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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur in-situ Herstellung von hybriden, kontinuierlich faserverstärkten und hochorientierten thermoplastischen Faserverbundstrukturen mit hohem Faservolumengehalt und starken geometrischen Krümmungen.
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Additive Fertigungsverfahren haben im Industriellen und wissenschaftlichen Sektor eine große Bedeutung. Insbesondere durch ihre einfache Anwendbarkeit sind so Prototypen, Kleinserien und individuelle ggf. auch kundenspezifische Fertigungen komplexester Bauteile und Baugruppen mit maschineller Präzision jederzeit reproduzierbar möglich. Um den Anwendungsbereich um den Einsatz faserverstärkter Materialien zu ergänzen lehrt der Stand der Technik das folgende:
- In US 2022/0001600 A1 werden verschiedene Ausführungsformen im Zusammenhang mit 3D-Druckern, [faserverstärkten Bändern sowie deren Verwendungsmethoden beschrieben. In einer Ausführungsform wird ein hohlraumfreies verstärktes strangförmiges Bündel einzelner Fasern in eine Leitungsdüse eingeführt. Das derart verstärkte Filament umfasst dabei einen Kern, der kontinuierlich oder halbkontinuierlich sein kann, und ein Matrixmaterial, das den Kern umgibt. Das verstärkte Filament wird auf eine Temperatur erhitzt, die über der Schmelztemperatur des Matrixmaterials und unterhalb der Schmelztemperatur des Kerns liegt, bevor das Strangmaterial aus der Düse ausgebracht wird.
- Die WO 2020/094829 A1 beschreibt ein Druckkopf zur additiven Fertigung eines Faserverbundwerkstoffes. Der Faserverbundwerkstoff umfasst eine Faserverstärkung in einer Polymermatrix, der Druckkopf umfasst
- • eine Infiltrationseinheit für eine Mischung und/oder Infiltration eines Faserrovings mit einem geschmolzenen Polymer;
- • mindestens eine Zuführung für ein Polymer und/oder ein Faserroving zur Infiltrationseinheit;
- • ein Heizelement zum zumindest teilweisen Schmelzen des Polymers innerhalb der Infiltrationseinheit;
- • mindestens ein Umlenkelement innerhalb der Infiltrationseinheit sowie
- • eine Abführung für den entstandenen Faserverbundwerkstoff aus der Infiltrationseinheit.
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Das geschmolzene Polymer wird dabei innerhalb der Infiltrationseinheit geleitet. Die Polymerströmungsrichtung weist dabei von der Zuführung zur Abführung entlang eines Kanals.
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Der Faserroving ist innerhalb des Kanals durch Umlenkung um das Umlenkelement bereichsweise quer zur Polymerströmungsrichtung von der Zuführung zur Abführung führbar.
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Des Weiteren ist auch die Verwendung eines Druckkopfs zur additiven Fertigung sowie ein Verfahren zur additiven Fertigung und einen durch den Druckkopf hergestellten Faserverbundwerkstoff Gegenstand der Offenbarung.
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In
EP 3 909 699 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen einer Düse für die additive Fertigung beschrieben. Das Verfahren umfasst die Schritte:
- • des Bereitstellens eines Ausgangskörpers mit einem hohlen Abschnitt,
- • Bewegen des Ausgangskörpers und eines Werkzeugs relativ zueinander und
- • Pressen eines Werkzeugs gegen eine Außenkontur des hohlen Abschnitts des Ausgangskörpers während des Bewegens des Ausgangskörpers und des Werkzeugs relativ zueinander, und zwar derart, dass die Außenkontur des hohlen Abschnitts des Ausgangskörpers zumindest teilweise umformend verjüngt wird.
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Ferner betrifft die Erfindung eine Herstellvorrichtung zum Herstellen einer Düse für die additive Fertigung mittels des offenbarten Verfahrens.
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WO 2018/165103 A beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren um die Materialeigenschaften von faserverstärkten Bauteilen zu verbessern.
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Die beschriebene Vorrichtung ist für die additive Fertigung ausgebildet und umfasst
- • einer Fördervorrichtung,
- • ein Positionierungssystem, an dem die Fördervorrichtung befestigt ist;
- • ein mit einer Ausgangsöffnung der Fördervorrichtung kommunizierenden Förderkanal,
und
- • mit einer dem Förderkanal zugeordneten Stelleinrichtung zur gesteuerten Veränderung einer Orientierung einer Ausförderöffnung des Förderkanals,
wobei die Fördervorrichtung als ein Extruder oder als eine Pumpe ausgebildet ist, der bzw. die zur Förderung einer fließfähigen Suspension angepasst ausgebildet ist und wobei der Extruder oder die Pumpe durch das Positionierungssystem translatorisch bewegbar ist.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Körpers aus einem anisotropen Material mit einer beschriebenen Vorrichtung, wobei die fließfähige Suspension Fasern enthält, die bei der Ausförderung aus dem Förderkanal ausgerichtet werden.
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Keines der vorliegenden Dokumente beschreibt ein Verfahren oder eine Vorrichtung, welche hoch geordnete faserverstärkte Halbzeuge additiven Verfahren zugänglich macht.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die offensichtlichen Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und eine Vorrichtung sowie ein Verfahren vorzuschlagen, welche bestehende bandförmige Filamente in eine geeignete Form für den 3D-druck bzw. für ein additives Fertigungsverfahren zu überführen vermag.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Vorrichtung eines 3D-Druckkopfs gelöst.
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Diese Vorrichtung ist zur additiven Fertigung von Bauteilen aus faserverstärkten Halbzeugen oder flachen Filamenten vorgesehen und umfasst jeweils mindestens:
- • eine Einzugseinheit zum Einzug bandförmiger Halbzeuge bzw. bandförmige oder flache Filamente,
- • eine Fördereinheit,
- • ein Heizelement bzw. eine Heizung,
- • eine Umformeinrichtung sowie
- • einen Auslass.
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Gekennzeichnet ist die Vorrichtung dadurch, dass die erfindungsgemäße Umformeinrichtung dazu ausgebildet ist, den flachen bzw. bandförmigen Querschnitt der eingezogenen Halbzeuge in einen kreisringförmigen Querschnitt umzuformen.
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Im Sinne dieser Schrift wird unter einem 3D-Druckkopf jener Teil eines 3D Druckers verstanden, welcher in der Lage ist, ein Halbzeug derart zu präparieren, dass es zu einem neuen Bauteil kombiniert werden kann. Diese Art der Kombination von Halbzeugen zu Bauteilen erfolgt als ein aufbauendes Verfahren und wird - auch im Sinne dieser Schrift - allgemeiner als additive Fertigung oder 3D-Druck bezeichnet.
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Für eine zur additiven Fertigung oder für den 3D-Druck geeigneten Vorrichtung wird der 3D-Druckkopf mittels einer Positioniereinrichtung bewegt um punktgenau das zuvor präparierte Halbzeug auszubringen. Beispielsweise und ohne darauf beschränkt zu sein wird der 3D-Druckkopf in zwei orthogonalen Raumrichtungen (x-Richtung und y-Richtung) bewegt. Um die dritte Raumdimension (z-Richtung) zu schaffen kann auch hier eine Positioniereinrichtung am Druckkopf vorgesehen sein. Weiterhin ist auch als nicht erschöpfendes Beispiel denkbar, dass der Druckkopf selbst unbeweglich ist und das Druckbett, sprich der Ort auf welchem das Bauteil gefertigt wird, unter dem Druckkopf positioniert wird, oder der Druckkopf nur entlang einer Raumachse translatorisch positioniert wird und das Druckbett die verbleibenden Raumachsen zu Fertigung des Bauteils bewegt ist.
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Im Sinne dieser Schrift wird unter faserverstärkten Halbzeugen eine Art von Halbzeugen verstanden, welche eine prinzipielle Eignung für additive Verfahren aufweist.
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Dabei wird auch das vorimprägnierte Fasermaterial - in anderen Worten Faser und Matrix - definitionsgemäß als Halbfabrikat bzw. als Halbzeug verstanden.
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Häufig bestehen solch geeignete Halbzeuge aus einem thermoplastischen Polymer. Dieses weist charakteristische Temperaturen auf, an welchen für den 3D-Druck gewünschte Eigenschaften auftreten. So wird das Material oberhalb der sogenannten Glastemperatur soweit fließfähig, dass es aus dem Auslass des 3D-Druckkopfes ausgebracht werden kann und formbar ist. Oberhalb der sogenannten Zersetzungstemperatur kann sich die chemische Struktur des thermoplastischen Polymers derart ändern, dass diese sämtliche Fließfähigkeit verliert und somit einer additiven Fertigung nicht mehr zugänglich ist.
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Jene Temperatur, bei welcher das Halbzeug gute Eigenschaften bezüglich seiner Verarbeitung hat ist eine materialspezifische und diesbezüglich charakteristische Temperatur.
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Im Falle faserverstärkter Materialien wird dieses thermoplastische Material auch als Matrixmaterial oder als polymeres Matrixsystem des Halbzeugs bezeichnet in welchem Fasern zu Erzeugung der Faserverstärkung eingebettet sind.
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Die Kombination aus Matrixmaterial und verstärkendem Fasermaterial wird als faserverstärktes Halbzeug oder im Sinne dieser Schrift auch als Filament bezeichnet.
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Solche Filamente werden häufig mit unterschiedlichen Geometrien ihres Querschnittes auch kommerziell angeboten. Dabei sind runde oder flache Geometrien in den Querschnitten der Filamente üblich. Die flachen Filamente zeichnen sich dabei durch einen zu meist rechteckigen Querschnitt aus, wobei ihre Erscheinungsform bandförmig ist. Somit werden diese flachen Filamente auch als bandförmige Halbzeuge bzw. bandförmige oder flache Filamente bezeichnet.
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Zu Bewegung der Filamente durch den Druckkopf ist eine Vorrichtung für mechanischen Vorschub nötig. Diese wird im Folgenden als Fördereinheit bezeichnet. Des Weiteren wird noch zur Erzeugung der zur Verarbeitung des Filaments charakteristischen Temperatur wird ein Heizelement bzw. eine Heizung genutzt.
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Unter dem Begriff der Umformeinrichtung wird eine mechanische Einrichtung zur Änderung des Querschnitts der eingebrachten Filamente verstanden. Um die Umformung auszuführen sollte das Filament zuvor auf seine charakteristische Temperatur zu Verarbeitung aufgeheizt worden sein. Dabei ist nicht ausgeschlossen, dass diese Temperatur unterschiedlich zu der Temperatur ist, welche das Filament bei oder nach dem Verlassen des Druckkopfes aufweist.
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In Ausführungsformen der Erfindung wird eine zusätzliche Umformeinrichtung derart vor dem erfindungsgemäßen Druckkopf angeordnet, sodass die Umformung eines beliebigen Filamentquerschnittes - beispielsweise und ohne darauf beschränkt zu sein ein runder Querschnitt oder ein quadratischer Querschnitt- in ein bandförmiges Filament erfolgt.
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Wird ein bandförmiges Filament durch die Umformeinrichtung umgeformt, so resultiert daraus ein kreisringförmiger Querschnitt. Unter einem kreisringförmigen Querschnitt wird im Sinne dieser Schrift neben einem mathematisch definierten Kreisring auch ein deformierter Kreisring oder ein Kreisringsegment oder ein deformiertes Kreisringsegment verstanden. Die Deformation ist dabei eine Abweichung von einer ideal kreisringförmigen Geometrie. So wird beispielsweise und ohne darauf beschränkt zu sein auch das elliptische Äquivalent eines Kreisrings als deformierter Kreisring verstanden.
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In Ausführungsformen der Erfindung ist die Faserverstärkung des faserverstärkten Halbzeugs eine kontinuierliche Faserverstärkung oder ein Bündel von Einzelfilamenten. Dabei ist die Faserverstärkung ausgewählt aus Kunststofffasern, Basaltfasern, Kohlenstofffasern, Glasfasern, Naturstofffasern oder einer Mischung daraus.
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Wobei die Kunststofffasern derart ausgewählt werden, dass ihre Glastemperatur oberhalb der Schmelztemperatur des jeweiligen Matrixmaterials liegt. Beispielsweise und ohne darauf beschränkt zu sein kann dies durch Aramidfasern oder Polyetheretherketon (PEEK) Fasern gewährleistet werden.
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Die kontinuierliche Faserverstärkung oder ein Bündel von Einzelfilamenten ist vorteilhaft, da auf diesem Wege eine Vielzahl kommerzieller Halbzeuge zur Verarbeitung im erfindungsgemäßen Druckkopf einsatzfähig wird und somit die Bandbreite derartiger Werkstoffkombinationen steigt. Dies erhöht weiterhin den Einsatzbereich sowie den wirtschaftlichen Vorteil der Kostensenkung bzw. Kostenersparnis.
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In Ausführungsformen der Erfindung ist die Einzugseinrichtung und die Fördereinrichtung identisch. Dies ist vorteilhaft, da auf diesem Wege kompakte Bauformen des erfindungsgemäßen Druckkopfes ermöglicht werden. Auf diese Weise ist auch der Einsatz in kleineren Maschinen zur additiven Fertigung gewährleistet, was die wirtschaftliche Anwendbarkeit vorteilhaft erhöht.
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In Ausführungsformen der Erfindung weist das Heizelement eine thermische Leistung von mehr als 45 W und weniger als 200 W, bevorzugt von mehr als 50 W und weniger als 175 W und besonders bevorzugt von mehr als 55 W und weniger als 150 W auf. Dies ist vorteilhaft, da auf diesem Wege eine hinreichend große Menge an thermischer Leistung zur Verfügung steht, um das Matrixmaterial des faserverstärkten Halbzeugs zu erwärmen. Die angestrebte Erwärmung muss - aufgrund der möglichen Wärmeleitung der im Matrixmaterial eingebetteten Fasern - schnell erfolgen, da sonst die gewünschte Formbarkeit und Fließfähigkeit des Matrixmaterials nicht aufrechterhalten werden kann.
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In Ausführungsformen der Erfindung ist die Umformeinrichtung mindestens einteilig ausgeführt. Dies ist vorteilhaft, da somit einerseits eine kompakte Bauform eines erfindungsgemäßen Druckkopfes erreicht werden kann und andererseits der fertigungsaufwand zur Herstellung des Umformelementes geringgehalten wird. Beides hat unmittelbaren wirtschaftlichen Einfluss, da eine kompakte Bauform die Düse auch kleineren Maschinen zugänglich macht und eine einfachere Fertigung die Produktionskosten senkt.
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In Ausführungsformen der Erfindung weist die Umformeinrichtung einen Innenradius von mehr als 150 µm und weniger als 5000 µm, bevorzugt von mehr als 300 µm und weniger als 3500 µm und insbesondere bevorzugt von mehr als 500 µm und weniger als 3000 µm auf.
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Dies ist vorteilhaft, da somit eine optimale Umformung des beabsichtigten flachbandigen Halbzeugs erreicht wird. Die optimierte Konturierung der Umformeinrichtung ermöglicht eine geometrische Querschnittsänderung mit sehr geringen Umformkräften. Insbesondere im Zusammenspielt mit der thermischen Einrichtung wird hierdurch eine schädigungsarme Umformung der teilweise sehr spröden Werkstoffe ermöglicht.
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In Ausführungsformen der Erfindung ist die Umformeinrichtung der Auslass des erfindungsgemäßen Druckkopfes vorteilhaft wegen der Bauform. Die Auslassgeometre ermöglicht in vorteilhafter Art und Weise das passgenaue Ablegen und Konsolidieren der Faserstränge. Die Endkontur des konsolidierten Bauteils kann nur durch eine sehr genaue und wiederholbare präzise lokalvariable Ablage gewährleistet werden. Die Konsoidierung des Verbundwerkstoffs muss derart erfolgen, dass die Verstärkungsfasern beim Umlenken und Umformen nicht beschädigt werden. Eine Faserschädigung würde andernfalls die Bauteileigenschaften sehr stark negativ beeinflussen und dies in dieser Ausführungsform vorteilhaft vermieden.
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In weiteren Ausführungsformen der Erfindung ist im Umformelement eine sehr kurze Kontaktzone zwischen Heizelement und Halbzeug ausgebildet. Dies führt zu einer kurzen Verweilzeit des Halbzeugs im heißen Bereich und die nötigen Schmelztemperaturen müssen sehr schnell erreicht werden. Ein Übersteuern der klassischen Verarbeitungstemperatur und der Kreisringquerschnitt des umgeformten Halbzeugs begünstigen in vorteilhafter Weise einen schnellen Wärmeübergang von der Kontaktzone der Umformdüse hin zum Halbzeug. Dies resultiert in den Druckergebnissen durch eine vorteilhafte geringere Porosität und gutem Layerbonding, einer guten Aneinanderhaftung der unterschiedlichen Druckschichten.
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In Ausführungsformen der Erfindung weist die Vorrichtung mindestens eine Schneideeinrichtung auf, welche zum Schneiden von faserverstärkten Materialien ausgebildet ist. Auf diese Weise wird vorteilhaft die Handhabung der Vorrichtung verbessert, da somit beliebige Längen des Filaments nach Bedarf konfektioniert werden. So kann auf eine aufwändige Vorkonfektionierung verzichtet werden und es resultiert damit auch in einem wirtschaftlichen Vorteil, da somit kommerzielles Endlosmaterial eingesetzt werden kann.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Bauteils mittels additiver Fertigung und faserverstärktem Halbzeug, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
- • einziehen eines faserverstärkten Halbzeugs mit viereckigem Querschnitt,
- • erste Erwärmung des eingezogenen Faserhalbzeugs innerhalb einer erfindungsgemäßen Düse auf eine Temperatur oberhalb der Glastemperatur des polymeren Matrixsystems des Halbzeugs und unterhalb der Schmelztemperatur des Faserwerkstoffs des Halbzeugs,
- • Umformung des viereckigen Querschnitts zu dem Querschnitt eines Kreisrings,
- • Ausbringen des Halbzeuges mit Querschnitt eines Kreisrings sowie
- • Flachdrücken und mittels Positionierung zu einem additiv gefertigten Bauteil fügen.
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In Ausführungsformen der Erfindung ist der viereckige Querschnitt des faserverstärkten Halbzeugs ein rechteckiger Querschnitt. Ein rechteckiger Querschnitt ist dabei durch eine längere Seite und eine kürzere Seite charakterisiert. In einer rechteckigen Ausführungsform misst die längere Seite des rechteckigen Querschnittes mehr als 1000 µm und weniger als 3600 µm und die kürzere Seite des Querschnittes mehr als 100 µm und weniger als 300 µm. In einer quadratischen Ausführungsform misst eine Seite des quadratischen Querschnitts mehr als 100 µm und weniger als 3600 µm.
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Die Messung der genannten Querschnitte erfolgt dazu bei einer Materialtemperatur von 20°C und 50% rel. Luftfeuchte unter Luftatmosphäre. Vorteilhaft ist die Verwendung dieser Filamente, da diese kommerziell eine hohe Verfügbarkeit haben und somit auf eine kostenintensive Konfektionierung verzichtet werden kann.
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In Ausführungsformen der Erfindung erfolgt der Einzug des faserverstärkten Halbzeugs mit einer Geschwindigkeit des Halbzeugs von mehr als 3 mm/s und weniger als 10 mm/s. Dies ist vorteilhaft, da auf diesem Wege ein ausreichendes Aufheizen des Halbzeugs - genauer des Matrixmaterials - erreicht wird. Somit erfolgt die erfindungsgemäße Umformung kontrolliert und fördert ein zielgerichtetes Ausbringen des umgeformten Halbzeugs aus dem Auslass des erfindungsgemäßen Druckkopfes.
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In Ausführungsformen der Erfindung wird die Temperatur der Düse auf mehr als 250°C und weniger als 450°C eingestellt. Die Messung der Temperaturen wird dabei durch ein geeignetes Kontaktthermometer, beispielsweise aber nicht ausschließlich, unter atmosphärischen Normalbedingungen (üblicherweise in Luftumgebung bei 1013 hPa Luftdruck und 50 % rel. Luftfeuchte) durchgeführt. Dies ist vorteilhaft, da sich innerhalb dieser Temperaturspanne die Schmelztemperaturen der klassischen Thermoplaste, häufig die Schmelztemperaturen der Matrixmaterialien der Faserhalbzeuge bewegen. Dies ist somit äußerst vorteilhaft für Konstruktionskunststoffe.
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Des Weiteren ist auch die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung von faserverstärkten Bauteilen Teil der Erfindung. Dabei erfolgt die Herstellung der faserverstärkten Bauteile insbesondere in dem erfindungsgemäßen Verfahren.
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Für die Realisierung der Erfindung ist es auch zweckmäßig, die vorbeschriebenen erfindungsgemäßen Ausgestaltungen, Ausführungsformen und Merkmale der Ansprüche miteinander zu kombinieren.
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Der Gegenstand der Erfindung wird im Folgenden anhand von nicht einschränkenden Figuren und einem Ausführungsbeispiel näher beschrieben.
- 1 zeigt schematisch den Aufbau eines faserverstärkten Halbzeuges vor einbringen in eine erfindungsgemäße Umformeinrichtung. Hier ist insbesondere ein Halbzeug mit rechteckigem Querschnitt dargestellt. Die Kantenlängen sind dabei mit den Bezeichnungen 001 und 002 gekennzeichnet. Des Weiteren ist eine Schnittebene durch das Halbzeug an den Stellen AA eingezeichnet. Auch ist die Faserverstärkung im rechteckigen Querschnitt durch die dargestellten schwarzen Punkte gegeben.
- 2 zeigt das Einbringen eines faserverstärkten Halbzeugs in eine erfindungsgemäße Düse. Dabei sind in die Düse zwei Schnittebenen eingezeichnet. Die erste Schnittebene ist in der oberen Bildhälfte dargestellt und oberhalb der erfindungsgemäßen Umformeinrichtung eingezeichnet. Auf der linken Seite der Abbildung ist der Querschnitt der Schnittebene detaillierter Ausgeführt, es lässt sich das eingebrachte Halbzeug mit noch viereckigem Querschnitt erkennen. In der unteren Bildhälfte ist die untere Schnittebene in die erfindungsgemäße Düse eingezeichnet. Auch hier ist auf der linken Bildhälfte der Querschnitt zu erkennen, welcher die Umformung des faserverstärkten Halbzeugs mit viereckigem Querschnitt in einen kreisringförmigen Querschnitt zeigt. Das ausgesparte Kreisringsegment wird durch das Aufbringen des so geformten Halbzeugs auf das Druckbett- oder bereits bestehendes platziertes Material - geschlossen.
- 3 zeigt schematisch das Ausbringen eines zuvor umgeformten bandförmigen Halbzeugs. Durch das Wandern der Blindnaht über die Bahnbreite und ein gewisses Übermaß des Durchmessers können die Einzelfilamente bei Kurvenfahrten spannungsarm (durch Verschiebungen) abgelegt werden. Rein durch geometrisch bedingte Längenverhältnisse wird in einem engen Radius bei einer Druckbahn mit einer gewissen Bahnbreite, dieser Effekt wird bei größeren Bahnbreiten noch bedeutender, auf der Innenseite ein Stauchen und auf der Außenseite ein Strecken der kontinuierlichen Fasern stattfinden. Die optimierte Umformeinheit wirkt, mit den oben beschriebenen Maßnahmen, entgegen.
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In einem Ausführungsbeispiel wird der erfindungsgemäße 3D-Druckkopf für ein Halbzeug ausgelegt, welches Polycarbonat als Matrixmaterial und Kohlenstofffasern als Faserverstärkung einsetzt. Gleichzeitig wird anhand dessen das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Bauteils mittels additiver Fertigung und faserverstärktem Halbzeug näher beschrieben.
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Die erfindungsgemäße Einzugseinheit, welche zum Einzug bandförmiger Halbzeuge ausgebildet ist, weist dabei eine rechteckige Öffnung mit den Abmessungen (I × b) mm2 auf. Die dafür passenden Filamente haben ihrerseits einen rechteckigen Querschnitt mit den Abmessungen (I × b) mm2 und zeichnen sich durch ein flaches bzw. bandförmiges Erscheinungsbild aus.
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Die erfindungsgemäße Fördereinheit wird durch einen Elektromotor realisiert, der eine Leistung von 40 W aufweist. Durch eine Rotationsbewegung und einen Klemmmechanismus wird dabei ein mechanischer Kontakt zwischen Halbzeug und Motorwelle hergestellt, um de gewünschte Fördergeschwindigkeit von 6 mm/s, auch im aufgeheizten Zustand zu gewährleisten. Dies repräsentiert den ersten Verfahrensschritt des Einziehens eines faserverstärkten Halbzeugs mit viereckigem Querschnitt.
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Der aufgeheizte Zustand des erfindungsgemäßen Druckkopfes wird durch ein Heizelement mit einer thermischen Leistung von 60 W erzeugt. Durch das Heizelement ist der Druckkopf befähigt, Temperaturen von Raumtemperatur (üblicherweise 22 °C) bis zu 450 °C zu erreichen. Im hier gemeinten aufgeheizten Zustand hat der Druckkopf eine Temperatur von 360 °C. Dies spiegelt den Verfahrensschritt der ersten Erwärmung des eingezogenen Faserhalbzeugs innerhalb einer erfindungsgemäßen Düse auf eine Temperatur oberhalb der Glastemperatur des polymeren Matrixsystems des Halbzeugs und unterhalb der Zersetzungstemperatur des polymeren Matrixsystems des Halbzeugs wieder.
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Der derart aufgeheizte Druckkopf erwärmt nun in einer Kontaktzone das geförderte Halbzeug, welches anschließend in der erfindungsgemäßen Umformeinrichtung seinen Querschnitt von einem flachen bandförmigen Erscheinungsbild hin zu einem rohrförmigen Erscheinungsbild ändert. An dieser Stelle ist der Verfahrensschritt der Umformung des viereckigen Querschnitts zu dem Querschnitt eines Kreisrings gegeben.
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Unmittelbar nach der Umformeinheit ist ein Auslass platziert, der das Ausbringen des umgeformten Halbzeuges bereits ermöglicht, was dem Verfahrensschritt des Ausbringens des Halbzeuges mit Querschnitt eines Kreisrings entspricht.
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Daran anschließend wird der Verfahrensschritt Flachdrücken und mittels Positionierung zu einem additiv gefertigten Bauteil fügen ausgeführt.
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Zur besseren Handhabbarkeit ist in diesem Ausführungsbeispiel dem Auslass noch eine Schneideinrichtung vorangeordnet, um die Kohlenstofffasern des eingesetzten Halbzeuges kontrolliert scheiden zu können, um somit eine gute Kontrolle über die eingesetzte Menge des Halbzeuges zu erlangen.
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Bezugszeichen
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- 001
- Länge
- 002
- Breite
- 003
- Naht
- A-A
- Schnittachse A-A
- C-C
- Schnittachse C-C
- D-D
- Schnittaches D-D
- R
- Biegeradius
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 20220001600 A1 [0002]
- WO 2020094829 A1 [0002]
- EP 3909699 A1 [0006]
- WO 2018165103 A [0008]
