DE102018117295A1

DE102018117295A1 - Verfahren zur herstellung eines thermoplastischen teils mittels geschmolzenen filaments mittels induktionsheizung

Info

Publication number: DE102018117295A1
Application number: DE102018117295.8A
Authority: DE
Inventors: Julien P. Mourou; Paul J. Wolcott
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2017-07-18
Filing date: 2018-07-17
Publication date: 2019-01-24
Also published as: CN109263037A; US20190022961A1

Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung eines thermoplastischen Teils mittels geschmolzenen Filaments beinhaltet: Mischen eines Additivmaterials, das mit einem thermoplastischen Material elektrisch leitfähig ist; Bilden eines Filaments, das aus Materialien besteht, die das mit dem Additivmaterial vermischte thermoplastische Material enthalten; Hindurchführen des Filaments durch ein magnetisches Wechselfeld, sodass das Additivmaterial durch das magnetische Wechselfeld erwärmt wird und somit das thermoplastische Material des Filaments erwärmt; und Abscheiden der Materialien des Filaments auf einer zuvor abgeschiedenen Schicht des Teils, um eine neu abgeschiedene Schicht des Teils zu bilden. Das thermoplastische Material in der neu abgeschiedenen Schicht wird ausreichend erwärmt, sodass das thermoplastische Material der neu abgeschiedenen Schicht mit dem thermoplastischen Material der zuvor abgeschiedenen Schicht verschmilzt. Das Verfahren kann beinhalten: Extrudieren der Materialien des Filaments durch eine Düse; und fortfahren, die Materialien des Filaments abzuscheiden, bis das Teil hergestellt ist.

Description

EINLEITUNG
Additive Manufacturing ist ein Bereich von Fertigungsprozessen, der dreidimensionale Teile direkt aus digitalen Daten durch sukzessives Hinzufügen von Materialschichten erzeugt. Additive Manufacturing kann sowohl für Prototypen als auch für Produktionsteile in limitierter Stückzahl eingesetzt werden. Die Herstellung von geschmolzenem Filament ist eine Art eines additiven Fertigungsprozesses. Bei dem Verfahren zur Herstellung von geschmolzenem Filament wird ein thermoplastisches Material durch eine beheizte Düse extrudiert und auf dem zu fertigenden Teil abgeschieden. Diese Offenbarung bezieht sich auf den Typ der Herstellung von geschmolzenem Filament des additiven Fertigungsprozesses.
KURZDARSTELLUNG
Ein Verfahren zur Herstellung eines thermoplastischen Teils mittels geschmolzenen Filaments ist hier offenbart. Das Verfahren beinhaltet das Mischen eines Additivmaterials, das mit einem thermoplastischen Material elektrisch leitend ist; das Bilden eines Filaments aus Materialien, die das mit dem Additivmaterial vermischte thermoplastische Material beinhalten: das Hindurchführen des Filaments durch ein magnetisches Wechselfeld, sodass das Additivmaterial durch das magnetische Wechselfeld erwärmt wird und somit das induktiv erwärmte Additivmaterial das thermoplastische Material des Filaments erwärmt; und das Abscheiden der Materialien des Filaments auf einer zuvor abgeschiedenen Schicht des Teils, um eine neu abgeschiedene Schicht des Teils zu bilden. Das thermoplastische Material in der neu abgeschiedenen Schicht wird ausreichend erwärmt, so dass das thermoplastische Material der neu abgeschiedenen Schicht mit dem thermoplastischen Material der zuvor abgeschiedenen Schicht verschmilzt.
Das Verfahren kann das Erzeugen eines magnetischen Wechselfeldes beinhalten. Das Erzeugen des magnetischen Wechselfeldes kann das Leiten von Wechselstrom durch eine Spule aus elektrisch leitendem Draht beinhalten. Das Hindurchführen des Filaments durch das magnetische Wechselfeld kann das kontinuierliche Zuführen des Filaments durch das magnetische Wechselfeld beinhalten. Das Verfahren kann das Extrudieren der Materialien des Filaments durch eine Düse beinhalten. Das Verfahren kann das fortgesetzte Abscheiden der Materialien des Filaments auf der zuvor abgeschiedenen Schicht beinhalten, um zusätzliche neu abgeschiedene Schichten zu bilden, bis das Teil hergestellt ist.
Die Düse kann so konfiguriert sein, dass sie die Materialien des Filaments auf der zuvor abgeschiedenen Schicht abscheidet, um die neu abgeschiedene Schicht zu bilden. Die Spule aus elektrisch leitendem Draht kann mindestens einen Teil der Düse umgeben, so dass das Filament erwärmt wird, wenn es durch die Düse läuft. Die Düse kann aus einem Material bestehen, das nicht elektrisch leitend ist, so dass die Düse nicht durch das magnetische Wechselfeld erwärmt wird. Die Spule aus elektrisch leitendem Draht kann innerhalb der Düse angeordnet sein.
Das Additivmaterial kann ein ferromagnetisches Material beinhalten. Das Additivmaterial kann ein ferrimagnetisches Material beinhalten. Das Additivmaterial kann Eisen enthalten. Das thermoplastische Material kann eins von Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Polylactid (PLA), Polyetherimid (PEI) und Nylon-Materialien beinhalten.
Das Additivmaterial kann als eine Vielzahl von körnig geformten Teilchen konfiguriert sein, die dazu konfiguriert sind, den thermoplastischen Teil zu verstärken. Das Additivmaterial kann als eine Vielzahl von kurzen Fasern konfiguriert sein, die jeweils eine Länge und eine Breite aufweisen. Die Länge jeder kurzen Faser kann größer als die Breite jeder kurzen Faser sein. Die Vielzahl von kurzen Fasern kann zufällig in dem Filament ausgerichtet sein und kann konfiguriert sein, um den thermoplastischen Teil zu verstärken. Das Filament kann eine Längsachse haben. Das Additivmaterial kann als mindestens ein Draht oder eine kontinuierliche Faser mit einer Längsachse konfiguriert sein. Die Längsachse des mindestens einen Drahts oder der kontinuierlichen Faser kann parallel zur Längsachse des Filaments sein. Der mindestens eine Draht oder die kontinuierliche Faser können so konfiguriert sein, dass sie den thermoplastischen Teil verstärken.
Das Filament kann ferner ein Verstärkungsmaterial beinhalten, das zum Verstärken des thermoplastischen Teils konfiguriert ist. Das Verstärkungsmaterial kann als eine Vielzahl von körnig geformten Teilchen konfiguriert sein. Das Verstärkungsmaterial kann als eine Vielzahl von kurzen Fasern konfiguriert sein, die jeweils eine Länge und eine Breite aufweisen. Die Länge jeder kurzen Faser kann größer als die Breite jeder kurzen Faser sein. Die Vielzahl von kurzen Fasern kann zufällig in dem Filament orientiert sein. Das Verstärkungsmaterial kann als mindestens eine kontinuierliche Faser mit einer Längsachse ausgebildet sein. Die Längsachse der kontinuierlichen Faser kann parallel zur Längsachse des Filaments sein.
Das hier offenbarte Verfahren umfasst das Induktionsheizen des Filaments. Die Induktionserwärmung des Filaments führt zu einer schnelleren und gleichmäßigeren Erwärmung des Filaments von der Innenseite des Filaments. Durch die induktive Erwärmung des Filaments entfällt die Notwendigkeit, die Düse zu erwärmen und Wärme von der Düse auf das Filament zu übertragen. Die induktive Erwärmung des Filaments ermöglicht eine schnellere Erwärmung des Filaments, eine schnellere Herstellung der Teile und einen verringerten Energieverbrauch, verglichen mit der konduktiven Erwärmung des Filaments über eine beheizte Düse, zum Beispiel eine elektrisch widerstandsbeheizte Düse. Diese Offenbarung gilt für die Herstellung eines thermoplastischen Teils mittels geschmolzenen Filaments für ein Fahrzeug, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Autos, Lastwagen, Lieferwagen, Geländefahrzeuge, Busse, Boote, Züge, Flugzeuge, Produktionsfahrzeuge und - ausrüstung, Baufahrzeuge und -ausrüstung, Wartungsfahrzeuge und -ausrüstung usw. Diese Offenbarung betrifft die Herstellung eines thermoplastischen Teils mittels geschmolzenen Filaments für eine Maschine oder Produktion.
Die vorstehend genannten Funktionen und Vorteile sowie andere Funktionen und Vorteile der vorliegenden Offenbarung gehen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der bestmöglichen praktischen Umsetzung der dargestellten Offenbarung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen hervor.
Figurenliste

1 ist eine schematische Querschnittsdarstellung, teilweise im Aufriss, einer exemplarischen Vorrichtung zur Herstellung eines thermoplastischen Teils mittels geschmolzenen Filaments des hier offenbarten Typs, wobei ein Induktionsheizelement innerhalb einer Düse angeordnet ist.
2 ist eine schematische Seitenansichtsdarstellung der exemplarischen Vorrichtung zur Herstellung des thermoplastischen Teils mittels geschmolzenen Filaments von 1, wobei das Induktionsheizelement außerhalb der Düse angeordnet ist.
3 ist ein Flussdiagramm eines exemplarischen Verfahrens zur Herstellung eines thermoplastischen Teils mittels geschmolzenen Filaments einschließlich Induktionserwärmung.
4A ist eine fragmentarische schematische perspektivische Darstellung eines ersten exemplarischen Filaments, das in dem Verfahren von 3 verwendet werden kann, einschließlich elektrisch leitfähiger Additivmaterialteilchen, die mit einem thermoplastischen Material gemischt sind, wobei das thermoplastische Material in Phantomdarstellung gezeigt ist.
4B ist eine schematische Querschnittsdarstellung des exemplarischen Filaments von 4A.
4C ist eine Nahaufnahme der elektrisch leitfähigen Additivmaterialteilchen, die mit dem thermoplastischen Material im Kreis 4C von 4A gemischt sind, wobei das thermoplastische Material in Phantomdarstellung gezeigt ist.
5A ist eine schematische perspektivische Teildarstellung eines zweiten exemplarischen Filaments, das in dem Verfahren von 3 verwendet werden kann, einschließlich elektrisch leitfähiger kurzer Zusatzstofffasern, die mit dem thermoplastischen Material gemischt sind, wobei das thermoplastische Material in Phantomdarstellung gezeigt ist.
5B ist eine schematische Querschnittsdarstellung des exemplarischen Filaments von 5A.
5C ist eine Nahaufnahme der kurzen Fasern aus elektrisch leitfähigem Additivmaterial, die mit dem thermoplastischen Material im Kreis 5C von 5A gemischt sind, wobei das thermoplastische Material in Phantomdarstellung gezeigt ist.
6A ist eine schematische, perspektivische Teildarstellung eines dritten exemplarischen Filaments, das in dem Verfahren von 3 verwendet werden kann, einschließlich mindestens eines elektrisch leitenden Additivmaterialdrahts oder einer Endlosfaser, gemischt mit dem thermoplastischen Material, wobei das thermoplastische Material in Phantomdarstellung gezeigt ist.
6B ist eine schematische Querschnittsdarstellung des exemplarischen Filaments von 6A.
7A ist eine schematische perspektivische Teilansicht eines vierten exemplarischen Filaments, das in dem Verfahren von 3 verwendet werden kann, einschließlich elektrisch leitfähiger Additivmaterialpartikel und Endlos-Verstärkungsfasern, die mit dem thermoplastischen Material gemischt sind, wobei das thermoplastische Material in Phantomdarstellung gezeigt ist.
7B ist eine schematische Querschnittsdarstellung des exemplarischen Filaments von 7A.
7C ist eine Nahaufnahme der elektrisch leitfähigen Additivmaterialteilchen, die mit dem thermoplastischen Material im Kreis 7C von 7A gemischt sind, wobei das thermoplastische Material in Phantomdarstellung gezeigt ist.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Fachleute auf dem Gebiet werden erkennen, dass Begriffe, wie „über“, „unter“, „nach oben“, „nach unten“, „oben“, „unten“ usw. beschreibend für die Figuren verwendet werden und keine Einschränkungen des Umfangs der durch die hinzugefügten Ansprüche definierten Offenbarung darstellen.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Komponenten in den gesamten Ansichten beziehen, zeigen die 1 und 2 eine exemplarische Vorrichtung 10 für ein exemplarisches Verfahren 100 zur Herstellung eines thermoplastischen Teils 12 mittels geschmolzenen Filaments mittels Induktionserwärmung. 3 zeigt ein exemplarisches Ablaufdiagramm des Verfahrens 100 zur Herstellung eines thermoplastischen Teils 12 mittels geschmolzenen Filaments mittels Induktionserwärmung. Die exemplarische Vorrichtung 10 und das exemplarische Verfahren 100 können bei der Herstellung eines thermoplastischen Teils 12 mittels geschmolzenen Filaments für ein Fahrzeug (nicht gezeigt) angewendet werden. Beispielsweise können thermoplastische Teile 12, wie etwa Schalter, Knöpfe, Innenkomponenten und Verkleidungsteile, unter Verwendung der exemplarischen Vorrichtung 10 und des Verfahrens 100 hergestellt werden. Zusätzlich können die exemplarische Vorrichtung 10 und das Verfahren 100 auf die Herstellung eines anderen thermoplastischen Kunststoffteils für eine andere Maschine oder Herstellung angewendet werden.
Unter Bezugnahme auf 1-4C umfasst das Verfahren 100 in Schritt 102 das Mischen eines Additivmaterials 14, das mit einem thermoplastischen Material 16 elektrisch leitend ist. Das Mischen des Additivmaterials 14 mit dem thermoplastischen Material 16 kann zu einer gleichmäßigen Verteilung des Additivmaterials 14 innerhalb des Thermoplasten 16 führen. Das Mischen des Additivmaterials 14 mit dem thermoplastischen Material 16 kann durch eine Vielzahl von Verfahren erreicht werden, wie für den Fachmann ersichtlich ist.
Das Additivmaterial 14 ist ein elektrisch leitendes Material. Das Additivmaterial 14 kann ein ferromagnetisches Material sein. Ein ferromagnetisches Material ist hier als ein Material definiert, das magnetisiert werden kann, um einen Permanentmagneten zu bilden. Beispiele für ferromagnetisches Material beinhalten, sind aber nicht beschränkt auf, Eisen, Nickel, Kobalt und die meisten ihrer Legierungen, einige Verbindungen von Seltenerdmetallen und einige Arten von Magneten. Das Additivmaterial 14 kann ein ferrimagnetisches Material beinhalten. Ein ferrimagnetisches Material wird hierin als ein Material definiert, das Populationen von Atomen mit entgegengesetzten magnetischen Momenten aufweist. Die magnetischen Momente benachbarter Atome weisen in entgegengesetzte Richtungen, wobei sich eine Nettomagnetisierung aufgrund von Unterschieden in den Größen der entgegengesetzten Momente ergibt. Beispiele für ferrimagnetische Materialien beinhalten Ferrite, magnetische Granate und Magnetit, sind aber nicht darauf beschränkt. Das Additivmaterial 14 kann ein Metall enthalten. Das Additivmaterial 14 kann Eisen enthalten.
Das thermoplastische Material 16 kann Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Polylactid (PLA), Polyetherimid (PEI) und Nylon-Materialien beinhalten. Das thermoplastische Material 16 kann ein anderes thermoplastisches Material sein, wie es für die Anforderungen des herzustellenden Teils 12 geeignet ist. Ein thermoplastisches Material oder Thermoplast ist hierin als ein Material definiert, das beim Erhitzen weich wird und beim Abkühlen ohne merkliche Änderung der Eigenschaften wieder aushärtet. Ein thermoplastisches Teil 12 ist hierin als ein Teil definiert, der aus Materialien hergestellt ist, die ein thermoplastisches Material beinhalten. Das thermoplastische Teil 12 kann ferner andere Materialien beinhalten, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Füllmaterialien, Verstärkungsmaterialien, Pigmentmaterialien und andere Materialien, die die Materialeigenschaften des thermoplastischen Materials 16 in dem thermoplastischen Teil 12 verändern, modifizieren und/oder verbessern.
Das Verfahren 100 umfasst in Schritt 104 das Bilden eines Filaments 18, das aus Materialien hergestellt ist, die das thermoplastische Material 16 enthalten, das mit dem Additivmaterial 14 gemischt ist. Unter Bezugnahme auf die 7A und 7B kann das Filament 18 ferner ein Verstärkungsmaterial 20 beinhalten. Das Filament 18 hat eine Filamentlängsachse (Achse FA) und kann einen Filamentdurchmesser 19 senkrecht zur Filamentlängsachse (Achse FA) aufweisen. Das Verstärkungsmaterial 20 kann konfiguriert sein, um den thermoplastischen Teil 12 zu verstärken, um die Festigkeit, Steifheit und/oder andere Materialeigenschaften des thermoplastischen Materials 16 des thermoplastischen Teils 12 zu verbessern. Das Verstärkungsmaterial 20 kann das gleiche Material wie das Additivmaterial 14 sein oder kann alternativ ein anderes Material als das Additivmaterial 14 sein. Das Verstärkungsmaterial 20 kann eins von einem Glasmaterial, einem Kohlenstoffmaterial und einem Metallmaterial sein.
Unter erneuter Bezugnahme auf 1-4C kann die Bildung des Filaments 18 durch Verfahren erreicht werden, die für den Fachmann offensichtlich sind. Das Filament 18 kann auf einer Spule 22 gespeichert sein. Das Filament 18 kann von der Spule 22 entfernt oder abgewickelt werden, wie es in dem Verfahren 100 benötigt wird.
Das Verfahren 100 kann in Schritt 106 das Erzeugen eines magnetischen Wechselfelds (nicht gezeigt) beinhalten. Das Erzeugen des magnetischen Wechselfelds kann das Durchleiten eines elektrischen Wechselstroms (nicht gezeigt) durch ein Induktionsheizelement 24 beinhalten. Das Induktionsheizelement 24 kann eine Spule 26 aus elektrisch leitendem Draht 28 beinhalten. Die Spule 26 des elektrisch leitenden Drahts 28 kann das magnetische Wechselfeld innerhalb der Spule 26 erzeugen und die Spule 26 umgeben, wenn der alternative elektrische Strom durch die Spule 26 des elektrisch leitenden Drahtes 28 geleitet wird. Das Erzeugen des magnetischen Wechselfeldes kann durch die Verwendung von anderen Arten und Konfigurationen von Induktionsheizelementen 24 erreicht werden, wie für den Fachmann ersichtlich ist.
Das Verfahren 100 umfasst in Schritt 108 das Hindurchführen des Filaments 18 durch das magnetische Wechselfeld, so dass das Additivmaterial 14 durch das magnetische Wechselfeld induktiv erwärmt wird und somit das induktiv erwärmte Additivmaterial 14 die Materialien 14, 16, 20 des Filaments 18 schnell und gleichmäßig von der Innenseite des Filaments 18 her erwärmt. Die gleichförmige Verteilung des Additivmaterials 14 innerhalb des thermoplastischen Materials 16 kann das thermoplastische Material 16 gleichmäßig erwärmen, wenn das Filament 18 durch das Wechselfeld geführt wird und das Additivmaterial 14 induktiv erwärmt wird. Das Hindurchführen des Fadens 18 durch das magnetische Wechselfeld kann das kontinuierliche Zuführen des Fadens 18 in einer Zuführungsrichtung (Pfeil F) durch das magnetische Wechselfeld beinhalten.
Eine induktive Erwärmung des Filaments 18 kann eine Erwärmung der Düse 30 beispielsweise durch Widerstandserwärmung eliminieren. Die induktive Erwärmung des Filaments 18 kann die Wärmeleitung von der Düse 30 zu dem Filament 18 und innerhalb des Filaments 18 eliminieren. Die induktive Erwärmung des Filaments 18 kann das Filament 18 schneller und gleichmäßiger erwärmen als die konduktive Erwärmung des Filaments 18, indem die Wärmeübertragung von der Düse 30 auf das Filament 18 und innerhalb des Filaments 18 verhindert wird. Die induktive Erwärmung des Filaments 18 kann eine schnellere Teileherstellung im Vergleich zu einer konduktiven Erwärmung des Filaments 18 aufgrund der schnelleren und gleichmäßigeren Erwärmung des Filaments 18 ermöglichen. Die induktive Erwärmung des Filaments 18 kann den Energieverbrauch im Vergleich zu einer konduktiven Erwärmung des Filaments 18 reduzieren, indem die Erwärmung der Düse 30 und damit Wärmeverluste der Düse 30 beseitigt werden und die Wärmeleitung der Düse 30 nicht mehr zu dem Filament 18 und innerhalb des Filaments 18 übertragen wird.
Das Verfahren 100 kann in Schritt 110 das Extrudieren der Materialien 14, 16, 20 des Filaments 18 durch eine Düse 30 beinhalten. Das Extrudieren 110 kann mit einem Extruder 32 durchgeführt werden. Der Extruder 32 kann einen Antriebsmechanismus 34, ein Zuführrohr 36, die Düse 30 und das Induktionsheizelement 24 beinhalten.
Der Antriebsmechanismus 34 kann ein oder mehrere Antriebsräder 38 beinhalten, die von einem Motor (nicht gezeigt) angetrieben werden und dazu konfiguriert sind, das Filament 18 durch Zug in das Zufuhrrohr 36 und die Düse 30 zu drücken. Die Antriebsräder 38 können je nach Bedarf in einer Drehrichtung im Uhrzeigersinn (Pfeil CR) oder in einer Drehrichtung im Gegenuhrzeigersinn (Pfeil CCR) gedreht werden, um den Faden 18 durch Zug in Vorschubrichtung (Pfeil F) in das Zuführrohr 36 und die Düse 30 zu drücken. Das Zufuhrrohr 36 kann so konfiguriert sein, dass es das Filament 18 umgibt und zu der und in die Düse 30 führt.
Die Düse 30 kann eine Eintrittsöffnung 39 mit einem Eintrittsöffnungsdurchmesser 41 und einer Austrittsöffnung 40 und eine Austrittsöffnung 40 mit einem Austrittsöffnungsdurchmesser 43 bilden. Der Durchmesser 41 der Eintrittsöffnung 39 kann gleich dem Durchmesser 19 des Filaments 18 sein. Der Durchmesser 41 der Eintrittsöffnung 39 kann größer sein als der Durchmesser 43 der Austrittsöffnung 40, wie gezeigt. Die Düse 30 kann eine Übergangszone 42 beinhalten, wo der Übergang zwischen dem Durchmesser 41 der Eintrittsöffnung 39 und dem Durchmesser 43 der Austrittsöffnung 40 auftritt. Alternativ kann der Durchmesser 41 der Eintrittsöffnung 39 derselbe wie der Durchmesser 43 der Austrittsöffnung 40 sein.
Das Filament 18 kann sich an der Eintrittsöffnung 39 der Düse 30 in einem festen oder nicht erwärmten Zustand 44 befinden. Das Filament 18 kann sich in einem erweichten oder erwärmten Zustand 46 an der Austrittsöffnung 40 der Düse 30 befinden. Das thermoplastische Material 16 des erweichten oder erwärmten Zustands 46 des Filaments 18 ist weicher als das thermoplastische Material 16 des festen oder unbeheizten Zustands 44 des Filaments 18. Das thermoplastische Material 16 des Filaments 18 im erweichten oder erwärmten Zustand 46 kann ausreichend weich gemacht werden, so dass ein erweichter Wulst 48 der Materialien 14, 16, 20 des Filaments aus der Austrittsöffnung 40 der Düse 30 austritt.
Das Induktionsheizelement 24 kann in der Düse 30 angeordnet sein, wie in 1 gezeigt. Die Spule 26 des elektrisch leitenden Drahtes 28 kann in der Düse 30 angeordnet sein, sodass das Filament 18 von dem festen oder unerwärmten Zustand 44 in den erweichten oder erwärmten Zustand 46 erwärmt wird, wenn es durch die Düse 30 hindurchtritt. Alternativ kann das Induktionsheizelement 24 außerhalb der Düse 30 angeordnet sein, wie in 2 gezeigt. Die Spule 26 des elektrisch leitenden Drahts 28 kann mindestens einen Teil der Düse 30 derart umgeben, dass das Filament 18 erwärmt wird, wenn es durch die Düse 30 hindurchtritt.
Unter erneuter Bezugnahme auf 1-4C gezeigt, kann die Düse 30 aus einem Material bestehen, das nicht elektrisch leitend ist, so dass die Düse 30 nicht durch das magnetische Wechselfeld erwärmt wird. Die Düse 30 kann aus einem Material bestehen, das kein ferromagnetisches oder ferrimagnetisches Material ist. Das Induktionsheizelement 24 kann konfiguriert sein, um das Filament 18 zu erwärmen, wenn das Filament 18 durch die Düse 30 hindurchtritt. Das Induktionsheizelement 24 kann so konfiguriert sein, dass es das Filament 18 erwärmt, wenn es durch die Übergangszone 42 der Düse 30 durchtritt. Das Induktionsheizelement 24 kann konfiguriert sein, um das Filament 18 nicht zu erhitzen, bis das Filament 18 in die Übergangszone 42 der Düse 30 eintritt.
Das Verfahren 100 umfasst in Schritt 112 das Abscheiden der Materialien 14, 16, 20 des Filaments 18 auf einer zuvor abgeschiedenen Schicht 50 des thermoplastischen Teils 12, um eine neu abgeschiedene Schicht 52 des thermoplastischen Teils 12 zu bilden. Das thermoplastische Material 16 in der neu abgeschiedenen Schicht 52 wird ausreichend erwärmt, so dass das thermoplastische Material 16 der neu abgeschiedenen Schicht 52 mit dem thermoplastischen Material 16 der zuvor abgeschiedenen Schicht 50 verschmilzt und eine verschmolzene Befestigung 54 zwischen der zuvor abgeschiedenen Schicht 50 und der neu abgeschiedene Schicht 52 bildet.
Das thermoplastische Material 16 in der neu abgeschiedenen Schicht 52 kann ausreichend erwärmt werden, so dass das thermoplastische Material 16 der neu abgeschiedenen Schicht 52 sowohl mit dem thermoplastischen Material 16 der zuvor abgeschiedenen Schicht 50 als auch mit dem thermoplastischen Material 16 eines zuvor abgeschiedenen Tropfens verschmilzt oder die Reihe 56 der neu abgeschiedenen Schicht 52 bildet eine verschmolzene Befestigung 54 sowohl mit der zuvor abgeschiedenen Schicht 50 als auch mit der zuvor abgeschiedenen Reihe 56 der neu abgeschiedenen Schicht 52. Verschmelzen ist hier definiert als ein Zusammenfügen oder Verbinden zu einem Ganzen durch Zusammenschmelzen. Die Düse 30 und die Austrittsöffnung 40 können so konfiguriert sein, dass sie die Materialien 14, 16, 20 des Filaments 18 auf der zuvor abgeschiedenen Schicht 50 abscheiden, um die neu abgeschiedene Schicht 52 zu bilden.
Das Verfahren 100 kann bei Schritt 114 das weitere Abscheiden der Materialien 14, 16, 20 des Filaments 18 auf der zuvor abgeschiedenen Schicht 50 beinhalten, um zusätzliche neu abgeschiedene Schichten 52 zu bilden, bis das thermoplastische Teil 12 hergestellt oder fertiggestellt ist.
Der thermoplastische Teil 12 kann während der Ausführung des Verfahrens 100 zur Herstellung eines geschmolzenen Filaments eines thermoplastischen Teils 12 mittels Induktionsheizung mit einem Teilträger 58 verbunden sein. Eine erste Schicht 59 des thermoplastischen Teils 12 kann auf dem Teileträger 58 abgeschieden sein. Der Teileträger 58 und/oder der Extruder 32 können sich während der Ausführung des Verfahrens 100 gegebenenfalls relativ zueinander bewegen.
Bezugnehmend nun speziell auf die 4A-4C, kann das Additivmaterial 14 als eine Vielzahl von körnig geformten Partikeln 60 konfiguriert sein zum Verstärken des thermoplastischen Teils 12. Unter Bezugnahme auf 5A-5C kann das Additivmaterial 14 als eine Vielzahl von kurzen Fasern 62 konfiguriert sein, die jeweils eine Länge 64 und eine Breite 66 aufweisen. Die Länge 64 jeder kurzen Faser 62 kann größer als die Breite 66 jeder kurzen Faser 62 sein. Die Vielzahl von kurzen Fasern 62 kann zufällig in dem Filament 18 ausgerichtet sein und kann konfiguriert sein, um den thermoplastischen Teil 12 zu verstärken.
Unter Bezugnahme auf 6A und 6B kann das Additivmaterial 14 als wenigstens ein kontinuierlicher Draht oder eine kontinuierliche Faser 68 mit einer Faserlängsachse (Achse AFA) eines Additivmaterials konfiguriert sein. Die Additivmaterialfaser-Längsachse (Achse AFA) der mindestens einen Endlosfaser 68 kann parallel zur Filamentlängsachse (Achse FA) des Filaments 18 sein. Die Faserlängsachse des Additivmaterials (Achse AFA) der mindestens einen Endlosfaser 68 kann wie gezeigt mit der Filamentlängsachse (Achse FA) zusammenfallen. Die mindestens eine Endlosfaser 68 kann konfiguriert sein, um den thermoplastischen Teil 12 zu verstärken.
Unter Bezugnahme auf 7A-7C kann das Filament 18 sowohl das Additivmaterial 14 als auch das Verstärkungsmaterial 20 beinhalten. Das Verstärkungsmaterial 20 kann als mindestens eine kontinuierliche Faser 70 mit einer Verstärkungsmaterialfaser-Längsachse (Achse RFA) konfiguriert sein. Die Verstärkungsmaterialfaser-Längsachse (Achse RFA) der Endlosfaser 70 kann parallel zur Filamentlängsachse (Achse FA) des Filaments 18 sein. Die Verstärkungsmaterialfaser-Längsachse (Achse RFA) der mindestens einen Endlosfaser 70 kann mit der Filamentlängsachse (Achse FA) zusammenfallen.
Es sollte erkannt werden, dass die körnigen geformten Teilchen 60, die kurzen Fasern 62 und die kontinuierlichen Fasern 68 des Additivmaterials 14 mit körnigen geformten Teilchen (nicht gezeigt), kurzen Fasern (nicht gezeigt) oder den kontinuierlichen Fasern 70 des Verstärkungsmaterials 20 in dem Filament 18 kombiniert sein können. Beispielsweise kann das Additivmaterial 14 als die körnig geformten Teilchen 60 konfiguriert sein und das Verstärkungsmaterial 20 kann als körnige geformte Teilchen konfiguriert sein. In einem anderen Beispiel kann das Additivmaterial 14 als die körnig geformten Teilchen 60 konfiguriert sein und das Verstärkungsmaterial 20 kann als kurze Fasern konfiguriert sein, die jeweils eine Länge und eine Breite aufweisen. Die Länge jeder kurzen Faser des Verstärkungsmaterials 20 kann größer als die Breite jeder kurzen Faser des Verstärkungsmaterials 20 sein. Die Vielzahl von kurzen Fasern des Verstärkungsmaterials 20 kann zufällig in dem Filament 18 ausgerichtet sein.
Das Filament 18 und die hier beschriebenen Öffnungen 39, 40 sind so gezeigt, dass sie eine kreisförmige oder runde Querschnittsform senkrecht zu der Filamentlängsachse (Achse FA) aufweisen. Es sollte jedoch beachtet werden, dass die Querschnittsform des Filaments 18 und der Öffnungen 39, 40 sich von der hierin gezeigten und beschriebenen exemplarischen kreisförmigen oder runden Querschnittsform unterscheiden können.
Während die besten Arten der Ausführung der Offenbarung ausführlich beschrieben wurden, werden die mit der hier beschriebenen Technik vertrauten Fachleute diverse alternative Ausgestaltungen und Ausführungen erkennen, mit denen die Offenbarung im Rahmen der nachfolgend aufgeführten Patentansprüche ausgeführt werden kann.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines thermoplastischen Teils mittels geschmolzenen Filaments, umfassend: das Mischen eines Additivmaterials, das mit einem thermoplastischen Material elektrisch leitend ist; das Bilden eines Filaments aus Materialien, die das mit dem Additivmaterial vermischte thermoplastische Material enthalten; das Führen des Filaments durch ein magnetisches Wechselfeld, so dass das Additivmaterial durch das magnetische Wechselfeld induktiv erwärmt wird und somit das thermoplastische Material des Filaments erwärmt; und das Ablagern der Materialien des Filaments auf einer zuvor abgeschiedenen Schicht des Teils, um eine neu abgeschiedene Schicht des Teils zu bilden; und worin das thermoplastische Material in der neu abgeschiedenen Schicht ausreichend erwärmt wird, sodass das thermoplastische Material der neu abgeschiedenen Schicht mit dem thermoplastischen Material der zuvor abgeschiedenen Schicht verschmilzt.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das Extrudieren der Materialien des Filaments durch eine Düse; worin die Düse so konfiguriert ist, dass sie die Materialien des Filaments auf der zuvor abgeschiedenen Schicht abscheidet, um die neu abgeschiedene Schicht zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend das fortgesetzte Abscheiden der Materialien des Filaments auf der zuvor abgeschiedenen Schicht, um zusätzliche neu abgeschiedene Schichten zu bilden, bis das Teil hergestellt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Additivmaterial ein ferromagnetisches Material beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Additivmaterial ein ferrimagnetisches Material beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Additivmaterial als eine Vielzahl von körnig geformten Teilchen ausgebildet ist, die dazu konfiguriert sind, den thermoplastischen Teil zu verstärken.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Additivmaterial als eine Vielzahl von Fasern ausgebildet ist, die jeweils eine Länge und eine Breite aufweisen; worin die Länge jeder Faser größer ist als die Breite jeder Faser; und worin die Vielzahl von Fasern zufällig in dem Filament ausgerichtet sind und dazu konfiguriert sind, das thermoplastische Teil zu verstärken.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Filament eine Längsachse aufweist; worin das Additivmaterial als mindestens eine kontinuierliche Faser mit einer Längsachse konfiguriert ist; worin die Längsachse der kontinuierlichen Faser parallel zu der Längsachse des Filaments ist; und worin die mindestens eine kontinuierliche Faser dazu konfiguriert ist, den thermoplastischen Teil zu verstärken.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Filament ferner ein Verstärkungsmaterial enthält, das zum Verstärken des thermoplastischen Teils konfiguriert ist.
Verfahren zur Herstellung eines thermoplastischen Teils mittels geschmolzenen Filaments, umfassend: das Mischen eines Additivmaterials, das mit einem thermoplastischen Material elektrisch leitend ist; das Bilden eines Filaments aus Materialien, die das mit dem Additivmaterial vermischte thermoplastische Material enthalten; das Erzeugen eines magnetischen Wechselfeldes; das Hindurchführen des Filaments durch das magnetische Wechselfeld, sodass das Additivmaterial durch das magnetische Wechselfeld induktiv erwärmt wird und somit das thermoplastische Material des Filaments erwärmt wird; das Extrudieren der Materialien des Filaments durch eine Düse; das Ablagern der Materialien des Filaments auf einer zuvor abgeschiedenen Schicht des Teils, um eine neu abgeschiedene Schicht des Teils zu bilden; und das Fortsetzen des Abscheidens der Materialien des Filaments auf der zuvor abgeschiedenen Schicht, um zusätzliche neu abgeschiedene Schichten zu bilden, bis das Teil hergestellt ist; worin das Zusatzmaterial eines von einem ferromagnetischen Material und einem ferrimagnetischen Material beinhaltet; worin das Hindurchführen des Filaments durch das magnetische Wechselfeld ein kontinuierliches Zuführen des Filaments durch das magnetische Wechselfeld beinhaltet; und worin das thermoplastische Material in der neu abgeschiedenen Schicht ausreichend erwärmt wird, sodass das thermoplastische Material der neu abgeschiedenen Schicht mit dem thermoplastischen Material der zuvor abgeschiedenen Schicht verschmilzt.