bauprozess realisiert. Durch die Variation der Prozessparameter, wie z.B. der Extrusionstemperatur kann die Orientierung beispielsweise von Glasfasern gesteuert werden. Entscheidend dabei ist, dass durch die Wärmeeinbringung des ausgetragenen Materials 8 in Kombination mit den herausragenden Verstärkungsmaterialien, wie z.B. Glasfasern aus den abgelegten Strängen, nicht nur eine chemische Anbindung des Matrixmaterials sondern auch eine mechanische Verzahnung der abgelegten Materialbahnen untereinander in der Ebene und zwischen den Ebenen erfolgt, wobei zwei oder mehrere Schichten des additiven Bauteils miteinander verbunden werden können. (siehe 5) Auf diese Weise wird die Festigkeit der hergestellten Bauteile erhöht und das Verformungs- und Versagensverhalten verändert. Dieser kompakte Schneckenextruder 2 ist durch seine technische Ausgestaltung in der Lage konventionelle Kompositwerkstoffe aus dem Spritzguss direkt zu verarbeiten.
Da es sich bei den vorhergehenden, detailliert beschriebenen Vorrichtung zur additiven Verarbeitung von verstärkten Kunststoffen um ein Ausführungsbeispiel handelt, kann sie in üblicher Weise vom Fachmann in einem weiten Umfang modifiziert werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Insbesondere können auch die konkreten Ausgestaltungen der verschiedenen Zonen der Förderschnecke 3 und des Gehäuses 4 in anderer Form als in der hier beschriebenen folgen. Weiter schließt die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein“ bzw. „eine“ nicht aus, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können.
Bezugszeichenliste

1: Bauteil
2: Schneckenextruder
3: Förderschnecke
31: Einzugsbereich
32: Schmelz- und Kompressionszone
33: Ausstoßzone
4: Gehäuse
41: Einzugszone
42: Barrierezone
43: Heizzone
5: trichterförmiger Einlass
6: Welle
7: Reservoir für geschmolzenes Material 8
8: Material
9: Heizelement
10: Extrusionsdüse
11: Unterlage

Claims

Vorrichtung zur additiven Herstellung eines Werkstücks oder Bauteils aus verstärkten Kunststoffen, wobei die Vorrichtung eine dreidimensional verfahrbare Kinematik aufweist, enthaltend eine Unterlage (11) und wenigstens einen vertikalen Schneckenextruder (2), wobei der Schneckenextruder (2) ein Gehäuse (4) und eine an dem Gehäuse (4) angeordnete, auswechselbare Extrusionsdüse (10) aufweist, wobei in dem Schneckenextruder (2) eine eine Welle (6) umfassende Förderschnecke (3) angeordnet ist, welche ein Längen-Durchmesserverhältnis kleiner zehn hat, und die Förderschnecke (3) in einen Einzugsbereich (31), eine Schmelz- und Kompressionszone (32) mit einer Erhöhung eines Wellendurchmessers der Förderschnecke (3) und einer Ausstoßzone (33) unterteilt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (4) entlang einer Längsachse des Schneckenextruders (2) in eine Einzugszone (41), eine thermische Barrierezone (42), ein Heizzone (43) und ein Reservoir (7), in welchem das Material (8) in einem Zustand des Überdrucks gehalten wird, unterteilt ist, wobei die Trennung der Heizzone (43) von der Einzugszone (41) durch einen hochfesten, aber thermisch schlecht leitfähigen Werkstoff in der Barrierezone (42) erfolgt, die Heizzone (43) eine maximale Länge einer halben Länge der Förderschnecke (3) aufweist und die Schmelz- und Kompressionszone (32) und die Ausstoßzone (33) zusammen eine maximale Länge von 1/3 der Länge der Förderschnecke (3) haben, die Schmelz- und Kompressionszone (32) unterhalb der Barrierezone (41) und im Bereich der Heizzone (43) des Gehäuses (4) angeordnet ist und die Förderschnecke (3) an ihrer Welle (6) einen ansteigenden Durchmesser in der Art aufweist, dass sich der Durchmesser der Welle (6) in der Schmelz- und Kompressionszone (32), gegenüberliegend zur Heizzone (43), in Richtung der Ausstoßzone (33) erhöht und in der Ausstoßzone (33) auf einem erhöhten Niveau gleichbleibend ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, sich die Förderschnecke (3) in ihrer Gangsteigung in der Schmelz- und Kompressionszone (32) verringert, und dass die Förderschnecke (3) im Endbereich (34) mit einer Fase versehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Durchmesser der Welle (6) in dem Bereich der Schmelz- und Kompressionszone (32) konisch mit einem Winkel von 7° bis 10° und bis zu einem 1,5- bis 2-fachen des kleinsten Durchmessers der Förderschnecke (3) erhöht und in der Ausstoßzone (33) auf dem höheren Niveau konstant bleibt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Barrierezone (42) aus einem keramischen Werkstoff besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Barrierezone (42) aus Zirkoniumoxid oder Aluminiumoxid besteht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizzone (43) mehrere, radial angeordnete Heizelemente (9) umfasst, welche entlang der Längsachse des Schneckenextruders (2) in der Heizzone (43) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass das Reservoir (7) eine maximale Länge von 1/15 der Länge der Förderschnecke (3) hat.
Verfahren zur additiven Herstellung eines Werkstücks oder Bauteils aus verstärkten Kunststoffen mittels einer Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein Material (8) in Form von Spritzgussgranulat oder Pulver über eine geeignete Materialzufuhr dem Schneckenextruder (2) zugeführt, aufgeschmolzen und plastifiziert und in Form eines extrudierten Materialfadens selektiv auf die Unterlage (11) zweidimensional aufgetragen und auf der Unterlage (11) abkühlt wird, und wobei der zweidimensionale Auftrag und das Abkühlen des extrudierten Materialfadens bis zur Fertigstellung des Werkstücks oder Bauteils fortgesetzt wird und nach Fertigstellung das Werkstück oder Bauteil von der Unterlage (11) entfernt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass dem Schneckenextruder (2) als Material (8) ein Kompositwerkstoff zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass dem Schneckenextruder (2) der Kompositwerkstoff, bestehend aus einer Kombination aus verschiedenen Matrixmaterialien und verschiedenen Verstärkungsmaterialien, zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Matrixmaterial ein Thermoplast, enthaltend Polycarbonaten, Polylactaten, Polyethylenen, Polyethylenterephthalat, Polymethylmethacrylat, Polybutylenterephthalaten, Acrylnitril-Butadien-Styroi-Copolymeren, Polyoxymethylen, Polypropylen, Polystyrol, Polyvinylchlorid oder Polyamiden, verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Verstärkungsmaterial Glas/E-Glas, Aramid, Stahl, Carbon in Form von Kugeln oder Fasern, synthetische Fasern, kunststoffbasierte Fasern, Naturfasern und/oder Keramikfasern verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Verstärkungsmaterial Mehl oder Bruchstücke aus Glas oder anderen Werkstoffen oder Mineralien verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompositwerkstoff einen Anteil an Verstärkungsmaterial von größer oder gleich 10% hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Variation von Prozessparametern, bevorzugt einer Extrusionstemperatur, eine Orientierung des Verstärkungsmaterials gesteuert wird und/oder eine Ablage der Verstärkungsmaterialien so erfolgt, dass zwei oder mehrere Schichten des Werkstücks oder Bauteils miteinander verbunden werden.