DE102021113831A1

DE102021113831A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von endlosen Bändern mit additiven Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102021113831A1
Application number: DE102021113831.0A
Authority: DE
Inventors: Benjamin Stahl; Dominik Marusa
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2021-05-28
Filing date: 2021-05-28
Publication date: 2022-12-01

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines endlosen Bandes (1) mit einem additiven Fertigungsverfahren, insbesondere 3D-Drucken, für die Verwendung in einer Papiermaschine, welches aus mehreren Schritten besteht und einen Werkstoff mit einem, zwei oder mehreren Druckköpfen (2) auf ein endloses Druckbett entlang einer Druckrichtung in mehreren Druckschritten druckt, wobei das endlose Druckbett eine äußere Oberfläche eines Hohlzylinders ist und der Druckbetthohlzylinder (3) auf einer integrierten oder separaten Tragwelle (4) montiert ist und die Tragwelle (4) mit einer Lagerung (5) so gelagert wird, dass eine Rotationsbewegung (rot.) des Druckbetthohlzylinders (3) um seine Hauptachse ermöglicht wird und das Drucken des Werkstoffes zu mindestens einer Schicht aus Werkstoff führt und somit das endlose Band (1) bildet und dass der Druckbetthohlzylinder (3) einen einstellbaren Durchmesser (8) besitzt.Ferner umfasst die Erfindung ein mit dem Verfahren und der Vorrichtung hergestelltes endloses Band (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines endlosen Bandes mit einem additiven Herstellungsverfahren für die Verwendung in einer Papiermaschine und ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Vorrichtung hergestelltes endloses Band.
Mit dem Verfahren und der Vorrichtung wird ein endloses Band mit einem additiven Fertigungsverfahren, insbesondere 3D-Drucken, für die Verwendung in einer Papiermaschine, mit den folgenden Schritten hergestellt;

a) Drucken eines Werkstoffes auf ein endloses Druckbett entlang einer Druckrichtung in mehreren Druckschritten, wobei das endlose Druckbett eine äußere Oberfläche eines Hohlzylinders ist und der somit gebildete Druckbetthohlzylinder auf einer integrierten oder separaten Tragwelle montiert ist und die Tragwelle mit Lagerungen gelagert wird, so dass eine Rotationsbewegung des Hohlzylinders um seine Hauptachse ermöglicht wird,
b) Drucken des Werkstoffes über eine definierte Länge entlang der Druckrichtung,
c) Indizieren jedes Druckschrittes, welcher quer zur Druckrichtung verläuft,
d) Rotieren des Druckbetthohlzylinders um seine Hauptachse nach einem Druckschritt in Hauptachsenrichtung um einen bestimmten Winkel und/oder Rotieren in konstanter Geschwindigkeit während eines Druckschrittes in Umfangsrichtung, welcher über einen Motor angetrieben wird.

Endlose Bänder für die Verwendung in Papiermaschinen sind bekannt, auch die Herstellung dieser Bänder mit verschiedensten additiven Fertigungsverfahren wird in Stand der Technik Dokumenten je nach Verwendungsart beschrieben. Ein Beispiel für ein endloses Band für einen Pressmantel und aus Polymermaterial gefertigt liefert DE10 2019125908 A1 , Voith Patent GmbH, 01.04.2021.
Endlose Bänder für Papiermaschinen haben mehrere Einsatzmöglichkeiten, in der ersten Einsatzmöglichkeit werden sie hauptsächlich in Form von Gewebestrukturen wie Sieben und/oder Filzen zur Beeinflussung, Formgebung, Stabilisierung und Überführung von in Papiermaschinen hergestellten Faserstoffbahnen eingesetzt. Die wichtigste Eigenschaft der Gewebestrukturen ist es, über ihre Formgebung und Werkstoffeigenschaften, die Qualität der hergestellten Faserstoffbahn zu beeinflussen. Die Haupteigenschaften der Gewebestruktur selbst werden beispielsweise in ihrer Stabilität, Lebensdauer, Entwässerungsleistung, Bahnunterstützungsfunktion und Reinigungsfähigkeit bewertet. Dabei werden für den jeweiligen Einsatzzweck optimierte Gewebestrukturen mit den unterschiedlichsten Eigenschaftenzusammenstellungen umgesetzt. Auch ist die verwendete Gewebestruktur maßgeblich beispielsweise an der Produktivität, insbesondere Produktionsgeschwindigkeit und Stillstandzeiten für Wartungen der Papiermaschine verantwortlich.
Eine zweite Einsatzmöglichkeit für die gefertigten endlosen Bänder ist von der Art ähnlich der Gewebestrukturen jedoch werden die endlosen Bänder als Bezüge und/oder Beschichtung für die in einer Papiermaschine verwendeten Walzen, wie Umlenk-, Stabilisierungs-, Saug- und Transportwalzen verwendet. Eine Abstimmung der verwendeten Gewebestrukturen in einer bestimmten Sektion einer Papiermaschine erfolgt meistens im Zusammenspiel mit den in dieser Sektion enthaltenen Bezügen und Beschichtungen.
Ein dritter Einsatzzweck für die endlosen Bänder ist der Antrieb von Walzen und Nebenaggregaten in einer Papiermaschine als Antriebs-, Zahn-, Keil- oder Übertragungsriemen.
Die eingesetzten endlosen Bänder sind in der Regel mehrschichtig aufgebaut, insbesondere ein-, zwei- oder dreilagig, dabei haben die unterschiedlichen Lagen unterschiedliche Formgebung, um die notwendigen Parameterzusammenstellung für die Herstellung einer Faserstoffbahn in einer Papiermaschine optimal zu beeinflussen. Die Komplexität der Gewebestrukturen nimmt mit zunehmenden Lagen zu, die Leistungsfähigkeit steigt bis zu drei Lagen an und jede Lage kann aus mehreren Werkstoffschichten bestehen.
Auf die klassischen Herstellungsverfahren von Gewebestrukturen, Bezügen und Antriebsriemen wird hierzu auf die allgemein verfügbare Fachliteratur und den Stand der Technik verwiesen.
Die Einsatzmöglichkeiten im Bereich der Papiermaschinen von additiven Herstellungsverfahren sind zahlreich, alleine die möglichen unterschiedlichen Verfahren umfassen beispielsweise selektives Lasersintern (SLS), Stereolithographie (SLA), direktes Metall-Lasersintern (SLM) oder Schmelzabscheidungsmodellieren (FDM) (Aus der englischen Sprache abgekürzt und als Fused Deposition Modelling (FDM) oder auch bekannt als Fused Filament Fabrication (FFF)).
Die für den 3D-Druck verwendeten Werkstoffe werden in Faden- oder Drahtform (Filament) zur Verfügung gestellt, um in den jeweiligen Herstellvorrichtungen über eine Düsenvorrichtung oder auch Druckkopf genannt auf ein Druckbett aufgetragen zu werden oder die Werkstoffe werden in Pulverform zur Verfügung gestellt.
Je nach verwendetem Herstellungsverfahren ist ein Einsatz von unterschiedlichsten Werkstoffen denkbar, welche mit den 3D-Druckern verarbeitet werden können. Dabei reicht die Bandbreite von Kunststoffen, über Holz auch zu Metallen. Insbesondere sind beispielsweise thermoplastische Polymere mit hohen Schmelzpunkten, flexible Materialien, Holz, Metalle, Glas- oder Carbonfasern und auch Komposite Zusammenstellungen aus den einzelnen Werkstoffen, wie Kombinationen von Kunststoff und Holz oder Kunststoff und Metall herstellbar.
Es wird verallgemeinernd für die Herstellung der Ausdruck „3D-Druck“ verwendet und in dieser Erfindung der Fokus auf das Schmelzabscheidungsmodellieren (FDM) mit Werkstoffen aus der Gruppe der Kunststoffe, vorzugsweise thermoplastischen Polymere gelegt.
Auf das IT-technische Aufbereiten der notwendigen Druckdaten für einen korrekte Herstellung des endlosen Bandes wird nicht näher eingegangen, es wird sich hier am üblichen und aus dem Stand der Technik bekannten Vorgehen bedient. Es kommen klassische computergestützte Hilfsprogramme zu Einsatz, um die Geometrien mit den notwendigen Fähigkeiten auszustatten, und um über einen 3D-Drucker hergestellt zu werden und diese Modelle werden dann der Herstellvorrichtung, dem 3D-Drucker, über eine digitale Schnittstelle zur Verfügung gestellt.
In der Publikation EP3793821A1 , Structured LLC, 24.03.2021, wird die Herstellung von endlosen Bändern mit einem additiven Herstellungsverfahren, insbesondere dem Schmelzabscheidungsmodellieren (FDM) und der PolyJet Technologie beschrieben. Die verschiedenen additiven Herstellungsverfahren werden unter dem Oberbegriff „3D-Drucken“ landläufig zusammengefasst. Die Herstellung der Bänder erfolgt dabei mit einer modifizierten Vorrichtung oder 3D-Druckern für beliebige Größen der endlosen Bänder auf einem als endlosem Druckbett umfunktionierten und angetriebenen Hohlzylinder oder Transportband.
Ein Nachteil der bekannten additiven Herstellungsverfahren nach dem Schmelzabscheidungsmodellieren (FDM) von dünnwandigen und eine gewisses Verhältnis an Standfläche zur Höhe überschreitenden endlosen Bändern ist, ein Ausknicken oder Kollabieren der Struktur während des Druckvorgangs durch das Eigengewicht des hergestellten endlosen Bandes. Deshalb ist es notwendig die herzustellenden endlose Bänder mit komplexen, Zeit- und Werkstoff beanspruchenden Stützstrukturen auszustatten und somit im Vorfeld der Herstellvorganges viel Aufwand in einen Entwurf einer geeigneten Stützstruktur und während und nach der Herstellung mehr Zeit aufzuwenden, um die zusätzlichen Strukturen herzustellen und wieder aufwendig zu entfernen.
Ein weiterer Nachteil ist das Aus- und/oder Ablösen des endlosen Bandes von dem verwendeten Druckbett, dabei gestaltet sich der Ablösevorgang auf sehr zeitaufwendig und diffizil.
Ein weiterer Nachteil ist die Wuchtgüte der hergestellten endlosen Bänder, diese ist oft unzureichend, was eine negative Auswirkung auf die Laufeigenschaften, insbesondere Laufruhe, der endlosen Bänder in einer Papiermaschine hat.
Die in EP3793821A1 beschriebene Lösung behebt einen Großteil der Nachteile eines normalen additiven Herstellungsverfahren nach dem Prinzip des Schmelzabscheidungsmodellieren (FDM) zum 3D-Druck von dünnwandigen endlosen Bändern, jedoch zeigen sich, insbesondere bei größeren endlosen Bändern, Schwierigkeiten beim Aus- und/oder Ablösen des hergestellten endlosen Bandes vom Druckbetthohlzylinder und es ist insbesondere sehr einfach das hergestellte endlose Band zu beschädigen und viel Zeit für die Ablösung aufzuwenden. Auch die Wuchtgüte der endlosen Bänder wird nicht verbessert.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein bekanntes additives Herstellungsverfahren nach dem Schmelzabscheidungsmodellieren (FDM) für endlose Bänder zur Verwendung in einer Papiermaschine derart zu modifizieren, das die Nachteile hinsichtlich des Stands der Technik weiter reduziert und sogar behoben werden können.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Ausführung entsprechend der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines endlosen Bandes mit einem additiven Fertigungsverfahren, insbesondere 3D-Drucken, für die Verwendung in einer Papiermaschine, umfassend die folgenden Schritte;

a) Drucken eines Werkstoffes mit einem, zwei oder mehreren Druckköpfen auf ein endloses Druckbett entlang einer Druckrichtung in mehreren Druckschritten, wobei das endlose Druckbett eine äußere Oberfläche eines Hohlzylinders ist und der Druckbetthohlzylinder auf einer integrierten oder separaten Tragwelle montiert ist und die Tragwelle mit Lagerungen so gelagert wird, dass eine Rotationsbewegung des Hohlzylinders um seine Hauptachse ermöglicht wird,
b) Drucken des Werkstoffes über eine definierte Länge entlang der Druckrichtung,
c) Indizieren jedes Druckschrittes, welcher quer zur Druckrichtung verläuft,
d) Rotieren des Druckbetthohlzylinders um seine Hauptachse nach dem Druckschritt in Hauptachsenrichtung um einen bestimmten Winkel oder Rotieren in konstanter Geschwindigkeit während des Druckschrittes in Umfangsrichtung, welcher über einen Motor angetrieben wird. Die Erfindung zeichnet sich damit aus, dass das Drucken des Werkstoffes zu mindestens einer Schicht aus Werkstoff führt und somit das endlose Band bildet und dass der Druckbetthohlzylinder einen einstellbaren Durchmesser besitzt, welcher vorzugsweise am Ende des Herstellungsverfahrens verändert werden kann.

Vorteilig in diesem Verfahren ist die Reduzierung der Herstellzeit und des Werkstoffverbrauches der gedruckten endlosen Bänder, insbesondere für Anwendungen mit geringen Stückzahlen und die durch die Einstellbarkeit des Durchmessers des Druckbetthohlzylinders verbessertes Ab- bzw. Auslösen der gedruckten endlosen Bänder vom Druckbetthohlzylinder.
Unter Hauptachse des Druckbettes bzw. Druckbetthohlzylinders wird die mathematische Höhenachse des Hohlzylinders definiert, diese ist zugleich auch die Rotationsachse des Druckbetthohlzylinders.
Es wird zusätzlich ein räumliches kartesisches Koordinatensystem mit x-,y- und z-Achse als Bezug verwendet, wobei die Ausrichtung der x-Achse parallel zur Höhen- / Rotationsachse des Druckbetthohlzylinders ist.
Die Druckrichtung kann innerhalb des Verfahrens im 3D-Raum beliebig variiert werden, dabei wird die Regelung der Rotation des Druckbetthohlzylinders je nach Druckrichtung entsprechend zwischen, den beiden maximalen ausgeführten Ausprägungen geregelt. Dies kann z.B. von einem Schrittweisen regeln der Rotation des Druckbetthohlzylinders bei einer Druckrichtung in x-Richtung bis hin zu einer kontinuierlichen Rotationsgeschwindigkeit des Druckbetthohlzylinders bei einer Druckrichtung in Rotations- bzw. Umfangsrichtung, wo die x-Position des Druckkopfes konstant gehalten wird und in der y-z Ebene gedruckt wird. Die Druckrichtung wird je nach herzustellender Oberfläche- und Struktur des endlosen Bandes geregelt, weitere Parameter für die Regelung sich auch der verwendete Werkstoff und Auftragsgeschwindigkeit des Druckkopfes.
In einer weiteren möglichen alternativen Ausführungsform wird das Verfahren mit einem additiven Fertigungsverfahren aus der Gruppe der Schmelzabscheidungsmodellierungen (Fused Deposition Modelling FDM oder auch Fused Filament Fabrication FFF genannt) ausgeführt.
Dieses Druckverfahren ermöglicht die Verarbeitung von thermoplastischen Polymeren und hat insbesondere einen hohen Verbreitungsgrad und damit auch eine gewisse Zuverlässigkeit und Reifegrad.
In einer weiteren möglichen alternativen Ausführungsform werden für das Verfahren Werkstoffe aus der Gruppe der thermoplastischen Polymere, insbesondere Soft-PLA und/oder PP und/oder ABS und/oder PLA und/oder PET, besonders vorzugsweise TPU und/oder Nylon (PA6) und/oder PETG, mit Elastizitätsmodulen (E-Modulen) im Bereich zwischen 50 und 2000 MPa verwendet.
Diese thermoplastischen Polymere sind optimal für die Anwendung als endloses Band in einer Papiermaschine geeignet und ermöglichen mit ihren niedrigen E-Modulen eine hohe Flexibilität bei gleichzeitiger strukturelle Stabilität und Langlebigkeit.
In einer weiteren möglichen alternativen Ausführungsform wird das Verfahren so ausgeführt dass das endlose Band eine Schicht ohne Wulst aufweist, vorzugsweise die letzte Schicht des endlosen Bandes um eine glatte Oberfläche zu erhalten welche beim Betrieb der Papiermaschine einen ruhigen Rundlauf aufweist.
In einer weiteren möglichen alternativen Ausführungsform wird das Verfahren so ausgeführt dass der einstellbare Durchmesser des Druckbetthohlzylinders auf einen zweiten Durchmesser nach oder auch während dem Herstellvorgang zwischen größer 80% und unterhalb 105%, insbesondere bevorzugt größer 95%, insbesondere bevorzugt unterhalb 100% des ursprünglich oder anfänglich für die Herstellung des endlosen Bandes verwendeten Durchmesser einstellen lässt. Dieser Einstellbereich ermöglicht es auch in gewissen Maße das endlose Band in einer Stumpfkegelform herzustellen und eine geringfügige Verstellung im Nachgang, insbesondere zur Reduzierung des anfänglichen Durchmessers eine deutlich verbesserte Aus- bzw. Ablösung des endlosen Bandes vom Druckbetthohlzylinder.
In einer weiteren möglichen alternativen Ausführungsform werden die Tragwelle des Druckbetthohlzylinders mit einem, zwei oder mehreren Beschleunigungssensoren ausgeführt und die Signale der Beschleunigungssensoren während des Herstellungsvorganges zur Regelung der Auftragsmenge des Druckwerkstoffes herangezogen und damit eine Beeinflussung der Gewichtsverteilung des endlosen Bandes erreicht.
Dies hat den Vorteil direkt im Herstellungsverfahren einen Einfluss auf die Verteilung des Druckwerkstoffes zu nehmen und damit optimierte Rundlaufeigenschaften des hergestellten endlosen Bandes zu erhalten. Ein Wuchten im Nachgang des Herstellungsverfahrens kann damit entfallen.
Ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes endloses Band besitzt eine Breite zwischen 0,01 m und 11m, insbesondere zwischen 0,1m und 1m.
Weiterhin umfasst vorteilhafterweise ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes endloses Band mindestens 1 und maximal 300, insbesondere mindestens 5, insbesondere maximal 60, Schichten und einer absoluten Dicke von 0,1mm bis 2,0 mm, insbesondere 0,5mm bis 1,0 mm, pro Schicht.
Die im Herstellvorgang verwendeten Werkstoffe und vorhandenen Ablöseeigenschaften des Druckbetthohlzylinders beeinflussen die mögliche Wahl an Schichten, es ist eine Mindestdicke und somit bestimmte Anzahl an Schichten des hergestellten endlosen Bandes zu wählen, wird das endlose Band zu dünn ausgeführt ist die minimal notwendige strukturelle Integrität nicht gegeben und das endlose Band hält die Beanspruchungen im Betrieb nicht aus oder wird schon beim Ablösevorgang beschädigt. Wird das Band zu dick hergestellt kann es zu steif werden und sich nicht mehr vom Druckbetthohlzylinder ablösen lassen. Die gewählte Anzahl an Schichten beeinflusst bestimmend die mechanischen Eigenschaften des hergestellten endlosen Bandes und die die Schichtdicke die Herstellzeit, je größer die Anzahl der Schichten desto stärker die Materialeigenschaften und je größer die Dicke, desto schneller die Herstellungszeit.
Ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes endloses Band zeichnet sich dadurch aus, dass die aus Schichtstärke und Schichtanzahl zusammengesetzte Dicke des endlosen Bandes eine Dicke von vorzugsweise kleiner 20mm, insbesondere kleiner 10mm und insbesondere kleiner 4mm besitzt.
Ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes endloses Band zeichnet sich dadurch aus, dass die Länge des endlosen Bandes durch den Umfang des Druckbetthohlzylinders bestimmt ist und somit direkt, linear abhängig vom Durchmesser des Druckbetthohlzylinders. Vorzugsweise haben die endlosen Bänder eine Länge von vorzugsweise kleiner 20m, insbesondere kleiner 5m und insbesondere kleiner 1m. Dabei werden hauptsächlich die Längen kleiner 1m für die Verwendung als Antriebsbänder vorgesehen, kleiner 5m für Walzenbezüge und kleiner 20m für die Verwendung als Transfer-, Sieb- oder Filzband.
Vorteilig ist im erfindungsgemäßen Verfahren, dass die herzustellenden endlosen Bänder ohne strukturelle Probleme nun auch Dicken kleiner 4mm, bei gleichzeitig Breiten bis zu 11m und Längen bis 20m aufweisen können und diese hohen Verhältnisse der Dicke zur Breite und/oder Dicke zu Länge eine leichte Ablösung vom Druckbetthohlzylinder mit einstellbaren Durchmesser haben.
Ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes endloses Band zeichnet sich weiterhin vorteilhafterweise dadurch aus, dass das endlose Band einteilig ausgeführt ist und eine Form an der Oberfläche in Keil- oder Zahn- oder Rillen- oder Rechtecks-Form in Rotations- und/oder x-Richtung besitzt. Diese Form der endlosen Bänder wird hauptsächlich als Antriebsriemen für Aggregate in der Papiermaschine verwendet.
Ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes endloses Band zeichnet sich auch vorteilhafterweise dadurch aus, dass das endlose Band mit mindestens einer Schicht, welche eine perforierte und flexible Struktur in Form einer Hexagon- (bzw. auch Honigwaben-) oder Rauten-Falt- (bzw. auch Sanduhr-) oder Quadrat- oder Rechteck-Struktur ausgeführt ist und das endlose Band eine negative Querkontraktionszahl besitzt.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich eine gradierte Mesostruktur mit makroskopischen Eigenschaftsgradienten zu erzeugen. Es lassen sich mit der Materialverteilung und Geometrie der Mesostruktur des endlosen Bandes effektiv die mechanischen Eigenschaften des endlosen Bandes, wie die Querkontraktionszahl (Poisson-Zahl), das Elastizitätsmodul (E-Modul) oder das Schubmodul (G-Modul) gezielt einstellen. Beispielsweise ist es mit einer negativen Querkontraktionszahl möglich eine nicht-lineare Reaktion auf eine Krafteinleitung ein sogenanntes auxetisches Verhalten der endlosen Bänder zu erreichen. Das bedeutet auf eine zweidimensionale Krafteinleitung in x- oder y-Richtung im kartesischen Koordinatensystem bzw. in tangentiale- oder axiale Richtung im zylindrischen Koordinatensystem reagiert das Material beispielsweise auf eine Krafteinleitung in x-Richtung mit einer Längung in x-Richtung und einer gleichzeitigen Dehnung, einer Längung in y-Richtung.
Es ist weiterhin möglich mit dem Verfahren eine Oberflächenbeschichtung für ein endloses Band oder Walze herzustellen. Dabei umfasst das Verfahren ein Druckbett, welches ein schon zur Verwendung in einer Papiermaschine dem Stand der Technik entsprechend mit nicht-additiven Herstellungsverfahren vorgefertigtes endloses Band oder Walze ist. Die Oberflächenbeschichtung wird dabei direkt auf das endlose Band oder Walze aufgedruckt und die Oberflächenbeschichtung geht durch eine geeignete Werkstoffpaarung, eine Verbindung mit dem endlosen Band oder Walze ein.
Die Aufgabe wird auch vorteilhafterweise durch eine mögliche Ausführungsform des Druckbetthohlzylinder mit einem einstellbaren Durchmesser zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Verfahren gelöst, insbesondere durch einen Verschiebemechanismus einer in Hauptachsenrichtung des Druckbetthohlzylinders geteilten Oberfläche, wobei die Verschiebung der Oberfläche des Druckbetthohlzylinders in Rotationsrichtung des Druckbetthohlzylinders und über- oder unter das jeweilige gegenüberliegende Oberflächenteil entlang der Teilung des Druckbetthohlzylinders ausgeführt wird.
In einer weiteren möglichen alternativen Ausführungsform des Druckbetthohlzylinders mit einstellbaren Durchmesser zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Druckbetthohlzylinder mit einem integrierten und/oder mobilen Kühlsystem ausgeführt und mit einer Kühlung nach dem Druckvorgang geregelt.
Dies hat den Vorteil, dass die gedruckten Werkstoffe sehr schnell aushärten können und gleichzeitig das Ab- bzw. Auslösen der endlosen Bänder nach dem Fertigungsverfahren vom Druckbetthohlzylinder vereinfacht wird, weil durch die Abkühlung der Durchmesser des Druckbetthohlzylinders reduziert wird.
In einer weiteren möglichen alternativen Ausführungsform wird der Druckbetthohlzylinder mit einstellbaren Durchmesser zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Verfahren mit einer haftungsreduzierenden Oberflächenbeschichtung zwischen dem endlosen Band und der Oberfläche des Druckbetthohlzylinders vorzugsweise mit den Werkstoff PTFE (Polytetrafluorethylen) ausgeführt. Dies ermöglicht durch reduzierte Oberflächenreibung des hergestellten endlosen Bandes und des Druckbetthohlzylinders eine verbesserte Aus- bzw. Ablösung des endlosen Bandes vom Druckbetthohlzylinder.
Figurenliste
Im Folgenden wird die Erfindung beispielhaft anhand von schematischen und nicht maßstabsgetreuen Figuren erläutert. Es ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung. Es finden sich in den Figuren die gleichen Bezugszeichen für funktionell zusammengehörende Elemente. Die unterscheidenden Merkmale der Ausführungsbeispiele können gegeneinander ausgetauscht und miteinander kombiniert werden. Die Figuren zeigen im Einzelnen:

1 eine Frontansicht der Herstellvorrichtung in einer möglichen eine Ausführungsform
2 eine Seitenansicht der Herstellvorrichtung aus 1
3 ein Querschnitt des Druckbetthohlzylinders mit einem einstellbaren Durchmesser mit einem Durchmesser 8
4 ein Querschnitt des Druckbetthohlzylinders mit einem variablen Durchmesser mit einem Durchmesser 8'
5 ein Querschnitt des Druckbetthohlzylinders mit integrierten Kühlkanälen
6 ein Ausschnitt aus der Oberfläche eines hergestellten endlosen Bandes mit den verschiedenen vorteilhaften Oberflächenformen
7 ein Ausschnitt mindestens einer Schicht eines hergestellten endlosen Bandes mit verschiedenen vorteilhaften Strukturformen

1 zeigt in einer beispielhaften Ausführungsform eine Herstellvorrichtung in seiner Frontansicht in einer bevorzugten Ausführungsform mit einem Gestell 22 zur sicheren Befestigung und einem einstellbaren Druckbetthohlzylinder 3, welcher ein endloses Druckbett auf seiner Oberfläche 11 zur Verfügung stellt. Die Herstellvorrichtung besitzt einen Druckkopf 2, welcher die verwendeten Werkstoffe auf den Druckbetthohlzylinder 3 aufdruckt und das endlose Band 1 bildet. Die Tragwelle 4 des Druckbetthohlzylinders 3 ist mit der Höhenachse eines Zylinders orientiert und ist mit einer Lagerung 5, welche eine Rotationsbewegung des Druckbetthohlzylinders 3 um seine Höhenachse, die Hauptachse, 23 ermöglicht und mit der Herstellvorrichtung verbunden ist. Um den Druckbetthohlzylinder 3 in Rotation zu versetzten ist die Tragwelle 5 mit einen Motor 6 direkt oder indirekt verbunden. Als mögliche weitere Ausführungsform wird in 1 die auf der Tragwelle angebrachten Beschleunigungssensoren 7 gezeigt um eine auftretende Unwucht im Herstellvorgang des endlosen Bandes 1 auszugleichen.
2 zeigt in einer weiteren beispielhaften Ausführungsform die Herstellvorrichtung aus 1 mit gleichen Bezugszeichen in einer Seitenansicht mit eingezeichneter Rotationsrichtung des Druckbetthohlzylinders 3 und einen Antrieb der Tragwelle 4 mit einen Motor 6. Weiterhin wird der Durchmessers 8 des Druckbetthohlzylinders 3 mit einer Oberfläche 11 dargestellt.
Der Druckkopf 2 ist in 2-Achsen beweglich (x- und y-Achse) und die dritte Dimension wird durch die Rotation des Druckbetthohlzylinders 3 um seine Tragwelle 4 gebildet. Innerhalb des damit möglichen Bewegungsraum ergeben sich beispielsweise zwei Hauptdruckrichtungen wobei in der ersten Richtung die Rotation des Druckbetthohlzylinders 3 während des 3D-Druckens gestoppt wird und der Druckkopf 2 in x-Richtung verfahren wird, den Werkstoff aufträgt und nach Beendigung des Druckschrittes der Druckbetthohlzylinder 3 um einen bestimmten Winkel α rotiert wird, sozusagen schrittweise verfahren wird. Die andere Hauptdruckrichtung ist bei konstant gehaltener x-Position des Druckkopfes 2 ein mit konstanter Geschwindigkeit rotierender Druckbetthohlzylinder 3 und ein Drucken des Werkstoffes in Umfangrichtung. Nach Beendigung des Druckschrittes in Umfangsrichtung wird der Druckkopf 2 in x-Richtung nachgeführt.
3 zeigt in einer weiteren erfindungsgemäßen beispielhaften Ausführungsform den Druckbetthohlzylinder 3 mit seiner Tragwelle 4 und Hauptachse 23 und den Verschiebemechanismus 9 des Druckbetthohlzylinders 3 im Querschnitt mit einer Teilung der Oberfläche 11, mit einer ersten geteilten Oberflächenteil 10' und einer zweiten geteilten Oberflächenteil 10" des Druckbetthohlzylinders 3 mit einem Durchmesser 8.
4 zeigt in einer weiteren erfindungsgemäßen beispielhaften Ausführungsform den Druckbetthohlzylinder 3 mit seiner Tragwelle 4 und Hauptachse 23 mit dem Verschiebemechanismus 9 des Druckbetthohlzylinder 3 im Querschnitt mit einer Teilung der Oberfläche 11 des Druckbetthohlzylinders 3 mit einem geänderten Durchmesser 8', wobei der erste Teil der geteilten Oberfläche 10' in Rotationsrichtung rot. gegen den zweiten Teil der geteilten Oberfläche 10" oberhalb verschoben ist und somit es ermöglicht den Durchmesser 8', kleiner als den Durchmesser 8 wie aus 3, einzustellen. Eine Verschiebung von dem zweiten Teil der geteilten Oberfläche 10" unterhalb des ersten Teil der geteilten Oberfläche 10' ist eine andere beispielhafte Ausführungsform.
5 zeigt in einer weiteren erfindungsgemäßen beispielhaften Ausführungsform den Druckbetthohlzylinder 3 mit seiner Tragwelle 4 und Hauptachse 23 in Seitenansicht als Querschnitt mit in der äußeren Wand 20 des Druckbetthohlzylinders 3 integrierten Kühlkanälen 12.
6 zeigt in einer weiteren erfindungsgemäßen beispielhaften Ausführungsform das endlose Band 1 mit seiner Hauptachse 23 in Seitenansicht und je einen Ausschnitt der Oberfläche 13, 14, 15 ,16 des hergestellten endlosen Bandes 1 mit einer Form an der Oberfläche in Keil-13, oder Zahn- 14, oder Rillen- 15, oder Rechtecks-Form 16 die sich in Rotations- und/oder x-Richtung erstrecken.
7 zeigt in einer weiteren erfindungsgemäßen beispielhaften Ausführungsform mindestens eine Schicht des endlosen Bandes 1 mit seiner Hauptachse 23 in Seitenansicht und je einen Ausschnitt der Struktur aus mindestens einer Schicht des hergestellten endlosen Bandes 1 mit einer perforierten und flexiblen Struktur in Form einer Hexagon- 24 oder Rauten-Falt- 17 oder Quadrat- 18 oder Rechteck-Struktur 19. Durch Materialverteilung und Geometrie der Struktur werden die Materialeigenschaften des endlosen Bandes 1 beeinflusst.
Bezugszeichenliste

1: Endloses Band
2: Druckkopf
3: Einstellbarer Druckbetthohlzylinder (Endloses Druckbett)
4: Tragewelle / Hauptachse des Druckbetts
5: Tragewellenlagerung
6: Motor zum Antrieb des Druckbettes
7: Beschleunigungssensoren
8: Durchmesser Druckbetthohlzylinder
8': Durchmesser Druckbetthohlzylinder mit kleinerem Durchmesser als 8
9: Verschiebemechanismus
10': Erster Teil der geteilten Oberfläche des Druckbetthohlzylinders
10": Zweiter Teil der geteilten Oberfläche des Druckbetthohlzylinders
11: Oberfläche des Druckbetthohlzylinders
12: Kühlkanäle
13: Endlose Bandoberfläche in Keil-Form
14: Endlose Bandoberfläche in Zahn-Form
15: Endlose Bandoberfläche in Rillen-Form
16: Endlose Bandoberfläche in Rechtecks-Form
17: Endlose Band Rauten-Falt-Struktur
18: Endlose Band Quadrat-Struktur
19: Endlose Band Rechteck-Struktur
20: Äußere Wand des Druckbetthohlzylinders
22: Gestell der Herstellvorrichtung
23: Hauptachse Druckbetthohlzylinder
24: Endlose Band Hexagon-Struktur
α: Rotationswinkel des Druckbetthohlzylinders
rot.: Rotations- oder Umfangsrichtung des Druckbetthohlzylinders
x, y, z: Koordinatensystemachsenrichtungen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102019125908 A1 [0003]
EP 3793821 A1 [0014, 0018]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines endlosen Bandes (1) mit einem additiven Fertigungsverfahren, insbesondere 3D-Drucken, für die Verwendung in einer Papiermaschine, welches aus den folgenden Schritten besteht; a.) Drucken eines Werkstoffes mit einem, zwei oder mehreren Druckköpfen (2) auf ein endloses Druckbett entlang einer Druckrichtung in mehreren Druckschritten, wobei das endlose Druckbett eine äußere Oberfläche eines Hohlzylinders ist und der Druckbetthohlzylinder (3) auf einer integrierten oder separaten Tragwelle (4) montiert ist und die Tragwelle (4) mit einer Lagerung (5) an einem Gestell (22) verbunden ist, so dass eine Rotationsbewegung (rot.) des Hohlzylinders um seine Hauptachse (23) ermöglicht wird, b.) Drucken des Werkstoffes über eine definierte Länge entlang der Druckrichtung, c.) Indizieren jedes Druckschrittes, welcher quer zur Druckrichtung verläuft, d.) Rotieren des Druckbetthohlzylinders (3) um seine Hauptachse (23) nach dem Druckschritt in Hauptachsenrichtung um einen bestimmten Winkel (α) und/oder Rotieren in konstanter Geschwindigkeit während des Druckschrittes in Umfangsrichtung (rot.), welcher über einen Motor (6) angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Drucken des Werkstoffes zu mindestens einer Schicht aus Werkstoff führt und somit das endlose Band (1) bildet und dass der Druckbetthohlzylinder (3) einen einstellbaren Durchmesser (8) besitzt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das additive Fertigungsverfahren aus der Gruppe der Schmelzabscheidungsmodellierung (Fused Deposition Modelling FDM oder auch Fused Filament Fabrication FFF genannt) ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendeten Werkstoffe aus der Gruppe der thermoplastischen Polymere, insbesondere bevorzugt TPU und/oder Soft-PLA und/oder PP und/oder ABS und/oder PLA und/oder Nylon (PA6) und/oder PET und/oder PETG, bestehen und die Elastizitätsmodule im Bereich oberhalb 50 MPa und unterhalb 2000 MPa liegen.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Schicht, vorzugsweise die letzte Schicht, des endlosen Bandes (1) ohne Wulst ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der einstellbare Durchmesser (8) des Druckbetthohlzylinders (3) auf einen Durchmesser (8') zwischen größer 80% und unterhalb 105%, insbesondere bevorzugt größer 95%, insbesondere bevorzugt unterhalb 100% des für die Herstellung des endlose Bandes (1) verwendeten Durchmesser (8) eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragwelle (4) des Druckbetthohlzylinders (3) mit einem oder zwei oder mehreren Beschleunigungssensoren (7) ausgeführt werden und mit den Signalen der Beschleunigungssensoren (7) während des Herstellungsvorganges durch entsprechende Regelung die Schichtdicke während des Druckschrittes mit der Menge an Werkstoff beeinflusst wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbetthohlzylinders (3) mit einem integrierten und/oder mobilen Kühlsystem (12) ausgestattet ist und nach dem Herstellungsvorgang gekühlt wird.
Endloses Band (1) hergestellt nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass das endlose Band (1) eine Breite zwischen 0,01m und 11m, insbesondere zwischen 0,1m und 1m besitzt.
Endloses Band (1) hergestellt nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass das endlose Band (1) mindestens 1 und maximal 300, insbesondere mindestens 5, insbesondere maximal 60, Schichten besitzt und jede Schicht eine absolute Dicke von 0,1mm bis 2,0 mm, insbesondere 0,5mm bis 1,0 mm, pro Schicht besitzt.
Endloses Band (1) hergestellt nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass das endlose Band (1) einteilig ausgeführt ist und eine Form an der Oberfläche in Keil- (13) oder Zahn- (14) oder Rillen- (15) oder Rechtecks-Form (16) in Rotations- und/oder x-Richtung besitzt.
Endloses Band (1) hergestellt nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass das endlose Band (1) in mindestens einer Schicht eine perforierte und flexible Struktur in Form einer Hexagon- (24) oder Rauten-Falt- (17) oder Quadrat- (18) oder Rechteck-Struktur (19) umfasst und das endlose Band (1) eine negative Querkontraktionszahl besitzt.
Druckbetthohlzylinder (3) zur Verwendung in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbetthohlzylinder (3) einem einstellbaren Durchmesser (8, 8') besitzt.
Druckbetthohlzylinder (3) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbetthohlzylinder (3) mit einen Verschiebemechanismus (9) mit einer in Hauptachsenrichtung (23) des Druckbetthohlzylinders (3) geteilten Oberfläche (10', 10") ausgeführt ist und wobei die Verschiebung der Oberfläche (10') des Druckbetthohlzylinders (3) in Rotationsrichtung des Druckbetthohlzylinders (3) erfolgt und die Oberfläche (10") über- oder unter die jeweilige gegenüberliegende Oberfläche (10') entlang der Teilung des Druckbetthohlzylinders (3) verschoben wird.
Druckbetthohlzylinder (3) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbetthohlzylinder (3) mit einem integrierten und/oder mobilen Kühlsystem (12) ausgeführt ist und nach dem Druckvorgang gekühlt wird.
Druckbetthohlzylinder (3) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragwelle (4) des Druckbetthohlzylinders (3) mit einem, zwei oder mehreren Beschleunigungssensoren (7) ausgeführt ist.
Druckbetthohlzylinder (3) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (11) des Druckbetthohlzylinders (3) mit einer haftungsreduzierenden Oberflächenbeschichtung, insbesondere vorzugsweise Polymerbeschichtung, insbesondere bevorzugt PTFE (Polytetrafluorethylen) ausgeführt ist.