DE102020213125A1

DE102020213125A1 - Verfahren und Vorrichtung zur additiven Fertigung eines schichtweise aufgebauten Faserverbundbauteils in einem Matrixmaterialbett

Info

Publication number: DE102020213125A1
Application number: DE102020213125.2A
Authority: DE
Inventors: Thomas Rupflin; Matthias Ausborn; Alexander Kemle
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2020-10-19
Filing date: 2020-10-19
Publication date: 2022-04-21

Abstract

Es wird ein Verfahren zur additiven Fertigung eines schichtweise aufgebauten Faserverbundbauteils 10 in einem Matrixmaterialbett 4, wobei das Matrixmaterialbett 4 ein Matrixmaterial 12 und eine Vielzahl von länglichen Filamenten 13 aufweist, vorgeschlagen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:- Bereitstellen des Matrixmaterialbetts 4 in Form einer ersten Schicht 11 a;- Abziehen der ersten Schicht 11a in einer ersten Abziehrichtung R1, wobei die Filamente 13 der ersten Schicht 11a in der ersten Abziehrichtung R1 ausgerichtet werden;- Aufschmelzen der ersten Schicht 11a, wobei das Matrixmaterial 12 und die länglichen Filamente 13 miteinander verschmolzen werden;- Bereitstellen des Matrixmaterialbetts 4 in Form einer zweiten Schicht 11b, wobei die zweite Schicht 11b auf die erste Schicht 11a aufgetragen wird;- Abziehen der zweiten Schicht 11b in einer zweiten Abziehrichtung R2, wobei die Filamente 13 der zweiten Schicht 11b in der zweiten Abziehrichtung R2 ausgerichtet werden, wobei die erste und die zweite Abziehrichtung R1, R2 ungleich zueinander ausgerichtet sind;- das Faserverbundbauteil 10 durch abwechselndes Auftragen der ersten und der zweiten Schicht 11a, b gebildet wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Fertigung eines schichtweise aufgebauten Faserverbundbauteils in einem Matrixmaterialbett. Ferner betrifft die Erfindung eine entsprechende Vorrichtung.
Faserverstärkte Bauteile weisen üblicherweise ein Matrixmaterial sowie ein in das Matrixmaterial eingebettetes Fasermaterial auf. Beispielsweise können diese Bauteile mithilfe von additiver Fertigung hergestellt werden, indem mehrere Bauteilschichten aufeinander aufgetragen werden und so ein Faserverbundbauteil erzeugt wird. Insbesondere bei sogenannten Pulverbettverfahren wird beispielsweise mittels einer Rakel eine Pulverschicht geglättet und verdichtet, bevor das eigentliche Fusionieren der Bauteilschichten stattfindet. Hierbei entsteht aufgrund der Bewegung der Rakel eine Vorzugsorientierung des eingebetteten Fasermaterials.
Die Druckschrift DE 10 2015 113 677 A1 offenbart ein Verfahren zur additiven Fertigung eines Bauteils aus einem Metallmatrix-Verbundwerkstoff für ein Fahrzeug, wobei mehrere länglichen Filamente sowie ein Metallpulver bereitgestellt werden, wobei der Metallmatrix-Verbundwerkstoff durch Schmelzen des Metallpulvers additiv gefertigt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Faserverbundbauteils zu schaffen, welche die Herstellung von mechanisch robusten Faserverbundbauteilen ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, den Zeichnungen und der Beschreibung.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren, welches zur additiven Fertigung eines schichtweise aufgebauten Faserverbundbauteils in einem Matrixmaterialbett ausgebildet und/oder geeignet ist. Insbesondere dient das Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Formkörper. Bevorzugt ist das Faserverbundbauteil einstückig ausgebildet.
Das Matrixmaterialbett weist ein Matrixmaterial und eine Vielzahl von länglichen Filamenten auf. Insbesondere kann das Matrixmaterial ein Metallmaterial und/oder ein Keramikmaterial und/oder ein Kohlenstoffmaterial aufweisen. Alternativ kann das Matrixmaterial ein Polymermaterial, insbesondere ein Duromer, und/oder ein Thermoplast und/oder ein Elastomer, aufweisen. Das Fasermaterial kann Glasfasern und/oder Kohlenstofffasern und/oder Aramidfasern und/oder Metallfasern aufweisen. Beispielsweise können die Fasern als Kurzfasern mit einer maximalen Länge von 1 mm oder Langfasern mit einer maximalen Länge von 50 mm ausgebildet sein.
Das Verfahren umfasst dabei die folgende Schritte:

- Bereitstellen des Matrixmaterialbetts in Form einer ersten Schicht;
- Abziehen der ersten Schicht in einer ersten Abziehrichtung, wobei die Filamente der ersten Schicht in der ersten Abziehrichtung ausgerichtet werden;
- Aufschmelzen der ersten Schicht, wobei das Matrixmaterial und die länglichen Filamente miteinander verschmolzen werden;
- Bereitstellen des Matrixmaterialbetts in Form einer zweiten Schicht, wobei die zweite Schicht auf die erste Schicht aufgetragen wird;
- Abziehen der zweiten Schicht in einer zweiten Abziehrichtung, wobei die Filamente der zweiten Schicht in der zweiten Abziehrichtung ausgerichtet werden, wobei die erste und die zweite Abziehrichtung ungleich zueinander ausgerichtet sind;
- das Faserverbundbauteil durch abwechselndes Auftragen der ersten und der zweiten Schicht gebildet wird.

Insbesondere werden das Matrixmaterial und die Filamente auf einer absenkbaren Fertigungsebene aufgegeben, wobei die Fertigungsebene vor jedem Aufbringen einer neuen Schicht um die Dicke einer Schicht abgesenkt wird. Die Schichten werden dabei nacheinander, d.h. zeitlich aufeinander folgend, hergestellt und aufeinander angeordnet werden. Die erste Schicht wird zunächst direkt auf die Fertigungsebene aufgebracht, wobei die nachfolgenden Schichten auf die zuvor aufgebrachte Schicht aufgebracht werden. Dabei wird das Matrixmaterialbett wahlweise bzw. abwechselnd in der ersten oder der zweiten Abziehrichtung abgezogen, sodass die Filamente in unterschiedlichen Richtungen orientiert in dem Matrixmaterial vorliegen. Beispielsweise können die Filamente in dem Matrixmaterial durch das Abziehen in unterschiedlichen Abziehrichtungen derart angeordnet bzw. orientiert werden, dass sie sich entlang der Hauptbelastungspfade des Faserverbundbauteils erstrecken. Beispielsweise können die Filamente dabei in geordneter Form, vorzugsweise analog zu einem Faserverbundgewebe, oder in ungeordneter Form in dem Matrixmaterial vorliegen. Nach dem Abziehen wird das Matrixmaterialbett entlang einer vorgegebenen Geometrie mit mindestens einem Energiestrahl abgetastet, um eine Schmelze zu schaffen und mindestens einen Teil der länglichen Filamente und das Matrixmaterial gezielt zu einer gewünschten Form zu verschmelzen.
Der Vorteil der Erfindung besteht insbesondere darin, dass durch das Abziehen des Matrixmaterialbetts in unterschiedlichen Abziehrichtungen, die Filamente in unterschiedlichen Raumrichtungen orientiert in der Materialmatrix vorliegen. Dadurch kann sichergestellt werden, dass das Faserverbundbauteil eine mechanisch robuste Struktur aufweist. Des Weiteren kann eine Vorzugsorientierung und eine damit verbundene Schwächung des Faserverbundbauteils in den übrigen Raumrichtungen verhindert.
In einer konkreten Ausführung ist vorgesehen, dass die erste und die zweite Abziehrichtung in einem Winkelbereich zwischen 45 Grad und 90 Grad zueinander ausgerichtet sind. Insbesondere sind die erste und die zweie Abziehrichtung durch jeweils einen Richtungsvektor definiert. Bevorzugt wird ein erstes Abziehelement in der ersten Abziehrichtung und ein zweites Abziehelement in der zweiten Abziehrichtung bewegt. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass genau ein Abziehelement in den mindestens zwei Abziehrichtungen und somit mindestens zweidimensional bewegbar ist. Insbesondere sind die beiden Abziehrichtungen rechtwinklig, also mit einem Winkel von 90 Grad, zueinander angeordnet, sodass die Filamente beispielsweise schichtweise rechtwinklig, beispielsweise in der Form eines Geleges, zueinander anorbar sind. Durch die schichtweise Herstellung des Faserverbundbauteils und dadurch, dass jeweils ein Anteil der bereitgestellten Filamente unterschiedlich zueinander orientiert werden, kann ein besonders robustes Faserverbundbauteil geschaffen werden.
In einer weiteren Ausführung ist vorgesehen, dass zumindest eine der Abziehrichtungen parallel zu einer Abziehebene gerichtet ist, wobei die Abziehebene durch eine Oberfläche des Matrixmaterialbetts definiert ist. Prinzipiell sind die erste und die zweite Abziehrichtung parallel zu der Abziehebene ausgerichtet. Dabei spannen die erste und die zweie Abziehrichtung vorzugsweise eine Ebne auf, welche parallel und/oder gleichgerichtet zu der Abziehebene ist. Alternativ ist jedoch auch vorgesehen, dass nur die erste oder nur die zweite Abziehrichtung parallel zur Abziehebene orientiert ist, wohingegen die andere Abziehrichtung winklig zu der Abziehebene angeordnet ist.
In einer weiteren konkreten Umsetzung ist vorgesehen, dass zumindest eine der Abziehrichtungen mit einem Winkel zu der Abziehebene gerichtet ist. Insbesondere ist die mindestens eine Abzieheinrichtung als ein senkrecht zur Abziehebene gerichteter Richtungsvektor definiert, wobei die andere Abziehrichtung parallel zur Abziehebene orientiert ist. Alternativ kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die mindestens eine Abziehrichtung in einem beliebigen Winkel ungleich 0 Grad zu der Abziehebene orientiert ist. Dabei werden die Filamente der zugehörigen Schicht beim Abziehen in der zur Abziehebene winklig ausgerichteten Abziehrichtung in Richtung der vorgehenden Schicht angelegt und/oder in Richtung der nachfolgenden Schicht aufgestellt. Durch das Anlegen bzw. Aufstellen der Filamente relativ zur Abziehebene kann das Faserverbundbauteil zusätzlich in Baurichtung verstärkt werden.
Es ist weiterhin vorgesehen, dass die erste und/oder die zweite Schicht durch eine geradlinige Abziehbewegung in der jeweiligen Abziehrichtung abgezogen wird. Insbesondere ist unter einer geradlinigen Abziehbewegung eine gleichförmige und/oder translatorische Bewegung in einer axialen Richtung zu verstehen. Je nach Orientierung der Abziehrichtung erfolgt die geradlinige Abziehbewegung dabei parallel oder winklig, insbesondere von der Abziehebene weg bzw. zu der Abziehebene hin, zu der Abziehebene. Durch die geradlinige Abziehbewegung über die Oberfläche des Matrixmaterialbetts werden das Matrixmaterial und die Filamente gleichmäßig über die Oberfläche verteilt und überschüssiger Werkstoff von der Oberfläche des Matrixmaterialbetts geschoben.
In einer weiteren Umsetzung ist vorgesehen, dass die erste und/oder die zweite Schicht durch eine kurvenförmige Abziehbewegung in der jeweiligen Abziehrichtung abgezogen wird. Insbesondere ist unter einer kurvenförmigen Abziehbewegung eine Bewegung entlang einer Kurvenbahn und/oder eine rotatorische Bewegung zu verstehen. Im Speziellen kann eine geradlinige Abziehbewegung in der einen Abziehrichtung mit einer kurvenförmigen Abziehbewegung in der anderen Abziehrichtung kombiniert werden. Bevorzugt erfolgt die kurvenförmige Abziehbewegung parallel zu der Abziehebene. Durch die kurvenförmige Abziehbewegung über die Oberfläche des Matrixmaterialbetts werden das Matrixmaterial und die Filamente gleichmäßig über die Oberfläche verteilt und überschüssiger Werkstoff von der Oberfläche des Matrixmaterialbetts geschoben.
In einer weiteren Konkretisierung ist vorgesehen, dass das Matrixmaterialbett in mehrere Abziehbereiche unterteilt ist. Insbesondere kann das Matrixmaterialbett rasterförmig in die mehrere Abziehbereiche und/oder in mehrere lokal voneinander abgegrenzte Abziehbereiche unterteilt sein. Die erste und die zweite Abziehrichtung sind in jedem der Abziehbereiche in einer festgelegten Orientierung zueinander ausgerichtet. Bevorzugt ist für jeden der Abziehbereiche eine Orientierung für die erste und die zweite Abziehrichtung festgelegt oder festlegbar. Die erste und/oder die zweite Abziehrichtung sind dabei in mindestens zwei Abziehbereichen unterschiedlich zueinander orientiert, wobei die Filamente beim Abziehen in den Abziehbereichen lokal unterschiedlich ausgerichtet werden. Insbesondere können somit unterschiedliche Schichtabschnitte der ersten und/oder zweiten Schicht mit einer Filamentanteilmenge und einer Matrixmaterialanteilmenge gebildet werden. Insbesondere ist dabei jede Schicht von mehreren Schichtabschnitten gebildet. Durch die unterschiedlich festgelegte Orientierung der Abziehrichtungen in den einzelnen Abziehbereichen sind lokal unterschiedliche Ausrichtungen der Filamente innerhalb des zugehörigen Abziehbereichs bzw. Schichtabschnitts möglich. Somit können die Filamente hinsichtlich der Bauteilgeometrie und/oder unterschiedlicher Belastungsbereiche des Faserverbundbauteils optimal ausgerichtet werden.
In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Matrixmaterialbett in Form mindestens einer weiteren Schicht bereitgestellt wird, wobei die weitere Schicht in einer weiteren Abziehrichtung abgezogen wird. Dabei werden die Filamente der weiteren Schicht in der weiteren Abziehrichtung ausgerichtet, wobei die erste und die zweite Abziehrichtung sowie die weitere Abziehrichtung ungleich, insbesondere winklig, zueinander angeordnet sind. Insbesondere kann das Matrixmaterialbett in n-Richtungen abgezogen werden, um einen beliebigen Mehrschichtaufbau aus n-Schichten zur erzeugen, wobei die Filamente in n-unterschiedlichen Richtungen ausgerichtet werden. Beispielsweise können die erste, zweite und weitere Abziehrichtung durchdrei senkrecht zueinander stehende Richtungsvektoren definiert sein. Bevorzugt werden die Schichten nacheinander hergestellt. Beispielsweise kann n>2, vorzugsweise n>3, im Speziellen n>4 gewählt werden. Es kann somit ein Mehrschichtaufbau analog zu komplexen Faserverbundbauteilen realisiert werden.
In einer weiteren konkreten Umsetzung ist vorgesehen, dass als Matrixmaterial ein pulverförmiges oder flüssiges Matrixmaterial bereitgestellt wird. Insbesondere wird bei der Bereitstellung eines pulverförmigen Matrixmaterials ein Pulverbettverfahren, wie z.B. Selektives Laserschmelzen (SLM), Selektives Lasersintern (SLS) oder Elektronenstrahlschmelzen (EBM) angewandt, wobei das Matrixmaterialbett als Pulverbett ausgebildet ist. Wenn ein pulverförmiges Matrixmaterial bereitgestellt wird, können die Filamente bereits vor der Verflüssigung des Matrixmaterials in der entsprechenden Abziehrichtung ausgerichtet werden. Insbesondere wird bei der Bereitstellung eines flüssigen Matrixmaterials ein additives Fertigungsverfahren, wie z.B. Schmelzschichtung (FDM), angewandt, wobei das Matrixmaterialbett als pastöses oder flüssiges Bett bzw. Bad ausgebildet ist. Wenn ein flüssiges Matrixmaterial bereitgestellt wird, kann auf ein Verflüssigen des Matrixmaterials verzichtet werden, sodass ein besonders zeiteffizientes Verfahren bereitgestellt werden kann.
Auch wenn die Verfahrensschritte in einer bestimmten Reihenfolge beschrieben werden, ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Reihenfolge beschränkt. Vielmehr können die einzelnen Verfahrensschritte in beliebiger sinnvoller Reihenfolg, insbesondere auch zumindest abschnittsweise zeitlich parallel zueinander, durchgeführt werden.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft eine Vorrichtung, welches zur additiven Fertigung eines Faserverbundbauteils in einem Matrixmaterialbett ausgebildet und/oder geeignet ist. Vorzugsweise ist die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, wie bereits zuvor beschrieben bzw. nach einem der Ansprüche 1 bis 9, ausgebildet und/oder geeignet.
Die Vorrichtung weist eine absenkbaren Fertigungsebene auf, welche zur Bildung eines Matrixmaterialbetts eingerichtet ist. Insbesondere wird das Matrixmaterialbett auf der absenkbaren Fertigungsebene angeordnet. Dabei ist das Matrixmaterialbett in einem abgesenkten Zustand der Fertigungsebene durch ein auf der Fertigungsebene angeordnetes Matrixmaterial und eine Vielzahl von länglichen Filamenten gebildet. Bevorzugt wird jeweils vor dem Aufbringen einer neuen Schicht die absenkbare Fertigungsebene um eine festgelegte Schichtdicke abgesenkt. Das Herstellen jeder Schicht umfasst dabei das Auftragen von festen Filamenten und eines festen oder flüssigen Matrixmaterials auf die Fertigungseben. Es kann also entweder ein fester Filamentanteil und ein fester Matrixmaterialanteil bereitgestellt werden oder es kann ein fester Filamentanteil und ein flüssiger Matrixmaterialanteil bereitgestellt werden. Wenn ein fester Matrixmaterialanteil bereitgestellt wird, ist es vorteilhaft, wenn der Matrixmaterialanteil pulverförmig ist.
Die Vorrichtung weist eine Schmelzeinrichtung auf, welche zur Erzeugung einer Schmelze des Matrixmaterials ausgebildet und/oder geeignet ist, um das Matrixmaterial mit den länglichen Filamenten zu verschmelzen. Insbesondere ist die Schmelzeinrichtung ausgebildet, das Matrixmaterialbett, insbesondere das Matrixmaterial, selektiv entsprechend dem Querschnitt des zu generierenden Faserverbundbauteils aufzuschmelzen. Die Schmelzeinrichtung kann hierzu einen Energiestrahl, z.B. Laser- oder Elektronenstrahl, erzeugen, um eine Schmelze zu schaffen und mindestens einen Teil der länglichen Filamente miteinander zu verbinden bzw. mit dem Matrixmaterial gezielt zu einer gewünschten Form zu verschmelzen.
Die Vorrichtung weist des Weiteren eine Abzieheinrichtung auf, welche zum Abziehen einer Oberfläche des Matrixmaterialbetts ausgebildet und/oder geeignet ist. Die Abzieheinrichtung dient zur gleichmäßigen Verteilung des zugeführten Matrixmaterials auf der Fertigungsebene, um das Matrixmaterialbett zu bilden. Hierzu weist die Abzieheinrichtung mindestens oder genau ein Abziehelement auf, welches in einer ersten Abziehrichtung bewegbar ist. Durch die Bewegung des Abziehelements in der ersten Abziehrichtung über die Oberfläche des Matrixmaterialbetts wird das aufgebrachte Matrixmaterial in einer ersten Schicht über die Oberfläche verteilt, wobei die länglichen Filamente in der ersten Abziehrichtung ausgerichtet werden.
Erfindungsgemäß ist das mindestens eine Abziehelement oder alternativ ein weiteres Abziehelement in einer zweiten Abziehrichtung bewegbar. Durch die Bewegung des Abziehelements bzw. des weiteren Abziehelements in der zweiten Abziehrichtung über die Oberfläche des Matrixmaterialbetts wird das aufgebrachte Matrixmaterial in einer zweiten Schicht über die Oberfläche verteilt, wobei die länglichen Filamente in der zweiten Abziehrichtung ausgerichtet werden. Bevorzugt wird die zweite Schicht nach einem Aufschmelzen und Erstarren der ersten Schicht aufgetragen. Die erste und die zweite Abziehrichtung sind unterschiedlich ausgerichtet, sodass die Filamente der ersten und der zweiten Schicht beim Abziehen unterschiedlich zueinander ausgerichtet werden. Optional können die beiden Abziehelemente unterschiedlich zueinander ausgerichtet sein. Beispielsweise sind die beiden Abziehelemente in einem Winkel von größer 0 Grad und kleiner 180 Grad zueinander ausgerichtet. Bevorzugt sind die Abziehelemente mit einem Winkel von 45 Grad oder 90 Grad zueinander ausgerichtet. Im Speziellen weist die Abzieheinrichtung mindestens oder genau ein weiteres Abziehelement auf, welches in einer zu der ersten und zweiten Abziehrichtung ungleich orientierten weiteren Abziehrichtung bewegbar ist. Bevorzugt wird das mindestens eine Abziehelement mit einem zeitlichen Abstand in den verschiedenen Abziehrichtungen bewegt. Bevorzugt wird jeweils nach Abschluss der Bewegung die jeweilige Schicht aufgeschmolzen und das Matrixmaterialbett in Form einer weiteren Schicht bereitgestellt. Somit kann durch die Vorrichtung ein robusters Faserverbundbauteil im Mehrschichtaufbau erzeugt werden, welches sich durch eine gleichmäßige Verteilung der Filamente in unterschiedlichen Raumrichtungen auszeichnet.
In einer konkreten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass mindestens oder genau eines der Abziehelemente eine gerade Abziehkante aufweist, welche quer zur Abziehrichtung ausgerichtet ist. Insbesondere ist die Abziehkante durchgängig bzw. ununterbrochen oder stellenweise unterbrochen ausgebildet. Die Abziehkante kann vorzugsweise rechtwinklig zur Abziehrichtung ausgerichtet sein. Alternativ kann die Abziehkante jedoch auch mit einem Winkel von größer 0 Grad, vorzugsweise größer 40 Grad, im Speziellen größer 70 Grad zur Abziehrichtung ausgerichtet sein. Alternativ oder optional ergänzend ist die Abziehkante mit einem Winkel von kleiner von 90 Grad, vorzugsweise keiner 50 Grad, im Speziellen kleiner als 20 Grad zu der Abziehrichtung ausgerichtet. Beispielsweise kann das mindestens eine Abziehelement als Rakel oder Rechen oder Drahtschleppe ausgebildet sein. Insbesondere als Rakel ausgebildet, weist das Abziehelement die durchgängige Abziehkante auf. Insbesondere als Rechen oder Drahtschleppe ausgebildet, ist die Abziehkante unterbrochen ausgebildet. Bevorzugt können die mehreren Abziehelemente gleich, also jeweils entweder als Rakeln, Rechen oder Drahtschleppen ausgebildet, sein. Alternativ können die mehreren Abziehelemente jedoch auch unterschiedlich ausgebildet und/oder beliebig miteinander kombiniert werden.
In einer alternativen oder optional ergänzenden Ausführung ist vorgesehen, dass mindestens oder genau eines der Abziehelemente um eine Rotationsachse rotierbar ist, wobei die Rotationsachse parallel oder senkrecht zu der Fertigungsebene angeordnet ist. Insbesondere rotiert das Abziehelement während der gesamten Dauer des Abziehvorgangs um die Rotationsachse. Das Abziehelement ist vorzugsweise in Bezug auf die Rotationsachse rotationssymmetrisch ausgebildet. Vorzugsweise weist das Abziehelement eine Wirkkontur auf, welche ausgebildet ist, das Matrixmaterialbett aufzulockern und/oder gezielte Verwirbelung in dem Matrixmaterialbett zu erzeugen. Bei einer Anordnung der Rotationsachse parallel zur Fertigungsebene, weist das Abziehelement die Wirkkontur vorzugsweise an einem Außenumfang bzw. umlaufend um die Rotationsachse auf. Bei einer Anordnung der Rotationsachse senkrecht zur Fertigungsebene, weist das Abziehelement die Wirkkontur vorzugsweise an einer dem Matrixmaterialbett zugewandten Stirnseite auf. Insbesondere kann die Wirkkontur die Filamente zusätzliche während das Abziehvorgangs, in Richtung der vorhergehenden und/oder der nachfolgenden Schicht aufstellen.
In einer weiteren Konkretisierung ist vorgesehen, dass das erste und/oder das zweite Abziehelement als eine Bürste oder eine Stiftrolle ausgebildet ist. Bevorzugt weist die Bürste als Wirkkontur eine Vielzahl an elastisch und/oder flexibel ausgebildeten Borsten, beispielsweise Kunststoff-, Draht- oder Naturborsten, auf. Bevorzugt weist die Stiftrolle als Wirkkontur eine Vielzahl an starr ausgebildeten zylinderförmigen oder kegelförmigen Stiften bzw. Bolzen auf.
In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, ist vorgesehen, dass die Vorrichtung eine Vibrationseinrichtung aufweist, welche zur Beaufschlagung des ersten und/oder des zweiten Abziehelements mit einer hochfrequenten Schwingung ausgebildet und/oder geeignet ist. Anders ausgedrückt ist, die Vibrationseinrichtung ausgebildet, zumindest eines der Abziehelemente, insbesondere während des Abziehvorgangs, in Vibration zu versetzen. Beispielsweise dient die Vibrationseinrichtung dazu, um die Rieselfähigkeit des pulverförmigen Matrixmaterials während des Abziehvorganges zu verbessern.
In einer konkreten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung einen Manipulator aufweist, wobei das mindestens eine Abziehelement durch den Manipulator in der ersten und/oder zweiten Abziehrichtung bewegbar ist. Insbesondere ist der Manipulator als ein Gelenkarm- oder Portalroboter ausgebildet. Die Vorrichtung weist vorzugsweise eine Steuerungseinrichtung auf, welche ausgebildet ist den Manipulator auf Basis einer festgelegten und/oder festlegbaren Abziehstrategie zu steuern. Bevorzugt kann für jede der Abziehbereiche eine entsprechende Abziehstrategie definiert sein. Bevorzugt ist das Abziehelement durch den Manipulator dreidimensional bewegbar, sodass das Abziehelement prinzipiell in beliebigen vielen Abziehrichtungen bewegbar ist. Es wird somit ein Vorrichtung vorgeschlagen, welche sich durch eine individuell anpassbaren Abziehvorgang sowie einen komplexen Mehrschichtaufbau des Faserverbundbauteils auszeichnet.
Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung. Dabei zeigt:

1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur additiven Fertigung von Faserverbundbauteilen als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 eine schematische Schnittdarstellung der Vorrichtung gemäß 1 in einer alternativen Ausgestaltung;
3 eine schematische Darstellung der Vorrichtung gemäß 1 in einer weiteren alternativen Ausgestaltung.

1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Vorrichtung 1 als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Vorrichtung 1 dient zur additiven Fertigung, insbesondere zur pulverbettbasierten Fertigung, von Faserverbundbauteilen.
Die Vorrichtung 1 weist ein Grundgestell 2 mit einer absenkbaren Fertigungsebene 3 auf, wobei auf der absenkbaren Fertigungsebene 3 ein Matrixmaterialbett 4 aus einem Verbundwerkstoff aufgetragen wird. Die Fertigungsebene 3 erstreckt sich dabei in Bezug auf ein Bezugs-Koordinatensystem in einer x,y-Ebene, wobei das Matrixmaterialbett 4 mit seiner Oberfläche eine ebene Abziehebene E definiert, welche parallel und/oder gleichgerichtet zur Fertigungsebene 3 ist. Beispielsweise kann die Vorrichtung 1 eine Auftragungseinheit, nicht dargestellt, aufweisen, welche zum Zuführen des Verbundwerkstoffs auf die Fertigungsebene 3 dient.
Ferner weist die Vorrichtung 1 eine Abzieheinrichtung 5 mit einem ersten und einem zweiten Abziehelement 6a, b auf, welche dazu eingerichtet sind, den Verbundwerkstoff zur Bildung der Abziehebene E nach dem Aufbringen gleichmäßig über die Oberfläche des Matrixmaterialbetts 4 zu verteilen. Hierzu ist das erste Abziehelement 6a in einer ersten Abziehrichtung R1 und das zweite Abziehelement 6b in einer zweiten Abziehrichtung R2 bewegbar. Die beiden Abziehrichtungen R1, R2 sind dabei mit einem Winkel von ungleich 0 Grad zueinander ausgerichtet und parallel zu der Abziehebene E gerichtet. Beispielsweise können die beiden Abziehrichtungen R1, R2 rechtwinklig, also in einem Winkel von 90 Grad, zueinander ausgerichtet sein. Die erste Abziehrichtung R1 ist dabei in Bezug auf das Bezugssystem in x-Richtung und die zweite Abziehrichtung R2 in y-Richtung orientiert.
Die Bewegung der Abziehelemente 6a, b in der jeweiligen Abziehrichtung R1, R2 kann durch eine Betätigungseinrichtung, nicht dargestellt, ausgeführt werden. Beispielsweise ist diese Betätigungseinrichtung als ein Linearaktor ausgebildet, welcher das jeweilige Abziehelement 6a, b durch eine geradlinige Bewegung in der jeweiligen Abziehrichtung R1, R2 bewegt. Die beiden Abziehelemente 6a, b sind dabei derart ausgelegt, dass diese das Matrixmaterialbett 4 vollständig überstreichen und somit überschüssiges Material über das Matrixmaterialbett 4 hinaus abstreifen. Die beiden Abziehelemente 6a, b werden derart gesteuert, dass sich diese nicht gegenseitig behindern.
Die beiden Abziehelemente 6a, b weisen in diesem Ausführungsbeispiel jeweils eine gerade Abziehkante 7 auf, welche sich quer, insbesondere rechtwinklig, zur jeweiligen Abziehrichtung R1, R2 erstreckt. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Abziehkante 7 in einem Winkel von größer 0 Grad und kleiner 90 Grad zur jeweiligen Abziehrichtung R1, R2 angestellt ist. Beispielsweise kann die Abziehkante 7 des ersten und/oder zweiten Abziehelements 6a, b mit einem Winkel von 45 Grad zur jeweils zugehörigen Abziehrichtung R1, R2 ausgerichtet sein. Beispielsweise kann mindestens eines der beiden Abziehelemente 6a, b als eine Rakel ausgebildet, welche sich durch eine gerade und ununterbrochene Abziehkante 7 auszeichnet. Das andere Abziehelement 6a, b kann beispielsweise ebenfalls als Rakel oder alternativ auch als Rechen oder Drahtschleppe ausgebildet sein.
Ferner weist die Vorrichtung 1 eine Schmelzeinrichtung 8 auf, welche ausgebildet ist, die Oberfläche des Matrixmaterialbetts 4 selektiv mit einem Energiestrahl 9 zu bestrahlen, wodurch der Verbundwerkstoff im Bereich der Bestrahlung schmilzt oder sintert. Der Energiestrahl 9 kann hierzu zweidimensional in der x,y-Ebene entlang einer vorgegebenen Geometrie bewegt werden, sodass nur Abschnitte des Matrixmaterialbetts 7 aufgeschmolzen und/oder bestrahlt werden, an denen das zu fertigende Faserverbundbauteil solide Elemente aufweisen soll. Beispielsweise kann der Energiestrahl 9 in Form eines Laser- oder Elektronenstrahls ausgebildet sein.
Nach dem Bestrahlen wird die absenkbare Fertigungsebene 3 um einen Betrag abgesenkt, welcher der Dicke der aufgeschmolzenen Schicht entspricht, wobei anschließend eine weitere Schicht des Verbundwerkstoffs 4 auf die Fertigungsebene 3 aufgetragen wird.
2 zeigt eine alternative Ausgestaltung der Vorrichtung 1 in einer schematischen Schnittdarstellung als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Wie der 2 zu entnehmen wird das Faserbundbauteil 10, nur schematisch angedeutet, durch mehrere übereinander angeordnete Schichten 11a, b schichtweise aufgebaut. Der Verbundwerkstoff weist dabei ein Matrixmaterial 12 sowie Vielzahl an länglichen Filamenten 13 auf, welche in dem Matrixmaterial 12 eingebettet sind. Beispielsweise kann das Matrixmaterial 12 als pulverförmiges Material, wie z.B. Metallpulver, ausgebildet sein, wodurch ein Pulverbett als das Matrixmaterialbett 4 gebildet ist. Die Filamente 13 können beispielsweise als Kohlefasern ausgebildet sein.
Dabei wird das Matrixmaterialbett 4 in Form einer ersten Schicht 11a bereitgestellt und in der ersten Abziehrichtung R1, insbesondere in x-Richtung, durch das erste Abziehelemente 6a abgezogen. Dabei werden die Filamente 13 der ersten Schicht 11a in der ersten Abziehrichtung 11a ausgerichtet. Anschließend wird die erste Schicht 11a mittels der Schmelzeinrichtung 8, wie in 1 beschrieben, aufgeschmolzen, wobei das Matrixmaterial 12 und die länglichen Filamente 13 miteinander verschmolzen werden. Nach Erstarren der ersten Schicht 11a wird das Matrixmaterialbett 4 in Form einer zweiten Schicht 11b bereitgestellt und auf die erste Schicht 11a aufgetragen. Dabei wird die zweite Schicht 11b in der zweiten Abziehrichtung R2, insbesondere in der y-Richtung, abgezogen, wobei die Filamente 13 der zweiten Schicht 11b in der zweiten Abziehrichtung R2 ausgerichtet werden. Das Faserverbundbauteil 10 wird durch abwechselndes Auftragen der ersten und der zweiten Schicht 11a, b gebildet.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel der 2 ist das erste Abziehelement 6a als Rakel ausgebildet und das zweite Abziehelement 6b als eine um eine Rotationsachse R rotierende Bürste oder Stiftrolle ausgebildet. Die Rotationsachse R ist vorzugsweise parallel zur Fertigungsebene 3 und quer, insbesondere rechtwinklig, zur zweiten Abziehrichtung R2 ausgerichtet. Das zweite Abziehelement 6b weist dabei an seinem Außenumfang eine Wirkkontur 14 auf, welche beispielsweise bei Ausgestaltung als Bürste durch eine Vielzahl an Borsten und bei der Ausgestaltung als Stiftrolle durch eine Vielzahl an Stiften gebildet ist. Das zweite Abziehelement 6b rotiert während des Abziehvorgangs um die Rotationsachse R, wobei die Wirkkontur 14 eine Auflockerung und/oder gezielte Verwirbelung des Verbundwerkstoffs bewirkt. Des Weiteren kann durch die Wirkkontur 14 ein Aufstellen der Filamente in Richtung einer nachfolgenden Schicht 11a bzw. ein Anlegen der Filamente 13 in Richtung einer bereits erstarrten Schicht 11 a realisiert werden.
Durch das Abziehen der Schichten 11 a, b in unterschiedliche Abziehrichtungen R1, R2, wie dies auch in 1 beschrieben wurde, und die damit verbundene Ausrichtung der Filamente 13 in mindestens zwei unterschiedliche Raumrichtungen, kann beispielsweise eine Materialschichtung analog zu einem Faserverbundgewebe erzeugt werden. Des Weiteren kann eine Faserstruktur erzeugt werden, welche sich durch eine multidirektionale Ausrichtung der Filamente 13 auszeichnet, sodass eine Vorzugsorientierung der Filamente 13 und eine Schwächung des Bauteils 10 in den anderen Raumrichtungen unterbunden wird.
3 zeigt eine weitere alternative Ausgestaltung der Vorrichtung 1 in einer schematischen Darstellung als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Vorrichtung 1 weist in dieser Ausgestaltung einen Manipulator 15 als eine Betätigungseinrichtung für das erste Abziehelement 6a auf. Der Manipulator 15 ist als ein Gelenkarmroboter ausgebildet, wobei das erste Abziehelement 6a durch den Manipulator 15 in der ersten Abziehrichtung R2 bewegbar ist.
Dabei kann das Matrixmaterialbett 4 in mehrere voneinander abgegrenzte Abziehbereiche 16 unterteilt sein, wobei für jeden der Abziehbereiche 16 eine entsprechende Abziehstrategie in einer Steuerungseinrichtung 17 festgelegt und/oder festlegbar ist. Die Vorrichtung 1 kann dabei eine Überwachungseinrichtung 18 zur Überwachung des Matrixmaterialbetts 4 aufweisen, wobei die Steuerungseinrichtung 17 datentechnisch mit der Überwachungseinrichtung 18 verbunden ist. Beispielsweise ist die Überwachungseinrichtung 18 als eine Kamera ausgebildet, um den Überwachungsbereich bild- oder videobasiert zu überwachen.
Die Steuerungseinrichtung 17 ist ausgebildet, das Matrixmaterialbett 4 auf Basis von Bilddaten der Überwachungseinrichtung 18 in die unterschiedliche Abziehbereiche 16 zu unterteilen und für jeden der Abziehbereiche 16 eine entsprechende Abziehstrategie zu entwickeln. Dabei ist die Steuerungseinrichtung 17 ausgebildet, den Manipulator 5 auf Basis der Abziehstrategie anzusteuern. Beispielsweise kann für jeden der Abziehbereiche 16 eine vordefinierte Abziehrichtung R2 als Abziehstrategie vorgesehen sein, wobei die Abziehrichtung R2 in mindestens zwei Abziehbereichen 16 unterschiedlich gerichtet sein kann. Beispielsweise kann die Abziehrichtung R2 in einem ersten Abziehbereich 16 durch eine geradlinige Abziehbewegung in y-Richtung und in einem zweiten Abziehbereich 16 durch eine kurvenförmige Abziehbewegung in der x,y-Ebene definiert sein. Beispielsweise können beliebig viele Abziehbewegungen für beliebig viele Abziehbereiche 16 kombiniert werden, um einen komplexen Mehrsichtaufbau zu erzeugen. Dadurch können die Filamente 13, wie in 2 beschrieben, lokal unterschiedliche ausgerichtet werden, sodass ein besonders robustes Faserverbundbauteil erzeugt wird.
Das Weitern weist die Vorrichtung 1 eine Vibrationseinrichtung 19 auf, welche mit dem zweiten Abziehelement 6b verbunden ist, um das zweite Abziehelement 6b während des Abziehvorgangs in Vibration zu versetzen. Beispielsweise kann das zweite Abziehelement 6b als Vibrationsrakel ausgebildet sein.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung nur das erste Abziehelement 6a aufweist, wobei das erste Abziehelement 6a durch den Manipulator 15 sowohl in der ersten als auch in der zweiten Abziehrichtung R1, R2 bewegbar ist. Insbesondere kann für jede der Schichten 11a, b eine andere Abziehstrategie in der Steuerungseinrichtung 17 hinterlegt ist, um Schichten 11a, b mit unterschiedlich ausgerichteten Filamenten 13 zu erzeugen. Des Weiteren ist durch die Verwendung eines Manipulators 14 auch eine zylindrische Ausgestaltung der Vorrichtung, insbesondere der Fertigungsebene 3 realisierbar.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Grundgestell
3: Fertigungsebene
4: Matrixmaterialbett
5: Abzieheinrichtung
6a, b: Abziehelemente
7: Abziehkante
8: Schmelzeinrichtung
9: Energiestrahl
10: Faserverbundbauteil
11a, b: Schichten
12: Matrixmaterial
13: Filamente
14: Wirkkontur
15: Manipulator
16: Abziehbereiche
17: Steuerungseinrichtung
18: Überwachungseinrichtung
19: Vibrationseinrichtung
E: Abziehebene
R: Rotationsachse
R1: erste Abziehrichtung
R2: zweite Abziehrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015113677 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur additiven Fertigung eines schichtweise aufgebauten Faserverbundbauteils (10) in einem Matrixmaterialbett (4), wobei das Matrixmaterialbett (4) ein Matrixmaterial (12) und eine Vielzahl von länglichen Filamenten (13) aufweist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: - Bereitstellen des Matrixmaterialbetts (4) in Form einer ersten Schicht (11 a); - Abziehen der ersten Schicht (11a) in einer ersten Abziehrichtung (R1), wobei die Filamente (13) der ersten Schicht (11a) in der ersten Abziehrichtung (R1) ausgerichtet werden; - Aufschmelzen der ersten Schicht (11a), wobei das Matrixmaterial (12) und die länglichen Filamente (13) miteinander verschmolzen werden; - Bereitstellen des Matrixmaterialbetts (4) in Form einer zweiten Schicht (11b), wobei die zweite Schicht (11b) auf die erste Schicht (11a) aufgetragen wird; - Abziehen der zweiten Schicht (11b) in einer zweiten Abziehrichtung (R2), wobei die Filamente (13) der zweiten Schicht (11b) in der zweiten Abziehrichtung (R2) ausgerichtet werden, wobei die erste und die zweite Abziehrichtung (R1, R2) ungleich zueinander ausgerichtet sind; - das Faserverbundbauteil (10) durch abwechselndes Auftragen der ersten und der zweiten Schicht (11a, b) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Abziehrichtung (R1, R2) in einem Winkelbereich zwischen 45 Grad und 90 Grad zueinander ausgerichtet sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Abziehrichtungen (R1, R2) parallel zu einer Abziehebene (E) ausgerichtet ist, wobei die Abziehebene (E) durch eine Oberfläche des Matrixmaterialbetts (4) definiert ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Abziehrichtungen (R1, R2) mit einem Abziehwinkel zu der Abziehebene (E) ausgerichtet ist, wobei die Filamente (13) beim Abziehen in der entsprechenden Abziehrichtung in Richtung einer vorgehenden Schicht (11a, b) angelegt werden und/oder in Richtung einer nachfolgenden Schicht (11 a, b) aufgestellt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder die zweite Schicht (11a, b) durch eine geradlinige Abziehbewegung in der jeweiligen Abziehrichtung (R1, R2) abgezogen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder die zweite Schicht (11 a, b) durch eine kurvenförmige Abziehbewegung in der jeweiligen Abziehrichtung (R1, R2) abgezogen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Matrixmaterialbett (4) in mehrere Abziehbereiche (16) unterteilt ist, wobei die erste und die zweite Abziehrichtung (R1, R2) in jedem der Abziehbereiche in einer festgelegten Orientierung zueinander ausgerichtet sind, wobei die erste und die zweite Abziehrichtung (R1, R2) in mindestens zwei Abziehbereichen (16) unterschiedlich zueinander orientiert sind, sodass die Filamente (13) beim Abziehen in den Abziehbereichen (16) lokal unterschiedlich ausgerichtet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Matrixmaterialbett (4) in Form mindestens einer weiteren Schicht bereitgestellt wird, wobei die weitere Schicht in einer weiteren Abziehrichtung abgezogen wird, sodass die Filamente (13) der weiteren Schicht in der weiteren Abziehrichtung ausgerichtet werden, wobei die erste und die zweite Abziehrichtung (R1, R2) sowie die weitere Abziehrichtung ungleich, insbesondere winklig, zueinander angeordnet sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass das als Matrixmaterial (12) ein pulverförmiges oder flüssiges Matrixmaterial bereitgestellt wird.
Vorrichtung (1) zur additiven Fertigung eines Faserverbundbauteils (10) in einem Matrixmaterialbett (4), mit einer absenkbaren Fertigungsebene (3) zur Bildung eines Matrixmaterialbetts (4), wobei das Matrixmaterialbett (4) in einem abgesenkten Zustand der Fertigungsebene (3) durch ein auf der Fertigungsebene (3) angeordnetes Matrixmaterial (12) und eine Vielzahl von länglichen Filamenten (13) gebildet ist, mit einer Schmelzeinrichtung (8) zur Erzeugung einer Schmelze des Matrixmateriabetts (4), um das Matrixmaterial (12) mit den länglichen Filamenten (4) zu verschmelzen, mit einer Abzieheinrichtung (5) zum Abziehen einer Oberfläche des Matrixmaterialbetts (4), wobei die Abzieheinrichtung (5) mindestens ein Abziehelement (6a) aufweist, wobei das Abziehelement (6a) in einer ersten Abziehrichtung (R1) bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Abziehelement (6a) oder ein weitere Abziehelement (6b) in einer zweiten Abziehrichtung (R2) bewegbar ist, wobei die erste und die zweite Abziehrichtung (R1, R2) unterschiedlich ausgerichtet sind.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Abziehelement (6a, b) eine gerade Abziehkante (7) aufweist, wobei die Abziehkante (7) quer zur Abziehrichtung (R1, R2) ausgerichtet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Abziehelement (6a, b) um eine Rotationsachse (R) rotierbar ist, wobei die Rotationsachse (R) parallel oder senkrecht zu der Fertigungsebene angeordnet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder das zweite Abziehelement (6a, b) als eine Bürste oder eine Stiftrolle ausgebildet ist, welche während des Abziehvorgangs um die Rotationsachse (R) rotiert.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 13, gekennzeichnet, durch eine Vibrationseinrichtung (19) zur Beaufschlagung des ersten und/oder des zweiten Abziehelements (6a, b) mit einer hochfrequenten Schwingung.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 13, gekennzeichnet, durch einen Manipulator (15), wobei das mindestens eine Abziehelement (6a, b) durch den Manipulator in der ersten und/oder zweiten Abziehrichtung (R1, R2) bewegbar ist.