DE102020200508A1 - Print head, printing system and method for producing a fiber composite component - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Druckkopf für ein Drucksystem zur additiven Herstellung eines Faserverbundbauteils beschrieben. Der Druckkopf umfasst einen ersten Zufuhrabschnitt zum Zuführen von strangförmigem Thermoplastmaterial in den Druckkopf, einen zweiten Zufuhrabschnitt zum Zuführen von strangförmigem Fasermaterial oder Leitermaterial als Kernmaterial in den Druckkopf; einer Heizeinrichtung zum Plastifizieren des durch den ersten Zufuhrabschnitt zugeführten Thermoplastmaterials, eine Schneideinrichtung zum Durchtrennen des durch den zweiten Zufuhrabschnitt zugeführten Kernmaterials und eine Düse mit einem Zentralkörper, welcher einen mit dem ersten und dem zweiten Zufuhrabschnitt verbundenen ersten Abschnitt eines Extrusionskanals zum Extrudieren eines Filaments aus in plastifiziertes Thermoplastmaterial eingebettetem Kernmaterial definiert, und einem mit dem Zentralkörper verbundenen Endaufsatz, welcher einen zweiten Abschnitt des Extrusionskanals definiert, wobei der Endaufsatz eine Blende aufweist, welche einen variierbaren Querschnitt des zweiten Abschnitts des Extrusionskanals definiert.A print head for a printing system for the additive manufacture of a fiber composite component is described. The printhead comprises a first feed section for feeding strand-like thermoplastic material into the printhead, a second feed section for feeding strand-like fiber material or conductor material as core material into the printhead; a heating device for plasticizing the thermoplastic material fed in through the first feed section, a cutting device for cutting through the core material fed in through the second feed section, and a nozzle with a central body which has a first section of an extrusion channel connected to the first and the second feed section for extruding a filament from in plasticized thermoplastic material embedded core material, and an end cap connected to the central body which defines a second section of the extrusion channel, the end cap having a diaphragm which defines a variable cross section of the second section of the extrusion channel.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Druckkopf, ein Drucksystem und ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils.The present invention relates to a print head, a printing system and a method for producing a fiber composite component.
Faserverbundbauteile, bei welchen Verstärkungsfasern, wie z.B. Kohlefasern, in ein Matrixmaterial eingebettet sind, weisen eine hohe mechanische Steifigkeit und Belastbarkeit bei relativ geringem Gewicht auf. Insbesondere im Luftfahrzeugbau und im Automobilbau werden Faserverbundbauteile daher als Strukturbauteile eingesetzt.Fiber composite components, in which reinforcing fibers, such as carbon fibers, are embedded in a matrix material, have a high mechanical rigidity and resilience with a relatively low weight. Fiber composite components are therefore used as structural components, particularly in aircraft and automobile construction.
Zur Herstellung von Faserverbundbauteilen werden mittlerweile auch additive Herstellungsverfahren, insbesondere 3D-Druckverfahren eingesetzt. Zudem bestehen Bestrebungen, funktionale Strukturen, wie Signalleitungen in Faserverbundbauteile zu integrieren. Beispielsweise wird in der
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, verbesserte Lösungen zur additiven Herstellung von Faserverbundbauteilen bereitzustellen.It is the object of the present invention to provide improved solutions for the additive manufacture of fiber composite components.
Diese Aufgabe wird jeweils durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst.This object is achieved in each case by the subjects of the independent claims.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist ein Druckkopf für ein Drucksystem zur additiven Herstellung eines Faserverbundbauteils vorgesehen. Der Druckkopf umfasst einen ersten Zufuhrabschnitt zum Zuführen von strangförmigem Thermoplastmaterial in den Druckkopf, einen zweiten Zufuhrabschnitt zum Zuführen von strangförmigem Fasermaterial oder Leitermaterial als Kernmaterial in den Druckkopf, eine Heizeinrichtung zum Plastifizieren des durch den ersten Zufuhrabschnitt zugeführten Thermoplastmaterials und eine Schneideinrichtung zum Durchtrennen des durch den zweiten Zufuhrabschnitt zugeführten Kernmaterials. Die Zufuhrabschnitte sind dazu eingerichtet, das strangförmige Thermoplastmaterial bzw. das strangförmige Kernmaterial in den Druckkopf, insbesondere zu einer im Folgenden noch beschriebenen Düse des Druckkopfs zu transportieren. Insbesondere können die Zufuhrabschnitte entsprechende Fördereinrichtungen, z.B. in Form von Rollenantrieben oder dergleichen, aufweisen. Die Heizeinrichtung kann beispielsweise eine elektrische Heizeinrichtung sein und dient zum Erwärmen des Thermoplastmaterials auf eine Temperatur im Bereich dessen Schmelzpunkts bzw. dessen Glasübergangstemperatur.According to a first aspect of the invention, a print head for a printing system for the additive production of a fiber composite component is provided. The printhead comprises a first feed section for feeding strand-like thermoplastic material into the printhead, a second feed section for feeding strand-like fiber material or conductor material as core material into the printhead, a heating device for plasticizing the thermoplastic material fed in through the first feed section and a cutting device for cutting through the core material fed to the second feed section. The feed sections are designed to transport the strand-like thermoplastic material or the strand-like core material into the printhead, in particular to a nozzle of the printhead, which will be described below. In particular, the feed sections can have corresponding conveying devices, for example in the form of roller drives or the like. The heating device can for example be an electrical heating device and is used to heat the thermoplastic material to a temperature in the range of its melting point or its glass transition temperature.
Der Druckkopf umfasst ferner eine Düse mit einem Zentralkörper, welcher einen mit dem ersten Zufuhrabschnitt und dem zweiten Zufuhrabschnitt verbundenen ersten Abschnitt eines Extrusionskanals zum Extrudieren eines Filaments aus in plastifiziertes Thermoplastmaterial eingebettetem Kernmaterial definiert, und einem mit dem Zentralkörper verbundenen Endaufsatz, welcher einen zweiten Abschnitt des Extrusionskanals definiert. Der Endaufsatz weist eine Blende auf, welche einen variierbaren Querschnitt des zweiten Abschnitts des Extrusionskanals definiert. Die Düse definiert somit allgemein einen Extrusionskanal, in welchem das Kernmaterial in das plastisch verformbare, zumindest teilweise aufgeschmolzene Thermoplastmaterial integriert wird. Ein erster Abschnitt des Kanals wird durch den Zentralkörper ausgebildet. Ein koaxial zu dem ersten Abschnitt angeordneter zweiter Abschnitt wird durch den Endaufsatz ausgebildet. Der Endaufsatz weist eine eine Extrusionsöffnung definierende Blende auf, wobei die Extrusionsöffnung eine Endöffnung des zweiten Abschnitts des Kanals bildet und das Filament aus der Extrusionsöffnung heraus extrudiert wird. Ein Durchmesser oder ein Querschnitt der Extrusionsöffnung und vorzugsweise des gesamten zweiten Abschnitts des Extrusionskanals ist mittels der Blende in veränderbarer Weise einstellbar.The printhead further comprises a nozzle with a central body, which defines a first section of an extrusion channel, connected to the first feed section and the second feed section, for extruding a filament from core material embedded in plasticized thermoplastic material, and an end cap connected to the central body, which has a second section of the Defined extrusion channel. The end cap has a screen which defines a variable cross section of the second section of the extrusion channel. The nozzle thus generally defines an extrusion channel in which the core material is integrated into the plastically deformable, at least partially melted thermoplastic material. A first section of the channel is formed by the central body. A second section arranged coaxially with the first section is formed by the end cap. The end cap has a screen defining an extrusion opening, the extrusion opening forming an end opening of the second section of the channel and the filament being extruded out of the extrusion opening. A diameter or a cross section of the extrusion opening and preferably of the entire second section of the extrusion channel can be set in a variable manner by means of the diaphragm.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist ein Drucksystem zur additiven Herstellung eines Faserverbundbauteils vorgesehen. Das Drucksystem umfasst eine erste Lagereinrichtung zum Bereitstellen eines strangförmigen Thermoplastmaterials, eine zweite Lagereinrichtung zum Bereitstellen eines strangförmigen oder fadenbündelförmigen Fasermaterials und eine dritte Lagereinrichtung zum Bereitstellen eines strangförmigen Leitermaterials. Die Lagereinrichtungen können beispielsweise als Spulen realisiert sein, von welchen das jeweilige strangförmige Material abziehbar ist.According to a second aspect of the invention, a printing system for the additive manufacture of a fiber composite component is provided. The printing system comprises a first storage device for providing a strand-shaped thermoplastic material, a second storage device for providing a strand-shaped or thread bundle-shaped fiber material and a third storage device for providing a strand-shaped conductor material. The storage devices can be implemented, for example, as coils from which the respective strand-like material can be drawn off.
Das Drucksystem weist ferner einen Druckkopf gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, einen in drei Raumrichtungen bewegbaren Manipulator, an welchen der Druckkopf gekoppelt ist und eine Steuerungsvorrichtung auf, welche mit dem Druckkopf und dem Manipulator signalverbunden ist. Der Manipulator kann beispielsweise mehrere relativ zueinander bewegbare Roboterarme aufweisen, wobei der Druckkopf an einem der Roboterarme gelagert ist. Die Steuerungsvorrichtung kann insbesondere als elektronische Steuerungsvorrichtung ausgebildet sein, welche allgemein dazu eingerichtet ist, Steuerungssignale, z.B. in Form von elektrischen, optischen oder elektromagnetischen Signalen auszugeben. Die Steuerungsvorrichtung kann beispielsweise einen Prozessor und einen nichtflüchten Datenspeicher aufweisen. Die Steuerungsvorrichtung ist dazu eingerichtet, den Manipulator zu veranlassen, den Druckkopf entlang einer vorgegebenen Bewegungsbahn zu bewegen, an vorbestimmten Punkten der Bewegungsbahn, an denen der Manipulator stillsteht, die Schneideinrichtung des Druckkopfes zu betätigen, um das durch den zweiten Zufuhrabschnitt zugeführte Kernmaterial zu durchtrennen, so dass ein anderes Kernmaterial in den zweiten Zufuhrabschnitt eingeführt werden kann, und die Blende des Druckkopfes zu betätigen, um einen Querschnitt des Filaments zu ändern.The printing system also has a print head according to the first aspect of the invention, a manipulator which can be moved in three spatial directions, to which the print head is coupled, and a control device which is signal-connected to the print head and the manipulator. The manipulator can, for example, have a plurality of robot arms which can be moved relative to one another, the print head being mounted on one of the robot arms. The control device can in particular be designed as an electronic control device which is generally set up to output control signals, for example in the form of electrical, optical or electromagnetic signals. The control device can for example a processor and a non-volatile data memory. The control device is set up to cause the manipulator to move the printhead along a predetermined path of movement, to actuate the cutting device of the printhead at predetermined points on the path of movement at which the manipulator stands still in order to cut through the core material fed through the second feed section, so that another core material can be fed into the second feed section and to operate the shutter of the printhead to change a cross-section of the filament.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils vorgesehen. In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Faserverbundbauteil aus einer Vielzahl von in einer Dickenrichtung übereinanderliegenden Schichten aufgebaut. Jede der Schichten wird ausgebildet, indem Strukturfilamente, die jeweils ein in ein Thermoplastmaterial eingebettetes Fasermaterial aufweisen, extrudiert werden. Die Strukturfilamente werden zur Ausbildung einer Schicht jeweils nebeneinander abgelegt bzw. angeordnet. Bei der Extrusion der Filamente ist das Thermoplastmaterial in einem plastisch verformbaren Zustand. Insbesondere kann das Thermoplastmaterial oberhalb einer Glasübergangstemperatur bzw. eines Schmelzpunktes vorliegen. Ferner erfolgt ein Ausbilden zumindest einer in dem Faserverbundbauteil verlaufenden Signalleitung durch Extrudieren eines Leitungsfilaments, welches ein in das Thermoplastmaterial eingebettetes Leitermaterial aufweist, wobei das Leitungsfilament einen Teil einer der Schichten bildet. Das Leitungsfilament wird in gleicher Weise extrudiert, wie das Strukturfilament und innerhalb einer Schicht anstelle eines Strukturfilaments angeordnet. Die Strukturfilamente und das zumindest eine Leitungsfilament werden nacheinander aus einem Druckkopf gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung extrudiert, z.B. mithilfe eines Drucksystems gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung.According to a third aspect of the invention, a method for producing a fiber composite component is provided. In the method according to the invention, the fiber composite component is built up from a multiplicity of layers lying one above the other in a thickness direction. Each of the layers is formed by extruding structural filaments, each of which has a fiber material embedded in a thermoplastic material. The structural filaments are each laid down or arranged next to one another to form a layer. During the extrusion of the filaments, the thermoplastic material is in a plastically deformable state. In particular, the thermoplastic material can be present above a glass transition temperature or a melting point. Furthermore, at least one signal line running in the fiber composite component is formed by extruding a line filament which has a conductor material embedded in the thermoplastic material, the line filament forming part of one of the layers. The conductor filament is extruded in the same way as the structural filament and is arranged within a layer instead of a structural filament. The structural filaments and the at least one conductor filament are successively extruded from a printhead according to the first aspect of the invention, for example with the aid of a printing system according to the second aspect of the invention.
Eine der Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin, ein multifunktionales Faserverbundbauteil, in welches eine oder mehrere Signalleitungen integriert sind, in einem additiven Verfahren durch Extrudieren von Filamenten herzustellen, wobei Strukturfilamente mit einem Kern aus Fasermaterial und Leitungsfilament mit einem Kern aus Leitungsmaterial auf einfache Weise flexible innerhalb der Schichten des Faserverbundbauteils angeordnet werden können. Der Druckkopf gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung umfasst hierzu eine Schneideinrichtung, z.B. in Form einer Klinge oder dergleichen, um das Kernmaterial an einer gewünschten Stelle durchtrennen zu können, und eine Düse mit einem Endaufsatz, welcher ein Blende aufweist, welche dazu eingerichtet ist, den Querschnitt des extrudierten Filaments anpassen oder einstellen zu können. Der Endaufsatz der Düse definiert einen zweiten Abschnitt eines Extrusionskanals, aus welchem heraus das Filament austritt. Die Blende ist dazu eingerichtet, den Durchmesser dieses zweiten Abschnitts oder Endabschnitts des Extrusionskanals zu ändern. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass bei der Herstellung eines Faserverbundbauteils der Manipulator den Druckkopf entlang einer vorgegebenen Trajektorie bewegt, um ein Strukturfilament zu extrudieren und dadurch eine Schicht des Bauteils auszubilden, wobei der Manipulator an einer gewünschten Stelle der Trajektorie stoppt und die Schneideinrichtung das Fasermaterial, das dem Druckkopf über den zweiten Zufuhrabschnitt zugeführt wird durchtrennt. Nach dem Durchtrennen wird ein anderes Kernmaterial, z.B. ein optisches Leitermaterial, in den zweiten Zufuhrabschnitt eingeführt und der Manipulator bewegt den Druckkopf weiter entlang der vorgegebenen Trajektorie, wobei ein Leitungsfilament extrudiert wird, welches sich direkt an das Strukturfilament anschließt.One idea underlying the invention is to produce a multifunctional fiber composite component, in which one or more signal lines are integrated, in an additive process by extruding filaments, with structural filaments with a core made of fiber material and line filaments with a core made of line material easily flexible inside the layers of the fiber composite component can be arranged. The print head according to the first aspect of the invention comprises a cutting device, for example in the form of a blade or the like, in order to be able to cut through the core material at a desired point, and a nozzle with an end attachment which has a diaphragm which is designed to cut through the Adjust or adjust the cross section of the extruded filament. The end cap of the nozzle defines a second section of an extrusion channel from which the filament exits. The diaphragm is designed to change the diameter of this second section or end section of the extrusion channel. For example, it can be provided that during the production of a fiber composite component the manipulator moves the print head along a predetermined trajectory in order to extrude a structural filament and thereby form a layer of the component, the manipulator stopping at a desired point on the trajectory and the cutting device the fiber material, which is fed to the printhead via the second feed section is severed. After the severing, another core material, e.g. an optical conductor material, is introduced into the second feed section and the manipulator moves the printhead further along the predetermined trajectory, with a conductor filament being extruded which directly adjoins the structural filament.
Ein Vorteil der Erfindung liegt darin, dass in einfacher Weise Filamente verschiedener Dicken mit derselben Düse bzw. demselben Endaufsatz erzeugt werden können, insbesondere innerhalb eines Bauteils. Damit geht auch der Vorteil einher, dass multifunktionale Faserverbundbauteile mit größerem Automatisierungsgrad erzeugt werden können. Insbesondere können dadurch Kernmaterialien verschiedener Dicken einfacher in das Thermoplastmaterial eingebettet werden, wenn ein bestimmtes Verhältnis, z.B. ein Durchmesserverhältnis, von Thermoplastmaterial zu Kernmaterial vorgegeben ist. Auch wird die Verarbeitung verschiedener Thermoplastmaterialien erleichtert.One advantage of the invention is that filaments of different thicknesses can be produced in a simple manner with the same nozzle or the same end attachment, in particular within a component. This also has the advantage that multifunctional fiber composite components can be produced with a greater degree of automation. In particular, core materials of different thicknesses can thereby be embedded in the thermoplastic material more easily if a certain ratio, for example a diameter ratio, of thermoplastic material to core material is given. The processing of various thermoplastic materials is also made easier.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den auf die unabhängigen Ansprüche rückbezogenen Unteransprüchen in Verbindung mit der Beschreibung.Advantageous refinements and developments result from the subclaims referring back to the independent claims in connection with the description.
Gemäß manchen Ausführungsformen des Druckkopfs kann vorgesehen sein, dass der Endaufsatz ein Führungsstück mit einer konischen Führungsfläche aufweist, welche einer Mittelachse des Extrusionskanals zugewandt orientiert ist, und dass die Blende mehrere keilförmige Blendenkörper aufweist, welche jeweils eine der Mittelachse zugewandte Innenfläche, eine an der Führungsfläche des Führungsstücks anliegende Außenfläche und zwei die Innenfläche und die Außenfläche verbindende Kontaktflächen aufweisen, wobei die Blendenkörper mit ihren Kontaktflächen aneinander anliegend angeordnet sind, und wobei die Blendenkörper entlang der Mittelachse bewegbar sind, um den durch die Innenflächen der Blendenkörper definierte Querschnitt des zweiten Abschnitts des Extrusionskanals zu variieren. Durch den konischen oder trichterförmigen verlauf der Führungsfläche, an welchen die Blendenkörper mit ihren Außenflächen anliegen, wird durch verschieben der Blendenkörper entlang der Mittelachse ein durch die Innenflächen der Blendenkörper definierter Durchmesser bzw. Querschnitt vergrößert oder verkleinert. Die Innenflächen, welche sich parallel bzw. entlang der Mittelachse erstrecken, können insbesondere eine kreisförmige Krümmung aufweisen. Ebenso können die Kontaktflächen, an denen die Blendenkörper aneinander anliegen kreisförmig gekrümmt sein, so dass die Blendenkörper aneinander abgleiten, wenn diese entlang der Mittelachse bewegt werden. Da die Innenflächen der Blendenkörper sich entlang der Mittelachse erstrecken erfolgt bei der Extrusion der Filamente eine Führung des Thermoplastmaterials an den Innenflächen. Dies beugt Beschädigungen, wie z.B. der Bildung von Fehlstellen, des Thermoplastmaterials sowie einem Knicken oder Verdrehen des strangförmigen Kernmaterials vor.According to some embodiments of the printhead, it can be provided that the end attachment has a guide piece with a conical guide surface which is oriented towards a central axis of the extrusion channel, and that the diaphragm has several wedge-shaped diaphragm bodies, each of which has an inner surface facing the central axis, one on the guide surface of the guide piece adjacent outer surface and two contact surfaces connecting the inner surface and the outer surface, wherein the diaphragm bodies are arranged with their contact surfaces abutting one another, and wherein the diaphragm bodies are movable along the central axis, around the cross-section of the second section of the extrusion channel defined by the inner surfaces of the diaphragm body to vary. Due to the conical or funnel-shaped course of the guide surface, on which the visor body with their If the outer surfaces are in contact, a diameter or cross section defined by the inner surfaces of the visor body is enlarged or reduced by moving the diaphragm body along the central axis. The inner surfaces, which extend parallel or along the central axis, can in particular have a circular curvature. Likewise, the contact surfaces on which the visor bodies bear against one another can be curved in a circular manner, so that the visor bodies slide against one another when they are moved along the central axis. Since the inner surfaces of the visor bodies extend along the central axis, the thermoplastic material is guided on the inner surfaces during the extrusion of the filaments. This prevents damage, such as the formation of imperfections, of the thermoplastic material as well as kinking or twisting of the strand-like core material.
Gemäß weiteren Ausführungsformen kann das Führungsstück eine koaxial zu der Mittelachse des Extrusionskanals angeordnete Führungsöffnung aufweisen, zu welcher hin sich ein durch die Führungsfläche definierter Durchmesser verjüngt, wobei die Blendenkörper mittels einer Vorspanneinrichtung entlang der Mittelachse des Extrusionskanals in Richtung der Führungsöffnung vorgespannt sind. Die Führungsfläche verjüngt sich somit in einer Extrusionsrichtung entlang der Mittelachse des Extrusionskanals. Die Blendenkörper sind z.B. mit einer Feder entlang der Mittelachse vorgespannt, wodurch diese noch zuverlässiger an der Führungsfläche anliegen. Dies erleichtert die Einstellbarkeit verschiedener Querschnitte.According to further embodiments, the guide piece can have a guide opening arranged coaxially to the central axis of the extrusion channel, towards which a diameter defined by the guide surface tapers, the diaphragm bodies being prestressed by means of a prestressing device along the central axis of the extrusion channel in the direction of the guide opening. The guide surface thus tapers in an extrusion direction along the central axis of the extrusion channel. The diaphragm bodies are pretensioned along the central axis with a spring, for example, so that they rest even more reliably on the guide surface. This makes it easier to adjust different cross-sections.
Gemäß weiteren Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass der Endaufsatz eine kinematisch an die Blendenkörper gekoppelte Antriebseinrichtung aufweist, mittels derer die Blendenkörper entlang der Mittelachse bewegbar sind. Beispielsweise kann die Antriebseinrichtung ein elektrischer Linearmotor, ein Spindeltrieb oder eine ähnliche Antriebseinrichtung sein, welche dazu eingerichtet ist, den Blendenkörper relativ zu dem Führungsstück zu bewegen. Die Antriebseinrichtung ist an die Blendenkörper gekoppelt und kann sich beispielsweise an dem Führungsstück, dem Zentralkörper der Düse oder einer anderen ortsfest zum Führungsstück angeordneten Struktur abstützen.According to further embodiments, it can be provided that the end attachment has a drive device which is kinematically coupled to the visor body and by means of which the visor body can be moved along the central axis. For example, the drive device can be an electric linear motor, a spindle drive or a similar drive device which is set up to move the visor body relative to the guide piece. The drive device is coupled to the diaphragm body and can, for example, be supported on the guide piece, the central body of the nozzle or another structure which is arranged in a stationary manner relative to the guide piece.
Gemäß manchen Ausführungsformen des Druckkopfs kann die Schneideinrichtung an dem zweiten Zufuhrabschnitt angeordnet sein. Dies erleichtert vorteilhaft die konstruktive Gestaltung der Düse.According to some embodiments of the print head, the cutting device can be arranged on the second feed section. This advantageously facilitates the structural design of the nozzle.
Gemäß manchen Ausführungsformen des Verfahrens kann das Thermoplastmaterial eines oder mehrere der folgenden Materialien aufweisen: ein Polyetheretherketon (PEEK), amorphes thermoplastisches Polyetherimid (PEI), Nylon, Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymere (ABS).According to some embodiments of the method, the thermoplastic material can comprise one or more of the following materials: a polyetheretherketone (PEEK), amorphous thermoplastic polyetherimide (PEI), nylon, acrylonitrile-butadiene-styrene copolymers (ABS).
Gemäß manchen Ausführungsformen des Verfahrens kann das Leitermaterial eines oder mehrere der folgenden Materialien umfasst: optisches Leitermaterial, wie z.B. Quarzglasfasern oder polymere optische Fasern, elektrisches Leitermaterial, wie Kupferdrähte, Aluminiumdrähte oder dergleichen.According to some embodiments of the method, the conductor material can comprise one or more of the following materials: optical conductor material such as quartz glass fibers or polymeric optical fibers, electrical conductor material such as copper wires, aluminum wires or the like.
Gemäß manchen Ausführungsformen des Verfahrens kann in einer ersten Schicht des Faserverbundbauteils eine erste Signalleitung und in einer in der Dickenrichtung auf die erste Schicht folgenden zweiten Schicht eine zweite Signalleitung ausgebildet werden, welche die erste Signalleitung an einem Kreuzungspunkt kreuzt, wobei die erste und die zweite Signalleitung an dem Kreuzungspunkt leitend verbunden werden. Beispielsweise kann zur leitenden Kontaktierung an einem Kreuzungspunkt das Leitungsmaterial freigelegt werden, z.B. indem das diese umgebende Thermoplastmaterial am Kreuzungspunkt entfernt wird. Das Freilegen des Leitungsmaterials kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass das plastische Thermoplastmaterial nach Austritt aus der Düse des Druckkopfes an einem Trennblech vorbeigeführt wird, an welchem das Thermoplastmaterial über einen kurzen, vorbestimmten Bereich von dem Leitermaterial abgestreift wird. Auch ist denkbar, dass nach dem Ablegen des Leiterfilaments ein Kontaktstück aus dem Leitermaterial an der Stelle des Kreuzungspunktes in das Filament getrieben wird, bis es mit dem Leitermaterial des Filaments in Kontakt ist. Dies geschieht vorzugsweise solange das Thermoplastmaterial noch in einem plastisch verformbaren Zustand vorliegt. Beim Ablegen des zweiten Leiterfilaments an dem Kreuzungspunkt dringt das Kontaktstück dann in das zweite Leiterfilament ein und kommt mit dem Leitermaterial des zweiten Leiterfilaments in Kontakt. Somit können komplexe Schaltungen der Signalleitungen auf einfache Weise direkt bei der Herstellung des Faserverbundbauteils hergestellt werden. Beispielsweise können dadurch noch zuverlässigere Health-Monitoring-Schaltungen realisiert werden, mittels derer mechanische Beschädigungen des Faserverbundbauteils detektierbar und optional lokalisierbar sind.According to some embodiments of the method, a first signal line can be formed in a first layer of the fiber composite component and a second signal line can be formed in a second layer following the first layer in the thickness direction, which crosses the first signal line at a crossing point, the first and the second signal line be conductively connected at the crossing point. For example, the line material can be exposed for conductive contact at a crossing point, e.g. by removing the thermoplastic material surrounding it at the crossing point. The line material can be exposed, for example, by guiding the plastic thermoplastic material past a separating plate after exiting the nozzle of the print head, on which the thermoplastic material is stripped from the conductive material over a short, predetermined area. It is also conceivable that after the conductor filament has been laid down, a contact piece made of the conductor material is driven into the filament at the point of intersection until it is in contact with the conductor material of the filament. This is preferably done as long as the thermoplastic material is still in a plastically deformable state. When the second conductor filament is deposited at the crossing point, the contact piece then penetrates into the second conductor filament and comes into contact with the conductor material of the second conductor filament. Complex circuits of the signal lines can thus be produced in a simple manner directly during the production of the fiber composite component. For example, even more reliable health monitoring circuits can be implemented in this way, by means of which mechanical damage to the fiber composite component can be detected and optionally localized.
Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnungen erläutert. Von den Figuren zeigen:
-
1 eine schematische Ansicht eines Verfahrens zur Herstellung eines Faserverbundbauteils gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; -
2 eine perspektivische Ansicht eines mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens herstellbaren Faserverbundbauteils; -
3 eine schematische Ansicht eines Drucksystems zur Herstellung eines Faserverbundbauteils gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; -
4 eine schematische Darstellung einer Düse eines Druckkopfs gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Ansicht entlang der Mittelachse eines Extrusionskanals; -
5 eine Schnittansicht der in4 gezeigten Düse, wobei eine Blende der Düse in einer ersten Stellung angeordnet ist; -
6 eine Schnittansicht der in4 gezeigten Düse, wobei die Blende der Düse in einer zweiten Stellung angeordnet ist; -
7 eine schematische Schnittansicht eines Faserverbundbauteils, welches mittels eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung hergestellt wurde; und -
8 eine schematische Schnittansicht eines Faserverbundbauteils, welches mittels eines Verfahrens gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung hergestellt wurde.
-
1 a schematic view of a method for producing a fiber composite component according to an embodiment of the invention; -
2 a perspective view of a fiber composite component which can be produced by means of a method according to the invention; -
3 a schematic view of a printing system for producing a fiber composite component according to an embodiment of the invention; -
4th a schematic representation of a nozzle of a print head according to an embodiment of the invention in a view along the central axis of an extrusion channel; -
5 a sectional view of the in4th nozzle shown, wherein a screen of the nozzle is arranged in a first position; -
6th a sectional view of the in4th nozzle shown, wherein the aperture of the nozzle is arranged in a second position; -
7th a schematic sectional view of a fiber composite component which was produced by means of a method according to an embodiment of the invention; and -
8th a schematic sectional view of a fiber composite component which was produced by means of a method according to a further embodiment of the invention.
In den Figuren bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.In the figures, the same reference symbols denote the same or functionally identical components, unless stated otherwise.
In den
Das Faserverbundbauteil
Wie insbesondere in
Das Faserverbundbauteil
Die Lagereinrichtungen
Der Manipulator
Die Steuerungsvorrichtung
Der Druckkopf
Der erste Zufuhrabschnitt
Die Heizeinrichtung
Die Schneideinrichtung
Die
Wie in
Der Endaufsatz
Der Endaufsatz
The
Der Führungskörper oder das Führungsstück
Die Blende
Wie in den
Wie in
Wie insbesondere in den
Die Steuerungsvorrichtung
Um mittels des Drucksystems
Bei der Herstellung des Bauteils
In den
Alternativ hierzu kann auch ein Kontaktstück
Wie aus der voranstehenden Beschreibung hervorgeht, kann durch den flexibel einstellbaren Querschnitt
Zwar wurde anhand der
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand von Ausführungsbeispielen exemplarisch erläutert wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar. Insbesondere sind auch Kombinationen der voranstehenden Ausführungsbeispiele denkbar.Although the present invention has been explained above using exemplary embodiments, it is not restricted thereto, but rather can be modified in many ways. In particular, combinations of the preceding exemplary embodiments are also conceivable.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- DruckkopfPrinthead
- 33
- ExtrusionskanalExtrusion channel
- 3A3A
- erster Abschnitt des Extrusionskanalsfirst section of the extrusion channel
- 3B3B
- zweiter Abschnitt des Extrusionskanals second section of the extrusion channel
- 1111
- erster Zufuhrabschnittfirst feed section
- 1212th
- zweiter Zufuhrabschnittsecond feed section
- 2020th
- HeizeinrichtungHeating device
- 2525th
- KühleinrichtungCooling device
- 3030th
- SchneideinrichtungCutting device
- 4040
- Düsejet
- 4141
- ZentralkörperCentral body
- 4242
- EndaufsatzEnd essay
- 4343
- FührungsstückGuide piece
- 43a43a
- FührungsflächeGuide surface
- 43A43A
- erstes Ende des Führungsstücksfirst end of the guide piece
- 43B43B
- zweites Ende des Führungsstückssecond end of the guide piece
- 4444
- FührungsöffnungGuide opening
- 5050
- Blendecover
- 5151
- BlendenkörperVisor body
- 51a51a
- AußenflächeExterior surface
- 51i51i
- InnenflächeInner surface
- 5252
- Ringring
- 6060
- VorspanneinrichtungPretensioning device
- 6565
- Antriebseinrichtung Drive device
- 100100
- DrucksystemPrinting system
- 101101
- erste Lagereinrichtungfirst storage facility
- 102102
- zweite Lagereinrichtungsecond storage facility
- 103103
- dritte Lagereinrichtungthird storage facility
- 104104
- Manipulatormanipulator
- 104A-E104A-E
- Armepoor
- 105105
- SteuerungsvorrichtungControl device
- 120120
- ArbeitstischWork table
- 120a120a
- Stützoberfläche Support surface
- 200200
- FaserverbundbauteilFiber composite component
- 200a200a
- erste Oberfläche des Faserverbundbauteilsfirst surface of the fiber composite component
- 200b200b
- zweite Oberfläche des Faserverbundbauteilssecond surface of the fiber composite component
- 201201
- ErhebungElevation
- 205205
- FilamentFilament
- 205A205A
- StrukturfilamentStructural filament
- 205B205B
- LeitungsfilamentLine filament
- 210210
- Schichtenlayers
- 210A210A
- erste Schichtfirst layer
- 210B210B
- zweite Schichtsecond layer
- 220220
- SignalleitungSignal line
- 222222
- KreuzungspunktCrossing point
- 223223
- Kontaktstück Contact piece
- A70A70
- DoppelpfeilDouble arrow
- CC.
- LeitermaterialConductor material
- d3d3
- Querschnitt/Durchmesser des ExtrusionskanalsCross-section / diameter of the extrusion channel
- d205d205
- Querschnitt/Durchmesser der FilamenteCross section / diameter of the filaments
- FF.
- FasermaterialFiber material
- KK
- KernmaterialCore material
- M3M3
- Mittelachse des ExtrusionskanalsCentral axis of the extrusion channel
- PP.
- ThermoplastmaterialThermoplastic material
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- EP 3130444 A1 [0003]EP 3130444 A1 [0003]
- US 2015/0165666 A1 [0003]US 2015/0165666 A1 [0003]
Claims (10)
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---|---|---|---|
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Applications Claiming Priority (1)
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DE102020200508.7A DE102020200508A1 (en) | 2020-01-16 | 2020-01-16 | Print head, printing system and method for producing a fiber composite component |
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DE102020200508A1 true DE102020200508A1 (en) | 2021-07-22 |
Family
ID=76650389
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DE (1) | DE102020200508A1 (en) |
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-
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- 2020-01-16 DE DE102020200508.7A patent/DE102020200508A1/en active Pending
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