DE102019219073A1 - Verfahren zur additiven Fertigung eines Werkstücks mittels Schmelzschichtung, sowie faserverstärktes Werkstück - Google Patents

Verfahren zur additiven Fertigung eines Werkstücks mittels Schmelzschichtung, sowie faserverstärktes Werkstück Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Fertigung eines Werkstücks mittels Schmelzschichtung, das es insbesondere ermöglichen kann, eine Anisotropie mechanischer Eigenschaften des Werkstücks abzumildern und/oder mechanische Eigenschaften des Werkstücks in Schichtungs- oder Aufbaurichtung zu verbessern. Es wird ein Ausgangsfilament (1; 101; 101'; 101https://connect-vdi-laval.jouve.com/Citrix/VDILAVALWeb/; 101'''; 201; 301) bereitgestellt, wobei das Ausgangsfilament (1; 101; 101'; 101https://connect-vdi-laval.jouve.com/Citrix/VDILAVALWeb/; 101'''; 201; 301) ein Matrixmaterial (2) und als Kurzfasern (3) ausgebildete Verstärkungsfasern aufweist. Hierbei sind die Kurzfasern (3) im Ausgangsfilament (1; 101; 101'; 101https://connect-vdi-laval.jouve.com/Citrix/VDILAVALWeb/; 101'''; 201; 301) in ausgerichteter Anordnung vorgesehen. Das Ausgangsfilament (1; 101; 101'; 101https://connect-vdi-laval.jouve.com/Citrix/VDILAVALWeb/; 101'''; 201; 301) wird zu einer Extrusionseinrichtung (11) zugeführt. Das Ausgangsfilament (1; 101; 101'; 101https://connect-vdi-laval.jouve.com/Citrix/VDILAVALWeb/; 101'''; 201; 301) wird erwärmt, und das Material des Ausgangsfilaments (1; 101; 101'; 101https://connect-vdi-laval.jouve.com/Citrix/VDILAVALWeb/; 101'''; 201; 301) wird mittels der Extrusionseinrichtung (11) extrudiert und auf eine Unterlage (17) oder auf eine zuvor gebildete Materialschicht (8, 8a-8f) aufgebracht. Hierbei werden beim Extrudieren und Aufbringen des Materials die Kurzfasern (3) relativ zu dem Matrixmaterial (2) in der Weise orientiert, dass die Kurzfasern (3) nach dem Aufbringen des Materials bezüglich einer physischen oder gedachten Linie (L) oder Fläche (F), entlang der das Aufbringen erfolgt, stehend angeordnet sind. Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein faserverstärktes Werkstück, das mittels eines derartigen Verfahrens additiv hergestellt ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Fertigung eines Werkstücks mittels Schmelzschichtung. Ferner betrifft die Erfindung ein faserverstärktes Werkstück, das mittels eines derartigen Verfahrens additiv hergestellt ist.
  • Ein auf dem Gebiet der additiven oder generativen Fertigung bekanntes Verfahren des „3D-Druckens“ basiert auf dem Prinzip der sog. Schmelzschichtung. Bei Beispielen derartiger Verfahren wird ein Filament in einem Extrusionskopf erwärmt und aus dem erwärmten Filament schichtweise das Werkstück aufgebaut. Die Verbindung aufeinander geschichteter Filamente wird bei Abkühlung des extrudierten Materials erreicht.
  • Es ist wünschenswert, additiv gefertigte Werkstücke mittels Fasern verstärken zu können, insbesondere um deren mechanische Eigenschaften zu beeinflussen. Zugleich ist ein schichtweiser Aufbau des Werkstücks etwa mit Blick auf die Begrenzung des Aufwands für dessen Herstellung einschließlich des Aufwands für die Aufbereitung der die Geometrie des Werkstücks definierenden Daten, insbesondere der Definition eines Wegs, dem der Extrusionskopf beim „Drucken“ folgt, erwünscht.
  • Beispielsweise beschreibt die US 2015/0165666 A1 ein Verfahren zur Herstellung faserverstärkter Polymerkomponenten, bei dem ein Polymerfilament und ein Faserfilament einer Düse zugeführt und parallel zueinander ko-extrudiert werden.
  • Bei derartigen herkömmlichen Verfahren zur additiven Fertigung unter Einbeziehung von Verstärkungsfasern, die auf dem Prinzip der Schmelzschichtung basieren, mag es möglich sein, mechanische Eigenschaften des erzeugten Werkstücks innerhalb der Ebenen, in denen das Werkstück geschichtet aufgebaut wird, und insbesondere in einer Richtung entlang abgelegter Filamente, zu verbessern und ein qualitativ hochwertiges Werkstück zu erhalten. Jedoch besteht bei herkömmlichen Verfahren im Erzeugnis eine merkliche Anisotropie mit Blick auf die mechanischen Eigenschaften desselben, z. B. des Elastizitätsmoduls, auch wenn keine verstärkenden Fasern verwendet werden. Insbesondere in jener beispielsweise vertikalen Richtung, längs der das Werkstück schichtweise aufgebaut wird, wäre eine weitere Verbesserung der mechanischen Eigenschaften und insbesondere der Verbindung einer Lage zur nächsten wünschenswert.
  • In der DE 10 2018 102 731 A1 wird ein Verfahren zur additiven Herstellung eines Werkstücks aus verstärkten Kunststoffen beschrieben, bei dem ein Kompositwerkstoff einem Schneckenextruder in Form von Spritzgussgranulat oder Pulver zugeführt, aufgeschmolzen, plastifiziert und als Materialfaden aufgetragen wird. Eine Steuerung der Orientierung etwa von Glasfasern soll z.B. durch Variation etwa der Extrusionstemperatur erfolgen. Es soll eine mechanische Verzahnung abgelegter Materialbahnen erreicht werden.
  • Ein anderes bekanntes Verfahren zur Herstellung faserverstärkter Werkstücke ist beispielsweise ein Pulverbettverfahren, bei dem Kurzfasern eingesetzt werden.
  • Ferner ist ein Verfahren bekannt, bei dem Fasern verflochten und in einer besonderen Düse mit einem Thermoplast überzogen werden.
  • Weiterhin ist ein Verfahren bekannt, bei dem Lagen eines Laminats eine Verbindung mittels Kohlenstoff-Nanoröhren erfahren.
  • Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur additiven Fertigung mittels Schmelzschichtung anzugeben, mittels desselben mit vorzugsweise geringem Aufwand die Anisotropie mechanischer Eigenschaften des erzeugten Werkstücks abgemildert und/oder mechanische Eigenschaften des Werkstücks in Schichtungs- oder Aufbaurichtung verbessert werden können. Ferner soll ein entsprechend verbessertes faserverstärktes Werkstück angegeben werden.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ferner wird die Aufgabe durch ein faserverstärktes Werkstück mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst.
  • Demgemäß wird ein Verfahren zur additiven Fertigung eines Werkstücks mittels Schmelzschichtung vorgeschlagen, welches umfasst:
    • - Bereitstellen eines Ausgangsfilaments als ein Ausgangsmaterial, wobei das Ausgangsfilament ein Matrixmaterial und als Kurzfasern ausgebildete Verstärkungsfasern aufweist, wobei die Kurzfasern in dem Ausgangsfilament in ausgerichteter Anordnung vorgesehen sind;
    • - Zuführen des Ausgangsfilaments zu einer Extrusionseinrichtung; und
    • - Erwärmen des Ausgangsfilaments sowie Extrudieren und Aufbringen des Materials des Ausgangsfilaments auf eine Unterlage oder auf eine zuvor gebildete Materialschicht mittels der Extrusionseinrichtung.
  • Erfindungsgemäß werden hierbei bei dem Extrudieren und Aufbringen des Materials die Kurzfasern relativ zu dem Matrixmaterial in der Weise orientiert, dass die Kurzfasern nach dem Aufbringen des Materials bezüglich einer physischen oder gedachten Linie oder Fläche, entlang welcher das Aufbringen erfolgt, stehend angeordnet sind.
  • Darüber hinaus wird ein faserverstärktes Werkstück vorgeschlagen, welches mittels eines derartigen Verfahrens zur additiven Fertigung hergestellt ist.
  • Eine der Erfindung zu Grunde liegende Idee besteht darin, die verstärkenden Kurzfasern im Schritt des Extrudierens und Aufbringens durch Orientieren, insbesondere Umorientieren, dieser Kurzfasern relativ zu dem Matrixmaterial, welches plastisch oder fließfähig ist und/oder zumindest über seine Glasübergangstemperatur hinaus erwärmt wurde, in eine Lage zu bringen, in der die Kurzfasern jeweils in Relation zu der Linie oder Fläche, entlang der das extrudierte Filamentmaterial aufgebracht wird, stehend ausgerichtet sind.
  • In diesem Zusammenhang soll die Formulierung „stehend angeordnet“ oder „stehend ausgerichtet“ insbesondere sowohl gerade, senkrecht oder aufrecht stehende Kurzfasern als auch relativ zu der physischen oder gedachten Linie und/oder Fläche schräg stehende Kurzfasern umfassen.
  • In dieser Weise gelingt eine gezielte Verbesserung des mechanischen Verhaltens des fertigen Werkstücks in der Aufbaurichtung, in der die Materialschichten nacheinander geschichtet aufgebracht werden. Die Verbesserung wird mit anderen Worten in der so genannten „out-of-plane direction“, also einer Richtung quer zu den Schichtungsflächen, erreicht. Hierbei kann eine bessere Verbindung einzelner übereinander liegender Materialschichten erzielt werden. Insbesondere kann die Anisotropie der mechanischen Eigenschaften auf diese Weise abgemildert oder überwunden werden.
  • Bei der Erfindung können die Kurzfasern als Teil eines zugeführten, einheitlichen Ausgangsfilaments als Ausgangsmaterial bereitgestellt werden. Eine separate Zuführung wird somit nicht benötigt. Die gerichtete Anordnung der Kurzfasern im Ausgangsfilament ermöglicht einen stabilen Extrusionsvorgang mit gleichmäßiger, zuverlässiger Bereitstellung des aufzubringenden Materials. Verstopfungen im Extrusionsweg aufgrund der Fasern werden durch die geordnete Ausrichtung der Kurzfasern im Ausgangsfilament vermieden. Auf diese Weise können auch vergleichsweise lange Kurzfasern eingesetzt werden, um eine wirkungsvolle Verbesserung der Eigenschaften „out-of-plane“ zu erreichen, ohne dass es zu Verstopfungserscheinungen im Extrusionsweg kommt.
  • Die vorbeschriebene Verbesserung mechanischer Eigenschaften wird bei der Erfindung zudem auf einfache Weise erreicht, indem die im Werkstück stehend angeordneten Kurzfasern ohne zusätzliche, separate Arbeitsschritte zugleich mit dem Extrudieren und Aufbringen des Filamentmaterials bereitgestellt und in die gewünschte räumliche Lage gebracht werden. Somit ist für die Durchführung des Verfahrens auch eine vergleichsweise einfach aufgebaute Vorrichtung ausreichend. Es ist nicht erforderlich, Matrix und Fasern separat zuzuführen, stattdessen kann die Herstellung des Werkstücks ausgehend von einem Ausgangsfilament, das bereits die verstärkenden Fasern aufweist, erfolgen.
  • Insbesondere kann mit der Erfindung eine statistisch reproduzierbare Orientierung der Kurzfasern im aufgebrachten Material erreicht werden. Die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften wird somit, im Gegensatz zur Nutzung rein chaotisch ausgerichteter Kurzfasern im Material, bei der Erfindung deutlich gezielter möglich.
  • Die Verbesserung der Werkstückeigenschaften, insbesondere in der „out-of-plane direction“ werden zugleich mit einem schichtweisen Fertigen oder schichtweisen „3D-Drucken“ des Werkstücks möglich, was beispielsweise auch die Datenaufbereitung vereinfacht und eine relativ einfache, insbesondere zweidimensionale Bewegung der Extrusionseinrichtung erlaubt.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.
  • Insbesondere sind nach dem Aufbringen des Materials die Kurzfasern in dem Matrixmaterial in geordneter Weise jeweils zumindest abschnittsweise eingebettet. Die geordnete Einbettung der Kurzfasern trägt zu einer gezielten Verbesserung der Werkstückeigenschaften, insbesondere in Aufbaurichtung, bei.
  • In einer Ausgestaltung stehen nach dem Aufbringen des Materials zumindest einige oder alle der Kurzfasern jeweils mit einem Ende oder mit beiden Enden der Kurzfaser aus dem Matrixmaterial hervor. Im fertigen Werkstück stehen hierbei die zumindest einigen oder alle Kurzfasern in das Matrixmaterial einer benachbarten Materialschicht, insbesondere einer darüberliegenden und/oder einer darunterliegenden benachbarten Materialschicht, hinein. Somit wird die Verbindung benachbarter Lagen oder Schichten des Werkstücks weiter verbessert.
  • In einer Ausgestaltung stehen somit einige oder alle der Kurzfasern hierbei in einer Richtung, gesehen in einer Aufbaurichtung des Werkstücks, nach unten aus dem Matrixmaterial der aufgebrachten Materialschicht in die benachbarte, zuvor gebildete Materialschicht hinein. Bei einer Ausgestaltung des Verfahrens können die Kurzfasern bei dem Aufbringen, insbesondere nach unten, in die benachbarte, zuvor gebildete Materialschicht hineingedrückt werden. Vorzugsweise wird hierbei das Material der Kurzfasern derart gewählt, dass die Kurzfasern in der Lage sind, beim Erwärmen des Ausgangsfilaments eine hinreichende Wärmemenge zu speichern und diese Wärmemenge beim Aufbringen des Materials wieder abzugeben, um bei dem Hineindrücken in die zuvor gebildete, bereits erkaltete Materialschicht ein lokales Aufschmelzen des Matrixmaterials dieser zu ermöglichen.
  • Alternativ oder zusätzlich können in weiteren Ausgestaltungen einige oder alle der Kurzfasern in einer Richtung, gesehen in einer Aufbaurichtung des Werkstücks, nach oben aus dem Matrixmaterial der aufgebrachten Materialschicht in die benachbarte, später gebildete Materialschicht hineinstehen. Bereits das Hineinstehen der Kurzfasern einer Schicht in das Matrixmaterial einer der benachbarten Schichten, etwa der „oberen“ oder der „unteren“ benachbarten Materialschicht, kann aufgrund des Haftens zwischen den Kurzfasern und dem Matrixmaterial einen Vorteil für die mechanischen Eigenschaften des Werkstücks und die Verbindung der Lagen bieten. Für eine weitere Verbesserung der Eigenschaften des Werkstücks kann ein Hineinstehen der Kurzfasern, z.B. einer Mehrzahl oder aller der Kurzfasern, in beide benachbarten Materialschichten in Betracht kommen.
  • Insbesondere wird das Material als ein Filament aufgebracht.
  • In einer Ausgestaltung ist eine Länge der Kurzfasern jeweils größer als eine Dicke des aufgebrachten Filaments. Somit gelingt es, mittels der Kurzfasern zwei benachbarte Materialschichten besser zu verbinden. Es wird auf einfache Weise möglich, die Kurzfasern in die darunterliegende und/oder die darüber aufgetragene Schicht hineinstehen zu lassen. Zudem trägt die Wahl der Länge der Kurzfasern relativ zur Dicke oder Höhe des aufgebrachten Filaments gemäß dieser Ausgestaltung zu einer wirkungsvollen Ausrichtung oder Orientierung der Kurzfasern relativ zu dem Matrixmaterial im Schritt des Extrudierens und Aufbringens bei.
  • Die Extrusionseinrichtung, der das Ausgangsfilament zugeführt wird, weist insbesondere eine Extrusionsdüse auf. Die Extrusionsdüse kann insbesondere für das Erwärmen des Ausgangsfilaments beheizbar sein.
  • In Weiterbildungen kann die Extrusionseinrichtung und/oder die Extrusionsdüse bei dem Extrudieren und Aufbringen des Materials relativ zu der Unterlage oder zu der zuvor gebildeten Materialschicht bewegt werden, insbesondere quer zu einer Förderrichtung, längs der das Material des Ausgangsfilaments insbesondere nahe eines Austrittsquerschnitts der Extrusionsdüse durch die Extrusionsdüse gefördert wird. Insbesondere kann die Extrusionseinrichtung und/oder die Extrusionsdüse parallel zu der physischen oder gedachten Linie und/oder Fläche, entlang der das Aufbringen erfolgt, bewegt werden.
  • In einer Ausgestaltung sind in dem Ausgangsfilament die Kurzfasern jeweils im Wesentlichen parallel zu einer Längsachse des Ausgangsfilaments ausgerichtet. Somit kann ein Verstopfen der Extrusionsdüse vermieden werden, während das Ausgangsfilament bei der Extrusion die Extrusionsdüse durchläuft. Die Kurzfasern sind hierbei im Wesentlichen parallel zu der Förderrichtung des Filamentmaterials durch die Extrusionsdüse ausgerichtet, wodurch sie nicht querstehen und die Extrusion nicht behindern.
  • In einer Ausgestaltung weist das Ausgangsfilament eine Querschnittsabmessung, insbesondere einen Durchmesser, auf, die einer Innenquerschnittsabmessung, insbesondere einem Innendurchmesser, der Extrusionsdüse im Wesentlichen entspricht. Beispielsweise kann der Innenquerschnitt der Extrusionsdüse in Größe und Form dem Querschnitt des Ausgangsfilaments entsprechen und/oder es kann die Querschnittsfläche des Ausgangsfilaments der Innenquerschnittsfläche der Extrusionsdüse entsprechen.
  • In einer Ausgestaltung sind in dem Ausgangsfilament die Kurzfasern auf einer Linie parallel zu einer Längsachse des Ausgangsfilaments, insbesondere auf oder nahe einer Längsmittelachse des Ausgangsfilaments, angeordnet. Die Kurzfasern können insbesondere regelmäßig, etwa entsprechend einem regelmäßigen Muster, zum Beispiel gleichmäßig voneinander beabstandet, in dem Ausgangsfilament vorgesehen sein. Die Verwendung eines derartigen Ausgangsfilaments ist insbesondere dann geeignet, wenn die äußere Querschnittsabmessung des Ausgangsfilaments der Innenquerschnittsabmessung der Extrusionsdüse im Wesentlichen entspricht. Mit dieser Ausgestaltung wird eine besonders zuverlässige, kontrollierte Einbringung der Kurzfasern möglich, was sich günstig auf die angestrebte Verbesserung der Werkstückeigenschaften und die Qualität des Erzeugnisses auswirken kann.
  • In einer anderen Ausgestaltung weist das Ausgangsfilament eine Querschnittsabmessung, insbesondere einen Durchmesser, auf, die größer als eine minimale Innenquerschnittsabmessung der Extrusionsdüse, insbesondere ein Innendurchmesser an einem engsten Innenquerschnitt der Extrusionsdüse, ist. Beispielsweise kann die Querschnittsfläche des Ausgangsfilaments größer als die Innenquerschnittsfläche der Extrusionsdüse an deren engstem Innenquerschnitt sein.
  • Gemäß einer Weiterbildung sind in dem Ausgangsfilament die Kurzfasern, quer zu einer Längsachse des Ausgangsfilaments gesehen, an einer Vielzahl von Positionen verteilt angeordnet und hierbei jeweils in Bezug auf die Längsachse des Ausgangsfilaments geordnet ausgerichtet. Die Verteilung der Positionen der Kurzfasern im Ausgangsfilament, insbesondere radial und parallel zu der Längsachse des Ausgangsfilaments sowie in tangentialer Richtung, kann insgesamt eine statistische Verteilung sein. Ein derartiges Ausgangsfilament kann auch als „amorph“ oder „amorph strukturiert“ bezeichnet werden. Das Verteilen der Kurzfasern in dieser Weise ermöglicht es, ein Ausgangsfilament bereitzustellen, mit dem eine gewünschte stehende Anordnung und Dichte der Kurzfasern im Werkstück erreicht werden kann, wenn die Querschnittsabmessung oder -fläche des Ausgangsfilaments größer als die Abmessung bzw. Fläche des engsten Innenquerschnitts der Extrusionsdüse ist und das Ausgangsfilament beim Durchlaufen der Extrusionsdüse somit in Förderrichtung gestreckt wird, also eine Längung erfährt.
  • Insbesondere sind in dem Ausgangsfilament die quer zu der Längsrichtung des Ausgangsfilaments verteilt angeordneten Kurzfasern jeweils im Wesentlichen parallel zu der Längsachse des Ausgangsfilaments ausgerichtet. Dies vermeidet wiederum ein Verstopfen der Extrusionsdüse beim Extrudieren.
  • Im Falle einer Ausgestaltung mit der Verteilung der Kurzfasern quer zu der Längsrichtung des Ausgangsfilaments sind in einer Weiterbildung die Kurzfasern im Ausgangsfilament vorzugsweise in einer Menge vorhanden, die es ermöglicht, nach Längung des Ausgangsfilaments beim Extrudieren eine vordefinierte Dichte stehend angeordneter Kurzfasern im aufgebrachten Material zu erhalten. Es können somit mehrere Kurzfasern im Ausgangsfilament entlang der Längsachse des Ausgangsfilaments überlappend angeordnet sein. Mittels der Längung des Materials des Ausgangsfilaments im Extrusionsweg wird die Verteilung der Kurzfasern „auseinandergezogen“ und die Kurzfasern beim Aufbringen orientiert.
  • In einer Ausgestaltung wird das Orientieren der Kurzfasern bei dem Extrudieren und Aufbringen des Materials in der Weise durchgeführt, dass die Kurzfasern nach dem Aufbringen des Materials bezüglich der physischen oder gedachten Linie oder Fläche oder beider quer angeordnet sind. Der Begriff „quer“ soll hierbei in der Verwendung gemeinsam mit der „stehenden“ Anordnung der Kurzfasern in der Weise verstanden werden, dass jede winkelmäßige Neigung der stehend angeordneten Kurzfasern relativ zu der physischen oder gedachten Linie oder Fläche, die eine querverstärkende Wirkung ermöglicht, also zu einer verstärkenden Wirkung entlang einer Richtung orthogonal zu der physischen oder gedachten Linie oder Fläche oder entlang einer Schichtungsrichtung beiträgt, mit umfasst ist. Insbesondere ist vorliegend jede winkelmäßige Neigung der Kurzfasern jeweils relativ zu der physischen oder gedachten Linie oder Fläche denkbar, die ein Hineinstehen der Kurzfaser zumindest in eine der angrenzenden Materialschichten, insbesondere mindestens die darüber- oder die darunterliegende benachbarte Materialschicht, möglich macht. Hierbei kann die Kurzfaser beispielsweise zu der physischen oder gedachten Fläche und Linie nach dem Aufbringen jeweils senkrecht stehen, oder die Kurzfaser kann beispielsweise zu der physischen oder gedachten Linie senkrecht stehen, während sie zugleich zu der physischen oder gedachten Fläche schräg geneigt ist, oder die Kurzfaser ist jeweils zu der physischen oder gedachten Fläche und Linie beispielsweise schräg geneigt. Insbesondere kann zum Beispiel eine Neigung der Kurzfasern relativ zu der physischen oder gedachten Linie oder Fläche oder beiden im Bereich von etwa 45 Grad oder ähnlich immer noch eine verstärkende Wirkung orthogonal zu der physischen oder gedachten Linie oder Fläche oder entlang der Schichtungsrichtung erzeugen und soll daher von Begriff „quer“ beispielhaft mit umfasst sein. Eine derartige schräge Neigung der Kurzfasern kann in einigen Fällen zum Beispiel auf Kippmomente, bedingt durch schnelle Bewegungen der Extrusionseinrichtung bei der additiven Fertigung, zurückgehen.
  • In einer Ausgestaltung kann das Orientieren der Kurzfasern bei dem Extrudieren und Aufbringen des Materials in der Weise durchgeführt werden, dass die Kurzfasern nach dem Aufbringen des Materials bezüglich der physischen oder gedachten Linie oder Fläche oder beider im Wesentlichen orthogonal angeordnet sind. Dies ermöglicht eine vorteilhaft möglichst weitgehende Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des Werkstücks quer zu der Richtung, entlang der das Material aufgebracht wird, und somit von Materialschicht zu Materialschicht in Aufbaurichtung.
  • In einer Weiterbildung erfolgt das Orientieren der Kurzfasern bei dem Extrudieren und Aufbringen des Materials in der Weise, dass die Kurzfasern nach dem Aufbringen des Materials im Wesentlichen vertikal ausgerichtet sind. Dies kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn die Vertikalrichtung oder Hochrichtung der Aufbaurichtung des Werkstücks entspricht, beispielsweise wenn das Werkstück auf einer zum Beispiel horizontalen, in Vertikalrichtung bewegbaren Plattform aufgebracht wird.
  • Unter „im Wesentlichen orthogonal“ soll im vorstehenden Zusammenhang in Bezug auf die Orientierung der Kurzfasern zu der Linie oder Fläche verstanden werden, dass die Kurzfasern möglichst senkrecht zu der Linie oder Fläche oder beiden orientiert werden, wobei jedoch Abweichungen von der exakten Orthogonalität mit eingeschlossen sind.
  • Ferner soll „im Wesentlichen vertikal“ derart verstanden werden, dass die Kurzfasern möglichst in vertikaler Richtung aufrecht stehend angeordnet werden, Abweichungen von der exakt vertikalen Ausrichtung aber ebenfalls eingeschlossen sind. Hohe Prozessgeschwindigkeiten bei der additiven Fertigung können beispielsweise zu derartigen Abweichungen führen.
  • Insbesondere kann das Orientieren der Kurzfasern bei dem Extrudieren und Aufbringen des Materials in der Weise durchgeführt werden, dass die Kurzfasern nach dem Aufbringen des Materials in Wesentlichen in einer Richtung ausgerichtet sind, in der aufeinanderfolgende Materialschichten zur Bildung des Werkstück aufeinandergeschichtet werden. Dies trägt wiederum zu einer Verbesserung der Verbindung der Materialschichten miteinander bei. Schräg zu der Schichtungs- oder Aufbaurichtung geneigte Kurzfasern sind jedoch, wie oben bereits erläutert, ebenfalls möglich und können ebenfalls eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften bewirken.
  • Gemäß einer Ausgestaltung ist eine Länge der Kurzfasern jeweils größer als eine Innenquerschnittsabmessung, insbesondere als ein Innendurchmesser, der Extrusionsdüse der Extrusionseinrichtung. Insbesondere kann die Länge der Kurzfasern jeweils größer als die Innenquerschnittsabmessung, insbesondere der Innendurchmesser, der Extrusionsdüse im Bereich eines engsten Innenquerschnitts der Extrusionsdüse sein. Die Länge der Kurzfasern könnte beispielsweise bei nichtkreisförmigem Innenquerschnitt der Extrusionsdüse größer als die maximale Innenquerschnittsabmessung der Extrusionsdüse im Bereich deren engsten Innenquerschnitts sein. Dies trägt zur effektiven (Um-)orientierung der Kurzfasern relativ zum insbesondere plastischen, fließfähigen Matrixmaterial beim Extrudieren und Aufbringen bei.
  • Gemäß einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass mittels einer Innengeometrie der Extrusionsdüse nahe eines Austrittsquerschnitts derselben die Kurzfasern beim Austritt aus der Extrusionsdüse zur Steuerung der Ausrichtung der Kurzfasern führbar sind. Insbesondere kann die Innengeometrie derart ausgebildet sein, dass die Extrusionsdüse einen Austrittsbereich aufweist, der den Austrittsquerschnitt umfasst, wobei ein engster Innenquerschnitt der Extrusionsdüse in dem Austrittsbereich vorgesehen ist, und wobei der Austrittsbereich zum Beispiel eine Länge entlang der Förderrichtung des zu extrudierenden Materials aufweist, welche größer oder im Wesentlichen gleich der Länge der Kurzfasern ist. Vorzugsweise bleibt in dem Austrittsbereich der Innenquerschnitt der Extrusionsdüse im Wesentlichen konstant. Mit dieser Ausgestaltung kann die Führung der Kurzfasern und die (Um)orientierung der Kurzfasern relativ zur Matrix im Schritt des Extrudierens und Aufbringens in noch wirkungsvollerer Weise herbeigeführt werden. Insbesondere kann hierdurch ein verbessertes Führen der Kurzfasern, während quer zu der Förderrichtung innerhalb der Extrusionsdüse das Matrixmaterial auf der Unterlage oder der zuvor gebildeten Materialschicht abgelegt wird, erzielt werden.
  • In einer Ausgestaltung weist das Ausgangsfilament zusätzlich zu den Kurzfasern eine Langfaser oder Endlosfaser zur Längsverstärkung auf. Somit sind bei einer derartigen Ausgestaltung ein Teil der Verstärkungsfasern des Ausgangsfilaments Kurzfasern, während die Lang- oder Endlosfaser(n) einen weiteren Teil der Verstärkungsfasern des Ausgangsfilaments bilden. Mittels der Lang- oder Endlosfaser können die mechanischen Eigenschaften des Werkstücks jeweils innerhalb der bei dem geschichteten Aufbau desselben gebildeten Schichten („in-plane“) und insbesondere entlang jeweils des extrudierten Filaments weiter verbessert werden. Vorteilhaft kann dies bei dieser Ausgestaltung ermöglicht werden, ohne dass zusätzliche Arbeitsschritte nötig werden. Somit wird es beispielsweise möglich, ein z. B. in viele oder alle Richtungen mittels Faserstoffen verstärkbares Verbundmaterial in einem Arbeitsgang druckbar zu machen.
  • In einer Ausgestaltung verläuft die Langfaser oder Endlosfaser im Ausgangsfilament im Wesentlichen parallel zu einer Längsachse des Ausgangsfilaments. Insbesondere folgt die Lang- oder Endlosfaser hierbei im Ausgangsfilament über einer Länge der Lang- bzw. Endlosfaser im Wesentlichen einer Richtung parallel zu einer Längsmittelachse des Ausgangsfilaments. Die Lang- oder Endlosfaser kann zum Beispiel auf der Längsmittelachse des Ausgangsfilaments angeordnet sein. Bei einer derartigen Ausgestaltung wird vorzugsweise die weiter oben beschriebene Anordnung der Kurzfasern in dem Ausgangsfilament auf einer Linie parallel zu der Längsachse des Ausgangsfilaments, insbesondere auf oder nahe der Längsmittelachse des Ausgangsfilaments, vorgesehen, wobei die Kurzfasern insbesondere regelmäßig, etwa entsprechend einem regelmäßigen Muster, beispielsweise gleichmäßig voneinander beabstandet, im Ausgangsfilament vorgesehen sein können. Hierdurch wird im Zusammenhang mit der Querschnittsabmessung des Ausgangsfilaments, die der Innenquerschnittsabmessung der Extrusionsdüse im Wesentlichen entspricht, eine besonders kontrollierte Anordnung der Kurzfasern im Werkstück bei zusätzlicher Längsverstärkung im Filament möglich.
  • In einer anderen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Langfaser oder Endlosfaser innerhalb eines Längsabschnitts des Ausgangsfilaments eine Länge aufweist, die größer ist als die Länge dieses Längsabschnitts, und/oder dass die Langfaser oder Endlosfaser innerhalb des Ausgangsfilaments Buchten bildet und/oder mäanderartig angeordnet ist oder die Langfaser oder Endlosfaser innerhalb des Ausgangsfilaments und/oder im Bereich eines Außenumfangs des Ausgangsfilaments helixartig angeordnet ist. Beispielsweise kann die Lang- oder Endlosfaser in einer Ebene oder im Raum Buchten bilden oder mäanderartig angeordnet sein. Die Lang- oder Endlosfaser kann z. B. durch Wickeln in das Innere des Ausgangsfilaments eingebracht sein oder kann z. B. durch Wickeln im Bereich des Außenumfangs des Ausgangsfilaments ganz oder teilweise in das Matrixmaterial eingebracht sein, insbesondere um die helixartige Anordnung zu implementieren. Zusätzliche Länge für die Lang- oder Endlosfaser kann bei dieser Ausgestaltung somit in einer Variante durch das Bilden von Buchten und/oder die mäanderartige Anordnung der Lang- oder Endlosfaser erreicht werden, oder in einer anderen Variante durch die helixartige Anordnung der Lang- oder Endlosfaser. Eine derartige Ausgestaltung ist vorteilhaft, wenn das Ausgangsfilament die Querschnittsabmessung oder -fläche, die größer als die minimale Innenquerschnittsabmessung bzw. Innenquerschnittsfläche der Extrusionsdüse ist, aufweist, wie weiter oben beschrieben. Insbesondere wird eine derartige Ausgestaltung vorzugsweise kombiniert mit der vorstehend beschriebenen verteilten Anordnung der Kurzfasern in dem Ausgangsfilament, quer zu der Längsachse des Ausgangsfilaments gesehen, an einer Vielzahl von Positionen, wobei die Kurzfasern jeweils in Bezug auf die Längsachse des Ausgangsfilaments geordnet ausgerichtet sind. Es wird somit eine Längsverstärkung zusätzlich zu der durch die Kurzfasern erreichten Verbesserung der Werkstückeigenschaften möglich. Hierbei ermöglicht die zusätzliche Länge der Lang-/Endlosfaser, die etwa durch die Buchten oder Mäander oder helixartigen Windungen bereitgestellt wird, zugleich eine Längung oder Streckung des Filamentmaterials während der Extrusion.
  • Insbesondere ist im Falle einer endlichen Länge der Langfaser die Länge der Langfasern jeweils erheblich größer als die Länge der Kurzfasern. Die endliche Länge der Langfaser kann insbesondere durch die erwünschten Eigenschaften des Werkstücks bestimmt sein. Eine Endlosfaser kann sich hingegen „quasi endlos“ entlang eines gesamten, in einem Zuge abgelegten Stücks des Filaments erstrecken und endet erst, wenn das Filament abgetrennt wird. Somit kann sich die Endlosfaser kontinuierlich z.B. durch eine Materialschicht, mehrere Materialschichten oder das gesamte Werkstück erstrecken. Die Länge der Endlosfaser kann insbesondere in derartigen Varianten die Länge der Kurzfasern ebenfalls erheblich übersteigen.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass in weiteren, ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung die zusätzliche Verstärkung mittels der Langfaser bzw. der Endlosfaser weggelassen werden kann. Auch ohne Lang- oder Endlosfaser können die Kurzfasern vorteilhaft das mechanische Verhalten des Werkstücks, insbesondere mit Blick auf die weiter oben beschriebene Anisotropie, verbessern.
  • In einer Ausgestaltung weist das Ausgangsfilament als das Matrixmaterial einen aufschmelzbaren Kunststoff auf.
  • Das Matrixmaterial des Ausgangsfilaments kann beispielsweise ein thermoplastischer Kunststoff sein. Dies ermöglicht eine zweckmäßige Verarbeitung mittels Extrusion und ein Überführen des Matrixmaterials in einen hinreichend verformbaren, beispielsweise fließfähigen, Zustand mittels Erwärmen.
  • In weiteren Ausgestaltungen sind die Kurzfasern in dem Ausgangsfilament als Kohlefasern oder Glasfasern oder Keramikfasern oder Aramidfasern oder Metallfasern ausgebildet oder weisen Kohlefasern oder Glasfasern oder Keramikfasern oder Aramidfasern oder Metallfasern auf. Weitere geeignete Fasertypen können jedoch ebenfalls zur Bildung der Kurzfasern in Betracht kommen.
  • In weiteren Weiterbildungen ist die Lang- oder Endlosfaser in dem Ausgangsfilament mit Kohlefasern oder Glasfasern oder Keramikfasern oder Aramidfasern oder Metallfasern oder zumindest einer Faser eines der vorgenannten Typen ausgebildet. Auch für die Lang- oder Endlosfaser können stattdessen Fasern eines oder mehrerer weiterer geeigneter Fasertypen in Betracht kommen.
  • Beispielsweise sind die Kurzfasern ferner vorzugsweise derart ausgebildet, dass sie unter den Bedingungen beim Extrudieren und Aufbringen des Materials, und insbesondere bei der für das Extrudieren gewählten Temperatur oder innerhalb des für das Extrudieren gewählten Temperaturbereichs, eine hinreichende Steifigkeit aufweisen, die es ermöglicht, die Kurzfasern gegenüber dem Matrixmaterial in dessen plastisch verformbarem oder fließfähigem Zustand gezielt auszurichten. Somit ist bei dieser Ausgestaltung die Steifigkeit der Kurzfasern unter den Bedingungen beim Extrudieren und Aufbringen größer als die „Steifigkeit“ des Matrixmaterials unter diesen Bedingungen.
  • Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Elastizitätsmodul der Kurzfasern größer ist als der Elastizitätsmodul, der in einer Schichtungs- oder Aufbaurichtung des Werkstücks unter Verbindung der einander benachbarten Materialschichten ohne Einsatz der Kurzfasern für das Werkstück erreichbar ist. Hierbei ist somit der Elastizitätsmodul der Kurzfasern, nach Einbringung in das Werkstück, größer als jener Elastizitätsmodul eines Werkstücks in Schichtungs- oder Aufbaurichtung und somit quer zu den Materialschichten, bei dem die Verbindung aufeinanderfolgender Materialschichten oder Filamente beim Schmelzschichten durch eine „Schmelzklebeverbindung“ zustande kommt.
  • Beispielsweise ist denkbar, dass die Kurzfasern in einer weiteren Ausgestaltung vorbehandelt werden, etwa durch Vorimprägnieren zum Beispiel mittels eines Kunststoffmaterials, um die vorstehend beschriebene, erwünschte Steifigkeit zu bewirken. Insbesondere bei Fasern wie zum Beispiel Kohlenstofffasern kann dies nützlich sein, um hinreichend steife Kurzfasern zu erhalten. Zum Beispiel können die Kurzfasern als kurze, vorimprägnierte Bündel mit Einzelfasern, insbesondere Kohlenstoff-Einzelfasern, ausgebildet sein.
  • Insbesondere im Falle einer Ausbildung der Kurzfasern aus einem Kunststoff als Kurzfasermaterial wird vorzugsweise eine Schmelztemperatur oder Glasübergangstemperatur des Kurzfasermaterials oberhalb einer Schmelztemperatur oder Glasübergangstemperatur des Matrixmaterials gewählt. Werden Fasern z.B. mit einem Kunststoffmaterial vorimprägniert, kann die Schmelz- oder Glasübergangstemperatur des zur Vorimprägnierung verwendeten Kunststoffmaterials bevorzugt oberhalb der Schmelz- oder Glasübergangstemperatur des Matrixmaterials gewählt werden. Dies trägt dazu bei, eine hinreichende Steifigkeit der Kurzfasern unter den Bedingungen der Extrusion sicherzustellen, um die Kurzfasern gegenüber dem Matrixmaterial orientieren zu können.
  • In einer Ausgestaltung kann das faserverstärkte Werkstück als eine Komponente eines Luft- oder Raumfahrzeugs ausgebildet sein. Somit kann das vorgeschlagene Verfahren insbesondere zur additiven Fertigung eines Werkstücks als Komponente für ein Luft- oder Raumfahrzeug vorgesehen sein.
  • Vorliegend wird im Zusammenhang mit Verstärkungsfasern, sowohl betreffend Kurz- als auch betreffend Lang- oder Endlosfasern, zur Vereinfachung der Begriff „Faser“ gebraucht. Es sei aber darauf hingewiesen, dass unter diesem Begriff sowohl Einzelfasern als auch Faserbündel, in denen einen Vielzahl von Einzelfasern zusammengefasst sind, verstanden werden sollen.
  • Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Hierbei zeigen:
    • 1 eine schematische Prinzipdarstellung zur Erläuterung einer additiven Fertigung eines Werkstücks mittels Schmelzschichtung;
    • 2 ein Ausgangsfilament zur Verwendung in einem Verfahren gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, schematisch in einem Längsschnitt;
    • 3 ein Ausgangsfilament zur Verwendung in einem Verfahren gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, schematisch in einem Längsschnitt;
    • 4 eine Extrusionsdüse einer Extrusionseinrichtung in einer schematischen Schnittdarstellung, während des Extrudierens und Aufbringens von Material bei der Durchführung eines Verfahrens gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, zusammen mit einem Teil eines extrudierten und aufgebrachten Filaments;
    • 5 eine Querschnittsansicht mehrerer Filamente, die in einem Verfahren gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel extrudiert und zur Bildung mehrerer Materialschichten sukzessive aufeinander aufgebracht wurden;
    • 6 eine Extrusionsdüse einer Extrusionseinrichtung in einer schematischen teilweisen Schnittdarstellung, während des Extrudierens und Aufbringens von Material bei der Durchführung eines Verfahrens gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, zusammen mit einem Teil eines extrudierten und aufgebrachten Filaments;
    • 7 ein Ausgangsfilament zur Verwendung in einem Verfahren gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, schematisch in einem Längsschnitt;
    • 8 ein Ausgangsfilament zur Verwendung in einem Verfahren gemäß einem noch weiteren Ausführungsbeispiel, schematisch in einem Längsschnitt;
    • 9 eine Variante des Ausgangsfilaments der 3, schematisch gezeigt in einem Längsschnitt;
    • 10 eine weitere Variante des Ausgangsfilaments der 3, schematisch gezeigt in einem Längsschnitt; und
    • 11 eine noch weitere Variante des Ausgangsfilaments der 3, teilweise und schematisch gezeigt in einem Längsschnitt.
  • Die beiliegenden Figuren sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung. Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt.
  • In den Figuren der Zeichnungen sind gleiche, funktionsgleiche und gleich wirkende Elemente, Merkmale und Komponenten - sofern nichts anderes ausgeführt ist - jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • 1 zeigt beispielhaft und schematisch die additive Fertigung eines Werkstücks mittels Schmelzschichtung in einem filamentbasierten Verfahren. Das nicht in seiner Gesamtheit gezeigte Werkstück wird in 1 als faserverstärkte Komponente 3D-gedruckt.
  • Im Einzelnen wird in 1 ein Werkstück auf einer Unterlage 17, die als Plattform ausgebildet und in einer vertikalen Richtung V in Pfeilrichtung 19 bewegbar ist, schichtweise aufgebaut. Dies erfolgt in der Weise, dass einer bewegbaren Extrusionseinrichtung 11 ein Ausgangsfilament 1 zugeführt wird, zum Beispiel ausgehend von einer Rolle oder einer anderen Speichereinrichtung. Das Ausgangsfilament 1 bildet ein Ausgangsmaterial für den in 1 illustrierten 3D-Druckvorgang und weist ein Matrixmaterial und Verstärkungsfasern auf. Der nähere Aufbau des Ausgangsfilaments 1 soll nachfolgend noch detaillierter beschrieben werden.
  • Mithilfe der Extrusionseinrichtung 11 wird das Ausgangsfilament 1 erwärmt und das Matrixmaterial desselben auf diese Weise in einen hinreichend verformbaren, insbesondere plastischen oder fließfähigen Zustand, gebracht, beispielsweise durch Erwärmen auf eine Glasübergangs- oder Schmelztemperatur des Matrixmaterials oder darüber hinaus. Hierfür weist die Extrusionseinrichtung 11 eine beheizbare Extrusionsdüse auf, die in 1 der besseren Übersicht halber nicht dargestellt ist. Das erwärmte Matrixmaterial ermöglicht das Extrudieren und Aufbringen des Materials des Ausgangsfilaments 1 als ein extrudiertes Filament 7 in Schichten 8a, 8b übereinander. Beispielhaft ist in 1 herbei die erste Schicht 8a auf die Unterlage 17 aufgebracht worden und es wird in 1 soeben ein Filament 7 der zweiten Schicht 8b auf das Filament 7 der zuvor gebildeten Materialschicht 8a aufgebracht. Das Aufbringen erfolgt in 1 entlang einer gedachten Linie L, die in einer gedachten Fläche F parallel zu der Unterlage 17 liegt. Das Aufbringen des Filaments 7 erfolgt in 1 somit auch entlang der gedachten Fläche F. Beim Aufbringen auf die Plattform 17 entspricht deren physische Oberfläche der Fläche F.
  • Für den schichtweisen Aufbau des Werkstücks ist die Extrusionseinrichtung 11, der das Ausgangsfilament 1 entlang einer Zuführrichtung 23 zugeführt wird, zweidimensional in zwei Richtungen parallel zu der Unterlage 17 bewegbar. Einrichtungen zum Antreiben der Extrusionseinrichtung 11 und zum Steuern der Bewegung der Extrusionseinrichtung 11 sind in 1 der besseren Übersicht halber nicht näher dargestellt. Die beiden beispielhaften Bewegungsrichtungen der Extrusionseinrichtung 11 sind in 1 mit den Bezugszeichen 13a, 13b bezeichnet.
  • In 1 entspricht die Bewegungsrichtung 19 der Plattform 17 der vertikalen Richtung V, die wiederum im ebenfalls skizzierten Koordinatensystem der Hochrichtung z entspricht. Die weiteren Koordinatenrichtungen x und y liegen in einer horizontalen Ebene, die Bewegung 13a erfolgt längs Richtung x, wohingegen die Bewegung 13b längs Richtung y erfolgt. Sowohl die Oberfläche der Unterlage 17 als auch die gedachte Fläche F sind parallel zur horizontalen x-y-Ebene.
  • Die mit Hilfe der Bewegung der Extrusionseinrichtung 11 relativ zu dem sich aufbauenden Werkstück abgelegten Filamente 7 bilden, indem sie schichtweise über-und nebeneinander abgelegt werden, das Werkstück aus. Hierbei verbinden sich benachbarte Filamente 7 auf thermischem Weg, d.h. es entsteht beim Abkühlen und Verfestigen des zuvor erwärmten Matrixmaterials eine feste Verbindung.
  • Bei den nachfolgend näher erläuterten Ausführungsbeispielen wird das Werkstück analog der schematischen Darstellung in 1 aufgebaut. Diesbezüglich wird für die nachfolgende Beschreibung auf 1 und die vorstehenden Erläuterungen Bezug genommen, wobei in 1 als Ausgangsmaterial nicht nur das Ausgangsfilament 1, sondern alternativ hierzu das Ausgangsfilament 101, 101', 101'', 101''', 201 oder 301, wie weiter unten beschrieben, verwendet werden kann.
  • 2 zeigt ein Ausgangsfilament 1 zur Verwendung in einem Verfahren gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Ausgangsfilament 1 weist einen beispielhaft im Wesentlichen kreisrunden Querschnitt mit einem im Wesentlichen konstanten Außendurchmesser D1 auf. In Varianten kann der Querschnitt des Ausgangsfilaments 1 statt einer kreisrunden Form eine andere Form aufweisen, zum Beispiel eine quadratische oder rechteckige Form. Bei Ausbildung des Ausgangsfilaments 1 in den genannten Varianten mit einem Quadrat- oder Rechteckquerschnitt können die Form und Kantenlängen des Querschnitts längs des Ausgangsfilaments jeweils im Wesentlichen konstant sein.
  • Auf einer Linie parallel zu einer Längsachse A des Ausgangsfilaments 1 sind Kurzfasern 3 angeordnet. Die Längsachse A entspricht in 2 einer Längsmittelachse des Ausgangsfilaments 1. Die Kurzfasern 3 bilden einen Bestandteil des Ausgangsfilaments 1 und sind in dem Matrixmaterial 2 desselben eingebettet und gleichmäßig entlang der Längsachse A gemäß einem regelmäßigen Muster und hierbei gleichmäßig voneinander beanstandet angeordnet. Die Anordnung der Kurzfasern 3 im Ausgangsfilament 1 ist somit derart, dass die Kurzfasern 3 entlang der Längsachse A geordnet und zur Längsachse A parallel ausgerichtet sind. Die Kurzfasern 3 dienen als Verstärkungsfasern für das zu erzeugende Werkstück.
  • Zusätzlich zu den Kurzfasern 3 weist das Ausgangsfilament 1 in 2 bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine Langfaser oder Endlosfaser 5 auf, die zur Längsverstärkung dient und im Wesentlichen parallel zu der Längsachse A des Ausgangsfilaments 1 in diesem verläuft. Die in das Matrixmaterial 2 eingebettete Lang- oder Endlosfaser 5 folgt hierbei über ihrer Länge der Längsachse A.
  • Beispielsweise kann bei dem Ausgangsfilament 1 der 2 die Lang- oder Endlosfaser 5 auf einer Seite der Längsmittelachse A und die Kurzfasern 3 auf einer Linie, die sich auf der radial gegenüberliegenden Seite der Längsmittelachse A befindet, angeordnet sein. Andere Anordnungen sind jedoch denkbar. Zum Beispiel könnten entweder die Lang- oder Endlosfaser 5 oder die Kurzfasern 3 direkt auf der Längsmittelachse A angeordnet sein.
  • In 2 entspricht innerhalb eines Längsabschnitts des Ausgangsfilaments 1 mit der Länge La die Länge der Lang- oder Endlosfaser 5 im Wesentlichen dieser Länge La.
  • Ein Ausgangsfilament 101 zur Verwendung als Ausgangsmaterial in einem Verfahren gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel ist schematisch in 3 dargestellt. Analog dem Ausgangsfilament 1 weist das Ausgangsfilament 101 ein Matrixmaterial 2, Kurzfasern 3 und eine Lang- oder Endlosfaser 105 auf. Das Ausgangsfilament 101 weist ebenfalls einen beispielweise im Wesentlichen kreisrunden Querschnitt mit einem im Wesentlichen konstanten Außendurchmesser D101 auf. Wiederum ist alternativ zu der kreisrunden Querschnittsform, wie oben bereits zu 2 beschrieben, ein anders, beispielsweise quadratisch oder rechteckig, geformter Querschnitt des Ausgangsfilaments 101, mit im Wesentlichen konstanter Form und Abmessungen, ebenso denkbar. Die Kurzfasern 3 und die Lang-/Endlosfaser 105 sind in 3 in das Matrixmaterial 2 des Ausgangsfilaments 101 eingebettet.
  • Vom Ausgangsfilament 1 der 2 unterscheidet sich das Ausgangsfilament 101 jedoch darin, dass bei dem Filament 101 der 3 die Lang- oder Endlosfaser 105 innerhalb des dargestellten Längsabschnitts des Ausgangsfilaments 101 mit der Länge La eine Länge aufweist, die erheblich größer ist als die Länge La. Die zusätzliche Länge der Lang- oder Endlosfaser 105 wird durch eine mäanderartige Anordnung der Faser 105 innerhalb des Ausgangsfilaments 101 ermöglicht, die Lang- oder Endlosfaser 105 bildet hierbei Buchten 106. In 3 mäandert die Lang- oder Endlosfaser 105 in einer Ebene, wobei die Mäander oder Buchten 106 stattdessen im Raum gebildet sein könnten.
  • Die Kurzfasern 3 des Ausgangsfilaments 101 der 3 sind ebenfalls jeweils im Wesentlichen in Richtung der Längsachse A des Ausgangsfilaments 101, d.h. parallel zur Längsachse A, ausgerichtet. Auch in 3 bildet die Längsachse A beispielhaft eine Längsmittelachse des Ausgangsfilaments 101. Jedoch sind im Ausgangsfilament 101 die Kurzfasern 3 in einer Richtung quer zu der Längsachse A gesehen, anders gesagt radial betrachtet, an einer Vielzahl von Positionen 43 verteilt. Die Kurzfasern 3 sind somit zwar jeweils in Bezug auf die Längsachse A geordnet ausgerichtet, jedoch sind in Radial- oder Querrichtung senkrecht zu der Längsachse A gesehen mehrere der Kurzfasern 3 überlappend nebeneinander vorgesehen. Die Verteilung der Kurzfasern 3, innerhalb des Ausgangsfilaments 101 und somit insbesondere in Längs-, Radial- und Umfangsrichtung desselben zusammengenommen, kann statistisch sein.
  • 9, 10 und 11 zeigen Ausgangsfilamente 101', 101'' und 101''', die Varianten des Ausgangsfilaments 101 darstellen.
  • Das Ausgangsfilament 101' weist ein Matrixmaterial 2, Kurzfasern 3 und eine Lang- oder Endlosfaser 105' auf. Analog dem Ausgangsfilament 101 weist die Lang- oder Endlosfaser 105' innerhalb des dargestellten Längsabschnitts des Ausgangsfilaments 101' mit der Länge La eine Länge auf, die erheblich größer ist als die Länge La. Bei dem Ausgangsfilament 101' wird die zusätzliche Länge der Lang- oder Endlosfaser 105' durch eine helixartige oder schraubenförmig gewickelte Anordnung der Faser 105' innerhalb des Ausgangsfilaments 101' bereitgestellt.
  • Das Ausgangsfilament 101" der 10 weist ein Matrixmaterial 2, Kurzfasern 3 und eine Lang- oder Endlosfaser 105" auf. Wiederum ist in 10 ein Längsabschnitt des Ausgangsfilaments 101" mit der Länge La gezeigt. Analog dem Ausgangsfilament 101 ist innerhalb des dargestellten Längsabschnitts des Ausgangsfilaments 101" die Länge der Lang- oder Endlosfaser 105" größer als La. Auch bei dem Ausgangsfilament 101" wird zusätzliche Länge der Lang- oder Endlosfaser 105" durch eine helixartige oder schraubenförmig gewickelte Anordnung der Lang- oder Endlosfaser 105" bereitgestellt, wobei die Lang- oder Endlosfaser 105" des Ausgangsfilaments 101" im Bereich eines Außenumfangs des Ausgangsfilaments 101" helixartig um dieses gewunden ist. Die Lang-/Endlosfaser 105" kann in 10 zum Beispiel bereichsweise am Außenumfang des Ausgangsfilaments 101" in dessen Matrixmaterial 2 eingeschmolzen und hierdurch mit dem Matrixmaterial 2 verbunden sein.
  • Das Ausgangsfilament 101''' der 11 mit der Lang- oder Endlosfaser 105''' unterscheidet sich von dem Ausgangsfilament 101" lediglich darin, dass die Lang- oder Endlosfaser 105''' am Außenumfang des Ausgangsfilaments 101''' soweit eingeschmolzen ist, dass die Lang- oder Endlosfaser 105''' am Außenumfang des Ausgangsfilaments 101''' nicht mehr hervorsteht.
  • Über Vorstehendes hinausgehend sind die obigen Ausführungen zum Ausgangsfilament 101 auf die Ausgangsfilamente 101', 101", 101''' jeweils analog anwendbar, insbesondere auch die Ausführungen zu den Außenabmessungen bzw. Querschnitten des Ausgangsfilaments. Die Ausgangsfilamente 101', 101" und 101''' können jeweils in gleicher Weise wie das Ausgangsfilament 101 zum Einsatz kommen. Die Ganghöhe der Helix, entlang der jeweils die Lang-/Endlosfaser 105', 105", 105''' verläuft, kann entsprechend der benötigten zusätzlichen Länge variiert werden und ist in 9, 10, 11 jeweils nur beispielhaft gezeigt. Die Varianten der 9-11 sind auch für mehreckige, etwa quadratische oder rechteckige, Querschnitte des Ausgangsfilaments 101', 101 https://connect-vdi-laval.jouve.com/Citrix/VDILAVALWeb/, 101''' denkbar.
  • 4 zeigt in schematischer Weise die Verwendung eines Ausgangsfilaments 1 mit Kurzfasern 3 und der Lang- oder Endlosfaser 5, beispielhaft des Ausgangsfilaments 1 der 2, als Ausgangsmaterial in einem Verfahren gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
  • Die Extrusionseinrichtung 11 weist eine beheizbare Extrusionsdüse auf, die in 4 schematisch gezeigt und mit dem Bezugszeichen 29 bezeichnet ist. Das entlang der Richtung 23 parallel zu der Längsachse A zugeführte Ausgangsfilament 1 wird in der beheizten Extrusionsdüse 29 erwärmt. Die Erwärmung erfolgt in der Weise, dass eine Glasübergangstemperatur oder Schmelztemperatur des Matrixmaterials 2 zumindest erreicht wird, wobei das Matrixmaterial 2 vorzugsweise in einen fließfähigen Zustand übergeht. Entlang der Förderrichtung, die der Längsachse A und beispielhaft der Richtung 23 entspricht, durchläuft das Ausgangsfilament 1 die Extrusionsdüse 29 und verlässt diese als Strang an einem Austrittsquerschnitt 37 der Extrusionsdüse 29 in einem fließfähigen, plastisch verformbaren Zustand.
  • Im Falle des Ausgangsfilaments 1 der 2 entspricht der Durchmesser D1 einem in 4 nicht bezeichneten Innendurchmesser der Extrusionsdüse 29. Die Innengeometrie der Extrusionsdüse 29 ist in 4 nicht im Detail dargestellt, kann jedoch beispielhaft einen im Wesentlichen konstanten Innendurchmesser aufweisen. Da die Lang- bzw. Endlosfaser 5 im Ausgangsfilament 1 bereits in gestreckter Form und ohne Längenreserve vorliegt, kann das Ausgangsfilament 1 in dessen Längsrichtung A beim Extrudieren nicht weiter gestreckt werden. Bei einem derartigen Verfahren entspricht der Durchmesser D1 daher dem Innendurchmesser der Extrusionsdüse 29, das Ausgangsfilament 1 wird beim Extrudieren somit in Radialrichtung nicht gestaucht.
  • Entsprechend dem zu 1 Beschriebenen wird mittels der Extrusionsdüse 29 das Material des Ausgangsfilaments 1 extrudiert, tritt am Austrittsquerschnitt 37 aus der Düse 29 aus und wird als Filament 7 entweder auf die Unterlage 17 oder die bereits vorhandene Materialschicht 8a aufgebracht. Bei diesem Vorgang werden die Kurzfasern 3 relativ zu dem Matrixmaterial 2 in der Weise umorientiert, dass die Kurzfasern 3 nach Aufbringen des Materials bezüglich der Linie L und der Fläche F stehend angeordnet sind. Die gedachte Linie L und gedachte Fläche F entsprechen jenen der 1, das Aufbringen des Materials erfolgt entlang der Fläche F und der Linie L durch Bewegen der Extrusionsdüse 29 quer zu der Förderrichtung, in der das Material des Ausgangsfilaments 1 die Extrusionsdüse 29 durchläuft. Die Zuführrichtung 23 und die Förderrichtung innerhalb der Extrusionsdüse 29 stehen bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel im Wesentlichen senkrecht zur Fläche F und Linie L, das abgelegte Filament 7 erstreckt sich mit dessen Längsrichtung quer und beispielhaft im Wesentlichen senkrecht zu der Richtung 23 und der Förderrichtung in der Düse 29 sowie quer zur Längsachse A' der Kurzfasern 3 im Filament 7. Es sei aber darauf hingewiesen, dass die Zuführrichtung 23 und auch der Förderweg innerhalb der Extrusionseinrichtung 11 und der Extrusiondüse 29 stromauf eines Austrittsbereichs 31 oder engsten Innenquerschnitts der Extrusionsdüse nicht notwendig senkrecht zu der Fläche F oder Linie L, wie bspw. in der 1 skizziert, stehen müssen. Insbesondere mit Blick auf die Zuführung des Ausgangsfilaments 1 kann z.B. die Extrusionseinrichtung 11 für eine anders geartete, etwa horizontale, Zuführung eingerichtet sein.
  • Aus 4 wird ersichtlich, dass nach dem Aufbringen des Filaments 7 die Kurzfasern 3 in dem Matrixmaterial 2 in regelmäßiger, geordneter Weise jeweils abschnittsweise eingebettet sind. Jede der Kurzfasern 3 weist in 4 ein oberes Ende 4a und ein unteres Ende 4b auf, wobei „oben“ und „unten“ mit Blick auf die vertikale Richtung V, entspricht der z-Richtung, verstanden werden sollen. Die Kurzfasern 3 in 4 stehen beispielhaft jeweils mit dem unteren Ende 4b aus dem Matrixmaterial 2 des soeben aufgebrachten Filaments 7 nach unten heraus und in eine in 4 nicht dargestellte, darunterliegende Materialschicht 8 hinein. Das Ende 4b ist somit in das Matrixmaterial 2 der darunterliegenden Materialschicht 8 eingebettet, wodurch die Verbindung benachbarter Materialschichten 8 oder Lagen des Werkstücks weiter verbessert wird.
  • Die Situation ist in 5 in einem Querschnitt normal zur Längsachse des extrudierten Filaments 7, mithin normal zur Linie L, näher dargestellt, wobei mehrere sukzessive aufeinander aufgebrachte Materialschichten 8a, 8b, 8c, 8d, 8e, 8f gezeigt sind. Die gedachte Fläche F ist für das Aufbringen der obersten Schicht 8f beispielhaft dargestellt. Das in 5 gezeigte Koordinatensystem deutet die vertikale Hochrichtung z an, sowie die horizontalen Richtungen x bzw. y. Wenn die Filamente 7 analog 1 aufgebracht werden, entspricht hierbei die horizontale Achse in 5 der y-Achse der 1, wohingegen bei anderer Anordnung der Filamente 7 die x-Achse beispielhaft der horizontalen Achse der 5 entsprechen kann, wie durch die Bezeichnung dieser Achse in 5 angedeutet.
  • 5 zeigt ferner das Hineinstehen der Kurzfasern 3 von einer Materialschicht, beispielsweise der Materialschicht 8f, in die darunterliegende Materialschicht und insbesondere mit dem unteren Ende 4b in deren Matrixmaterial 2, zum Beispiel in die Materialschicht 8e. Ähnliches zeigt 5 für die Kurzfasern 3 weiterer Materialschichten 8b-8e. Es ist aber in Varianten denkbar, dass die Kurzfasern 3 jeweils mit beiden Enden 4a, 4b in eine jeweils an das Filament 7, welche diese Kurzfasern 3 beinhaltet, angrenzende, darüberliegende bzw. darunterliegende Materialschicht 8 hineinstehen. So könnten beispielsweise, was in 5 jedoch nicht näher dargestellt ist, die Kurzfasern 3 der Schicht 8e zusätzlich mit dem oberen Ende 4a jeweils in das Matrixmaterial 2 der Schicht 8f hineinstehen, während das untere Ende 4b der Kurzfasern 3 der Materialschicht 8e jeweils in das Matrixmaterial 2 der darunterliegenden Materialschicht 8d hineinsteht. Ragen auf diese Weise beide Enden 4a-b der Kurzfasern 3 in angrenzende Materialschichten 8 hinein, so kann die Verbindung der Lagen 8 zueinander in Richtung z noch weiter verbessert werden. Möglich und denkbar ist jedoch stattdessen auch - insbesondere bei eher begrenzter Wärmespeicher- und Wärmeabgabefähigkeit der Kurzfasern 3 - ein Hineinstehen oder Eintauchen nur der oberen Enden 4a der Kurzfasern 3 in das Matrixmaterial 2 des jeweils in z-Richtung in 5 nach „oben“ benachbarten Filaments 7, also beispielsweise das Eintauchen des Endes 4a der Kurzfasern 3 der Schicht 8e in das Matrixmaterial 2 der Schicht 8f. Indem die darüberliegende Materialschicht später in plastischem oder fließfähigem Zustand aufgebracht wird, muss kein erneutes lokales Aufschmelzen der Matrix 2 zum Einbetten der oberen Enden 4a bewirkt werden. Die z-Richtung, entsprechend der vertikalen Richtung V, bildet die Aufbau- oder Schichtungsrichtung für den generativen Aufbau des Werkstücks, siehe 1.
  • 4 macht ferner deutlich, dass die im Ausgangsfilament 1 im Wesentlichen parallel zur Längsachse A ausgerichteten Kurzfasern 3 die Extrusionsdüse 29 beim Durchlaufen dieser nicht blockieren. Die Ausrichtung der Kurzfasern 3 im Wesentlichen parallel zur Förderrichtung ermöglicht einen gleichmäßigen Extrusionsvorgang. Eine in 4 nicht näher bezeichnete Innengeometrie der Extrusionsdüse, insbesondere nahe deren Austrittsquerschnitt 37, ermöglicht die Führung der Kurzfasern 3 beim Austritt aus der Extrusionsdüse 29, um die Ausrichtung der Kurzfasern 3 zu steuern und die Kurzfasern relativ zu dem fließfähigen Matrixmaterial 2 umzuorientieren. 4 zeigt, dass die Kurzfasern 3 in Relation zu dem Matrixmaterial 2 beispielhaft um im Wesentlichen 90 Grad gegenüber deren Ausgangslage im Ausgangsfilament 1 gedreht werden, um die gezeigte stehende Anordnung im extrudierten Filament 7 zu erreichen. Hierbei wird die Ausrichtung der Kurzfasern 3 bezüglich der Düse 29 im Wesentlichen beibehalten, d.h. die Düse 29 hält die Kurzfasern 3 bei diesem Beispiel hinsichtlich deren Ausrichtung im Raum „fest“, während das Matrixmaterial 2 um ca. 90 Grad umgelenkt wird. Die Förderrichtung des Materials des Ausgangsfilaments 1 in einem Austrittsbereich 31 nahe dem Austrittsquerschnitt 37 der Extrusionsdüse 29 ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel im Wesentlichen senkrecht zu der Fläche F und Linie L ausgerichtet, wobei aber weiter stromauf die Förder- und Zuführrichtung(en) nicht notwendigerweise normal zur Fläche F oder Linie L stehen.
  • In 4 ist die Dicke hf des extrudierten Filaments 7, die bei der im Beispiel vertikalen Schichtungsrichtung als Höhe hf des extrudierten Filaments 7 bezeichnet werden kann, schematisch dargestellt, ebenso die Länge Ir jeder der Kurzfasern 3. Die Länge Ir der Kurzfasern 3 ist größer als die Dicke oder Höhe hf des Filaments 7, womit eine zuverlässige Verstärkung in z-Richtung sowie eine zuverlässige Verbindung mit der/den benachbarten Materialschicht(en) wie vorstehend beschrieben durch das herausstehende Ende 4a oder 4b oder durch beide herausstehenden Enden 4a und 4b nach unten und/oder oben in verbesserter Weise ermöglicht wird. Eine Verstärkung in der z-Richtung und Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des Werkstücks in dieser Richtung kann nahezu gleichermaßen sowohl mit einem Hineinstehen der Enden 4a in die jeweils benachbarte darüberliegende Materialschicht 8 als auch mit einem Hineinstehen der Enden 4b in die jeweils benachbarte darunterliegende Materialschicht 8 erreicht werden. Eine weitere Verbesserung ermöglicht das beschriebene Eintauchen der Kurzfasern 3 mit den Enden 4a bzw. 4b in beide benachbarten Materialschichten 8. Eine Verbesserung der Werkstückeigenschaften kann also erreicht werden, solange die Kurzfasern 3 so eingebracht werden, dass diese jeweils mindestens zwei einander benachbarte Materialschichten 8 verbinden.
  • Eine Länge Ir größer als hf trägt zudem dazu bei, die Kurzfasern 3 wirkungsvoll mittels der Extrusionsdüse 29 orientieren zu können, zumal der Austrittsquerschnitt der Extrusionsdüse 29 die erzielte Dicke hf beeinflusst.
  • Die mit Ir > hf im Vergleich mit den Querabmessungen des Filaments 7 relativ langen Kurzfasern 3 sind vorteilhaft durch die geordnete Ausrichtung derselben im Ausgangsfilament 1 für das Durchlaufen der Extrusionsdüse 29 derart vorbereitet, dass es auch bei Ir > hf nicht zu Verstopfungen der Düse 29 kommt. Ein Querstellen der Kurzfasern 3 quer zur Förderrichtung, welches die Düse 29 verlegen könnte, wird vermieden.
  • Bei dem Verfahren, wie es in 4 schematisch illustriert ist, wird somit eine Verbesserung des mechanischen Verhaltens des fertigen Werkstücks insbesondere in z-Richtung durch die Einbringung von Kurzfasern 3 in gezielter Orientierung in einem einzigen Arbeitsschritt erzielt. Somit ist eine nachträgliche, separate Einbringung verstärkender Elemente quer zur Richtung des Filaments 7 nicht notwendig. Dies vereinfacht den Druckvorgang und kann zu dessen Beschleunigung beitragen. Zugleich ist bei dem Ausführungsbeispiel der 4 eine zusätzliche Längsverstärkung mittels der Lang- oder Endlosfaser 5 vorhanden.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel der 4 und 5 werden die Kurzfasern 3 im Filament 7 weitgehend vertikal, d. h. im Wesentlichen parallel zur vertikalen Richtung V oder nur wenig zu dieser geneigt, im Wesentlichen orthogonal zur Linie L und nur um einen kleinen Winkel zur z-Richtung und damit der Normalen der Fläche F geneigt angeordnet. Beispielhaft ist eine Längsachse A' einiger Kurzfasern 3 in 4, 5 eingezeichnet. Die Kurzfasern 3 sind somit stehend und quer bezüglich der Linie L und der Fläche F im Filament 7 angeordnet.
  • Unter einer stehenden Ausrichtung quer zur Fläche F bzw. Linie L soll vorliegend auch die Möglichkeit umfasst sein, dass die Kurzfasern 3, zum Beispiel aufgrund einer relativ schnellen Bewegung der Extrusionseinrichtung 11 einschließlich der Düse 29 in den Richtungen 13a, 13b, in ihrer Ausrichtung etwas von der Orientierung längs der z-Richtung, die an sich oftmals angestrebt werden kann, abweichen. So kann beispielsweise die Längsachse A' der Kurzfasern 3 mit der horizontalen Fläche F, und/oder der horizontalen Linie L, einen Neigungswinkel α einschließen, der nicht exakt 90 Grad entspricht. Ein Neigungswinkel α gegenüber der Flächennormalen der Fläche F, hier beispielhaft entsprechend der vertikalen z-Richtung, von weniger als 90 Grad ist in 5 gezeigt, wobei es sich aber versteht, dass jeder Winkel α denkbar ist, der eine Verbindung mittels der Kurzfasern mit zumindest einer der benachbarten Materialschichten 8 zu schaffen gestattet. In einigen Beispielen könnte α jeden Wert im Bereich von 90 Grad bis etwa 45 Grad annehmen oder sogar noch geringer sein, wenn dies zur Herstellung einer Verbindung mit einer benachbarten der Schichten 8 ausreicht.
  • 6 zeigt beispielhaft die Durchführung eines Verfahrens gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel. Bei diesem Verfahren kann beispielhaft das Filament 101 der 3 als Ausgangsfilament zum Einsatz kommen. Ein Außendurchmesser D101, siehe 3, ist größer als ein minimaler Innendurchmesser einer Extrusionsdüse 129, siehe 6. Die Extrusionsdüse 129 weist eine Innengeometrie 30 auf, die sich zu dem Austrittsquerschnitt 37 hin verjüngt. Hierbei weist die Extrusionsdüse 129 einen Austrittsbereich 31 auf, der zu dem Austrittsquerschnitt 37 hinführt und diesen umfasst, wobei ein Innendurchmesser d30 der Extrusionsdüse 129 im Austrittsbereich 31 im Wesentlichen konstant ist, im Austrittsbereich 31 der engste Innenquerschnitt der Extrusionsdüse 129 vorliegt, und somit der Durchmesser d30 in dem Austrittsbereich 31 den engsten, minimalen Innendurchmesser der Düse 129 bildet. Die Länge des Austrittsbereichs 31, in Förderrichtung des zu extrudierenden Materials parallel zur Zuführrichtung 23 betrachtet, ist in 6 mit 131 bezeichnet. Auch in 6, analog 4, wird das Filament 101 mit dessen Längsachse A parallel zur Richtung 23 zugeführt.
  • Nachfolgend werden vor allem die Unterschiede des Verfahrens, das in 6 illustriert ist, im Vergleich mit dem Verfahren der 4, 5 erläutert. Darüber hinausgehend wird auf die obigen Ausführungen verwiesen.
  • Der Durchmesser D101 ist größer als der Durchmesser d30. Es kommt somit beim Extrudieren mittels der beheizten Extrusionsdüse 129 zu einer Längung des Materials des Ausgangsfilaments 101, nach Erwärmen desselben, entlang der Längsachse A. Hierbei streckt sich die Lang- oder Endlosfaser 105 in Förderrichtung gerade, und die zuvor an den Positionen 43 angeordneten, jedoch entlang der Längsachse A parallel zu dieser ausgerichteten Kurzfasern 3 können sich entlang der ausgestreckten Lang- oder Endlosfaser 105 verteilen und nacheinander den Austrittsbereich 31 der Düse 129 passieren. Das Ausstrecken der Lang-/Endlosfaser 105 wird durch die zusätzliche Länge, die durch die Buchten 106 bereitgestellt wird, ermöglicht.
  • Wie bei dem Ausführungsbeispiel der 4 ist auch in 6 die Länge Ir der Kurzfasern 3 jeweils größer als die Dicke hf des aufgebrachten Filaments 7. Zugleich ist die Länge Ir größer als der Durchmesser d30. Das Verfahren wird gemäß 6 derart durchgeführt, dass die Kurzfasern 3 jeweils mit dem oberen Ende 4a und dem unteren Ende 4b derselben aus dem Matrixmaterial 2 des soeben aufgebrachten Filaments 7 herausstehen und somit eine Verbindung mit der darüberliegenden und der darunterliegenden Materialschicht 8 (in 6 nicht näher dargestellt) bewirken können. Es sei aber ergänzend darauf hingewiesen, dass alternativ nur das Ende 4a oder nur das Ende 4b aus dem Matrixmaterial 2 herausstehen und eine Verbindung mit einer angrenzenden Schicht 8 herbeiführen könnte, falls gewünscht. Es wird auf die obigen Erläuterungen zu 5 verwiesen.
  • Die Länge 131 des Austrittsbereichs 31 längs der Förderrichtung ist in 6 beispielhaft größer oder gleich der Länge Ir der Kurzfasern 3. Auf diese Weise, und mit Ir > d30, können die Kurzfasern 3 mithilfe der Innengeometrie 30 der Extrusionsdüse 129 insbesondere nahe des Austrittsquerschnitts 37 beim Austritt aus der Düse 129 vorteilhaft in weiter verbesserter Weise geführt werden, um die Orientierung der Kurzfasern 3 quer und beispielsweise orthogonal zur Fläche F bzw. Linie L zu steuern.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel der 6 gelingt somit eine Längsverstärkung mittels der Lang- oder Endlosfaser 105, sowie eine Verbesserung der Eigenschaften des Werkstücks in z-Richtung, wobei zugleich der Durchmesser D101 des Ausgangsfilaments 101 größer als der minimale Innendurchmesser d30 der Düse 129 sein kann. Die Menge der Kurzfasern 3 im Ausgangsfilament 101 der 3 ermöglicht es hierbei, nach der Längung des Ausgangsfilaments 101 beim Extrudieren eine vordefinierte Dichte stehend angeordneter Kurzfasern 3 im aufgebrachten Filament 7, mit anderen Worten eine definierte Anzahl derartiger stehender Kurzfasern 3 je Längeneinheit des Filaments 7 in dessen Längsrichtung, zu erhalten.
  • Die vorstehend beschriebene Wahl der Länge 131 des Austrittsbereichs 31 längs der Förderrichtung zu 131 ≥ Ir ist auch in einem Falle denkbar, in dem das Ausgangsfilament eine Querschnittsabmessung aufweist, die einer Innenquerschnittsabmessung der Extrusionsdüse im Wesentlichen entspricht, wie etwa bei dem Beispiel der 4, somit zum Beispiel in einem Fall, in dem die Querschnittsfläche des Ausgangsfilaments der Innenquerschnittsfläche der Extrusionsdüse entspricht.
  • Darüber hinaus ist eine Wahl 131 < Ir ebenfalls denkbar und kann sowohl in Fällen mit als auch in Fällen ohne Streckung des Ausgangsfilaments in der Extrusionsdüse die Führung der Kurzfasern 3 ermöglichen. Die vorbeschriebene Wahl mit 131 ≥ Ir kann jedoch den Prozess weiter verbessern, insbesondere hinsichtlich Stabilität und Reproduzierbarkeit desselben.
  • Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen ist die Länge einer Lang- oder Endlosfaser 5 bzw. 105, 105', 105'', 105''' insbesondere mit Blick auf deren Funktion im Werkstück bestimmt. Hierbei kann eine Endlosfaser 5, 105, 105', 105", 105''' zum Beispiel innerhalb des gesamten Werkstücks oder jeweils innerhalb einer Schicht 8, 8a-8f oder mehrerer dieser kontinuierlich durchlaufen. Falls die Fasern 5, 105, 105', 105'', 105''' nicht „quasi endlos“, sondern als Folge von Langfasern 5, 105, 105', 105'', 105''' endlicher Länge ausgebildet sind, so ist die endliche Länge der Langfaser 5 oder 105, 105', 105", 105''' jeweils erheblich größer als die Länge Ir der Kurzfaser 3. Die Länge der Langfaser 5, 105, 105', 105", 105''' kann in einem solchen Fall ebenfalls insbesondere mit Blick auf die für das Werkstück angestrebten mechanischen Eigenschaften gewählt sein.
  • In weiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung kann die Lang- oder Endlosfaser 5, 105, 105', 105", 105''' im Ausgangsfilament weggelassen werden. Ein Ausgangsfilament 201 analog dem Ausgangsfilament 1 aus 2, jedoch ohne die Lang-/Endlosfaser 5, ist in 7 schematisch dargestellt. In 7 entspricht der Durchmesser D201 des mit beispielhaft im Wesentlichen kreisrundem Querschnitt versehenen Ausgangsfilaments 201 wiederum im Wesentlichen einem Innendurchmesser einer Extrusionsdüse 29. Die Verwendung des Ausgangsfilaments 201 erfolgt wie vorstehend zu dem Ausgangsfilament 1 beschrieben in einem Verfahren gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die weiteren Erläuterungen weiter oben mit Blick auf das Ausgangsfilament 1 und 2, 4, 5 sind auf das Ausgangsfilament 201 ebenfalls anwendbar.
  • 8 zeigt ein weiteres Beispiel eines Ausgangsfilaments 301, das analog dem Ausgangsfilament 101 aufgebaut ist, wobei aber wiederum bei dem Filament 301 die Lang- oder Endlosfaser 105 nicht vorgesehen ist. Darüber hinausgehend kann auf die obigen Erläuterungen zum Ausgangsfilament 101 verwiesen werden. Auch bei dem Ausgangsfilament 301 ist dessen Außenquerschnitt zum Beispiel im Wesentlichen kreisrund, wobei ein Durchmesser D301 des Ausgangsfilaments 301 größer als ein Innendurchmesser einer für die Extrusion verwendeten Extrusionsdüse 129 ist, analog dem vorstehend für die Verarbeitung des Filaments 101 Beschriebenen. Die Verwendung des Ausgangsfilaments 301 als Ausgangsmaterial zur Fertigung eines Werkstücks mittels Schmelzschichtung kann wie vorstehend ausgehend von dem Ausgangsfilament 101 beschrieben erfolgen, so dass auf die obigen Erklärungen verwiesen wird.
  • Auch im Falle der Ausgangsfilamente 201, 301 kommt in beispielhaften Varianten statt der kreisrunden Querschnittsform eine andere, zum Beispiel quadratische oder rechteckige Querschnittsform, in Betracht.
  • Mit einem Ausgangsfilament 201 oder 301 ohne Lang-/Endlosfaser 5 bzw. 105, 105', 105", 105''' kann zum Beispiel die Anisotropie der mechanischen Eigenschaften des Werkstücks abgemildert werden, indem die Verbindung der Materialschichten 8 untereinander und vor allem zu der oben und unten jeweils benachbarten Materialschicht 8 hin, zusätzlich zu der „Schmelzklebeverbindung“ des Matrixmaterials 2 entlang der Kontaktlinien der Filamente 7, mit Hilfe der Kurzfasern 3 verbessert wird.
  • Bei jedem der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele ist das Matrixmaterial 2 bevorzugt ein aufschmelzbarer Kunststoff. Insbesondere ist das Matrixmaterial 2 ein Thermoplast. Das „Aufschmelzen“ kann hierbei auch als Änderung der Beschaffenheit beim Überschreiten der Glasübergangstemperatur des Matrixmaterials 2 verstanden werden. Ferner sind bei den vorstehenden Ausführungsbeispielen die Kurzfasern 3 zum Beispiel als Kohlefasern oder Glasfasern oder Keramikfasern oder Aramidfasern oder Metallfasern ausgebildet oder weisen derartige Fasern auf. Weitere oder andere Fasertypen können jedoch in Betracht kommen. Die Lang- oder Endlosfaser 5, 105, 105', 105", 105''' kann ebenfalls, sofern vorhanden, mit Kohlefasern oder Glasfasern oder Keramikfasern oder Aramidfasern oder Metallfasern ausgebildet sein, wobei wiederum weitere oder andere Fasertypen denkbar sind.
  • Die Kurzfasern 3 sind bei jedem der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele derart ausgebildet, dass unter den Bedingungen der Extrusion und insbesondere innerhalb des für das Extrudieren gewählten Temperaturbereichs oder bei der für das Extrudieren gewählten Temperatur eine Steifigkeit aufweisen, die es möglich macht, die Kurzfasern 3 relativ zu dem bevorzugt fließfähigen Matrixmaterial 2 gezielt auszurichten, ohne dass sich die Kurzfasern 3 hierbei übermäßig verbiegen. Um dies zu erreichen, können die Kurzfasern, zum Beispiel bei einer Ausbildung dieser jeweils mit einem Bündel einzelner Kohlefasern, mittels eines Kunststoffmaterials vorimprägniert werden, um die gewünschte Steifigkeit zu erzielen. In einer solchen Ausgestaltung wird das Kunststoffmaterial zur Vorimprägnierung derart gewählt, dass die vorimprägnierten Kurzfasern 3 unter den Bedingungen der Extrusion ihre Steifigkeit hinreichend beibehalten. Insbesondere kann die Schmelz- oder Glasübergangstemperatur des zur Vorimprägnierung verwendeten Kunststoffmaterials oberhalb der Schmelz- oder Glasübergangstemperatur des Matrixmaterials 2 liegen.
  • In einem Falle, in dem Kurzfasern 3 aus einem Kunststoffmaterial vorgesehen sind, wird vorzugsweise die Schmelztemperatur oder Glasübergangstemperatur des Materials der Kurzfasern 3 oberhalb der Schmelz- oder Glasübergangstemperatur des Matrixmaterials 2 gewählt.
  • In Beispielen, in denen die Kurzfasern 3 als Metallfasern ausgebildet sind oder Metallfasern aufweisen, kann die Steifigkeit derartiger Metallfasern Vorteile bieten, um die gewünschte Ausrichtung der Kurzfasern 3 relativ zu dem plastisch verformbaren oder fließfähigen Matrixmaterial 2 zu erzielen.
  • Mittels der Verfahren gemäß allen vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen kann jeweils als faserverstärktes Werkstück eine Komponente für ein Luft-oder Raumfahrzeug additiv gefertigt werden.
  • Wenngleich die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
  • Die vorstehend erläuterten Verfahren sind zwar vorteilhaft auf dem Gebiet der Luft- oder Raumfahrt zur Fertigung leichter Bauteile mit guten mechanischen Eigenschaften anwendbar, können jedoch auf vielerlei anderen technischen Gebieten ebenfalls Anwendung finden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1, 101
    Ausgangsfilament
    101', 101'', 101'''
    Ausgangsfilament
    201, 301
    Ausgangsfilament
    2
    Matrixmaterial
    3
    Kurzfaser
    4a, 4b
    Ende (Kurzfaser)
    5,105
    Lang- oder Endlosfaser
    105', 105'', 105'''
    Lang- oder Endlosfaser
    106
    Bucht (Lang- / Endlosfaser)
    7
    extrudiertes Filament
    8, 8a-8f
    Materialschicht
    11
    Extrusionseinrichtung
    13a, 13b
    Bewegungsrichtung (Extrusionseinrichtung)
    17
    Unterlage
    19
    Bewegungsrichtung (Unterlage)
    23
    Zuführrichtung (Ausgangsfilament)
    29, 129
    Extrusionsdüse
    30
    Innengeometrie (Extrusionsdüse)
    31
    Austrittsbereich (Extrusionsdüse)
    37
    Austrittsquerschnitt (Extrusionsdüse)
    43
    Position (Kurzfaser)
    A
    Längsachse (Ausgangsfilament)
    A'
    Längsachse (Kurzfaser)
    D1, D101
    Außendurchmesser (Ausgangsfilament)
    D201, D301
    Außendurchmesser (Ausgangsfilament)
    d30
    Innendurchmesser (Extrusionsdüse)
    I31
    Länge (Austrittsbereich)
    F
    physische oder gedachte Fläche
    L
    physische oder gedachte Linie
    La
    Länge (Längsabschnitt des Ausgangsfilaments)
    hf
    Dicke (Filament oder Materialschicht)
    Ir
    Länge (Kurzfasern)
    V
    Vertikale
    x, y
    horizontale Richtungen
    z
    Hochachse, vertikale Richtung
    α
    Winkel
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2015/0165666 A1 [0004]
    • DE 102018102731 A1 [0006]

Claims (15)

  1. Verfahren zur additiven Fertigung eines Werkstücks mittels Schmelzschichtung, umfassend - Bereitstellen eines Ausgangsfilaments (1; 101; 101'; 101''; 101'''; 201; 301) als ein Ausgangsmaterial, wobei das Ausgangsfilament (1; 101; 101'; 101''; 101'''; 201; 301) ein Matrixmaterial (2) und als Kurzfasern (3) ausgebildete Verstärkungsfasern aufweist, wobei die Kurzfasern (3) in dem Ausgangsfilament (1; 101; 101'; 101"; 101'''; 201; 301) in ausgerichteter Anordnung vorgesehen sind; - Zuführen des Ausgangsfilaments (1; 101; 101'; 101''; 101'''; 201; 301) zu einer Extrusionseinrichtung (11); und - Erwärmen des Ausgangsfilaments (1; 101; 101'; 101''; 101'''; 201; 301) sowie Extrudieren und Aufbringen des Materials des Ausgangsfilaments (1; 101; 101'; 101''; 101'''; 201; 301) auf eine Unterlage (17) oder auf eine zuvor gebildete Materialschicht (8, 8a-f) mittels der Extrusionseinrichtung (11); wobei bei dem Extrudieren und Aufbringen des Materials die Kurzfasern (3) relativ zu dem Matrixmaterial (2) in der Weise orientiert werden, dass die Kurzfasern (3) nach dem Aufbringen des Materials bezüglich einer physischen oder gedachten Linie (L) oder Fläche (F), entlang welcher das Aufbringen erfolgt, stehend angeordnet sind.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Aufbringen des Materials die Kurzfasern (3) in dem Matrixmaterial (2) in geordneter Weise jeweils zumindest abschnittsweise eingebettet sind.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Aufbringen des Materials zumindest einige oder alle der Kurzfasern (3) jeweils mit einem Ende (4a, 4b) oder mit beiden Enden (4a, 4b) der Kurzfaser (3) aus dem Matrixmaterial (2) hervor und im fertigen Werkstück in das Matrixmaterial (2) einer benachbarten Materialschicht (8, 8a-f), insbesondere einer darüberliegenden und/oder einer darunterliegenden benachbarten Materialschicht (8, 8a-f), hineinstehen.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Material als ein Filament (7) aufgebracht wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Länge (Ir) der Kurzfasern (3) jeweils größer als eine Dicke (hf) des aufgebrachten Filaments (7) ist.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Ausgangsfilament (1; 101; 101'; 101''; 101'''; 201; 301) die Kurzfasern (3) jeweils im Wesentlichen parallel zu einer Längsachse (A) des Ausgangsfilaments (1; 101; 101'; 101''; 101'''; 201; 301) ausgerichtet sind.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Ausgangsfilament (1; 201) die Kurzfasern (3) auf einer Linie parallel zu einer Längsachse (A) des Ausgangsfilaments (1; 201), insbesondere auf oder nahe einer Längsmittelachse (A) des Ausgangsfilaments (1; 201), angeordnet sind.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Ausgangsfilament (101; 101'; 101https://connect-vdi-laval.jouve.com/Citrix/VDILAVALWeb/; 101'''; 301) die Kurzfasern (3) quer zu einer Längsachse (A) des Ausgangsfilaments (101; 101'; 101"; 101'''; 301) gesehen an einer Vielzahl von Positionen (43) verteilt angeordnet und hierbei jeweils in Bezug auf die Längsachse (A) des Ausgangsfilaments (101; 101'; 101"; 101'''; 301) geordnet ausgerichtet sind.
  9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Orientieren der Kurzfasern (3) bei dem Extrudieren und Aufbringen des Materials in der Weise durchgeführt wird, dass die Kurzfasern (3) nach dem Aufbringen des Materials bezüglich der physischen oder gedachten Linie (L) oder Fläche (F) oder beider quer angeordnet sind.
  10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Orientieren der Kurzfasern (3) bei dem Extrudieren und Aufbringen des Materials in der Weise erfolgt, dass die Kurzfasern (3) nach dem Aufbringen des Materials im Wesentlichen vertikal ausgerichtet sind.
  11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Länge (Ir) der Kurzfasern (3) jeweils größer als eine Innenquerschnittsabmessung (d30), insbesondere ein Innendurchmesser (d30), einer Extrusionsdüse (29; 129) der Extrusionseinrichtung (11), insbesondere im Bereich eines engsten Innenquerschnitts der Extrusionsdüse (29; 129), ist.
  12. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangsfilament (1; 101; 101'; 101''; 101''') zusätzlich zu den Kurzfasern (3) eine Langfaser oder Endlosfaser (5; 105; 105'; 105''; 105''') zur Längsverstärkung aufweist.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Langfaser oder Endlosfaser (5) im Ausgangsfilament (1) im Wesentlichen parallel zu einer Längsachse (A) des Ausgangsfilaments (1) verläuft.
  14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Langfaser oder Endlosfaser (105; 105'; 105''; 105''') innerhalb eines Längsabschnitts des Ausgangsfilaments (101; 101'; 101''; 101''') eine Länge aufweist, die größer ist als die Länge (La) dieses Längsabschnitts und/oder dass die Langfaser oder Endlosfaser (105) innerhalb des Ausgangsfilaments (101) Buchten (106) bildet und/oder mäanderartig angeordnet ist oder die Langfaser oder Endlosfaser (105', 105'', 105''') innerhalb des Ausgangsfilaments (101'; 101''') und/oder im Bereich eines Außenumfangs des Ausgangsfilaments (101''; 101''') helixartig angeordnet ist.
  15. Faserverstärktes Werkstück, hergestellt mittels eines Verfahrens zur additiven Fertigung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 14.
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