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GEBIET DER TECHNIK
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Die vorliegende Offenbarung betrifft Verbundmaterialien und Verfahren zum Herstellen der Verbundmaterialien.
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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Die Aussagen in diesem Abschnitt stellen lediglich Hintergrundinformationen in Bezug auf die vorliegende Offenbarung bereit und stellen möglicherweise nicht den Stand der Technik dar. Da sich die Automobilindustrie weiterhin darauf konzentriert, das Gewicht von Fahrzeugen zu reduzieren, um die Kundenerwartungen in Bezug auf Kraftstoffeffizienz und CAFE-Anforderungen (Corporate Average Fuel Economy) zu erfüllen, hat das Interesse an alternativen Materialien, einschließlich Kohlefaserverbundanwendungen, zugenommen.
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Eine Vielfalt an Herstellungsverfahren, einschließlich additiver Fertigung, kann verwendet werden, um Verbundmaterialien herzustellen. Diese Verfahren zielen darauf ab, maßgeschneiderte Verbundstrukturen bereitzustellen, die in einer Massenproduktionsumgebung hergestellt werden können, während noch weitere Gewichtsreduzierungen angestrebt werden.
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Die vorliegende Offenbarung befasst sich mit der weiteren Reduzierung des Gewichts von Verbundbauteilen, während neben anderen Anwendungen fortschrittliche Herstellungstechniken genutzt und die Festigkeit der in Kraftfahrzeugen verwendeten Verbundbauteile beibehalten wird.
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KURZDARSTELLUNG
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Dieser Abschnitt stellt eine allgemeine Kurzdarstellung der Offenbarung bereit und ist keine umfassende Offenbarung ihres vollständigen Umfangs oder all ihrer Merkmale.
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In einer Form der vorliegenden Offenbarung wird ein Verbundbauteil durch einen additiven Prozess hergestellt. Der additive Prozess umfasst
- (a) Anordnen einer Faserschicht;
- (b) selektives Abscheiden eines Matrixmaterials in einem vorbestimmten Muster auf Abschnitte der Faserschicht, um eine Matrixmaterialschicht zu bilden;
- (c) Wiederholen der Schritte (a) und (b), um eine Vorform des Verbundbauteils zu erzeugen; und
- (d) Aufbringen von Wärme und Druck auf die Vorform, um die Faserschichten und die Matrixmaterialschichten zu verfestigen, wobei während des Abscheidens des Matrixmaterials Hohlräume innerhalb mindestens einer Schicht des Matrixmaterials erzeugt werden, indem absichtlich kein Matrixmaterial über vorbestimmten Bereichen der Faserschicht abgeschieden wird, wobei die vorbestimmten Bereiche dazu konfiguriert sind, sich innerhalb einer Außengrenze des vorbestimmten Musters des Matrixmaterials zu befinden.
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In Variationen dieses Verfahrens, die einzeln oder in einer beliebigen Kombination umgesetzt werden können: die Hohlräume sind dazu konfiguriert, eine kugelförmige Form aufzuweisen; die Kugelform ist dazu konfiguriert, einen Radius von etwa 0,8 mm aufzuweisen; die Hohlräume umfassen zwischen 5-30 % Vol.-/Gew.-% des Matrixmaterials des Verbundbauteils; das Matrixmaterial ist ein thermoplastisches Polymer; die Faserschicht umfasst Endlosfasern; die Faserschichten umfassen Fasern, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Kohlenstoff, Glas, Polyparaphenylenterephthalamid, Cellulose, Aramid, Basalt, Polymeren, Viskose und natürlichen Materialien; die Faserschichten sind in einer gemeinsamen Richtung ausgerichtet; die Hohlräume sind gleichmäßig über jede der Matrixmaterialschichten verteilt; und die Hohlräume befinden sich in einer zentralen Region des Verbundbauteils.
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In einer anderen Form der vorliegenden Offenbarung wird ein Verbundbauteil durch einen additiven Prozess hergestellt. Der additive Prozess umfasst Folgendes:
- (a) Anordnen einer Faservorformschicht;
- (b) selektives Abscheiden eines Haftmittels in einem vorbestimmten Muster auf Abschnitte der Faservorformschicht;
- (c) Abscheiden eines Matrixmaterials über dem vorbestimmten Muster des Haftmittels und der Faservorformschicht, um eine Matrixmaterialschicht zu bilden;
- (d) Entfernen von überschüssigem Matrixmaterial;
- (e) Wiederholen der Schritte (a) bis (d), um eine Vorform des Verbundbauteils zu erzeugen;
- (f) Aufbringen von Wärme und Druck auf die Vorform, um die Faservorformschichten und die Matrixmaterialschichten zu verfestigen; und
- (g) Entfernen von nicht verfestigten Abschnitten der Faservorformschichten, wobei während des Abscheidens des Matrixmaterials Hohlräume innerhalb mindestens einer Schicht des Matrixmaterials erzeugt werden, indem absichtlich kein Matrixmaterial über vorbestimmten Bereichen des Haftmittels abgeschieden wird, wobei sich die vorbestimmten Bereiche innerhalb einer Außengrenze des vorbestimmten Musters des Haftmittels befinden.
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In Variationen dieses Verfahrens, die einzeln oder in einer beliebigen Kombination umgesetzt werden können: das Matrixmaterial ist ein thermoplastisches Pulver; die Hohlräume weisen eine kugelförmige Form auf; die Kugelform weist einen Radius von etwa 0,8 mm auf; und die Hohlräume umfassen zwischen 5-30 % Vol.-/Gew.-% des Matrixmaterials des Verbundbauteils.
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In noch einer anderen Form der vorliegenden Offenbarung wird ein Verbundbauteil bereitgestellt, das abwechselnde Faser- und Matrixmaterialschichten, wobei jede einer Vielzahl von Schichten der abwechselnden Matrixmaterialschichten von einer Faserschicht flankiert wird, und vorbestimmte Bereiche von Hohlräumen innerhalb mindestens einer Schicht des Matrixmaterials umfasst, die von Faserschichten flankiert werden.
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In Variationen dieses Verbundbauteils, die einzeln oder in einer beliebigen Kombination umgesetzt werden können: die Hohlräume weisen eine kugelförmige Form auf; die Kugelform weist einen Radius von etwa 0,8 mm auf; die Hohlräume umfassen zwischen 5-30 % Vol.-/Gew.-% des Matrixmaterials des Verbundbauteils; und die Hohlräume sind gleichmäßig über jede der Vielzahl von Matrixmaterialschichten verteilt.
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Weitere Anwendungsbereiche werden aus der in dieser Schrift bereitgestellten Beschreibung ersichtlich. Es versteht sich, dass die Beschreibung und konkrete Beispiele lediglich der Veranschaulichung dienen und den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken sollen.
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Figurenliste
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Für ein umfassendes Verständnis der Offenbarung werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen verschiedene beispielhafte Ausbildungen davon beschrieben, wobei Folgendes gilt:
- 1 veranschaulicht ein Beispiel für ein Verbundbauteil, das durch einen additiven Prozess der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurde;
- 2 ist ein Ablaufdiagramm, das einen additiven Prozess gemäß einer Form der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht;
- 3A ist eine Draufsicht auf eine Faserschicht gemäß dem additiven Prozess der vorliegenden Offenbarung;
- 3B ist eine Draufsicht auf die Faserschicht aus 3A mit einem Matrixmaterial, das selektiv in einem vorbestimmten Muster darauf abgeschieden ist, wobei während des Abscheidens des Matrixmaterials Hohlräume erzeugt werden, indem absichtlich kein Matrixmaterial in vorbestimmten Bereichen abgeschieden wird;
- 4 ist eine schematische Querschnittsansicht der Faserschichten und Matrixschichten des Verbundbauteils, die Hohlräume enthalten, gemäß der vorliegenden Offenbarung;
- 5 ist ein Ablaufdiagramm einer Variation des additiven Prozesses gemäß einer anderen Form der vorliegenden Offenbarung;
- 6 veranschaulicht ein Haftmittel, das in einem vorbestimmten Muster auf eine Faservorformschicht aufgebracht ist, gemäß einer anderen Form der vorliegenden Offenbarung;
- 7 ist eine Draufsicht auf Zugfestigkeitsteststabproben mit Hohlräumen mit einem Radius von 0,8 mm, die 10 % des Messlängenvolumens ausmachen, gemäß der vorliegenden Offenbarung;
- 8 ist eine Draufsicht auf Zugfestigkeitsteststabproben mit Hohlräumen mit einem Radius von 0,8 mm, die 15% des Messlängenvolumens ausmachen, gemäß der vorliegenden Offenbarung;
- 9 veranschaulicht Rasterelektronenmikroskop(REM)-Bilder von Querschnitten der Zugfestigkeitsteststabproben aus 7 gemäß der vorliegenden Offenbarung;
- 10 veranschaulicht Rasterelektronenmikroskop(REM)-Bilder von Querschnitten der Zugfestigkeitsteststabproben aus 8 gemäß der vorliegenden Offenbarung; und
- 11 veranschaulicht einen Vergleich der Bruchdehnung und der maximalen Spannung von mit Hohlräumen versehenen und nicht mit Hohlräumen versehenen Verbundmaterialien, die durch die Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurden.
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Die in dieser Schrift beschriebenen Zeichnungen dienen lediglich der Veranschaulichung und sollen den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung in keiner Weise einschränken.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielhafter Natur und soll die vorliegende Offenbarung, Anwendung oder die Verwendungen nicht einschränken. Es versteht sich, dass über alle Zeichnungen hinweg entsprechende Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale angeben.
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Unter Bezugnahme auf 1 wird ein durch einen additiven Prozess hergestelltes beispielhaftes Verbundbauteil gemäß den Lehren der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht und im Allgemeinen durch das Bezugszeichen 20 angegeben. Dieses Verbundbauteil 20 ist eine Motorhaube eines Kraftfahrzeugs (nicht gezeigt) und ist lediglich beispielhaft. Dementsprechend versteht es sich, dass die Lehre der vorliegenden Offenbarung auf eine Vielfalt an Bauteilen und Geometrien und auch für andere Anwendungen als Kraftfahrzeuge angewendet werden kann, während sie innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Offenbarung bleibt.
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Unter jetziger Bezugnahme auf 2, zusammen mit 3A-3B und 4, umfasst ein additiver Prozess zum Bilden des Verbundbauteils 20 gemäß der vorliegenden Offenbarung zunächst Anordnen einer Faserschicht 22. In einer Form umfasst die Faserschicht 22 Endlosfasern 24, wie in 3A gezeigt. In dieser veranschaulichten Form sind die Fasern 24 in einer gemeinsamen Richtung (d. h. „unidirektional“) ausgerichtet, es versteht sich jedoch, dass andere Ausrichtungen von Fasern, wie etwa gewebt, eingesetzt werden können. Ferner kann die Faserschicht 22 diskontinuierliche Fasern (nicht gezeigt) umfassen, entweder zufällig oder geordnet, während sie innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Offenbarung bleibt.
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In einer Form sind die Fasern 24 Kohlenstoff. Die vorliegende Offenbarung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Die Fasern 24 können unter anderem auch Kohlenstoff, Glas, das Polyparaphenylenterephthalamid der Marke Kevlar®, Cellulose, Aramid, Basalt, Polymere, Viskose und natürliche Materialien sein.
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Unter besonderer Bezugnahme auf 3B umfasst der additive Prozess dann das selektive Abscheiden eines Matrixmaterials 26 in einem vorbestimmten Muster 27 auf Abschnitte der Faserschicht 22, um eine Matrixmaterialschicht 28 zu bilden (4). In einer Form der vorliegenden Offenbarung ist das Matrixmaterial 26 ein thermoplastisches Polymer, wie etwa Nylon oder Polyetheretherketon (PEEK). Jedoch können andere Polymere und nicht nur thermoplastische Polymere eingesetzt werden, während sie innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Offenbarung bleiben. Ferner ist die vorliegende Offenbarung nicht auf Polymermatrixmaterialien beschränkt. Das vorbestimmte Muster 27 wird anhand der zugrundeliegenden Geometrie des Verbundbauteils 20 und insbesondere anhand einer CAD(Computer Aided Design)-Geometrie erzeugt, wie sie auf dem Gebiet der additiven Fertigung bekannt ist.
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Unter Bezugnahme auf 3B werden während des Abscheidens des Matrixmaterials 26 Hohlräume 30 innerhalb mindestens einer der Matrixmaterialschichten 28 erzeugt, indem absichtlich kein Matrixmaterial 26 über vorbestimmten Bereichen der Faserschicht 22 abgeschieden wird. Die vorbestimmten Bereiche liegen innerhalb einer Außengrenze 29 des vorbestimmten Musters 27 des Matrixmaterials 26, um Hohlräume innerhalb des endgültigen Bauteils 20 zu erzeugen, wie nachstehend ausführlicher beschrieben.
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In einer Form sind die Hohlräume 30 dazu konfiguriert, eine kugelförmige Form aufzuweisen. Die nominale Ausgestaltung der Hohlräume 30 ist kugelförmig, nach der weiteren Verarbeitung der verschiedenen Schichten zum Bilden des Verbundbauteils 20 weicht die resultierende Geometrie der Hohlräume 30 jedoch von dieser nominellen kugelförmigen Form ab. Ferner ist die vorliegende Offenbarung nicht auf kugelförmige Hohlräume 30 beschränkt. Zum Beispiel können die Hohlräume 30 auch dazu konfiguriert sein, unter anderem eine quadratische, elliptische oder andere polygonale Form aufzuweisen.
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In einer Form sind die kugelförmigen Hohlräume 30 dazu konfiguriert, einen Radius von etwa 0,8 mm aufzuweisen.
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In einer anderen Form umfassen die Hohlräume 30 zwischen 5-30 Vol.-/Gew.-% des Matrixmaterials 26 des Verbundbauteils 20.
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In noch einer anderen Form sind die Hohlräume 30 gleichmäßig über jede der Matrixmaterialschichten 28 verteilt. Jedoch befinden sich in einer weiteren Form der vorliegenden Offenbarung die Hohlräume 30 in einer zentralen Region des Verbundbauteils 20, wenn der Umfangsabschnitt des Verbundbauteils 20 während des Betriebs höheren Belastungen ausgesetzt ist.
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Unter erneuter Bezugnahme auf 2 und 4 umfasst der additive Prozess der vorliegenden Offenbarung dann Wiederholen der Schritte des Anordnens einer Faserschicht 22 und des selektiven Abscheidens eines Matrixmaterials 26 in einem vorbestimmten Muster auf Abschnitte der Faserschicht 22 zum Bilden einer Matrixmaterialschicht 28, um eine Vorform 31 des Verbundbauteils 20 zu erzeugen. Die Vorform 31 des Verbundbauteils 20 umfasst abwechselnde Faserschichten 22 und Matrixmaterialschichten 28 (4), deren Kombination als „Laminat“ bezeichnet wird. Während mehrere Matrixmaterialschichten 28 so veranschaulicht sind, dass sie mindestens einen Hohlraum 30 aufweisen, versteht es sich, dass eine Vielzahl von Hohlräumen 30 absichtlich in einer oder mehr als einer Matrixmaterialschicht 28 erzeugt werden kann. Ferner enthält mindestens eine der Matrixmaterialschichten 28 mindestens einen Hohlraum 30. Somit versteht es sich, dass die vorliegende Offenbarung eine große Vielfalt an Konfigurationen von Hohlräumen 30 beinhaltet, die innerhalb des Laminats angeordnet sind.
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Der additive Prozess der vorliegenden Offenbarung umfasst dann Aufbringen von Wärme und Druck auf die Vorform 31, um die Faserschichten 22 und die Matrixmaterialschichten 28 zu verfestigen. Die Wärme und der Druck können durch einen herkömmlichen Autoklav- oder einen anderen beheizten Press-/Formprozess bereitgestellt werden, wie auf dem Fachgebiet bekannt.
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Unter Bezugnahme auf
5, zusammen mit
3A,
3B,
4 und
6, wird eine Variation des vorgenannten Verfahrens zum Herstellen des Verbundbauteils 20 veranschaulicht. Zusätzliche Details dieses Prozesses sind in den US-Patenten Nr.
9,776,376 ,
10,377,080 und
10,751,987 zu finden, deren Inhalte durch Bezugnahme vollumfänglich in diese Schrift aufgenommen werden.
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Diese Variante des additiven Prozesses umfasst zunächst Anordnen einer Faservorformschicht 32. Der additive Prozess umfasst dann selektives Abscheiden eines Haftmittels 34 in einem vorbestimmten Muster 35 auf Abschnitte der Faservorformschicht 32, wie in 6 veranschaulicht. Das Haftmittel 34 wird im Allgemeinen eingesetzt, um das Matrixmaterial 26 an die Faservorformschicht 32 zu heften oder deren Bindungsfestigkeit zu erhöhen.
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Der additive Prozess umfasst dann Abscheiden des Matrixmaterials 26 über dem vorbestimmten Muster des Haftmittels 34 und der Faservorformschicht 32, um eine Matrixmaterialschicht 28 zu bilden. In einer Form der vorliegenden Offenbarung ist das Matrixmaterial 26 ein thermoplastisches Pulver, wie etwa Nylon oder das Polyetheretherketon (PEEK). Jedoch können andere Polymere und nicht nur thermoplastische Polymere eingesetzt werden, während sie innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Offenbarung bleiben. Ferner ist die vorliegende Offenbarung nicht auf Polymermatrixmaterialien beschränkt. Das vorbestimmte Muster 27 wird anhand der zugrundeliegenden Geometrie des Verbundbauteils 20 und insbesondere anhand einer CAD-Geometrie erzeugt, wie sie auf dem Gebiet der additiven Fertigung bekannt ist.
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Ähnlich dem vorausgehenden additiven Prozess werden während des Abscheidens des Matrixmaterials 26 Hohlräume 30 innerhalb mindestens einer Matrixmaterialschicht 28 erzeugt, indem absichtlich kein Matrixmaterial 26 über vorbestimmten Bereichen des Haftmittels 34 abgeschieden wird, wobei sich die vorbestimmten Bereiche innerhalb einer Außengrenze des vorbestimmten Musters des Haftmittels 34 befinden.
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Unter erneuter Bezugnahme auf 5 umfasst der additive Prozess dann Entfernen von überschüssigem Matrixmaterial 26.
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Der additive Prozess umfasst dann Wiederholen der vorgenannten Schritte, um eine Vorform des Verbundbauteils 20 zu erzeugen.
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Der additive Prozess umfasst dann Aufbringen von Wärme und Druck auf die Vorform, um die Faservorformschichten 32 und die Matrixmaterialschichten 28 zu verfestigen. Die Wärme und der Druck können durch einen herkömmlichen Autoklav- oder einen anderen beheizten Press-/Formprozess bereitgestellt werden, wie auf dem Fachgebiet bekannt.
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Der additive Prozess umfasst dann Entfernen von nicht verfestigten Abschnitten der Faservorformschichten 32.
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Unter erneuter Bezugnahme auf 4 umfasst das Verbundbauteil 20 in einer anderen Form der vorliegenden Offenbarung abwechselnde Faserschichten 22 und Matrixmaterialschichten 28. Jede der Matrixmaterialschichten 28 wird von einer Faserschicht 22 flankiert und vorbestimmte Bereiche von Hohlräumen 30 innerhalb mindestens einer Matrixmaterialschicht 28 werden von Faserschichten 22 flankiert. Ohne an eine Theorie gebunden zu sein, haben die Erfinder herausgefunden, dass die Fasern innerhalb der Faserschichten 22, die sich über die Hohlräume 30 erstrecken oder die Hohlräume 30 flankieren, die erforderliche Festigkeit bereitstellen, während die Hohlräume 30 zu weiteren Gewichtseinsparungen beitragen.
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Experimentelle Beispiele
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Zugfestigkeitsteststäbe 36, die Polymermatrixmaterial mit kugelförmigen Hohlräumen 30 und eingebetteten Endlosfasern enthalten, wurden konstruiert und getestet. Die Größe und Anzahl der Kugeln in diesem Beispiel wurden basierend darauf berechnet, wie viel des Messlängenvolumens mit Hohlräumen zu versehen war. Wie in 7 veranschaulicht, wurden die Hohlräume 30 dazu konfiguriert, einen Radius von 0,8 mm aufzuweisen und 10 % des Messlängenvolumens zu umfassen. Wie gezeigt, befanden sich die Hohlräume 30 in einer zentralen Region der Zugfestigkeitsteststäbe 36. Die Menge an Fasern wird im Allgemeinen nicht durch das Vorhandensein der Hohlräume 30 beeinflusst. Infolgedessen schienen die Steifigkeit und Festigkeit des Zugfestigkeitsteststabs nicht reduziert zu sein.
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Gleichermaßen veranschaulicht 8 Zugfestigkeitsteststäbe 36 mit Hohlräumen 30, die dazu konfiguriert sind, einen Radius von 0,8 mm aufzuweisen, und 15 % des Messlängenvolumens umfassen. Wie gezeigt, befinden sich die Hohlräume 30 in einer zentralen Region der Zugfestigkeitsteststäbe 36. Die Menge an Fasern wird nicht durch das Vorhandensein der Hohlräume 30 beeinflusst. Infolgedessen wurden die Steifigkeit und Festigkeit des Zugfestigkeitsteststabs nicht reduziert.
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9 und 10 zeigen Rasterelektronenmikroskop(REM)-Bilder der gebrochenen Querschnitte von zwei Proben nach dem Zugfestigkeitstest, zusammen mit Wiedergaben der konstruierten Querschnitte und einer Draufsicht auf die Gesamttestprobe. In den REM-Bildern ist ein Muster von Vertiefungen 38 zu sehen, die ungefähr den Stellen der Hohlräume 30 auf dem konstruierten Querschnitt entsprechen. Eine genaue Entsprechung ist aus folgenden Gründen nicht möglich: (1) die Zugfestigkeitsteststäbe 36 ändern ihre Form aufgrund des Aufbringens von Druck während des Formens, (2) etwas Matrixmaterial 26 bewegt sich wahrscheinlich während des Formheizprozesses in die Hohlräume 30 und (3) die Probe verformt sich während des mechanischen Tests, was bewirkt, dass sich die Hohlräume von ihren konstruierten Stellen bewegen. Wie in 9 veranschaulicht, weisen die Hohlräume 30 einen Radius von 0,8 mm auf und umfassen 10 % des Messlängenvolumens. Wie in 10 veranschaulicht, weisen die Hohlräume 30 einen Radius von 0,8 mm auf und umfassen 15 % des Messlängenvolumens.
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Unter jetziger Bezugnahme auf 11 wurden die Bruchdehnung und die maximale Spannung für mit Hohlräumen versehene und nicht mit Hohlräumen versehene Verbundmaterialien, die durch additive Fertigung hergestellt wurden, verglichen. Wie gezeigt, waren die Bruchdehnung und die Bruchspannung der mit Hohlräumen versehenen Verbundmaterialien höher als die entsprechenden Werte von Verbundmaterialien ohne Hohlräume.
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Sofern in dieser Schrift nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist, sind alle numerischen Werte, die mechanische/thermische Eigenschaften, Prozentanteile der Zusammensetzungen, Abmessungen und/oder Toleranzen oder andere Charakteristiken angeben, so zu verstehen, dass sie durch das Wort „etwa“ oder „ungefähr“ modifiziert sind, wenn sie den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung beschreiben. Diese Modifikation ist aus verschiedenen Gründen wünschenswert, einschließlich industrieller Praxis, Material, Herstellung und Montagetoleranzen sowie Testfähigkeit.
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Im vorliegenden Zusammenhang ist die Formulierung mindestens eines von A, B und C so auszulegen, dass sie ein logisches (A ODER B ODER C) bedeutet, wobei ein nicht ausschließendes logisches ODER verwendet wird, und sollte nicht dahingehend ausgelegt werden, dass sie „mindestens eines von A, mindestens eines von B und mindestens eines von C“ bedeutet.
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Die Beschreibung der Offenbarung ist rein beispielhafter Natur und somit ist beabsichtigt, dass Variationen, die nicht vom Kern der Offenbarung abweichen, innerhalb des Umfangs der Offenbarung liegen. Derartige Variationen sind nicht als Abweichung vom Geist und Schutzumfang der Offenbarung zu betrachten.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verbundbauteil bereitgestellt, das durch einen additiven Prozess hergestellt wird, Folgendes aufweisend: (a) Anordnen einer Faserschicht; (b) selektives Abscheiden eines Matrixmaterials in einem vorbestimmten Muster auf Abschnitte der Faserschicht, um eine Matrixmaterialschicht zu bilden; (c) Wiederholen der Schritte (a) und (b), um eine Vorform des Verbundbauteils zu erzeugen; und (d) Aufbringen von Wärme und Druck auf die Vorform, um die Faserschichten und die Matrixmaterialschichten zu verfestigen, wobei während des Abscheidens des Matrixmaterials Hohlräume innerhalb mindestens einer Schicht des Matrixmaterials erzeugt werden, indem absichtlich kein Matrixmaterial über vorbestimmten Bereichen der Faserschicht abgeschieden wird, wobei die vorbestimmten Bereiche dazu konfiguriert sind, sich innerhalb einer Außengrenze des vorbestimmten Musters des Matrixmaterials zu befinden.
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Gemäß einer Ausführungsform sind die Hohlräume dazu konfiguriert, eine kugelförmige Form aufzuweisen.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die kugelförmige Form dazu konfiguriert, einen Radius von etwa 0,8 mm aufzuweisen.
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Gemäß einer Ausführungsform umfassen die Hohlräume zwischen 5-30 % Vol.-/Gew.-% des Matrixmaterials des Verbundbauteils.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Matrixmaterial ein thermoplastisches Polymer. Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Faserschicht Endlosfasern.
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Gemäß einer Ausführungsform umfassen die Faserschichten Fasern, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Kohlenstoff, Glas, Polyparaphenylenterephthalamid, Cellulose, Aramid, Basalt, Polymeren, Viskose und natürlichen Materialien.
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Gemäß einer Ausführungsform sind die Faserschichten in einer gemeinsamen Richtung ausgerichtet.
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Gemäß einer Ausführungsform sind die Hohlräume gleichmäßig über jede der Matrixmaterialschichten verteilt.
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Gemäß einer Ausführungsform befinden sich die Hohlräume in einer zentralen Region des Verbundbauteils.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verbundbauteil bereitgestellt, das durch einen additiven Prozess hergestellt wird, Folgendes aufweisend: (a) Anordnen einer Faservorformschicht; (b) selektives Abscheiden eines Haftmittels in einem vorbestimmten Muster auf Abschnitte der Faservorformschicht; (c) Abscheiden eines Matrixmaterials über dem vorbestimmten Muster des Haftmittels und der Faservorformschicht, um eine Matrixmaterialschicht zu bilden; (d) Entfernen von überschüssigem Matrixmaterial; (e) Wiederholen der Schritte (a) bis (d), um eine Vorform des Verbundbauteils zu erzeugen; (f) Aufbringen von Wärme und Druck auf die Vorform, um die Faservorformschichten und die Matrixmaterialschichten zu verfestigen; und (g) Entfernen von nicht verfestigten Abschnitten der Faservorformschichten, wobei während des Abscheidens des Matrixmaterials Hohlräume innerhalb mindestens einer Schicht des Matrixmaterials erzeugt werden, indem absichtlich kein Matrixmaterial über vorbestimmten Bereichen des Haftmittels abgeschieden wird, wobei sich die vorbestimmten Bereiche innerhalb einer Außengrenze des vorbestimmten Musters des Haftmittels befinden.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Matrixmaterial ein thermoplastisches Pulver.
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Gemäß einer Ausführungsform weisen die Hohlräume eine kugelförmige Form auf.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die kugelförmige Form einen Radius von etwa 0,8 mm auf.
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Gemäß einer Ausführungsform umfassen die Hohlräume zwischen 5-30 % Vol.-/Gew.-% des Matrixmaterials des Verbundbauteils.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verbundbauteil bereitgestellt, Folgendes aufweisend: abwechselnde Faser- und Matrixmaterialschichten, wobei jede einer Vielzahl von Schichten der abwechselnden Matrixmaterialschichten von einer Faserschicht flankiert wird; und vorbestimmte Bereiche von Hohlräumen innerhalb mindestens einer Schicht des Matrixmaterials, die von Faserschichten flankiert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform weisen die Hohlräume eine kugelförmige Form auf.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die kugelförmige Form einen Radius von etwa 0,8 mm auf.
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Gemäß einer Ausführungsform umfassen die Hohlräume zwischen 5-30 % Vol.-/Gew.-% des Matrixmaterials des Verbundbauteils.
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Gemäß einer Ausführungsform sind die Hohlräume gleichmäßig über jede der Vielzahl von Matrixmaterialschichten verteilt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 9776376 [0027]
- US 10377080 [0027]
- US 10751987 [0027]
