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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zu Herstellung einer Faserstruktur und insbesondere auf einen Faserdrucker.
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HINTERGRUND
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In additiven Fertigungsverfahren, insbesondere bei Extrusionsverfahren, werden Düsen eingesetzt, um Material gezielt an einem vorbestimmten Ort aufzutragen. Die Extrusionsverfahren, wie z. B. das „Fused Deposition Modelling“ (FDM), nutzen dabei meist eine beheizte, in einer horizontalen Ebene bewegliche Extruderdüse und eine in vertikaler Richtung verfahrbare Plattform. Kunststoffe, wie z.B. Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) und Polylactide (PLA), oder Wachse werden in Form eines Filaments über Rollen in die Extruderdüse geleitet und dort leicht über den Schmelzpunkt erhitzt. Der Materialauftrag erfolgt dabei in der horizontalen Ebene punkt- oder linienförmig in aufbauenden (in vertikaler Richtung übereinandergelagerten) Schichten. Das Material erstarrt kurz nach dem Austritt aus der Düse durch Ableiten der Wärme in das Bauteil. Teilweise werden die Bauteile z. B. durch Ventilatoren zusätzlich gekühlt. Die Plattform verfährt nach Erstellung einer Schicht um eine Schichtdicke, und die nächste Schicht wird aufgetragen. Zu den Verfahrensvarianten zählen unter anderem das Fused Deposition Modeling (FDM), der 3-D Plotter, die Multiphase Jet Solidification (MJS) und das Multi-Jet Modeling (MJM).
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Bei diesen Fertigungsverfahren können zwar gezielt Werkstücke mit einer gewünschten Festigkeit in stark beanspruchten Bereichen hergestellt werden. Festzuhalten bleibt aber, dass die erwähnten Anlagen und Verfahren mit Erhitzung arbeiten.
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Eine andere Möglichkeit die Festigkeit von Werkstücken zu erhöhen, besteht in der Verwendung von Fasern bzw. Faserverbundstoffen, die Fasersuspensionen verwenden. Allerdings existieren hierfür bisher noch keine Systeme, die auch für Papiermaterialien einsetzbar wären. Für die Papierherstellung stehen zwar verschiedene kommerzielle Anlagen zur Verfügung, um Papier in kleinen Mengen und mit verschiedenen Eigenschaften herzustellen (z.B. RK-Blattbildner, Dynamic Sheet Former, MK Sheet Former). Im Fall des Dynamic Sheet Formers oder des MK Sheet Formers können Papiere mit einer deutlich erhöhten Faserorientierung in Maschinenrichtung hergestellt werden. Die Fasern können hierbei betriebsbedingt nur in eine Richtung, die Maschinenrichtung, ausgerichtet werden.
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Es besteht somit ein Bedarf nach Herstellungsanlagen für Fasermaterialstrukturen, in denen ein Fasermaterial (nicht notwendigerweise Papierfasern) schichtweise auf ein Sieb aufgetragen wird und gleichzeitig kontrolliert beliebige vorbestimmte Strukturen (z.B. bestimmte Orientierungen der Fasern) erzeugt werden können.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Dieses Ziel wird zumindest teilweise durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 14 erreicht. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte Weiterbildungen der Vorrichtung nach Anspruch 1.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Herstellung einer inhomogenen Faserstruktur unter Nutzung eines Fasermediums, mit folgenden Merkmalen: eine Siebeinrichtung sowie eine Zuführeinrichtung, die ausgebildet ist, um ein Fasermedium mit einer gewünschten Aufbringrate auf die Siebeinrichtung aufzubringen; ferner eine Bewegungseinrichtung, die ausgebildet ist, um zumindest einen Teil der Zuführeinrichtung in zumindest zwei unabhängigen Richtungen zu bewegen und so die inhomogene Faserstruktur herzustellen.
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Der Begriff inhomogene Faserstruktur soll dabei eine räumliche Anordnung von Fasern (z.B. Kunststoff-, Papier- oder Kohlefasern; auch geeignete Gemische solcher Fasern) bezeichnen, in welcher die Fasern eine ortsvariable Vorzugsausrichtung und/oder eine ortsvariable Dichte (Anzahl Fasern pro Fläche oder Volumen) und/oder eine ortsvariable Zusammensetzung wie beispielsweise bestimmte Fasermischungen, Füllstoffe oder Additive besitzen können. Die Variabilität im Ort kann dabei sowohl in der Siebebene als auch orthogonal dazu bestehen; so können im Querschnitt der Faserstruktur beispielsweise mehrere Schichten von Fasern mit unabhängiger Vorzugsausrichtung übereinander angeordnet werden. Der Begriff inhomogene Faserstruktur soll in diesem Zusammenhang auch auf ein möglicherweise über der Siebebene variierendes Höhenprofil bezogen verstanden werden; so kann beispielsweise eine Oberflächentopologie ähnlich einem Prägemuster erzeugt werden. Die Variabilität im Ort kann dabei lokal und/oder global Mustern wie beispielsweise Kanälen, Spiralen oder geschlossenen Konturen folgen. Der Begriff inhomogen soll auch umfassen, dass alle Fasern keine Vorzugsrichtung haben bzw. die Orientierung der einzelnen Fasern lokal kontrolliert einstellbar ist.
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Das Fasermedium ist ein heterogenes Stoffgemisch aus Fasern oder Pulvern in einem für eine Feinverteilung derselben geeigneten Medium, das zudem zusätzlich Binde- und/oder Lösungsmittel enthalten kann. Das Medium kann beispielsweise eine Flüssigkeit wie etwa Wasser, aber auch ein Gas wie etwa Luft sein. Im Herstellungsprozess traversiert die Zuführeinrichtung über der Siebeinrichtung; dabei können lokal Aussparungen und/oder das Auftragen mehrerer Schichten erfolgen. Nach dem Verlassen der Zuführeinrichtung treten flüssige oder gasförmige Bestandteile der Fasersuspension durch die Siebeinrichtung hindurch, während zumindest die Fasern oder das Pulver auf der Siebeinrichtung verbleiben. Die Aufbringrate ist eine Anzahl auf der Siebeinrichtung abgelegter Fasern beziehungsweise eine Menge auf der Siebeinrichtung abgelegten Pulvers, oder auch die Menge des auf dem Sieb aufgetragenen Fasermediums pro Zeit. Ausführungsbeispiele umfassen etwa Papierfaser-Suspensionen mit Stoffdichten von 0,05% und Aufbringraten, bei denen die Fasern nahezu einzeln auf dem Sieb abgelegt werden, oder auch Suspensionen von beispielsweise Calciumcarbonatpulver, welches durch die Zuführeinrichtung in Poren einer auf der Siebeinrichtung aufliegenden inhomogenen Faserstruktur abgelegt wird. Fasern oder Pulver können auch trocken auf die Siebeinrichtung aufgebracht werden, beispielsweise indem sie in einem Luftstrom durch die Zuführeinrichtung auf die Siebeinrichtung aufgetragen werden.
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Unter Siebeinrichtung soll dabei sehr allgemein ein Geflecht aus einem geeigneten Material und mit geeigneter Maschengröße verstanden werden. Beispielsweise kann ein Rapid-Köthen-Sieb und/oder ein Filter aus geeignetem Material wie z.B. dem eines Kaffeefilters verwendet werden.
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Die Richtungen der Relativbewegung (der Sieb- und Zuführeinrichtung) können dabei fest in einer horizontalen Ebene liegen oder auch beispielsweise eine örtlich und/oder zeitlich variable lokale Tangentialebene an die Siebeinrichtung aufspannen. Bewegung ist dabei als Vorschubrichtung relativ zur Siebeinrichtung zu verstehen. Die Bewegungseinrichtung kann aber zusätzlich ausgebildet sein, um weitere zeitliche Veränderungen, die für ein Betreiben der Vorrichtung notwendig sind, zu ermöglichen; dazu können zum Beispiel Veränderungen von Winkeln von Teilen der Zuführeinrichtung gehören.
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Optional weist die Zuführeinrichtung eine Düse zum Ausbringen des Fasermediums auf das Sieb, einen Vorratsbehälter zum Aufbewahren des Fasermediums sowie eine Verbindungsleitung, welche die Düse und den Vorratsbehälter verbindet, auf.
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Die Düse kann eine laminare Dehnströmung erzeugen, durch welche sich die Fasern in Strömungsrichtung orientieren. Optional ist die Düse durch die Bewegungseinrichtung relativ zu der Siebeinrichtung in ihrem mit der vertikalen Richtung eingeschlossenen Winkel verstellbar und/oder um die vertikale Achse rotierbar und/oder ausgebildet, um einen vorbestimmten Abstand zwischen Düse und Siebeinrichtung einzuhalten.
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Durch die Verstellung des Winkels zur vertikalen Richtung (oder der entsprechenden Neigung) sowie die Rotation um die vertikale Richtung kann die Düse beispielsweise bei Bewegungen der Suspensionseinheit sowohl zur Bewegungsrichtung als auch zur vertikalen Richtung in jeweils konstantem Winkel gehalten werden. Der Anstellwinkel der Düse kann dabei wichtig für eine orientierte Ablage der Fasern auf der Siebeinrichtung sein.
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Optional ist die Zuführeinrichtung weiter ausgebildet, um einen Druck des Fasermediums in der Düse einzustellen und/oder um eine Menge des Fasermediums, welche durch die Verbindungsleitung strömt, zu regulieren.
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Der Druck des Fasermediums kann dabei beispielsweise reguliert werden, indem der Vorratsbehälter als ein höhenverstellbarer Niveaukasten ausgebildet ist. Alternativ oder ergänzend kann beispielsweise eine pulsationsfreie Pumpe eingesetzt werden, welche das Fasermedium mit einem bestimmten Druck und/oder einer bestimmten Rate durch den Verbindungsschlauch bewegt.
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Die Menge des Fasermediums, die durch die Verbindungseinrichtung strömt, lässt sich durch eine allgemeine oder die zuvor bereits erwähnte pulsationsfreie Pumpe oder auch durch ein Steuerventil wie beispielsweise ein Schlauchquetschventil an der Verbindungsleitung kontrollieren.
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Mit Hilfe des Steuerventils und der verstellbaren Höhe des Vorratsbehälters kann zudem die gewünscht Aufbringrate eingestellt werden. Auf diese Weise kann auch ein Höhenprofil über der Siebebene erreicht werden.
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Optional weist der Vorratsbehälter eine Rühreinrichtung auf, um ein fortlaufendes Durchmischen des Fasermediums zu erreichen, und/oder der Vorratsbehälter weist einen Überlauf auf, um einen Befüllungsgrad des Vorratsbehälters konstant zu halten.
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Die Rühreinrichtung und/oder der Überlauf können bei einer Verwendung einer Fasersuspension als Fasermedium wichtig sein. Der Überlauf erlaubt beispielsweise ein Befüllen des Vorratsbehälters mit Fasersuspension in zeitlich konstanter Rate bei gleichbleibendem Flüssigkeitsspiegel. Durch die Durchmischung der Fasersuspension mit Hilfe der Rühreinrichtung kann beispielsweise eine Sedimentation der Fasern verhindert werden.
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Optional weist die Vorrichtung weiterhin eine Absaugeinrichtung auf, die ausgebildet ist, um in den zwei unabhängigen Richtungen, in denen die Zuführeinrichtung durch die Bewegungseinrichtung bewegt werden kann, in von der Zuführeinrichtung abhängiger oder unabhängiger Weise bewegt werden zu können; weiter um Feuchtigkeit oder Gas (z.B. Luft) nur in einem Bereich der Siebeinrichtung abzusaugen, in dem die Zuführeinrichtung das Fasermedium auf die Siebeinrichtung aufbringt oder gerade aufgebracht hat; und ferner um eine Absaugleistung zu kontrollieren.
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Eine solche Absaugeinrichtung umfasst beispielsweise einen sich auf der Zuführeinrichtung gegenüberliegenden Seite des Siebes befindenden Kopfteil (z.B. eine Düse) mit einem zum Sieb hin gerichteten Öffnungsbereich, der eine oder mehrere Öffnungen (z.B. Schlitze) aufweist, und der über einen Schlauch an ein Pumpsystem zur Erzeugung eines Unterdrucks (z.B. eine Vakuumpumpe) angeschlossen ist. Bei einem Fasermedium mit Luftmuss keine Feuchtigkeit entzogen werden. In beiden Fällen sorgt die Absaugung aber dafür, dass die Fasern am Auftreffort fixiert werden. Zur Kontrolle der Absaugleistung weisen der Kopfteil, der Schlauch oder das Pumpsystem dazu möglicherweise ein oder mehrere Ventile auf, über die in einstellbarer Rate Luft aus einer Umgebung abseits des Siebs - sogenannte Falschluft - angesaugt werden kann.
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Mittels des Unterdrucks wird über die Öffnungen ein Absaugeffekt in einer Weise erreicht, die geeignet ist, um Flüssigkeit aus der auf dem Sieb aufgetragenen Fasersuspension zu entnehmen. Die Stärke des Absaugeffekts kann über die Leistung des Pumpsystems und/oder über das gezielte Ansaugen von Falschluft durch die Ventile kontrolliert werden.
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Zumindest die Öffnungen und/oder der Kopf der Absaugeinrichtung sind dabei in der Position analog zu den möglichen Positionen der Zuführeinrichtung verstellbar, und ein Absaugen von Flüssigkeit erfolgt nur in einem begrenzten Bereich (z.B. einer Fläche von einigen mm Durchmesser, oder 1 bis 2 Zentimetern Umfang) um diese Position. Auch ein Abstand der Öffnungen zur Siebeinrichtung kann einstellbar sein.
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Optional weist die Vorrichtung ein Gehäuse für zumindest einen Teil der Vorrichtung auf, wobei das Gehäuse ausgebildet ist, um eine gewünschte Umgebung für ein Aufbringen des Fasermediums einzustellen. Dabei zeichnet sich die gewünschte Umgebung durch mindestens einen der folgenden physikalischen Parameter aus:
- - einen bestimmten Druck (beispielsweise einen Überdruck oder Unterdruck oder einen Atmosphärendruck),
- - eine bestimmte Temperatur,
- - eine bestimmte Feuchtigkeit (beispielsweise eine Luftfeuchtigkeit),
- - ein bestimmtes Gasgemisch (Beispielsweise Luft mit einem Zusatz von Schutzgasen und/oder Aerosolen).
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Optional weist die Bewegungseinrichtung zumindest zwei Linearantriebe auf, um die Zuführeinrichtung in zwei senkrecht aufeinander stehenden Richtungen unabhängig voneinander zu bewegen.
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Die Richtungen können beispielsweise die horizontale Ebene (orthogonal zur Gravitation) aufspannen. Durch die Antriebe kann die Fasersuspension in beliebigen Routen und/oder Kurven aufgebracht werden.
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Optional sind die Bewegungseinrichtung und/oder die Absaugeinrichtung ausgebildet, um eine Bewegung der Düse mit einer Bewegung der Absaugeinrichtung zu synchronisieren.
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Die Synchronisation kann dabei beispielsweise aus einem Laufen der Positionen der Zuführeinrichtung und der Absaugeinrichtung im Gleichtakt bestehen, wobei keine oder wenig Relativbewegung zugelassen wird.
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Optional weist die Siebeinrichtung ein umlaufendes Sieb und/oder ein drehbar gelagertes Sieb und/oder ein winkelverstellbares Sieb und oder ein profilgeformtes oder profilverformbares Sieb auf.
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Ein umlaufendes Sieb kann beispielsweise als biegsames Geflecht ausgeführt und über möglicherweise höhenverstellbare Drehwalzen geleitet werden. Im Herstellungsprozess kann ein umlaufendes Sieb beispielsweise nach Abschluss eines Abschnitts der inhomogenen Faserstruktur um eine Länge des Druckbereichs weitergeführt werden oder eine fortlaufende Bewegung in Querrichtung zu den Drehwalzen durchführen.
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Eine Drehung kann innerhalb der Siebebene erfolgen und/oder die Siebebene selbst betreffen. Anwendungsbeispiele sehen ein kreisscheibenförmiges Sieb, das mit konstanter oder variabler Geschwindigkeit in der Siebebene um seine Mittelpunkt rotiert, sowie eine Drehung der Siebebene um einen vorbestimmten Winkelbereich bis zu +/- 90° (oder +/- 60° oder +/- 45°) im Vergleich zur horizontalen Ebene vermittels verstellbarer Umlenkrollen vor. Bei einem über Drehwalzen geleiteten umlaufenden Sieb kann ein Winkel beispielsweise über eine Wahl einer relativen vertikalen Höhe der Drehwalzen eingestellt werden.
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Das Sieb braucht nicht eben zu sein, sondern kann in seiner Form ein Profil über einer Ebene aufweisen. Ein solches Sieb kann etwa bei einer Ausbildung der inhomogenen Faserstruktur zu einer bestimmten Form oder Struktur, wie beispielsweise der Form eines Eierkartons o.ä., verwendet werden. Die Bewegungseinrichtung kann dabei ausgebildet sein, um eine Bewegung der Zuführeinrichtung und gegebenenfalls die Absaugeinrichtung dem Profil des Siebs anzupassen und beispielsweise auch eine Bewegung in eine dritte unabhängige Richtung zu ermöglichen.
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Optional ist die Zuführeinrichtung Teil von mehreren Zuführeinrichtungen, die einer Siebeinrichtung zugeordnet sind, und/oder die Siebeinrichtung ist Teil von mehreren Siebeinrichtungen, die einer Zuführeinrichtung zugeordnet sind, und/oder es sind keine, eine oder mehr als eine Absaugeinrichtung vorhanden.
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Dabei sind auch Kombinationen von Teilen einer oder mehrerer Zuführeinrichtung vorteilhaft. So ist es etwa möglich, in einer Zuführeinrichtung eine Düse an mehrere Vorratsbehälter, beispielsweise jeweils mit verschiedenen Fasermedien, anzuschließen. Eine Pluralität von Ventilen kann dabei die Zufuhr von Fasermedien aus den verschiedenen Behältern zur Düse kontrollieren. Auf diese Weise lassen sich beispielsweise Fasergemische oder ein zeitnahes oder auch synchrones Aufbringen von Fasermaterial (z.B. Carbonfasern) und Matrix (z.B. Harzen) zur Fixierung der Fasern zur Bildung der inhomogenen Faserstruktur verwirklichen.
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Die Vorrichtung kann auch mehrere Siebe und/oder Filter aufweisen, die kaskadiert angeordnet sind, um eine serielle Ausführung von Verfahrensschritten zu ermöglichen. Ebenso können auch mehrere der genannten Vorrichtungen in einem System vereint werden.
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Durch die Anwendung mehrerer Düsen oder durch die Verbindung einer Düse zu mehreren Vorratsbehältern lassen sich auch unterschiedlicher Fasermaterialien und/oder Füllstoffe innerhalb einer Auftragsebene auf die Siebeinrichtung in vorteilhafter Weise auftragen.
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Optional weist die Vorrichtung weiter eine Steuereinrichtung auf, wobei die Steuereinrichtung ausgebildet ist, um die Bewegungseinrichtung und/oder die Zuführeinrichtung und/oder die Absaugeinrichtung und/oder eine Bewegung der Siebeinrichtung zu steuern, um zumindest eines der folgenden Merkmale zu erzeugen:
- - eine gewünschte Faserorientierung,
- - mehrere übereinanderliegenden Faserschichten, die verschiedene Hauptfaserorientierung aufweisen,
- - Bereiche oder Konturen auf dem Sieb mit verschiedener Faserorientierungen,
- - eine strukturierte Oberfläche.
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Die Steuereinrichtung kann dabei je nach Ausführungsbeispiel verschiedene bauliche Merkmale wie zum Beispiel Verbindungselemente zwischen verschiedenen Teilen der Vorrichtung und/oder eine programmierbare Prozessoreinheit und/oder ein Benutzerinterface umfassen.
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Mit Hilfe der Steuereinrichtung können beispielsweise in der Faserorientierung der inhomogenen Faserstruktur die bereits erwähnten Muster implementiert werden, und/oder es können eindimensionale Linien und /oder Kurven in der Faserorientierung ausgebildet werden, um beispielsweise eine Kapillarität in einer gewünschten Richtung zu erzeugen. Zudem lassen sich lokal vorbestimmte Faser- oder Pulverdichten und/oder vorbestimmte Materialzusammensetzung erreichen.
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Optional ist die Steuereinrichtung weiter ausgebildet, um zum Erzeugen der Merkmale zumindest eine der folgenden Steuerungen vorzunehmen:
- - Ändern der Bewegungsrichtung und/oder der Bewegungsgeschwindigkeit der Düse relativ zur Siebeinrichtung,
- - Einstellen einer Relativgeschwindigkeit zwischen Düse und Siebeinrichtung auf einen Wert größer als einen Wert einer Austrittsgeschwindigkeit des Fasermediums aus der Düse,
- - Einstellen des Winkels zwischen Düse und vertikaler Richtung,
- - Einstellen einer Rotationsbewegung der Düse um die vertikale Richtung,
- - Einstellen des Abstands zwischen Düse und Siebeinrichtung,
- - Ändern des Drucks des Fasermediums in der Düse,
- - Ändern der Menge des Fasermediums, welche durch die Verbindungsleitung strömt,
- - Einstellen der Absaugleistung,
- - Veränderung der gewünschten Umgebung,
- - kontrolliertes Bewegen und/oder ein Einstellen einer Lage und/oder einer Form des Siebs.
- - Einstellen einer Mischung und/oder eine Abfolge eines Auftrags von Fasermedien.
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Durch ein geeignet schnelles Rotieren des Siebs im Verhältnis zur Aufbringrate der Fasersuspension kann beispielsweise ein Dehnungseffekt bezüglich der Fasern der Fasersuspension erreicht werden, der zur Ausrichtung der Fasern führt. In Verbindung mit dem sofortigen lokalen Absaugen erfolgt vorteilhafterweise eine sofortige Fixierung der gedehnten Fasern.
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In Anwendungsbeispielen wird die Steuerung durch eine geeignete Abwandlung eines Steuerungscodes für einen 3D-Drucker implementiert. Die Abwandlung umfasst beispielsweise die Anpassung der Geschwindigkeit oder die Nutzung der Parameter hinsichtlich der Höheneinstellung für die Winkeleinstellung der Düse.
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Optional kann die Vorrichtung für zumindest eine der folgenden Funktionen verwendet werden:
- - Erzeugung von Mikrofluidikstrukturen;
- - Herstellung von Faserverbundmaterialien;
- - Herstellung von strukturierten Papierprodukten,
- - Herstellung von Papierprodukten mit einer 3D Oberflächentopologie,
- - Herstellung von funktionalen Faserstrukturen
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Unter strukturierten Papierprodukten sollen dabei auch maßgeschneiderte technische Papiere, wie z.B. Filterpapier mit individualisierter Porenstruktur, verstanden werden. Funktionale Faserstrukturen können beispielsweise durch Einbringen von Füllstoffen in die inhomogene Faserstruktur entstehen. So kann beispielsweise eine Poren- oder Bahnstruktur in die inhomogene Faserstruktur eingebracht werden, welche etwa mit Calciumcarbonat befüllt werden kann. Andere Zusatzstoffe sind etwa leitende Pulver- oder Fasermaterialien (z.B. Graphen), die als Befüllung oder als Elemente der Struktur eingebracht und beispielsweise als Leiterbahnen dienen können. Auf diese Weise lassen sich auch Sensoren realisieren.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Herstellung einer inhomogenen Faserstruktur mit folgenden Schritten:
- - Aufbringen eines Fasermediums durch eine Zuführeinrichtung mit einer gewünschten Aufbringrate auf eine Siebeinrichtung;
- - Bewegen von zumindest einem Teil der Zuführeinrichtung in zumindest zwei unabhängigen Richtungen, um die inhomogene Faserstruktur herzustellen.
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Optional kommt in diesem Verfahren eine die Fasersuspension zur Anwendung, die zumindest eine der folgenden Komponenten aufweist:
- - Kunststofffasern,
- - Papierfasern,
- - Holzfasern,
- - Glasfasern,
- - Kohlenstofffasern,
- - Naturfasern,
- - Fasern einer vorbestimmten Länge,
- - chemisch modifizierte Fasern,
- - Pulvermaterial,
- - chemische Additive,
- - eine Mischung der zuvor genannten Komponenten.
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Beispielsweise kann die Vorrichtung verwendet werden, um inhomogene Faserstrukturen mit Kurzfasern mit Längen von unter einem Milimeter bis hin zu 10 Millimetern herzustellen. Pulvermaterialien wie z.B. Calciumcarbonat, Aktivkohle und/oder Graphen können beispielsweise in Poren und/oder Kanäle der inhomogenen Faserstruktur eingebracht werden.
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Durch die vorliegende Erfindung können inhomogene Faserstrukturen mit individuellen Eigenschaften, insbesondere hinsichtlich der Faserorientierung, auch in kleinen Mengen bis hin zur Stückzahl 1 hergestellt werden. Beispielsweise können gewünschte Form- und Materialzusammensetzungseigenschaften für spezifische Anforderungen erreicht werden. Durch Einbringen von Mustern oder Aussparungen innerhalb einzelner Schichten sowie durch die Maschinenparameter lassen sich über die Steuereinrichtung, die beispielsweise über ein Design im Rahmen eines geeigneten Programms am PC eine Steuerung von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung zulassen kann, der Aufbau und dadurch die Eigenschaften einer inhomogenen Faserstruktur gezielt beeinflussen. Dies bietet beispielsweise eine Möglichkeit, Formen von Faserstrukturen mit bestimmten mechanischen Eigenschaften (wie beispielsweise einer hohen Stabilität im Bereich um eine Perforation durch umlaufendes Ausrichten der Faservorzugsrichtung; z.B. tangentiales Ablegen der Fasern) herzustellen, oder eine Mikrofluidik in den einzelnen Schichten zu beeinflussen und z. B. im Fall einer Anwendung mit Papierfasern kostengünstige papierbasierte Erzeugnisse für Schnelltests beispielsweise für den Gesundheitsbereich zu erschaffen.
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Des Weiteren kann durch eine Faserorientierung der Schichten in einem Produktionsschritt ein für eine spätere Anwendung optimiertes Fasermaterial produziert werden, das anschließend beispielsweise zu einem Faserverbundmaterial weiterverarbeitet werden kann. Neben inhomogenen Faserstrukturen aus einer einzelnen Sorte von Fasern können auch Hybridmaterialien durch den Einsatz von anderem Fasermaterial erzeugt werden. Neben den hier aufgeführten Beispielen sind weitere Anwendungen im Bereich der Forschung und Entwicklung (beispielsweise in der Herstellung und Bestimmung von Werkstoffeigenschaften inhomogener Faserstrukturen oder Faserverbundmaterialien) sowie einer kommerziellen Produktion (beispielsweise von Bauteilformen, Merkmalen wie Wasserzeichen, oder Oberflächen mit bestimmten Benetzbarkeits- oder Reflektionseigenschaften) denkbar.
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Figurenliste
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Die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen der unterschiedlichen Ausführungsbeispiele, die jedoch nicht so verstanden werden sollten, dass sie die Offenbarung auf die spezifischen Ausführungsformen einschränken, sondern lediglich der Erklärung und dem Verständnis dienen.
- 1 illustriert ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
- 2 zeigt weitere optionale Details gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung mit beweglicher Düse und beweglicher Absaugeinrichtung an einem runden, in der Siebebene drehbaren Sieb.
- 3A zeigt Bewegungsmöglichkeiten der Düse.
- 3B zeigt ein Schema zu einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, in dem die Düse eine feste Orientierung bezüglich der Bewegungsrichtung beibehält.
- 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit einem umlaufenden Sieb, das über Drehwalzen geführt wird, und bei dem zwei Zuführ- sowie zwei Absaugeinrichtungen vorliegen.
- 5A zeigt schematisch ein umlaufendes Sieb, das über höhenverstellbare Drehwalzen geleitet wird.
- 5B zeigt schematisch ein rundes Sieb, das über höhenverstellbare Umlenkrollen drehbar und inklinierbar gelagert ist.
- 6 zeigt ein Schema zu einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit inkliniertem umlaufendem Sieb.
- 7 zeigt ein Flussdiagramm für ein Verfahren zur Herstellung einer inhomogenen Faserstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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1 illustriert ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung für die Vorrichtung zur Herstellung einer inhomogenen Faserstruktur. Die Vorrichtung umfasst eine Siebeinrichtung 110, eine Zuführeinrichtung 120 und eine Bewegungseinrichtung 130. Die Zuführeinrichtung 120 ist ausgebildet, um ein Fasermedium 50 mit in einer gewünschten Aufbringrate auf die Siebeinrichtung 110 aufzubringen. Die Bewegungseinrichtung 130 ist ausgebildet, um zumindest einen Teil der Zuführeinrichtung 120 in zumindest zwei unabhängigen Richtungen zu bewegen und so die inhomogene Faserstruktur herzustellen.
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In dem gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst die Vorrichtung eine bewegliche Absaugeinrichtung 140. Die Siebeinrichtung 110 umfasst beispielsweise ein rundes, in der Siebebene drehbares Sieb oder einen Filter, um beispielsweise Feuchtigkeit aus dem aufgebrachten Fasermedium 50 ab- und/oder im Fasermedium 50 enthaltene Fasern oder Pulver anzusaugen. Die Zuführeinrichtung 130 umfasst z.B. eine bewegliche Düse 122, die mit einer Verbindungsleitung 127 an einen Vorratsbehälter 124 für das Fasermedium 50 angeschlossen ist. Eine Menge des durch die Verbindungsleitung 127 bewegten Fasermediums 50 wird beispielsweise durch ein Steuerventil 128 kontrolliert. Die Düse 122 ist beispielhaft in der horizontalen (X-Y-) Ebene beweglich, kann jedoch z.B. bei einer inklinierbaren Siebeinrichtung oder bei einer Siebeinrichtung mit einem Höhenprofil auch eine Bewegung in vertikale Richtung erlauben. Die Fasern oder das Pulver des durch die Düse 122 austretenden Fasermediums 50 werden durch die Siebeinrichtung 110 zurückgehalten; die Suspensionsflüssigkeit oder ein Gas des Fasermediums 50 wird durch das Sieb hindurch über den Öffnungsbereich 142 und den Absaugkanal 144 der Absaugeinrichtung 140 abgesaugt. Durch das zeit- und ortsnahe Absaugen der Suspensionsflüssigkeit oder des Gases werden die Fasern oder das Pulver auf der Siebeinrichtung 110 fixiert.
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Die Siebeinrichtung 110 kann, beispielsweise durch einen Schrittmotor angetrieben, permanent mit einstellbarer Geschwindigkeit rotieren oder um einen beliebigen Winkel in der Siebebene gedreht werden. Die Form der Siebeinrichtung 110 muss dabei nicht rund sein, ist für eine rotierende Siebeinrichtung 110 aber sinnvoll. Der Absaugkanal 144 für die Suspensionsflüssigkeit oder das Gas kann mit einem Schlauch an eine Vakuumpumpe angeschlossen sein (hier nicht im Bild). Der Öffnungsbereich 142 der Absaugeinrichtung ist mit dem Absaugkanal 144 in dem gezeigten Ausführungsbeispiel in der horizontalen (X-Y-) Ebene synchron zur Düse 122 beweglich dargestellt, kann aber wie die Düse 122 gegebenenfalls auch ausgebildet sein, um Bewegungen in die vertikale Richtung durchzuführen. Auf diese Weise kann ein Ansaugen von Falschluft deutlich gesenkt werden, da nur dort Gas bzw. ein Gas-/Suspensionsflüssigkeitsgemisch angesaugt wird, wo eine solche Absaugung durchzuführen ist. Außerdem unterstützt die lokale Absaugung das Ablegen der Fasern in eine gewünschte Orientierung bzw. das Absaugen ändert nicht die Faserorientierung.
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2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, wobei weitere optionale Details dargestellt sind. Als Fasermedium 50 wird hier eine Fasersuspension angenommen. Das Fasermedium 50 wird aus dem Vorratsbehälter 124 beispielsweise durch Wirkung seines Eigengewichts in durch ein Steuerventil 128 kontrollierter Weise über den Verbindungsschlauch 127 an die Düse 122 geleitet und als dünner Strahl auf eine beispielhaft ein kreisscheibenförmiges Sieb (beispielsweise ein Rapid-Köthen-Sieb von 20 cm Durchmesser) umfassende Siebeinrichtung 110 aufgetragen.
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Um die Homogenität des Fasermediums 50 zu gewährleisten, ist eine Rühreinrichtung 126 in dem Vorratsbehälter 124 angebracht worden, durch welche die Sedimentation der Fasern verhindert werden kann. Der Vorratsbehälter 124 verfügt über einen Überlauf 125, sodass permanent Fasermedium 50 in den Vorratsbehälter 124 gepumpt werden kann und ein Fasersuspensionsspiegel im Vorratsbehälter 124 konstant bleibt. Ein damit erzeugter konstanter hydrostatischer Druck im Vorratsbehälter 124 bewirkt einen konstanten Volumenstrom des Fasermediums 50 durch die Düse 122. Das Volumen des Vorratsbehälters 124 braucht daher nicht angepasst zu werden, es kann jedoch durch ein Verschieben des Vorratsbehälters 124 eine Höhendifferenz zwischen Düsenaustritt und Fasersuspensionsspiegel im Vorratsbehälter 124 eingestellt werden. Somit kann ein Volumenstrom von Fasermedium 50 durch den Verbindungsschlauch 127 durch ein Ändern des hydrostatischen Druckes mit geringem Aufwand angepasst werden. Das Steuerventil 128 (z.B. ein elektromagnetisches Schlauchquetschventil) steuert dabei die Menge des durch den Verbindungsschlauch 127 fließenden Fasermediums 50.
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Die Fasersuspension des Fasermediums 50 kann beispielsweise hochverdünnt (Stoffdichte von beispielsweise 0,05 %) sein, sodass die Fasern nahezu einzeln auf der Siebeinrichtung 110 abgelegt werden können. Die Düse 122 kann eine laminare Dehnströmung erzeugen, wodurch sich die Fasern in Strömungsrichtung orientiert werden. Nach Verlassen der Düse 122 trifft das Fasermedium 50 auf die rotierende Siebeinrichtung 110. Die Siebeinrichtung 110 ist auf einer Halterung montiert (in der Figur nicht gezeigt), die beispielsweise über einen Schrittmotor mit variabler Geschwindigkeit permanent oder um einen bestimmten Winkel gedreht werden kann. Die Siebhalterung (in der Figur nicht dargestellt) ist in diesem Anwendungsbeispiel in einer festen horizontalen Ebene gelagert. Direkt hinter der Siebeinrichtung 110 befinden sich gegenüber des Auftragungsortes des Fasermediums 50 Öffnungen 143 im Öffnungsbereich 142 einer Absaugeinrichtung 140, welche die Suspensionsflüssigkeit entfernt und die Fasern auf dem Sieb fixiert. Die Siebgeschwindigkeit kann dabei höher als die Austrittsgeschwindigkeit des Fasermediums 50 aus der Düse 122 sein, sodass die Fasern beim Auftreffen auf die Siebeinrichtung 110 zusätzlich gestreckt werden.
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Die Düse 122 und der Kopf der Absaugeinrichtung traversieren gemeinsam während des Produktionsprozesses entlang der Siebeinrichtung 110, sodass eine inhomogene Faserstruktur in mehreren Schichten entstehen kann. Bewegungen der Düse 122 sowie des Öffnungsbereichs 142 der Absaugeinrichtung 140 können dabei auf die horizontale Ebene (orthogonal zur Gravitation) beschränkt sein Die Düse 122 und der Öffnungsbereich 142 der Absaugeinrichtung 140 können dann mit Schrittmotoren 131 jeweils in eine der durch Pfeile über der Düse 122 angegebenen Richtungen angetrieben werden. Bei einer Ausbildung mit anstellbarer Siebeinrichtung 110 und/oder einer Siebeinrichtung 110 mit einem vertikal variablen Profil können die Düse 122 und der Öffnungsbereich 142 der Absaugeinrichtung 140 auch ausgebildet sein, um der Fläche der Siebeinrichtung 110 in alle Raumrichtungen folgen zu können. Wenn das Sieb also in der vertikalen Richtung beispielsweise um 45° angestellt wird, kann die Düse 122 und/oder der Öffnungsbereich 142 der Absaugeinrichtung 140 auch in vertikale Richtung verfahren. Zumindest die Düse 122 wird in der Figur durch lineare Führungsschienen 132 geleitet.
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Die Absaugeinrichtung 140 umfasst beispielsweise einen Kopfteil mit dem Öffnungsbereich 142, in welchem nach dem dargestellten Ausführungsbeispiel in Schlitzen beweglich ausgebildete Öffnungen 143 die Suspensionsflüssigkeit aufnehmen und über den Absaugkanal 144 und einen Absaugschlauch 145 abführen. Der genutzte Absaugschlauch 145 als Teil des Absaugkanals 144 dient der Flexibilität, um ein Nachführen der Absaugeinrichtung 140 entsprechend einer sich ändernden Position der Düse 122 zu ermöglichen. Das Absaugen kann mit Hilfe einer Vakuumpumpe 147 erfolgen, die einen Unterdruck erzeugt, welcher über ein Bypassventil 146 durch gezielte Ansaugung von Falschluft reguliert werden kann.
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Das System wird durch eine Steuereinheit 150 gesteuert, welche beispielsweise die Position der Düse 122, des Öffnungsbereichs 142 und der Öffnungen 143 sowie die vertikale Höhe des Ablaufbehälters 124, das Steuerventil 128, das Bypassventil 146 und die Bewegung der Siebeinrichtung 110 kontrollieren kann. So umfasst der Öffnungsbereich 142 beispielsweise einen oder mehrere Schlitze, die relativ zur Siebeinrichtung 110 bewegbar sind, wobei die Steuereinrichtung 150 entsprechend ausgebildet ist, um die Position des einen oder der mehreren bewegbaren Schlitze(s) an die Position der Mündung der Düse 122 anzupassen. Beispielsweise können die Schlitze mittels eines Laufwagens oder Schlittens auf einer Linearführung traversierend parallel zur Oberfläche der Siebeinrichtung 110 bewegt werden. Die Bewegung der Suspensionsöffnung und/oder des Öffnungsbereiches 142 kann beispielsweise über einen oder mehrere Schrittmotor(en) erfolgen. Auf diese Weise kann ein Ansaugen von Falschluft an den Schlitzen deutlich gesenkt werden, da nur dort Luft bzw. ein Luft-/Wassergemisch angesaugt wird, wo eine Trocknung durchzuführen ist.
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Die Steuerung der Schrittmotoren 131 zur Bewegung der horizontalen Position der Düse 122 sowie des Öffnungsbereichs 142 der Absaugeinrichtung 140, des Antriebs für die Rotation der Siebeinrichtung 110 sowie des Steuerventils 128 erfolgt beispielsweise über eine Recheneinheit(microcontroller board), wie z.B. den Arduino Uno mit GRBL-Firmware. Um die Bewegung der Düse 122 und des Öffnungsbereichs 142 der Absaugeinrichtung 140 parallel steuern zu können, können beispielsweise zwei CNC-Shields (Schnittstellen für den Arduinomicrocontoller) verwendet werden, wobei das Signal für das erste CNC-Shield zur Steuerung der Düse 122 auf das zweite CNC-Shield zur Steuerung des Öffnungsbereichs 142 der Absaugeinrichtung 140 gespiegelt wird. Durch den identischen Aufbau der horizontalen Traversierung ist sichergestellt, dass sich Düse 122 und der Öffnungsbereich 142 der Absaugeinrichtung 140 parallel bewegen.
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Zur Steuerung der Düsen kann beispielsweise G-Code verwendet werden. G-Code kann aus 3D-CAD Modellen erzeugt werden, indem das Modell als*.st1-Datei gespeichert und einem Slicing-Programm zugeführt wird. Das Slicing-Programm erzeugt aus dem Vollkörper einen geschichteten Körper. Entsprechend der gewählten Einstellungen werden die Routen für den Materialauftrag innerhalb der Einzelschichten erzeugt. Der G-Code zur Anlagensteuerung kann anschließend automatisch aus den Routen erzeugt werden. Mit Hilfe eines Sendeprogrammes (z. B. Universal Gcode Sender) kann der erzeugte G-Code nach kleineren Anpassungen, wie z.B. Löschen der Befehle für die vertikale Achse und Einfügen von Befehlen um das Ventil anzusteuern oder das Sieb zu rotieren, an das microcontroller board übermittelt werden.
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3A zeigt Ausführungsbeispiele für Bewegungsmöglichkeiten der Düse 122, die durch die Bewegungseinrichtung 130 bewirkt werden kann. Die Düse 122 bzw. die Bewegungseinrichtung 130 kann beispielsweise ausgebildet sein, um eine Verdrehung um einen Winkel α von bis zu beispielsweise 45 Grad zur vertikalen Richtung (hier mit Z bezeichnet) und/oder eine Rotation um die vertikale Richtung relativ zur Siebeinrichtung 110 zu gestatten. Dabei kann die Halterung der Düse 122 und/oder der Siebeinrichtung 110 vorteilhafterweise so ausgebildet werden, dass sich die Position der Mündung der Düse 122 bei einer Änderung der Orientierung nicht verändert.
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3B zeigt ein Schema zu einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, in dem die Düse 122 durch Anpassen des Winkels α sowie eine Rotation um die vertikale Achse eine feste Orientierung bezüglich der Bewegungsrichtung in der horizontalen Ebene beibehält. Dies kann beispielsweise über eine Vorschubvektorsteuerung erreicht und zur Feinabstimmung des Auftragens des Fasermediums 50 und/oder einer verbesserten Kontrolle der Faserorientierung auf der Siebeinrichtung 110 genutzt werden. Dabei kann die Halterung der Düse 122 und/oder der Siebeinrichtung 110 so ausgebildet werden, dass sich die Position der Mündung der Düse 122 und dadurch der Ort, an dem das Fasermedium 50 auf die Siebeinrichtung 110 aufgetragen wird, bei einer Änderung der Orientierung der Düse 122 nicht verändert.
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4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit einer umlaufenden Siebeinheit 110, das über Drehwalzen 111 (oder Umlenkrollen) geführt wird, und bei dem zwei Zuführeinrichtungen 120 (dargestellt sind jeweils eine Düse 122, ein Verbindungsschlauch 127 mit Steuerungsventil 128 sowie ein Vorratsbehälter 124 mit Überlauf 125, gefüllt mit Fasermedium 50) sowie zwei Absaugeinrichtungen 140 (dargestellt sind jeweils ein Absaugkanal 144 mit einer Öffnung 142) vorliegen. In einem Herstellungsprozess kann beispielsweise ein Abschnitt aus Papier oder einem anderen Material aufgetragen, und die Siebeinrichtung 110 anschließend um die Länge des Auftragebereichs weitergeführt werden. Alternativ kann beispielsweise die Siebeinrichtung 110 auch die Bewegung der Düsen 122 in einer Richtung orthogonal zu den Drehwalzen 111 übernehmen.
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Der parallele Einsatz mehrerer Zuführ- und Absaugeinrichtungen 120, 140 ist beispielsweise vorteilhaft, um unterschiedliche Schichten mit verschiedenen Fasern aufzutragen und/oder verschiedene Produkte parallel herzustellen.
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5A zeigt schematisch eine umlaufende Siebeinrichtung 110, die über höhenverstellbare Drehwalzen 111 geleitet wird. Auf diese Weise kann die Siebebene um einen Winkel oder einen Winkelbereich (beispielsweise bis zu +/- 45° in Bezug auf die vertikale Ebene) gedreht werden.
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5B zeigt schematisch eine runde Siebeinrichtung 110, die über höhenverstellbare Befestigungspunkten oder Rollen 112 drehbar und inklinierbar gelagert ist. Auf diese Weise kann die Siebebene um einen Winkel oder einen Winkelbereich (beispielsweise bis zu +/- 90° in Bezug auf die vertikale Ebene) gedreht werden. Gleichzeitig kann die Siebeinrichtung 110 aufgrund einer Ausführung unter Verwendung von Umlenkrollen 112 rotiert werden.
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6 zeigt ein Schema zu einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit inklinierter umlaufender Siebeinrichtung 110. Dargestellt ist eine umlaufende Siebeinrichtung 110, die über höhenverstellbare Drehwalzen 111 geführt wird; ferner eine Düse 122, ein Verbindungsschlauch 127 mit Steuerungsventil 128 sowie ein Vorratsbehälter 124, gefüllt mit Fasermedium 50, sowie ein Absaugkanal 144 mit einer Öffnung 142. Die Position der Absaugöffnung 142 kann wiederum (z.B. mittels der Bewegungseinrichtung 130) der Position der Düse 122 nachgeführt werden, sodass gezielt Feuchtigkeit nur dort abgesaugt wird, wo das Fasermedium 50 aufgebracht wird. Das Ansaugen von Falschluft wird somit wieder minimiert.
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7 zeigt ein Flussdiagramm für ein Verfahren zur Herstellung einer inhomogenen Faserstruktur. Das Verfahren umfasst:
- - Aufbringen S110 eines Fasermediums 50 durch eine Zuführeinrichtung 120 mit in einer gewünschten Aufbringrate auf eine Siebeinrichtung 110;
- - Bewegen S120 von zumindest einem Teil der Zuführeinrichtung 120 in zumindest zwei unabhängigen Richtungen, um die inhomogene Faserstruktur herzustellen.
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Dieses Verfahren wird mittels der zuvor beschriebenen Vorrichtung ausgeführt, wobei alle funktionalen Merkmale der Vorrichtung als weitere optionale Verfahrensschritte ausgeführt werden können.
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Das verwendete Fasermedium 50 kann zumindest eine der folgenden Komponenten aufweisen: Kunststofffasern, Papierfasern, Holzfasern, Glasfasern, Kohlenstofffasern, Naturfasern, chemisch modifizierte Fasern, Fasern einer vorbestimmten Länge, Pulvermaterial, chemische Additive oder auch eine Mischung der zuvor genannten Komponenten. Mit der Mischung können bestimmte Eigenschaften wie Gewicht, Festigkeit, Feuchtigkeitsbeständigkeit, Brennbarkeit, Wiederverwertbarkeit, biologisch Abbaubarkeit u.a.m. eingestellt werden.
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Somit kann die Vorrichtung gemäß weiterer Ausführungsbeispiele für viele Verwendungen genutzt werden. Hierzu gehören insbesondere:
- - Erzeugung von Mikrofluidikstrukturen;
- - Herstellung von Faserverbundmaterialien;
- - Herstellung von strukturierten Papierprodukten,
- - Herstellung von Papierprodukten mit einer 3D Oberflächentopologie,
- - Herstellung von funktionalen Faserstrukturen
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Ausführungsbeispiele bieten eine Vielzahl von Vorteilen, die wie folgt zusammengefasst werden können. So kann gezielt eine Orientierung von Fasern erreicht werden, um die Festigkeitseigenschaften von Faserstrukturen zu beeinflussen. Um die Faserorientierung während des Produktionsprozesses gezielt beeinflussen zu können, werden gemäß Ausführungsbeispielen bei Werkstücken mit einer vornehmlich in zwei Dimensionen ausgedehnten Form eine oder mehrere traversierende Düsen 122 verwendet, die ein Fasermedium 50 auf eine Siebeinrichtung 110 in einer wechselseitigen Bewegung auftragen. Hinter der Siebeinrichtung 110 befindet sich eine Vakuumzone, über welche Suspensionsflüssigkeit und/oder Gas gezielt entfernt werden können. Beispielsweise kann eine Vakuumpumpe 147 Suspensionsflüssigkeit durch die Siebeinrichtung 110 absaugen, während Fasern und/oder Pulver durch die Siebeinrichtung 110 zurückgehalten werden.
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Die Fasern oder das Pulver können dabei auf eine in einer Vorzugsrichtung orientierten Weise auf der Siebeinrichtung 110 abgelegt und durch zeit- und ortsnahes Absaugen der Flüssigkeit und/oder von Gasen an ihrer Position fixiert werden. Dazu werden die Fasern über die Düse 122 beispielsweise als dünner Strahl auf die Siebeinrichtung 110 aufgetragen. Die Düse 122 erzeugt eine laminare Dehnströmung, wodurch sich die Fasern in Strömungsrichtung orientieren. Nach Verlassen der Düse 122 trifft die Fasersuspension 50 auf die Siebeinrichtung 110. Direkt hinter der Siebeinrichtung 110 befindet sich ein Öffnungsbereich 142 einer Absaugeinrichtung 140, die Wasser und/oder Gas entfernt und über eine Sogwirkung die Orientierung der Fasern fixiert. Vorteilhafterweise ist die Siebgeschwindigkeit dabei höher als die Strahlaustrittsgeschwindigkeit, sodass die Fasern beim Auftreffen auf die Siebeinrichtung 110 zusätzlich gestreckt werden. Die Düse 110 und der Öffnungsbereich 142 der Absaugeinrichtung 140 traversieren während des Produktionsprozesses über dem Sieb 110, sodass beispielsweise ein Papierblatt in mehreren Schichten entsteht.
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Mit Hilfe dieses Verfahrens ist es möglich, beispielsweise Papier mit auf vorbestimmte Weise räumlich orientierten Fasern herzustellen. Die Orientierungsrichtung entspricht dabei der Auftragsrichtung und ist nicht auf eine unidirektionale Ausrichtung beschränkt. Fasern können auch entlang einer beliebig geformten Linie orientiert abgelegt werden. Zusätzlich ist die Anlage so konzipiert, dass sie modular erweitert werden kann, um ein Upscaling und/oder ein Numbering-Up auf einen kleinindustriellen Blattbildungsprozess zu ermöglichen.
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Ferner ist es mit der Vorrichtung möglich, inhomogene Faserstrukturen mit lokal unterschiedlichen Materialzusammensetzungen herzustellen, anzureichern und/oder aufzufüllen. So kann etwa auch die Materialdichte lokal beeinflusst und/oder kontrolliert eingestellt werden. Weiter können beispielsweise Pulver in Poren und/oder Kanäle einer inhomogenen Faserstruktur eingebracht werden, um die inhomogene Faserstruktur zu funktionalisieren. Dies kann beispielsweise Eigenschaften wie Flüssigkeitstransport oder Leitfähigkeit der inhomogenen Faserstruktur betreffen.
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Die mit den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung hergestellten inhomogenen Faserstrukturen sind für verschiedene Anwendungen einsetzbar. Hierunter sind unter anderem zu nennen:
- - lastpfadgerecht gestaltete Bauteile für Bauanwendungen,
- - Substitution von Glasfasern in Faserverbundwerkstoffen,
- - Steuerung des Flüssigkeitstransports in Papier,
- - Erzeugung definierter Porenstrukturen für Filter.
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Die in der Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 50
- Fasermedium
- 110
- Siebeinrichtung
- 111
- Drehwalze
- 112
- Umlenkrolle
- 120
- Zuführeinrichtung
- 122
- Düse
- 124
- Vorratsbehälter
- 125
- Überlauf
- 126
- Rühreinrichtung
- 127
- Verbindungsleitung
- 128
- Steuerventil
- 130
- Bewegungseinrichtung
- 131
- Schrittmotor
- 132
- Führungsschiene
- 140
- Absaugeinrichtung
- 142
- Öffnungsbereich
- 143
- Öffnung
- 144
- Absaugkanal
- 145
- Absaugschlauch
- 146
- Bypassventil
- 147
- Vakuumpumpe
- 150
- Steuereinrichtung
