DE102018119751A1 - Method and system for producing a hybrid component - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Verfahren zum Herstellen eines Hybrid-Bauteils bereitgestellt, bei dem an einem Werkstückträger (12) durch mindestens einen Tape-Leger (16) über Tape-Legen eine Tape-Substrat-Lage (14) hergestellt wird und anschließend auf der Tape-Substrat-Lage (14) bei an dem Werkstückhalter (12) angeordneter Tape-Substrat-Lage (14) über mindestens einen 3D-Druckkopf (20) eine Struktur (36) durch additives Auftragen auf der Tape-Substrat-Lage (14) hergestellt wird.The invention relates to a method for producing a hybrid component, in which a tape substrate layer (14) is produced on a workpiece carrier (12) by at least one tape layer (16) by means of tape laying and then on the tape Substrate layer (14) with a tape substrate layer (14) arranged on the workpiece holder (12) via at least one 3D print head (20), a structure (36) is produced by additive application to the tape substrate layer (14) becomes.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Hybrid-Bauteils.The invention relates to a method for producing a hybrid component.
Die Erfindung betrifft ferner eine Anlage zur Herstellung eines Bauteils.The invention further relates to a system for producing a component.
Aus der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit dem sich Hybrid-Bauteile auf einfache Weise automatisiert herstellen lassen.The invention has for its object to provide a method of the type mentioned, with which hybrid components can be easily automated.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass an einem Werkstückträger durch mindestens einen Tape-Leger über Tape-Legen eine Substrat-Tape-Lage hergestellt wird und anschließend auf der Substrat-Tape-Lage bei an dem Werkstückhalter angeordneten Substrat-Tape-Lage über mindestens einen 3D-Druckkopf eine Struktur durch additives Auftragen auf der Substrat-Tape-Lage hergestellt wird.This object is achieved according to the invention in the method mentioned at the outset in that a substrate tape layer is produced on a workpiece carrier by at least one tape layer by tape laying and then on the substrate tape layer with substrate arranged on the workpiece holder. Tape layer is produced via at least one 3D print head a structure by additive application to the substrate tape layer.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung erfolgt die Herstellung einer flächigen Struktur über Tape-Laminate und die Herstellung einer Struktur auf der Substrat-Tape-Lage an der gleichen Anlage ohne Entfernung des Werkstücks von dem Werkstückträger, das heißt ohne Umsetzung des Werkstücks.In the solution according to the invention, the production of a flat structure takes place via tape laminates and the production of a structure on the substrate-tape layer on the same system without removing the workpiece from the workpiece carrier, that is to say without converting the workpiece.
Es lassen sich so Hybrid-Bauteile auf automatisierte Weise herstellen, welche insbesondere komplex, hochintegrativ und individuell sind. Beispielsweise lassen sich hohe Anforderungen an die Steifigkeit und Festigkeit erfüllen, indem Verstärkungselemente insbesondere in die Struktur integriert werden, wobei diese über 3D-Drucken hergestellt wird. Es lassen sich Leichtbauteile herstellen; die Hybrid-Bauteile lassen sich beispielsweise bezüglich Form und Topologie optimieren. Es lässt sich so auf einfache Weise ein Hybrid-Bauteil an einen eintretenden Lastfall anpassen. Es lassen sich auch komplexere Geometrien insbesondere über das 3D-Drucken mittels des mindestens einen 3D-Druckkopfs realisieren.In this way, hybrid components can be produced in an automated manner, which are particularly complex, highly integrative and individual. For example, high demands on rigidity and strength can be met by integrating reinforcement elements in particular into the structure, which is produced using 3D printing. Light components can be manufactured; the hybrid components can be optimized in terms of shape and topology, for example. In this way, a hybrid component can be easily adapted to an occurring load case. More complex geometries can also be realized, in particular via 3D printing using the at least one 3D printing head.
Grundsätzlich kann dabei die hergestellte Substrat-Tape-Lage Unterlagen umfassen und mehrschichtig ausgebildet sein.In principle, the substrate tape layer produced can include underlays and be of a multi-layer design.
Bei einer Ausführungsform wird auf der Struktur über mindestens einen Tape-Leger über Tape-Legen eine Deck-Tape-Lage hergestellt. Es lässt sich dadurch eine Abfolge von Tape-Lage-Struktur-Tape-Lage erreichen. Grundsätzlich kann dabei in Teilbereichen die Deck-Tape-Lage auch mit der Substrat-Tape-Lage verbunden sein. Es lassen sich so beispielsweise auf einfache Weise Sandwichstrukturen herstellen.In one embodiment, a cover tape layer is produced on the structure by means of at least one tape layer via tape layers. A sequence of tape-layer-structure-tape-layers can thereby be achieved. In principle, the cover tape layer can also be connected to the substrate tape layer in partial areas. For example, sandwich structures can be produced in a simple manner.
Es ist dabei insbesondere vorgesehen, dass bei Herstellung der Deck-Tape-Lage die Kombination aus der Struktur und der Substrat-Tape-Lage an dem Werkstückträger angeordnet ist und insbesondere an dem Werkstückträger verbleibt, das heißt nicht umgesetzt wird. Es ergibt sich so ein einfacher Herstellungsprozess, welcher sich insbesondere automatisiert durchführen lässt.In particular, it is provided that when the cover tape layer is produced, the combination of the structure and the substrate tape layer is arranged on the workpiece carrier and in particular remains on the workpiece carrier, that is to say is not implemented. This results in a simple manufacturing process, which can be carried out in particular in an automated manner.
Es kann ferner vorgesehen sein, dass die Deck-Tape-Lage als Substrat-Tape-Lage für eine weitere über 3D-Druck aufgetragene Struktur verwendet wird. Es lässt sich so ein Hybrid-Bauteil mit einer Art Schichtenaufbau herstellen, welches optimiert an einen Anwendungsfall angepasst werden kann.It can further be provided that the cover tape layer is used as a substrate tape layer for a further structure applied via 3D printing. In this way, a hybrid component with a type of layer structure can be produced, which can be optimally adapted to an application.
Insbesondere verarbeitet der mindestens eine Tape-Leger ein faserverstärktes Kunststoffband, welches insbesondere mit einem Harzmaterial imprägniert sein kann. Es lässt sich so insbesondere eine flächige Laminatstruktur herstellen.In particular, the at least one tape layer processes a fiber-reinforced plastic tape, which in particular can be impregnated with a resin material. In particular, a flat laminate structure can be produced in this way.
Insbesondere wird die Struktur durch 3D-Druck eines 3D-druckfähigen Materials wie beispielsweise eines thermoplastischen Materials hergestellt. Es lässt sich so auf einfache Weise und optimierte Weise ein Hybrid-Bauteil mit optimierter Anpassung an eine Anwendung herstellen.In particular, the structure is produced by 3D printing a 3D printable material such as a thermoplastic material. In this way, a hybrid component with optimized adaptation to an application can be produced in a simple and optimized manner.
Es kann dabei vorgesehen sein, dass vor und/oder bei dem 3D-Druck die Substrat-Tape-Lage oder eine Tape-Lage erhitzt wird. Dadurch lässt sich eine gute Verbindung zwischen den Materialien erreichen.It can be provided that the substrate tape layer or a tape layer is heated before and / or during 3D printing. This enables a good connection between the materials to be achieved.
Insbesondere wird die Substrat-Tape-Lage so erhitzt, dass an ihrer Oberfläche eine Temperatur im Bereich zwischen 260°C und 400°C vorliegt. Dadurch ergibt sich eine optimierte Verbindung zwischen Substrat-Tape-Lage bzw. Tape-Lage und Struktur.In particular, the substrate tape layer is heated in such a way that its surface has a temperature in the range between 260 ° C. and 400 ° C. This results in an optimized connection between the substrate-tape layer or tape layer and structure.
Es ist dabei möglich, dass die Substrat-Tape-Lage oder eine Tape-Lage auf ihrer ganzen zu bedruckenden Fläche erhitzt wird (beispielsweise über ein oder mehrere Infrarotstrahler), oder lokal an einer Fügezone erhitzt wird, beispielsweise über eine Heißluftquelle oder Laserquelle. Es lässt sich so angepasst an das herzustellende Hybrid-Bauteil eine optimierte Verbindung zwischen einer Tape-Lage und einer Struktur erreichen.It is possible that the substrate tape layer or a tape layer is heated over its entire surface to be printed (for example via one or more infrared emitters), or locally at a joining zone, for example via a hot air source or laser source. In this way, an optimized connection between a tape layer and a structure can be achieved, adapted to the hybrid component to be produced.
Insbesondere wird das Hybrid-Bauteil an dem Werkstückträger sukzessive durch Tape-Legen und 3D-Druck hergestellt, wobei insbesondere das Werkstück während des Herstellungsprozesses nicht von dem Werkstückträger entnommen wird. Dadurch ergibt sich auf einfache eine automatisierbare Durchführbarkeit des Herstellungsverfahrens. In particular, the hybrid component is successively manufactured on the workpiece carrier by tape laying and 3D printing, the workpiece in particular not being removed from the workpiece carrier during the manufacturing process. This results in a simple, automatable feasibility of the manufacturing process.
Insbesondere ist oder umfasst die über 3D-Druck hergestellte Struktur mindestens eines der Folgenden: einen Sandwich-Kern, eine Leitung für Stofftransport und/oder eine Leitung für einen elektrischen Stromtransport, ein Anbindungselement, ein Insert, ein Krafteinleitungselement, ein Verstärkungselement, ein Versteifungselement. Es lässt sich so eine Optimierung des entsprechenden Hybrid-Bauteils angepasst an eine Anwendung erreichen. In particular, the structure produced by 3D printing is or comprises at least one of the following: a sandwich core, a line for mass transport and / or a line for electrical current transport, a connecting element, an insert, a force introduction element, a reinforcing element, a stiffening element. In this way, optimization of the corresponding hybrid component can be achieved, adapted to an application.
Bei einer Ausführungsform weist der Werkstückträger als Werkzeug für die Ablage von Tapes eine gekrümmte Oberfläche auf, wenn das entsprechende herzustellende Hybrid-Bauteil eine gekrümmte Oberfläche aufweisen soll.In one embodiment, the workpiece carrier has a curved surface as a tool for storing tapes if the corresponding hybrid component to be produced is to have a curved surface.
Erfindungsgemäß wird eine Anlage der eingangs genannten Art bereitgestellt, welche mindestens einen Werkstückträger, mindestens einen Tape-Leger und mindestens einen 3D-Druckkopf umfasst, wobei der Werkstückträger ein Werkstückträger für Tape-Legen durch den mindestens einen Tape-Leger ist und für die Herstellung einer Struktur auf einer Tape-Lage ist.According to the invention, a system of the type mentioned is provided which comprises at least one workpiece carrier, at least one tape layer and at least one 3D printing head, the workpiece carrier being a workpiece carrier for tape laying by the at least one tape layer and for the production of a Structure on a tape layer.
Auf dem gleichen Werkstückträger lässt sich dadurch ohne Umsetzen eines Werkstücks eine oder mehrere Tape-Lagen und eine oder mehrere Strukturen herstellen.This means that one or more layers of tape and one or more structures can be produced on the same workpiece carrier without moving a workpiece.
Insbesondere lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren mit der erfindungsgemäßen Anlage durchführen bzw. die erfindungsgemäße Anlage lässt sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betreiben.In particular, the method according to the invention can be carried out with the system according to the invention or the system according to the invention can be operated with the method according to the invention.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Anlage wurden bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erläutert.Advantageous embodiments of the system according to the invention have already been explained in connection with the method according to the invention.
Insbesondere umfasst die Anlage eine Heizeinrichtung zur Heizung einer Tape-Lage und das Aufbringen einer Struktur durch 3D-Druck über den mindestens einen 3D-Druckkopf. Dadurch lässt sich eine gute Materialverbindung erreichen.In particular, the system comprises a heating device for heating a tape layer and the application of a structure by 3D printing via the at least one 3D printing head. This enables a good material connection to be achieved.
Günstig ist es, wenn der mindestens eine Tape-Leger und der mindestens eine Werkstückträger relativ zueinander beweglich sind. Dadurch lässt sich auf einfache Weise ein flächiges Laminatgebilde herstellen.It is expedient if the at least one tape layer and the at least one workpiece carrier are movable relative to one another. This enables a flat laminate structure to be produced in a simple manner.
Ferner günstig ist es, wenn der mindestens eine 3D-Druckkopf und der mindestens eine Werkstückträger relativ zueinander beweglich sind und insbesondere in mindestens drei Achsen zueinander beweglich sind. Dadurch lassen sich definierte Strukturen in allen drei Raumrichtungen erzeugen.It is also expedient if the at least one 3D print head and the at least one workpiece carrier are movable relative to one another and in particular are movable relative to one another in at least three axes. This enables defined structures to be created in all three spatial directions.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Anlage zur Herstellung eines Hybrid-Bauteils; -
2 eine schematische Teildarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Anlage zur Herstellung eines Hybrid-Bauteils; -
3 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines hergestellten Hybrid-Bauteils; -
4 eine schematische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Hybrid-Bauteils; und -
5 eine weitere schematische Darstellung eines Hybrid-Bauteils.
-
1 a schematic representation of a first embodiment of a system for producing a hybrid component; -
2 a schematic partial representation of a second embodiment of a system for producing a hybrid component; -
3 a schematic view of an embodiment of a manufactured hybrid component; -
4 a schematic view of a further embodiment of a hybrid component; and -
5 another schematic representation of a hybrid component.
Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anlage zur Herstellung eines Hybrid-Bauteils, welches in
Die Tape-Substrat-Lage
Der Werkstückhalter
Zur Herstellung der Tape-Substrat-Lage
Es ist dabei grundsätzlich möglich, dass die Anlage
Die abgelegten Tapes sind insbesondere faserverstärkte Kunststoffbänder; diese Tapes können dabei vorimprägniert sein, insbesondere mit einem Harzmaterial. The tapes are in particular fiber-reinforced plastic tapes; these tapes can be pre-impregnated, in particular with a resin material.
Der Werkstückhalter
Nach Herstellung der Tape-Substrat-Lage
Zur Herstellung der Struktur ist (mindestens) ein 3D-Druckkopf 20 vorgesehen.A
Dieser ist beispielsweise in einem Gehäuse
Bei einem Ausführungsbeispiel wird das Gehäuse
Die Struktur auf der Tape-Substrat-Lage
Dieses Material kann teilkristallin oder amorph sein.This material can be semi-crystalline or amorphous.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist es vorgesehen, dass eine Oberfläche
Es lässt sich dadurch die Verbindung der Struktur, welche über 3D-Drucken auf der Tape-Substrat-Lage
Es ist eine entsprechende Heizeinrichtung
Beispielsweise umfasst die Heizeinrichtung
Bei einer alternativen Ausführungsform (
Bei dieser Ausführungsform umfasst die Heizeinrichtung
Es kann eine Mehrzahl von 3D-Druckköpfen
Beispielsweise ist das 3D-Druckverfahren zur Herstellung der Struktur ein FFF-Verfahren (Fused Filament Fabrication). Bei diesem Verfahren wird ein Filament aus einem thermoplastischen Material über einen Extruder erwärmt und anschließend aufgetragen.For example, the 3D printing process for producing the structure is an FFF (Fused Filament Fabrication) process. In this method, a filament made of a thermoplastic material is heated via an extruder and then applied.
Nach Herstellung der Struktur kann es vorgesehen sein, dass auf der Struktur eine Tape-Decklage über den mindestens einen Tape-Leger
Es ist dabei möglich, dass die Tape-Decklage mindestens bereichsweise auf der Tape-Substrat-Lage
An dem so hergestellten Werkstück als Kombination aus Tape-Substrat-Lage, Struktur und Tape-Decklage kann wiederum über ein 3D-Druckverfahren an der Anlage
In
Das erste Hybrid-Bauteil
In
Bei dem zweiten Hybrid-Bauteil
In
Der Sandwich-Kern
Der Sandwich-Kern
Durch die erfindungsgemäße Lösung lassen sich Hybrid-Bauteile herstellen, welche eine Struktur aufweisen, die beispielsweise einen Sandwich-Kern, eine Leitung für Stofftransport und/oder eine Leitung für einen elektrischen Stromtransport, ein Anbindungselement, ein Insert, ein Krafteinleitungselement, ein Verstärkungselement, ein Versteifungselement ist oder umfasst.The solution according to the invention makes it possible to produce hybrid components which have a structure which has, for example, a sandwich core, a line for mass transport and / or a line for electrical current transport, a connecting element, an insert, a force introduction element, a reinforcing element Stiffening element is or includes.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird an einem Werkstückhalter
Durch die Heizeinrichtung
Über den mindestens einen Tape-Leger
Beispielsweise können in die Struktur Krafteinleitungspunkte und Inserts eingefügt werden, und wobei durch das Verknüpfen von Tape-Legen und 3D-Druck eine optimale Lasteinleitung garantiert werden kann.For example, force introduction points and inserts can be inserted into the structure, and optimal load transfer can be guaranteed by linking tape laying and 3D printing.
Es können individuell angepasste Hybrid-Bauteile auf einfache Weise hergestellt werden; es lassen sich beispielsweise Anschlusselemente oder Leitungen wie beispielsweise auch elektrische Leitungen hinzufügen, ohne dass die Anlage
Beispielsweise lassen sich so auf einfache Weise und automatisierte Weise Bauteile für Kleinsatelliten herstellen.For example, components for small satellites can be produced in a simple and automated manner.
Es ergibt sich auch einfache Weise eine automatisierte Integration verschiedener Funktionen in ein entsprechendes Hybrid-Bauteil durch entsprechende Verfahrensführung bei der Herstellung des Hybrid-Bauteils in der Anlage
Durch die erfindungsgemäße Lösung lassen sich komplexe, hochintegrative und individuelle Bauteile automatisiert herstellen. Es lassen sich dabei hohe Anforderungen bezüglich Steifigkeit und Festigkeit erfüllen. Es lassen sich dadurch Hybrid-Bauteile mit geringem Gewicht herstellen.The solution according to the invention enables complex, highly integrative and individual components to be produced automatically. High demands regarding rigidity and strength can be met. This makes it possible to produce hybrid components with a low weight.
Es lässt sich eine Optimierung eines entsprechenden Hybrid-Bauteils bezüglich Form und/oder Topologie durchführen. Entsprechende Hybrid-Bauteile lassen sich effektiv auf eintretende Lastfälle auslegen.An appropriate hybrid component can be optimized in terms of shape and / or topology. Corresponding hybrid components can be effectively designed for the load cases that occur.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird in der Anlage
Bei einer Ausführungsform weist die Anlage
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist es vorgesehen, dass eine relative Geschwindigkeit zwischen dem 3D-Druckkopf 20 und der Tape-Substrat-Lage
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Anlageinvestment
- 1212
- WerkstückhalterWorkpiece holder
- 1414
- Tape-Substrat-LageTape substrate sheet
- 1616
- Tape-LegerTape-Leger
- 1818
- Legekopflaying head
- 2020
- 3D-Druckkopf3D printing head
- 2222
- Gehäusecasing
- 2424
- Oberflächesurface
- 2626
- Heizeinrichtungheater
- 26'26 '
- Heizeinrichtungheater
- 2828
- Fügebereichjoining area
- 3030
- Infrarotstrahlinfrared beam
- 3232
- Erstes Ausführungsbeispiel eines Hybrid-BauteilsFirst embodiment of a hybrid component
- 3434
- Tape-LageTape position
- 3636
- Strukturstructure
- 3838
- Zweites Ausführungsbeispiel eines Hybrid-BauteilsSecond exemplary embodiment of a hybrid component
- 4040
- Erste Tape-LageFirst tape layer
- 4242
- Zweite Tape-LageSecond tape layer
- 4444
- Strukturstructure
- 4646
- Leitungmanagement
- 4848
- Anbindungselementconnecting element
- 5050
- Drittes Ausführungsbeispiel eines Hybrid-BauteilsThird exemplary embodiment of a hybrid component
- 5252
- Erste Tape-LageFirst tape layer
- 5454
- Zweite Tape-LageSecond tape layer
- 5656
- Sandwich-KernSandwich core
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
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2018
- 2018-08-14 DE DE102018119751.9A patent/DE102018119751A1/en active Pending
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