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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft ein System zum Herstellen eines Bauteils aus einem faserverstärkten Kunststoff, sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils aus einem faserverstärkten Kunststoff.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Im Stand der Technik existieren vielfältige Varianten von Verfahren zum Herstellen von dreidimensionalen Bauteilen durch additive Prozesse. Diese können von der Art und geforderten Beschaffenheit der Bauteile abhängen und können bei Bedarf sogar Faserverstärkungen integrieren. Es sind etwa Verfahren bekannt, mit denen Fasern geflochten und anschließend in einen aufgeschmolzenen thermoplastischen Werkstoff eingebettet oder damit beschichtet werden, so dass nach Abkühlen des Werkstoffs ein faserverstärktes Bauteil vorliegt.
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Es sind Vorrichtungen bekannt, die einen oder mehrere komplexe Materialabgabeeinrichtungen in Form eines großvolumigen Druckkopfs an einem Roboterarm vorsehen. Dieser ist dazu ausgebildet, den Druckkopf im Raum beliebig zu positionieren. Der Druckkopf ist dabei dazu eingerichtet, Material in Form von aufgeschmolzenem, thermoplastischen Kunststoff und Fasern gleichzeitig abzugeben. Hierzu sind verschiedene Einrichtungen in dem Druckkopf integriert. Zum Einen ist dort mindestens eine Einrichtung zum Bereitstellen von Material und zum Anderen mindestens eine Einrichtung zum Befördern und gegebenenfalls Inkontaktbringen von Fasern und Kunststoff vorgesehen.
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Des Weiteren ist bekannt, eine Flechteinrichtung in einen solchen Druckkopf zu integrieren, die einen geflochtenen Strang aus einzelnen Fasern herstellt. Dieser kann anschließend mit dem thermoplastischen Kunststoff beschichtet auf eine Substratoberfläche abgegeben werden.
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DE 10 2015 104 827 A1 zeigt ein generatives Schichtaufbauverfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen faserverstärkten Objekts und eine entsprechende Vorrichtung. Bei dem Verfahren werden eine Vielzahl von Schichten aus einem Pulvermaterial auf einer Trägereinrichtung aufeinander aufgebracht, und jede Schicht wird vor dem Aufbringen der nachfolgenden Schicht mit einem Laserstrahl oder Teilchenstrahl selektiv nur in den Bereichen bestrahlt, die dem herzustellenden Objekt entsprechen. Es wird eine Vielzahl von Fasern bereitgestellt, die vor dem Aufbringen einer Schicht aus Kunststoff fixiert werden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Eine Anordnung eines komplexen Druckkopfs mit Materialvorrat und einer Flechteinrichtung an einem Roboterarm kann zu verschiedenen Schwierigkeiten führen. Aufgrund des hohen Gewichts eines derartigen Druckkopfes ein sehr leistungsstarker Roboterarm notwendig. Insbesondere auch aufgrund des Gewichts wird die erreichbare Genauigkeit eingeschränkt, denn Trägheitsbewegungen können zum Überschwingen von eingestellten Positionen führen, was nur mit einer noch höheren Leistung des Roboterarms kompensiert werden könnte. Zudem sinkt beim Betrieb die Masse des Druckkopfs, da kontinuierlich dort bevorratetes Material abgegeben wird.
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Die Aufgabe der Erfindung liegt demnach darin, eine Vorrichtung zum Herstellen eines Bauteils aus einem faserverstärkten Kunststoff vorzuschlagen, welches auf der Basis von thermoplastbeschichteten Fasern basiert und auch bei komplexeren Formen und größeren Bauteilabmessungen eine besonders hohe Bauteilpräzision erlaubt und die effizient betreibbar ist.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein System mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.
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Es wird ein System vorgeschlagen, aufweisend eine multiaxiale Bewegungsvorrichtung mit einer Basis und einer durch die Bewegungsvorrichtung bewegbaren Halteeinrichtung, einen an der Halteeinrichtung angeordneten Materialabgabekopf, mindestens eine Abgabeeinrichtung zum Abgeben von Fasern, mindestens eine Abgaberolle für thermoplastischen Kunststoff, eine mit der Abgabeeinrichtung gekoppelte mindestens eine erste Zufuhrleitung und mindestens eine mit der Abgaberolle gekoppelte zweite Zufuhrleitung für den thermoplastischen Kunststoff, wobei die Abgabeeinrichtung und die mindestens eine Abgaberolle außerhalb der Bewegungsvorrichtung angeordnet sind, und wobei der Materialabgabekopf dazu ausgebildet ist, von der mindestens einen Abgaberolle gelieferten Kunststoff aufzuschmelzen und bei dem Abgeben der von der mindestens einen Abgabeeinrichtung gelieferten Fasern diese mit dem aufgeschmolzenen Kunststoff zu beschichten oder darin einzubetten.
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Die multiaxiale Bewegungsvorrichtung mit einer Basis und einer Halteeinrichtung kann beispielsweise durch einen eingliedrigen oder mehrgliedrigen Roboterarm ausgeführt sein. Die Basis ist als der Abschnitt der Bewegungsvorrichtung anzusehen, der strukturfest in einem Raum angeordnet wird. Die Basis bewegt sich nicht und dient somit als Fixpunkt. Die Halteeinrichtung könnte indes eine Art Adapter, Flansch oder Ähnliches sein, an der der Materialabgabekopf starr befestigt wird. Die Bewegungsvorrichtung ist dafür vorgesehen, den Materialabgabekopf exakt an vorgegebene Positionen zu führen, so dass einzelne Bahnen auf einer Werkzeugoberfläche mit Fasern und Kunststoff versehen werden. Die Bewegungsvorrichtung kann insbesondere elektrisch, hydraulisch oder elektrohydraulisch angetrieben werden und einem gängigen Industrieroboter entsprechen.
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Die Abgaberolle kann eine Art Spule sein, welche den Kunststoff bevorratet. Der Kunststoff kann als flaches Band oder eine Schnur ausgeführt sein. Die Abgaberolle ist bevorzugt frei drehbar gelagert.
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Die Abgabeeinrichtung für Fasern kann in einer einfachen Variante ebenfalls eine Art Spule sein, auf der die Fasern aufgewickelt sind. Die Fasern sind in diesem Zusammenhang Verstärkungsfasern oder Funktionsfasern, welche nicht primär für die Verstärkung des herzustellenden Bauteils dienen. Dies könnte etwa Glasfasern für optische Anwendungen oder metallische Drähte umfassen.
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Der Materialabgabekopf ist der Teil des Systems, der tatsächlich Material auf ein Substrat bzw. ein Formwerkzeug aufträgt. Hierzu wird Kunststoff, der von der mindestens einen Abgaberolle stammt, aufgeschmolzen. Der aufgeschmolzene Kunststoff beschichtet dann die von dem Materialabgabekopf abgegebenen Fasern unmittelbar vor oder während des Abgabevorgangs. Dies kann besonders bevorzugt mittels einer Düse durchgeführt werden, in der beide Materialströme zusammengeführt und abgegeben werden.
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Besonders hervorzuheben sind die mindestens eine erste Zufuhrleitung und die mindestens eine zweite Zufuhrleitung, die eine geschützte Beförderung sowohl des Kunststoffs von der mindestens einen Abgaberolle als auch der Fasern der mindestens einen Abgabeeinrichtung in den Materialabgabekopf erlaubt. Der Materialabgabekopf kann ferner eine Fördereinrichtung aufweisen, die zum Fördern des Kunststoffs und der Fasern dient.
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Das erfindungsgemäße System kann folglich auf große träge Massen an der Bewegungsvorrichtung verzichten und stattdessen einen recht kleinen, kompakten Materialabgabekopf verwenden. Die Funktion des Bevorratens, des Aufschmelzens und des geordneten Bereitstellens wird stationär durchgeführt. Hierdurch wird nicht nur die notwendige Leistung der Bewegungsvorrichtung im Vergleich zu der vorangehend genannten Variante verringert, sondern auch die Präzision bei der Abgabe des Materials wird durch eine gleichbleibend geringe träge Masse des Materialabgabekopfs deutlich erhöht.
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Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform weist zusätzlich eine Kühleinrichtung auf, die zwischen der mindestens einen zweiten Zufuhrleitung und dem Materialabgabekopf oder an einem Ende der mindestens einen zweiten Zufuhrleitung unmittelbar vor dem Materialabgabekopf angeordnet ist und mindestens einen ersten Einlass für thermoplastischen Kunststoff kühlt. Die Kühleinrichtung kann einen Innenraum aufweisen und dazu ausgebildet sein, eine Kühlung des Innenraums durchzuführen. Die mindestens eine zweite Zufuhrleitung kann sich durch den Innenraum erstrecken oder derart daran angeschlossen werden, dass der durch die mindestens eine Zufuhrleitung geführte Kunststoff den Innenraum durchlaufen muss, um in den Materialabgabekopf zu gelangen. Hierdurch kann verhindert werden, dass Wärme einer Einrichtung zum Aufschmelzen des Kunststoffs zur Erwärmung der zweiten Zufuhrleitung führt, was insbesondere in der Nähe des Materialabgabekopfs ansonsten zu einem vorzeitigen Aufschmelzen von Kunststoff führen könnte und hierdurch die Funktion des Materialabgabekopfs stören könnte.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform weist eine Flechteinrichtung zum Flechten von Fasern zu einem Strang auf, die extern von dem Materialabgabekopf ausgeführt ist, wobei der Strang in die mindestens eine erste Zufuhrleitung geführt wird. Die Flechteinrichtung kann mehrere Fasern oder Faserstränge zu einem geflochtenen Strang verarbeiten, der über die mindestens eine erste Zufuhrleitung mit dem Materialabgabekopf geführt wird. Folglich ist auch ein aufwendiges Flechten von Fasern zu einem Strang in dem Materialabgabekopf nicht notwendig, so dass auch deutlich komplexere Flechteinrichtungen mit vielen Spulen und einer aufwendigen Mechanik vorgesehen sein können, um den Materialabgabekopf mit einem geflochtenen Strang an Fasern zu versorgen.
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Es sei darauf hingewiesen, dass der geflochtene Strang nicht zwangsläufig schlauchartig ausgeführt sein muss, sondern auch als flacher Strang. Unabhängig von der Ausführung des geflochtenen Strangs kann die mindestens eine erste Zufuhrleitung dennoch einen kreisrunden Querschnitt aufweisen, durch den sich der geflochtene Strang befördern lässt. Dieser könnte etwa mithilfe eines Dorns oder einer ähnlichen Einrichtung für die Beförderung durch die mindestens eine erste Zufuhrleitung fließend zu einem schlauchartigen Gebilde umgeformt werden, das nach dem Transport in den Materialabgabekopf bzw. Verlassen der ersten Zufuhrleitung wieder in die ursprüngliche Form gebracht wird.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform kann eine Abgaberolle für einen Strang aus ungeflochtenen Fasern vorgesehen sein. Der Strang kann als Gewebe ausgeführt sein oder als ein Strang paralleler Fasern. Diese könnten zum Vereinfachen der Förderung verwirkt sein.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Bewegungseinrichtung einen Roboterarm auf. Wie bereits vorangehend erwähnt, kann ein Roboterarm mit einer vergleichsweise geringen Leistung ausreichen, denn die träge Masse des Materialabgabekopfs ist vergleichsweise gering.
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In einer weiter vorteilhaften Ausführungsform weist die Bewegungseinrichtung ein Mehrachs-Linearsystem auf. Dies könnte sich insbesondere bei der Herstellung großformatiger flächiger Bauteile anbieten, die stets auf einer flächigen Werkzeugoberfläche hergestellt werden. Die Präzision kann durch ein solches Linearsystem sehr hoch sein und es können ebenso sehr hohe Fertigungsgeschwindigkeiten realisiert werden. Die durch großformatige Linearsysteme erreichbaren Bewegungen würden relativ große mehrgliedrige Roboterarme erfordern. Es könnte jedoch auch vorgesehen sein, eine zumindest entlang zumindest einer Achse bewegbare Plattform zu verwenden, die die Basis der Bewegungsvorrichtung, die Abgabeeinrichtung und die mindestens eine Abgaberolle trägt.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die mindestens eine zweite Zufuhrleitung aus einem transparenten Material hergestellt. Hierdurch kann ein Benutzer unmittelbar prüfen, ob der Materialfluss in Form des Kunststoffstrangs ohne Beeinträchtigung zu dem Materialabgabekopf besteht. Es könnte sich anbieten, einen transparenten Schlauch aus einem Kunststoff einzusetzen.
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In einer weiter vorteilhaften Ausführungsform kann das System mindestens eine Fördereinrichtung aufweisen, die außerhalb des Materialabgabekopfes platziert ist und dazu ausgebildet ist, den thermoplastischen Kunststoff zu dem Materialabgabekopf zu fördern. Dadurch kann die Handhabung des Kunststoffmaterials in dem Materialabgabekopf erleichtert werden. Es ist in diesem Zusammenhang darauf hinzuweisen, dass der Kunststoff bevorzugt eine solche Festigkeit aufweist, dass er ohne Weiteres durch die entsprechende Zufuhrleitung zu dem Materialabgabekopf transportiert werden kann. Die Abmessungen der Zufuhrleitung und des Kunststoffs sind indes derart aneinander anzupassen, dass der Kunststoff leicht durch die Zufuhrleitung gleiten kann. Der Unterschied zwischen den Durchmessern des Kunststoffmaterials und eines Hohlraums der Zufuhrleitung sollte jedoch nicht so groß sein, dass sich das Material beim Fördern aufstaut, sich wellenförmig auf die Wände des Hohlraums zubewegt und dort zu einer Verkeilung führt.
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Die mindestens eine Abgabeeinrichtung kann Fasern aufweisen, die aus einer Gruppe von Fasern ausgewählt sind, die Gruppe aufweisend:
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- - Glasfasern,
- - Aramidfasern,
- - leitfähig beschichtete Fasern und
- - Metalldrähte.
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Kohlenstofffasern, Glasfasern und Aramidfasern können primär als Verstärkungsfasern verwendet werden. Die Glasfasern könnten auch so ausgeführt sein, dass sie für optische Zwecke, etwa für eine Beleuchtung oder für Structural Health Monitoring einsetzbar sind. Leitfähig beschichtete Fasern und Metalldrähte sind insbesondere für die Leitung elektrischen Stroms oder ebenso für Structural Health Monitoring einsetzbar.
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Neben einer Verwendung einer einzelnen Abgabeeinrichtung können auch mehrere Abgabeeinrichtungen vorgesehen sein, welche auch unterschiedliche Fasern oder faserähnliche Materialien zu dem Materialabgabekopf transportieren. Insbesondere die Kombination aus Kohlenstofffasern und Drähten könnte zur Integration von zusätzlichen Funktionen in ein Bauteil aus einem Faserverbundwerkstoff führen. Hierbei ist anzumerken, dass Drähte nicht unbedingt geflochten werden müssen, sondern auch als einzelne Drähte oder Stränge in das übrige Material eingebettet werden können.
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Der thermoplastische Kunststoff könnte bevorzugt ein hochfester Kunststoff sein, der für die Herstellung von Strukturbauteilen eines Fahrzeugs geeignet ist. Es könnte sich anbieten, Polyetherketonketon (PEKK) oder Polyetheretherketon (PEEK) einzusetzen. Diese Materialien zeichnen sich dadurch aus, dass sie exzellente Eigenschaften in Verbindung mit Verstärkungsfasern, wie etwa Kohlenstofffasern, aufweisen. Damit sind hochfeste Strukturbauteile herstellbar und gleichzeitig sind Reparaturen durch Kunststoffschweißen sehr gut durchführbar. Das erfindungsgemäße System würde sich hierbei daher nicht nur für die originäre Herstellung eines Strukturbauteils anbieten, sondern auch zur Durchführung von Reparaturen bestimmter Strukturbauteile eines Fahrzeugs, wenn sich dies an einem abgelegenen Ort befindet. Über eine entsprechende Datenverbindung könnte folglich ein Datensatz zu einer geometrischen Form des betreffenden Strukturbauteils an das System übertragen werden, um hieraus das erforderliche Ersatzteil herzustellen.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils, aufweisend die kontinuierlich und bevorzugt zeitgleich durchgeführten Schritte des Förderns von außerhalb der Bewegungsvorrichtung bereitgestellten Fasern in einen an der Bewegungsvorrichtung angeordneten Materialabgabekopf durch mindestens eine erste Zufuhrleitung, des Förderns von Kunststoff von mindestens einer außerhalb einer Bewegungsvorrichtung angeordneten Abgaberolle zu dem Materialabgabekopf durch mindestens eine zweite Zufuhrleitung, des Erwärmens des Kunststoffs und der Fasern, des Abgebens eines Gemischs aus geschmolzenem Kunststoff und Fasern aus einer Düse und des Bewegens der Bewegungsvorrichtung zum sukzessiven Auftragen des Gemischs auf ein Formwerkzeug zum Ausbilden des Bauteils.
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Desweiteren kann das Verfahren den Schritt des Kühlens mindestens einen ersten Einlasses für thermoplastischen Kunststoff aufweist. Dadurch kann ein Wärmeeintrag in die entsprechenden Zufuhrleitungen für den Kunststoff verhindert werden.
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Figurenliste
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Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele und den Figuren. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich und in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung auch unabhängig von ihrer Zusammensetzung in den einzelnen Ansprüchen oder deren Rückbezügen. In den Figuren stehen weiterhin gleiche Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Objekte.
- 1 zeigt eine dreidimensionale Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems zum Herstellen eines Bauteils aus einem faserverstärkten Kunststoff.
- 2 zeigt eine schematische Darstellung des Materialabgabekopfs.
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DETAILLIERTE DARSTELLUNG EXEMPLARISCHER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 zeigt ein System 2 in einer dreidimensionalen Darstellung. Das System 2 weist eine multiaxiale Bewegungsvorrichtung 4 auf, die eine Basis 6 und eine durch die Bewegungsvorrichtung 4 bewegbare Halteeinrichtung 8 aufweist. Die Bewegungsvorrichtung 4 ist beispielhaft als ein Roboterarm ausgeführt, der zwei Armglieder 10 und 12 besitzt, die durch Gelenke 14 und 16 miteinander verbunden sind. Die Gelenke 14 und 16 können insbesondere Kugelgelenke sein, so dass die Halteeinrichtung 8 beliebig in allen Raumrichtungen bewegbar ist.
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Die Halteeinrichtung 8 trägt einen Materialabgabekopf 18, welcher eine Düse 20 und eine Reihe von Materialeinlässen 22 aufweist. Diese umfassen etwa einen ersten Einlass 24 für thermoplastischen Kunststoff, einen zweiten Einlass 26 für thermoplastischen Kunststoff und einen Fasereinlass 28 für Fasern.
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Neben der Basis 6 ist eine Abgabeeinrichtung 30 angeordnet, die beispielhaft eine Flechteinrichtung 31 aufweist. Diese besitzt vier Rollen 32 zur Abgabe von Fasern, die durch einen hier nicht dargestellten Mechanismus miteinander verflochten werden. Damit wird ein geflochtener Strang 34 von Fasern bereitgestellt, der über eine erste Zufuhrleitung 36 über den Fasereinlass 28 in den Materialabgabekopf 18 geführt wird. Eine in dem Materialabgabekopf 18 angeordnete erste Fördereinrichtung (nicht dargestellt) ist dazu vorgesehen, den Strang 34 über die erste Zufuhrleitung 36 kontinuierlich in den Materialabgabekopf 18 zu transportieren und aus der Düse 20 abzugeben.
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Des Weiteren sind zwei Abgaberollen 38 und 40 vorgesehen, die thermoplastischen Kunststoff abgeben können und jeweils über eine zweite Zufuhrleitung 42 oder 44 zu dem Materialabgabekopf 18 liefern können. Die zweiten Zufuhrleitungen 42 und 44 sind mit dem ersten Einlass 24 und dem zweiten Einlass 26 verbunden. Der thermoplastische Werkstoff kann einen für das herzustellende Bauteil geeigneten Kunststoff aufweisen, für die Realisierung von hochfesten Strukturbauteilen könnte sich Polyetheretherketon und Polyetherketonketon anbieten.
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An den Einlässen 24 und 26 und unmittelbar in der Nähe des Materialabgabekopfes 18 ist eine Kühleinrichtung 46 angeordnet, durch die sich die zweiten Zufuhrleitungen 42 und 44 erstrecken. Hierdurch kann verhindert werden, dass Wärme einer in dem Materialabgabekopf 18 integrierten Heizeinrichtung in die zweiten Zufuhrleitungen 42 und 44 gerät und dort bereits zum Anschmelzen von Kunststoff führt. Die Kühleinrichtung 46 kann folglich die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Systems erhöhen.
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Der Materialabgabekopf 18 ist dazu eingerichtet, aus einem Strom an Fasern 34 und mindestens einem Strom an aufgeschmolzenem Kunststoff einen Abgabematerialstrom 48 zu erzeugen, der im Wesentlichen ein Gemisch aus den Fasern und dem Kunststoff enthält. Durch den frei bewegbaren Roboterarm 4 kann der Materialabgabekopf 18 praktisch beliebige Flächen überstreichen, um ein faserverstärktes bzw. mit eingebetteten Fasern ausgestattetes Bauteil herzustellen. Die Abwesenheit von sämtlichen Materialabgabeeinrichtungen für den Kunststoff und die Fasern direkt am Materialabgabekopf 18 führt zu einer sehr überschaubaren Größe des Materialabgabekopfes 18, der dadurch auch besser in Engstellen manövriert werden kann und folglich auch komplexe Formen realisieren kann.
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2 zeigt einen schematischen Aufbau des Materialabgabekopfs 18 in einer Schnittdarstellung. Der Materialabgabekopf 18 kann ein Gehäuse 50 aufweisen, an dem der erste Einlass 24, der zweite Einlass 26 und der Fasereinlass 28 angeordnet sind. Exemplarisch ist eine Fördereinrichtung 52 in dem Gehäuse 50 angeordnet und dazu ausgebildet, Fasern aus dem Fasereinlass 28 zu der Düse 20 zu fördern. Gleichzeitig wird der Kunststoff aus dem ersten und zweiten Einlass 24 und 26 in Richtung der Düse 20 gelenkt. Unmittelbar vor der Düse 20 befindet sich eine Heizeinrichtung 54, die dazu ausgebildet ist, den Kunststoff aufzuschmelzen. Hierdurch ergibt sich der Strom 48 aus Fasern und Kunststoff.
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Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass „aufweisend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt, und „ein“ oder „eine“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015104827 A1 [0005]
