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Diese deutsche Patentanmeldung nimmt die Priorität der deutschen Patentanmeldung
DE 10 2021 117 205.5 vom 04.07.2021 in Anspruch.
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Feld der Erfindung
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Die Erfindung richtet sich auf 1.Verfahren zum Einbetten von Funktionsfasern (ff) in ein Werkstück während eines FDM-Verfahrens
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Allgemeine Einleitung und Stand der Technik
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Die deutsche Patentanmeldung
DE 10 2021 100 590 A1 beschreibt ein Verfahren zum selektiven Sintern, insbesondere zum selektiven Laser-Sintern und FDM-Drucken. Die Schrift
DE 10 2021 100 590 A1 war zum Zeitpunkt der Anmeldung der prioritätsbegründenden Patentanmeldung
DE 10 2021 117 205.5 vom 04.07.2021 noch nicht veröffentlicht. In der hier nun vorgelegten Schrift ist die Anwendung einiger Teilaspekte der technischen Lehre der
DE 10 2021 100 590 A1 auf das FDM-Drucken und deren Weiterentwicklung Kern der Offenlegung der hier vorgelegten Schrift.
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An dieser Stelle sei für den Fall späterer internationaler Schutzrechtsanmeldungen unter direkter oder indirekter Prioritätsinanspruchnahme der Priorität der hier vorgelegten Schrift erwähnt, dass die hier gegenständliche Offenbarung den Inhalt der
DE 10 2021 100 590 A1 durch Referenzierung insofern umfasst, als es das Recht des Staates erlaubt, in dem die Nationalisierung der Anmeldung erfolgt.
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Die Vorrichtung gemäß der technischen Lehre der
DE 10 2021 100 590 A1 unterbricht den FDM-Druckprozess, um mit dem Einlegen der Funktionsfaser (ff) in das Werkstück zu beginnen. Diese Unterbrechung erfolgt bevorzugt nach dem vollständigen Abschluss des FDM-Druckens einer Schicht. Dieser Prozess ist in der
71 der
DE 10 2021 100 590 A1 dargestellt. Gemäß der technischen Lehre der
DE 10 2021 100 590 A1 führt die Vorrichtung entsprechend der
DE 10 2021 100 590 A1 die letzte Druckschicht des Werkstücks unmittelbar vor dem Einlegen der Funktionsfaser (Bezugszeichen ff der
DE 10 2021 100 590 A1) mit einer geschlossenen Infill-Fläche (Bezugszeichen infi und vi in
71 der
DE 10 2021 100 590 A1). Gemäß der technischen Lehre der
DE 10 2021 100 590 A1 stellt die Vorrichtung der
DE 10 2021 100 590 A1 stellt eine Funktionsfaser (Bezugszeichen ff der
DE 10 2021 100 590 A1) bereit. Dann führt die Vorrichtung der
DE 10 2021 100 590 A1 das Positionieren der Funktionsfaser (Bezugszeichen ff der
DE 10 2021 100 590 A1) relativ zum Werkstück (Bezugszeichen wst der
DE 10 2021 100 590 A1) mittels eines Funktionsfasereinlegewerkzeugs (Bezugszeichen ff der
DE 10 2021 100 590.6) aus. Die Vorrichtung der
DE 10 2021 100 590 A1 führt durch Einbetten in vorzugsweiser form- oder kraftschlüssiger Form ein Einschränken der Freiheitsgrade der Funktionsfaser (Bezugszeichen ff der
DE 10 2021 100 590 A1) durch. Hierfür schmilzt das Funktionsfasereinlegewerkzeug (Bezugszeichen ft der
DE 10 2021 100 590 A1) die Oberfläche (Bezugszeichen of der
DE 10 2021 100 590 A1) der geschlossenen Infill-Fläche (Bezugszeichen infi und vi in
71 der
DE 10 2021 100 590 A1) auf. Das Funktionsfasereinlegewerkzeug (Bezugszeichen ft der
DE 10 2021 100 590 A1) legt die Funktionsfaser (Bezugszeichen ff der
DE 10 2021 100 590 A1) in den Aufschmelzbereich (Bezugszeichen b der
DE 10 2021 100 590 A1) ein. Durch den Vorschub des Funktionsfasereinlegewerkzeugs (Bezugszeichen ft der
DE 10 2021 100 590 A1) kühlt der Aufschmelzbereich (Bezugszeichen b der
DE 10 2021 100 590 A1) wieder ab, beginnt als Erstarrungsbereich (Bezugszeichen c der
DE 10 2021 100 590 A1) zu erstarren und verfestigt sich so zum Verfestigungsbereich (Bezugszeichen d der
DE 10 2021 100 590 A1). Dies schränkt die Freiheitsgrade der Funktionsfaser (Bezugszeichen ff der
DE 10 2021 100 590 A1) ein. Bevorzugt ist die Oberfläche der Funktionsfaser (Bezugszeichen ff der
DE 10 2021 100 590 A1) so modifiziert, dass die Schmelze im Aufschmelzbereich (Bezugszeichen b der
DE 10 2021 100 590 A1) die Funktionsfaser (Bezugszeichen ff der
DE 10 2021 100 590 A1) während des Einlegens gut benetzt. Hierdurch bildet sich eine gute kraftschlüssige Verbindung zwischen der Funktionsfaser (Bezugszeichen ff der
DE 10 2021 100 590 A1) und dem Material des restlichen Werkstücks (Bezugszeichen wst der
DE 10 2021 100 590 A1) aus. Sofern es sich nicht um vorkonfektionierte Funktionsfaserstücke der Funktionsfaser (Bezugszeichen ff der
DE 10 2021 100 590 A1) handelt, trennt die Abschneide- und Trennvorrichtung (Bezugszeichen av der
DE 10 2021 100 590 A1) die Funktionsfaser (Bezugszeichen ff der
DE 10 2021 100 590 A1) und kürzt Funktionsfaser (Bezugszeichen ff der
DE 10 2021 100 590 A1) damit auf einen Funktionsfaserabschnitt mit einer vordefinierten Restlänge. Entsprechend der technischen Lehre der
DE 10 2021 100 590 A1 legt das Funktionsfasereinlegewerkzeug (Bezugszeichen ft der
DE 10 2021 100 590 A1) dieses Reststück noch in die Oberfläche (Bezugszeichen of der
DE 10 2021 100 590 A1) der dichten Infill-Schicht (Bezugszeichen infi und vi in der
71 der
DE 10 2021 100 590 A1) ein. Gemäß der technischen Lehre der
DE 10 2021 100 590 A1 bringt nach dem Einlegen der Funktionsfasern (Bezugszeichen ff der
DE 10 2021 100 590 A1) die FDM-Druckvorrichtung eine weitere Schicht (Bezugszeichen vii der
DE 10 2021 100 590 A1) mit einem dichten Infill (Englisch: solid infill) auf die Schicht mit den eingelegten Funktionsfasern (Bezugszeichen vib der
DE 10 2021 100 590 A1) auf. Die 3D-Druckvorrichtung setzt den selektiven FDM-Druckprozesses anschließend typischerweise fort. (siehe auch
71 der
DE 10 2021 100 590 A1)
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Aus den
43 bis
52 der
DE 10 2021 100 590 A1und der zugehörigen Beschreibung ist auch das Einbetten von Funktionsfasern (Bezugszeichen ff der
DE 10 2021 100 590 A1) bekannt, deren Funktionsfaserdicke (ffd) größer ist als die Dicke der neuesten Schicht (Bezugszeichen g der
DE 10 2021 100 590 A1) und/oder die Tiefe (Bezugszeichen e der
DE 10 2021 100 590 A1) des Aufschmelzbereiches (Bezugszeichen b der
DE 10 2021 100 590 A1). Es hat sich aber in Versuchen gezeigt, dass dies dazu führen kann, dass das Funktionsfasereinlegewerkzeug (Bezugszeichen ft der
DE 10 2021 100 590 A1) bei der Verwendung von 3k Kohlefasern diese auseinanderreißen kann. Auch sind in
72a der
DE 10 2021 100 590 A1 die im Zentrum des Werkstücks verlegten Funktionsfasern (Bezugszeichen ff der
DE 10 2021 100 590 A1) so dicht am Perimeter (Bezugszeichen Peri der
DE 10 2021 100 590 A1) geführt, dass Teile der Funktionsfasern dort z.T. in der Realität herausschauen. Es wurde bei der Ausarbeitung des hier vorgelegten Vorschlags beobachtet, dass die Funktionsfasern in solchen Bereichen zerfasern können.
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Das Einschränken der Freiheitsgrade der Funktionsfaser (Bezugszeichen ff der
DE 10 2021 100 590 A1) kann dabei durch das zumindest lokale Aufschmelzen der Oberfläche (Bezugszeichen of der
DE 10 2021 100 590 A1) des Werkstücks (Bezugszeichen wst der
DE 10 2021 100 590 A1) zu einer Schmelze, das Einlegen der Funktionsfaser (Bezugszeichen ff der
DE 10 2021 100 590 A1) in die Schmelze und das abschließende Einschränken der Freiheitsgrade der Funktionsfaser (Bezugszeichen ff der
DE 10 2021 100 590 A1) durch Erstarren der Schmelze erfolgen.
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Ganz allgemein ergibt sich gemäß der technischen Lehre der
DE 10 2021 100 590 A1 somit ein modifiziertes Verfahren zum Fused Deposition Modeling (FDM), zum Einbau einer Funktionsfaser (Bezugszeichen ff der
DE 10 2021 100 590 A1) in das zu erstellende Werkstücke, bei dem die 3D-Druckvorrichtung in einem ersten Schritt den FDM-Prozesses als Grundverfahren unterbricht. In dem in der
DE 10 2021 100 590 A1 diskutierten Beispiel wurde angenommen, dass die 3D-Druckvorrichtung über eine Werkzeugwechselvorrichtung (Bezugszeichen wwv der
DE 10 2021 100 590 A1) verfügt. Die 3D-Druckvorrichtung setzt mittels der Werkzeugwechselvorrichtung (Bezugszeichen wwv der
DE 10 2021 100 590 A1) im Zusammenwirken mit der Positioniervorrichtung der 3D-Druckvorrichtung den Extruder für den FDM-Druck an einer ersten Parkposition ab. Die 3D-Druckvorrichtung nimmt mittels der Werkzeugwechselvorrichtung (Bezugszeichen wwv der
DE 10 2021 100 590 A1) im Zusammenwirken mit der Positioniervorrichtung der 3D-Druckvorrichtung dann statt des Extruders eine Funktionsfaserzuführvorrichtung auf und ist dann zum Einlegen der Funktionsfaser bereit, wenn der Heizkörper (Bezugszeichen hk der
DE 10 2021 100 590 A1) eine Zieltemperatur erreicht hat. Die 3D-Druckvorrichtung stellt beispielsweise über diese Funktionsfaserzuführvorrichtung die Funktionsfaser (Bezugszeichen ff der
DE 10 2021 100 590 A1) bereit. Die Funktionsfaserzuführvorrichtung kann eine Spule mit der aufgewickelten und bereitgehaltenen Funktionsfaser umfassen. Eine Funktionsfaservorschubeinrichtung in der Funktionsfasereinlegevorrichtung (Bezugszeichen ft der
DE 10 2021 100 590 A1) bewegt bevorzugt die Funktionsfaser (Bezugszeichen ff der
DE 10 2021 100 590 A1) während des Einlegevorgangs in Richtung Oberfläche (Bezugszeichen of der
DE 10 2021 100 590 A1) des Werkstücks (Bezugszeichen wst der
DE 10 2021 100 590 A1). Bevorzugt weist Spindel entsprechend der technischen Lehre der
DE 10 2021 100 590 A1 ebenfalls einen Motor auf. Bevorzugt spult der Motor während des Einlegevorgangs und während des Einlegens der Funktionsfaser (Bezugszeichen ff der
DE 10 2021 100 590 A1) in das Material der Oberfläche (Bezugszeichen of der
DE 10 2021 100 590 A1) des Werkstücks (Bezugszeichen wst der
DE 10 2021 100 590 A1) die Funktionsfaser (Bezugszeichen ff der
DE 10 2021 100 590 A1) in einer korrespondierenden Länge von der Spule ab. Diese korrespondierende Länge in einem Zeitabschnitt entspricht der Länge des gleichen Zeitabschnitts, um die die Funktionsfaservorschubeinrichtung die Funktionsfaser (Bezugszeichen ff der
DE 10 2021 100 590 A1) in Richtung auf die Oberfläche (Bezugszeichen of der
DE 10 2021 100 590 A1) des Werkstücks (Bezugszeichen wst der
DE 10 2021 100 590 A1) vorschiebt. In manchen Fällen kann es sinnvoll sein, wenn die Funktionsfaservorschubeinrichtung die Funktionsfaser (Bezugszeichen ff der
DE 10 2021 100 590 A1) in bestimmten Betriebszuständen wieder um eine gewisse Länge zurückbewegen kann. Es ist beispielsweise dann sinnvoll, wenn dann der Motor der Spule durch ein Rückwärtslaufen die Spule zu einem Wiederaufwickeln der überschüssigen Länge der Funktionsfaser (Bezugszeichen ff der
DE 10 2021 100 590 A1) veranlasst. Bevorzugt ermittelt ein Funktionsfaserspannungssensor einen Messwert für die mechanische Spannung der Funktionsfaser (Bezugszeichen ff der
DE 10 2021 100 590 A1) in dem Abschnitt zwischen Spule und Funktionsfaservorschubeinrichtung. Bevorzugt beeinflusst dieser ermittelte Messwert der mechanischen Fadenspannung die Steuerung des Motors der Spule der Funktionsfaser (Bezugszeichen ff der
DE 10 2021 100 590 A1). Hierzu steuert ein Funktionsfaserspannungsreglers den Motor der Funktionsfaserspule in Abhängigkeit von dem Messwert der ermittelten mechanischen Funktionsfaserspannung. Der Funktionsfaserspannungsregler regelt die mechanische Funktionsfaserspannung in der Art, dass die Funktionsfaser (Bezugszeichen ff der
DE 10 2021 100 590 A1) an einer Stelle in dem Abschnitt zwischen Funktionsfaserspule und Funktionsfaservorschubeinrichtung eine im Wesentlichen in etwa stets wertmäßig gleiche mechanische Fadenspannung aufweist. Besonders bewährt hat sich die mechanische Führung der Funktionsfaser (Bezugszeichen ff der
DE 10 2021 100 590 A1) in einem Schlauch auf der Strecke zwischen Spule und Funktionsfaservorschubeinrichtung. Bevorzugt umfasst die Funktionsfasereinlegevorrichtung (Bezugszeichen ft der
DE 10 2021 100 590 A1) die besagte Funktionsfaservorschubeinrichtung und einen Kanal (Bezugszeichen kn der
DE 10 2021 100 590 A1) zur mechanischen Führung der Funktionsfaser (Bezugszeichen ff der
DE 10 2021 100 590 A1) innerhalb der Funktionsfasereinlegevorrichtung (Bezugszeichen ft der
DE 10 2021 100 590 A1).Typischerweise besitzen der Schlauch und der Kanal (Bezugszeichen kn der
DE 10 2021 100 590 A1) den gleichen Innendurchmesser. Der Schlauch stellt also gewissermaßen eine Verlängerung des Kanals (Bezugszeichen kn der
DE 10 2021 100 590 A1) von der Funktionsfasereinlegevorrichtung (Bezugszeichen ft der
DE 10 2021 100 590.6) in Richtung Spule dar. Der Unterschied ist, dass der Schlauch flexibel ist und so die Positionierung der Funktionsfasereinlegevorrichtung (Bezugszeichen ft der
DE 10 2021 100 590 A1) gegenüber dem Werkstück (Bezugszeichen wst der
DE 10 2021 100 590 A1) zulässt. Ein wesentlicher Schritt des Verfahrens ist daher, dass die Steuerung der 3D-Druckvorrichtung beispielsweise mit Hilfe einer x-y-z-Positioniervorrichtung Werkstück (Bezugszeichen wst der
DE 10 2021 100 590 A1) und Funktionsfasereinlegevorrichtung (Bezugszeichen ft der
DE 10 2021 100 590 A1) in eine vorbestimmte Position zueinander bringen kann. Es erfolgt also als ein Verfahrensschritt das Positionieren der Funktionsfaser (Bezugszeichen ff der
DE 10 2021 100 590 A1) relativ zum Werkstück (Bezugszeichen wst der
DE 10 2021 100 590 A1). Die Funktionsfasereinlegevorrichtung (Bezugszeichen ft der
DE 10 2021 100 590 A1) führt danach bevorzugt das Einschränken der Freiheitsgrade der Funktionsfaser (Bezugszeichen ff der
DE 10 2021 100 590 A1) aus. Hierzu hatten wir bereits verschiedenes beschrieben. Nach dem Einschränken der Freiheitsgrade trennt eine Abschneide und Trennvorrichtung die Funktionsfaser (Bezugszeichen ff der
DE 10 2021 100 590 A1) getrennt. Natürlich ist auch das Einlegen der Funktionsfaser (Bezugszeichen ff der
DE 10 2021 100 590 A1) mit einem Reststück, dessen Länge dem Abstand zwischen Einlegepunkt (Bezugszeichen ep der
DE 10 2021 100 590 A1) und Trennpunkt der Funktionsfaser (Bezugszeichen ff der
DE 10 2021 100 590 A1) in der Abschneide- und Trennvorrichtung (Bezugszeichen ab der
DE 10 2021 100 590 A1) entspricht, nach dem Trennen noch möglich. Insofern kann das Trennen auch während des Einlegens der Funktionsfaser (Bezugszeichen ff der
DE 10 2021 100 590 A1) in das Material der Oberfläche (Bezugszeichen of der
DE 10 2021 100 590 A1) erfolgen. Wichtig ist aber, dass die Funktionsfasereinlegevorrichtung (Bezugszeichen ft der
DE 10 2021 100 590 A1) vor dem Trennen bereits eine Mindestlänge der Funktionsfaser (Bezugszeichen ff der
DE 10 2021 100 590 A1) in das Material der Oberfläche (Bezugszeichen of der
DE 10 2021 100 590 A1) des Werkstücks (Bezugszeichen wst der
DE 10 2021 100 590 A1) eingelegt hat, um zu sicherzustellen, dass die parasitäre Reibung zwischen Wand des Kanals (Bezugszeichen kn der
DE 10 2021 100 590 A1) einerseits und Funktionsfaser (Bezugszeichen ff der
DE 10 2021 100 590 A1) andererseits nicht verhindert, dass das Werkstück (Bezugszeichen wst der
DE 10 2021 100 590 A1) das Reststück der Funktionsfaser (Bezugszeichen ff der
DE 10 2021 100 590 A1) noch aus dem Kanal (Bezugszeichen kn der
DE 10 2021 100 590 A1) ziehen kann.
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Nach dem Trennen und dem Einlegen des Reststücks der Funktionsfaser (Bezugszeichen ff der
DE 10 2021 100 590 A1) in die Oberfläche (Bezugszeichen of der
DE 10 2021 100 590 A1) des Werkstücks (Bezugszeichen wst der
DE 10 2021 100 590 A1) bewegt bevorzugt die Positioniervorrichtung der vorgeschlagenen 3D-Druckvorrichtung die Funktionsfasereinlegevorrichtung (Bezugszeichen ft der
DE 10 2021 100 590 A1) wieder von dem Werkstück (Bezugszeichen wst der
DE 10 2021 100 590 A1) weg. Die 3D-Druckvorrichtung setzt die Funktionsfasereinlegevorrichtung (Bezugszeichen ft der
DE 10 2021 100 590 A1) mittels der Werkzeugwechselvorrichtung (Bezugszeichen wwv der
DE 10 2021 100 590 A1) und der Positioniervorrichtung bevorzugt wieder an der zweiten Parkposition ab. Bevorzugt wechselt die besagte beispielhafte Werkzeugwechselvorrichtung (Bezugszeichen wwv der
DE 10 2021 100 590 A1) die Funktionsfasereinlegevorrichtung (Bezugszeichen ft der
DE 10 2021 100 590 A1) gegen ein Werkzeug aus, dass das Grundverfahren ausführt. In dem an dieser Stelle im Text hier diskutierten Beispiel ist das Grundverfahren ein FDM-Druckverfahren. Daher wechselt die Werkzeugwechselvorrichtung (Bezugszeichen wwv der
DE 10 2021 100 590 A1) bevorzugt die Funktionsfasereinlegevorrichtung (Bezugszeichen ft der
DE 10 2021 100 590 A1) als ein Werkzeug, wieder gegen einen Extruder, als ein anderes Werkzeug, aus, sodass die 3D-Druckvorrichtung dann einen FDM-Druck durchführen kann. Dazu nimmt die 3D-Druckvorrichtung den Extruder mittels der Werkzeugwechselvorrichtung (Bezugszeichen wwv der
DE 10 2021 100 590 A1) und der Positioniervorrichtung bevorzugt wieder an der ersten Parkposition auf. Die 3D-Druckvorrichtung setzt dann den zuvor unterbrochenen FDM-Druckprozess fort.
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Ein allgemeineres Verfahren der additiven Fertigung umfasst somit entsprechend der technischen Lehre der
DE 10 2021 100 590 A1 die Schritte:
- - Unterbrechen des Verfahrens der additiven Fertigung;
- - Bereitstellen einer Funktionsfaser (Bezugszeichen ff der DE 10 2021 100 590 A1);
- - Positionieren der Funktionsfaser (Bezugszeichen ff der DE 10 2021 100 590 A1) relativ zum Werkstück (Bezugszeichen wst der DE 10 2021 100 590 A1);
- - Einschränken der Freiheitsgrade der Funktionsfaser (Bezugszeichen ff der DE 10 2021 100 590 A1);
- - Optionales Trennen der Funktionsfaser
- - Fortsetzen des Verfahrens der additiven Fertigung;
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Die technische Lehre der
DE 10 2021 100 590 A1 stellt somit als Kern eine Funktionsfasereinlegevorrichtung (Bezugszeichen ft der
DE 10 2021 100 590 A1), dort auch Fiber-Tool genannt, vor, bei der in einem Kanal (Bezugszeichen kn der
DE 10 2021 100 590 A1) der Funktionsfasereinlegevorrichtung (Bezugszeichen ft der
DE 10 2021 100 590 A1) die Funktionsfaser (Bezugszeichen ff der
DE 10 2021 100 590 A1) in Richtung Oberfläche (Bezugszeichen of der
DE 10 2021 100 590 A1) des Werkstücks (Bezugszeichen wst der
DE 10 2021 100 590 A1) geführt wird. Dabei rollt ein Motor oder eine andere funktionsäquivalente Vorrichtung, beispielsweise die Faservorschubeinrichtung einer Funktionsfasereinlegevorrichtung (Bezugszeichen ft der
DE 10 2021 100 590 A1) die Funktionsfaser (Bezugszeichen ff der
DE 10 2021 100 590 A1) bevorzugt von einer Spule, der Funktionsfaserspule, mit dem Funktionsfaservorrat innerhalb oder außerhalb des 3D-Druckers ab. Beispielsweise führt bevorzugt ein Schlauch die Funktionsfaser (Bezugszeichen ff der
DE 10 2021 100 590 A1) dem Kanal (Bezugszeichen kn der
DE 10 2021 100 590 A1) der Funktionsfasereinlegevorrichtung (Bezugszeichen ft der
DE 10 2021 100 590 A1) auf der dem Werkstück (Bezugszeichen wst der
DE 10 2021 100 590 A1) abgewandten Seite der Funktionsfasereinlegevorrichtung (Bezugszeichen ft der
DE 10 2021 100 590 A1) zu. Erfahrungsgemäß ist es sinnvoll, die Reibungskräfte zwischen Funktionsfaser (Bezugszeichen ff der
DE 10 2021 100 590 A1) und Kanal (Bezugszeichen kn der
DE 10 2021 100 590 A1) zu minimieren. Daher ist ein gerade geführter Kanal (Bezugszeichen kn der
DE 10 2021 100 590 A1) von der Seite der Zuführung der Funktionsfaser (Bezugszeichen ff der
DE 10 2021 100 590 A1) zur Seite der Einlegung der Funktionsfaser (Bezugszeichen ff der
DE 10 2021 100 590 A1) in das Werkstück zu bevorzugen. Natürlich sind auch gekrümmte Kanäle (Bezugszeichen kn der
DE 10 2021 100 590 A1), wie beispielsweise in
20 der
DE 10 2021 100 590 A1 dargestellt, denkbar. Damit eine erfolgreiche Einlegung der Funktionsfaser (Bezugszeichen ff der
DE 10 2021 100 590 A1) am Einlegepunkt (Bezugszeichen ep der
DE 10 2021 100 590 A1) beispielsweise in die Schmelze des Aufschmelzbereiches (Bezugszeichen b der
DE 10 2021 100 590 A1) möglich ist, ist es sinnvoll, wenn die Funktionsfasereinlegevorrichtung (Bezugszeichen ft der
DE 10 2021 100 590 A1) eine Funktionsfaservorschubeinrichtung umfasst, die die Funktionsfaser (Bezugszeichen ff der
DE 10 2021 100 590 A1) in Richtung der Oberfläche (Bezugszeichen of der
DE 10 2021 100 590 A1) des Werkstücks (Bezugszeichen wst der
DE 10 2021 100 590 A1) transportiert. Beispielsweise können eine Antriebsrolle (Bezugszeichen ar der
DE 10 2021 100 590 A1) und eine Andruckrolle (Bezugszeichen pr der
DE 10 2021 100 590 A1), die eine Feder (Bezugszeichen fed der
DE 10 2021 100 590 A1) gegen die Antriebsrolle (Bezugszeichen ar der
DE 10 2021 100 590 A1) presst, können eine solche Funktionsfaservorschubeinrichtung realisieren. Der Antrieb der Antriebsrolle (Bezugszeichen ar der
DE 10 2021 100 590 A1) kann beispielsweise ein geeigneter möglichst kleiner Schrittmotor sein. Die Figuren der
DE 10 2021 100 590 A1 zeigen diesen Schrittmotor zur Vereinfachung nicht. Ein Antrieb über eine biegsame Welle ist denkbar, hatte sich in den Versuchen zur
DE 10 2021 100 590 A1 aber nicht bewährt. Die Funktionsfaservorschubeinrichtung sorgt somit für den Vorschub der Funktionsfaser (Bezugszeichen ff der
DE 10 2021 100 590 A1) in der Funktionsfasereinlegevorrichtung (Bezugszeichen ft der
DE 10 2021 100 590 A1). Die
DE 10 2021 100 590 A1 schlägt für die Durchführung eines selektiven Thermotransfer-Druckprozesses (Englisch Selective Heat Sintering oder Selective Heat Melting) beispielsweise den in der
DE 10 2021 100 590 A1 mehrfach beschriebenen Heizkörper (Bezugszeichen hk der
DE 10 2021 100 590 A1) vor. Dieser Heizkörper (Bezugszeichen hk der
DE 10 2021 100 590 A1) verfügt bevorzugt über eine Heizvorrichtung (Bezugszeichen hz der
DE 10 2021 100 590 A1. Ein Temperatursensor (Bezugszeichen ts der
DE 10 2021 100 590 A1) befindet sich bevorzugt in dem Heizkörper (Bezugszeichen hk der
DE 10 2021 100 590 A1) und/oder in dessen Nähe. Befindet sich der Temperatursensor (Bezugszeichen ts der
DE 10 2021 100 590 A1) in der Nähe der Heizvorrichtung (Bezugszeichen hz der
DE 10 2021 100 590 A1), so ist eine ausreichende thermische Kopplung zwischen Heizvorrichtung (Bezugszeichen hz der
DE 10 2021 100 590 A1) und Temperatursensor (Bezugszeichen ts der
DE 10 2021 100 590 A1) und zwischen Heizkörper (Bezugszeichen hk der
DE 10 2021 100 590 A1) und Temperatursensor (Bezugszeichen ts der
DE 10 2021 100 590 A1) erforderlich. Die Heizvorrichtung (Bezugszeichen hz der
DE 10 2021 100 590 A1) kann dann den Heizkörper (Bezugszeichen hk der
DE 10 2021 100 590 A1) aufheizen, wobei ein Regler die Temperatur des Heizkörpers (Bezugszeichen hk der
DE 10 2021 100 590 A1) in Abhängigkeit von dem Messwert des Temperatursensors (Bezugszeichen ts der
DE 10 2021 100 590 A1) entsprechend einem Vorgabewert durch Regelung des elektrischen Heizstromes der Heizvorrichtung (Bezugszeichen hz der
DE 10 2021 100 590 A1) regelt.
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Darüber hinaus verfügt die in der
DE 10 2021 100 590 A1 vorgeschlagene Funktionsfasereinlegevorrichtung (Bezugszeichen ft der
DE 10 2021 100 590 A1) bevorzugt über eine Abschneid- und Trennvorrichtung (Bezugszeichen av der
DE 10 2021 100 590 A1). Die Abschneid- und Trennvorrichtung (Bezugszeichen av der
DE 10 2021 100 590 A1) verfügt bevorzugt über eine Klinge, die die Funktionsfaser (Bezugszeichen ff der
DE 10 2021 100 590 A1) an einer vorbestimmten Stelle beim Abschneidevorgang deformiert. Diese Deformation trennt bevorzugt die Funktionsfaser (Bezugszeichen ff der
DE 10 2021 100 590 A1). Im Falle einer Kohlefaser besitzt die Klinge ein Gegenstück in Form einer Nut und ggf. einer Funktionsfaserführung (Bezugszeichen ff der
DE 10 2021 100 590 A1). Drückt die Klinge die Funktionsfaser (Bezugszeichen ff der
DE 10 2021 100 590 A1) in die Nut, so beschränkt die Nut die Funktionsfaser in ihren Freiheitsgraden während des Trennvorgangs. Die Funktionsfaser (Bezugszeichen ff der
DE 10 2021 100 590 A1) kann dann dem Trennvorgang nicht entweichen. In dem Vorgeschlagenen Verfahren zur Trennung der Kohlefaser erzwingt die Klinge während des Trennvorgangs einen lokalen Biegeradius der Kohlefaser am Berührungspunkt zwischen Klinge und Kohlefaser in der besagten Nut des Gegenstücks, der kleiner als der minimale Biegeradius der Kohlefaser (Englisch: carbon fibre) ist. Dies führt zu einem Brechen der Kohlefaser und damit zu einer Trennung der Kohlefaser. Ähnliche und gleiche Trennverfahren und Vorrichtungen sind für andere Funktionsfasern denkbar. Bevorzugt ist entsprechend der Offenlegung der
DE 10 2021 100 590 A1 der Heizkörper (Bezugszeichen hk der
DE 10 2021 100 590 A1) dazu geeignet und vorgesehen, das Material einer Oberfläche (Bezugszeichen of der
DE 10 2021 100 590 A1) eines Werkstücks (Bezugszeichen wst der
DE 10 2021 100 590 A1) in einem Verfahren der additiven Fertigung zeitlich nach der Deposition des Materials des Werkstücks (Bezugszeichen wst der
DE 10 2021 100 590 A1) und zeitlich nach Ausbildung dieser Oberfläche (Bezugszeichen of der
DE 10 2021 100 590 A1) als fester Oberfläche aufzuschmelzen. Dabei kann entsprechend der technischen Lehre der
DE 10 2021 100 590 A1 die Funktionsfasereinlegevorrichtung (Bezugszeichen ft der
DE 10 2021 100 590 A1) (Fiber-Tool) eine Funktionsfaser (Bezugszeichen ff der
DE 10 2021 100 590 A1) über den Kanal (Bezugszeichen kn der
DE 10 2021 100 590 A1) mittels der Funktionsfaservorschubeinrichtung (Bezugszeichen ar, pr der
DE 10 2021 100 590 A1) zuführen. Die Funktionsfasereinlegevorrichtung (Bezugszeichen ft der
DE 10 2021 100 590 A1) (Fiber-Tool) kann dann die Funktionsfaser (Bezugszeichen ff der
DE 10 2021 100 590 A1) in die Schmelze des Materials der Oberfläche (Bezugszeichen of der
DE 10 2021 100 590 A1) in einen Aufschmelzbereich (Bezugszeichen b der
DE 10 2021 100 590 A1) mittels der Funktionsfaservorschubeinrichtung (Bezugszeichen ar, pr der
DE 10 2021 100 590 A1) und des Kanals (Bezugszeichen kn der
DE 10 2021 100 590 A1) einlegen. Die Funktionsfasereinlegevorrichtung (Bezugszeichen ft der
DE 10 2021 100 590 A1) (Fiber-Tool) kann dann bei Bedarf die Funktionsfaser (Bezugszeichen ff der
DE 10 2021 100 590 A1) mittels der Abschneid- und Trennvorrichtung (Bezugszeichen av der
DE 10 2021 100 590 A1) trennen. Wie in der
DE 10 2021 100 590 A1 beschrieben, umfasst die Funktionsfasereinlegevorrichtung (Bezugszeichen ft der
DE 10 2021 100 590 A1) (Fiber-Tool) dabei bevorzugt eine Spannvorrichtung in Form einer Verriegelungsplatte (Bezugszeichen vp der
DE 10 2021 100 590 A1) als korrespondierenden Teil zu einem Verriegelungsstift (Bezugszeichen vst der
DE 10 2021 100 590 A1) einer Werkzeugwechselvorrichtung (Bezugszeichen wwv der
DE 10 2021 100 590 A1). Die Spannvorrichtung ist dabei bevorzugt dazu geeignet, die Funktionsfasereinlegevorrichtung (Bezugszeichen ft der
DE 10 2021 100 590 A1) (Fiber-Tool) mechanisch an einen Werkzeugträger einer Werkzeugwechselvorrichtung (Bezugszeichen wwv der
DE 10 2021 100 590 A1) zu koppeln und/oder die Funktionsfasereinlegevorrichtung (Bezugszeichen ft der
DE 10 2021 100 590 A1) (Fiber-Tool) mechanisch von dem Werkzeugträger der Werkzeugwechselvorrichtung (Bezugszeichen wwv der
DE 10 2021 100 590 A1) wieder zu entkoppeln. Der Werkzeugträger ist mit der Werkzeugwechselvorrichtung (Bezugszeichen wwv der
DE 10 2021 100 590 A1) bevorzug an einer Positioniereinrichtung der 3D-Durckvorrichtung gekoppelt. Die Funktionsfasereinlegevorrichtung (Bezugszeichen ft der
DE 10 2021 100 590 A1) (Fiber-Tool) umfasst bevorzugt eine Werkzeugabsetzvorrichtung (Bezugszeichen wav1, wav2 der
DE 10 2021 100 590 A1), die die Funktionsfasereinlegevorrichtung (Bezugszeichen ft der
DE 10 2021 100 590 A1) (Fiber-Tool) an der betreffenden Parkposition in einer vorbestimmten Position und in einer vorbestimmten Ausrichtung fixiert. In Folge dessen kann die Spannvorrichtung der Werkzeugwechselvorrichtung (Bezugszeichen wwv der
DE 10 2021 100 590 A1) die Funktionsfasereinlegevorrichtung (Bezugszeichen ft der
DE 10 2021 100 590 A1) (Fiber-Tool) je nachdem an der Parkposition wiederaufnehmen oder dort absetzen. Die Werkzeugabsetzvorrichtung (Bezugszeichen wav1 der
DE 10 2021 100 590 A1) ist somit bevorzugt dazu geeignet, die Funktionsfasereinlegevorrichtung (Bezugszeichen ft der
DE 10 2021 100 590 A1) (Fiber-Tool) mechanisch an einen Werkzeugabsetzpunkt, also der entsprechenden Parkposition, mit beschränkter Beweglichkeit abzusetzen und die Funktionsfasereinlegevorrichtung (Bezugszeichen ft der
DE 10 2021 100 590 A1) (Fiber-Tool) mechanisch an diesem Werkzeugabsetzpunkt, also der entsprechenden Parkposition, wiederaufzunehmen. Der Werkzeugträger der Werkzeugwechselvorrichtung (Bezugszeichen wwv der
DE 10 2021 100 590 A1) ist gegenüber dem Werkstück insbesondere mit mindestens einen Freiheitsgrad, insbesondere durch eine Steuervorrichtung als Positioniervorrichtung, positionierbar.
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Die vorgeschlagene 3D-Druckvorrichtung für die additive Fertigung umfasst daher bevorzugt eine Positioniervorrichtung (Bezugszeichen SP, B, wv der
DE 10 2021 100 590 A1), Mittel zur Ausführung eines Grundverfahrens der additiven Fertigung, eine Funktionsfaserzuführung, insbesondere einen Schlauch, für eine Funktionsfaser (Bezugszeichen ff der
DE 10 2021 100 590 A1), eine Steuerung in Form eines Rechen- und Steuersystems und eine Funktionsfasereinlegevorrichtung (Bezugszeichen ft der
DE 10 2021 100 590 A1) (Fiber-Tool). Die Funktionsfasereinlegevorrichtung (Bezugszeichen ft der
DE 10 2021 100 590 A1) (Fiber-Tool) führt ein Funktionsfasereinbringverfahren aus, wie es der vorausgehende Text und die
DE 10 2021 100 590.6 beschreiben und das vom Grundverfahren verschieden ist. Die Positioniervorrichtung (Bezugszeichen SP, B, wv der
DE 10 2021 100 590 A1) positioniert die Funktionsfasereinlegevorrichtung (Bezugszeichen ft der
DE 10 2021 100 590 A1) (Fiber-Tool) relativ zur Oberfläche (Bezugszeichen of der
DE 10 2021 100 590 A1) eines Werkstücks (Bezugszeichen wst der
DE 10 2021 100 590 A1) in Abhängigkeit von Signalen der Steuerung. Die Funktionsfaserzuführung führt die Funktionsfaser (Bezugszeichen ff der
DE 10 2021 100 590 A1) der Funktionsfasereinlegevorrichtung (Bezugszeichen ft der
DE 10 2021 100 590 A1) (Fiber-Tool) zu.
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Aus der zum Zeitpunkt der Anmeldung dieser Schrift unveröffentlichten
DE 10 2021 100 590 A1 ist bekannt, dass, um die Funktionsfaser (Bezugszeichen ff der
DE 10 2021 100 590 A1) gut einbetten zu können, eine einzubettende Funktionsfaser (Bezugszeichen ff der
DE 10 2021 100 590 A1) oder Litze aus Funktionsfasern (Bezugszeichen ff der
DE 10 2021 100 590 A1) eine geeignete Oberfläche aufweisen sollte. Eine Möglichkeit ist dabei, dass die Funktionsfaser (Bezugszeichen ff der
DE 10 2021 100 590 A1) bzw. die Litze aus Funktionsfasern (Bezugszeichen ff der
DE 10 2021 100 590 A1) eine Schlichte (Bezugszeichen SL der
DE 10 2021 100 590 A1) an ihrer Oberfläche umfasst. Bevorzugt bildet diese Schlichte (Bezugszeichen SL der
DE 10 2021 100 590 A1) der Funktionsfaser (Bezugszeichen ff der
DE 10 2021 100 590 A1) während eines Einlegeprozesses der Funktionsfaser (Bezugszeichen ff der
DE 10 2021 100 590 A1) in ein Werkstück (Bezugszeichen wst der
DE 10 2021 100 590 A1) zu dem geschmolzenen Material der Oberfläche (Bezugszeichen of der
DE 10 2021 100 590 A1) des Werkstücks (Bezugszeichen wst der
DE 10 2021 100 590 A1) zumindest in einigen Bereichen dieser Oberfläche (Bezugszeichen of der
DE 10 2021 100 590 A1) einen Meniskus (Bezugszeichen mi der
DE 10 2021 100 590 A1) mit einem Kontaktwinkel (Bezugszeichen χ der
DE 10 2021 100 590 A1) aus. Dieser Kontaktwinkel (Bezugszeichen χ der
DE 10 2021 100 590 A1) ist bevorzugt kleiner als 90°. Sofern das verwendete Verfahren keine Schlichte (Bezugszeichen SL der
DE 10 2021 100 590 A1) verwendet, so sollte bevorzugt die Oberfläche der Funktionsfaser (Bezugszeichen ff der
DE 10 2021 100 590 A1) so, insbesondere benetzend, sein, dass die Schmelze des Materials einer Oberfläche (Bezugszeichen of der
DE 10 2021 100 590 A1) eines Werkstücks (Bezugszeichen wst der
DE 10 2021 100 590 A1) während eines Einlegeprozesses der Funktionsfaser (Bezugszeichen ff der
DE 10 2021 100 590 A1) in diese Oberfläche (Bezugszeichen of der
DE 10 2021 100 590 A1) des Werkstücks (Bezugszeichen wst der
DE 10 2021 100 590 A1) zu dem Material der Oberfläche der Funktionsfaser (Bezugszeichen ff der
DE 10 2021 100 590 A1) zumindest in einigen Bereichen dieser Oberfläche der Funktionsfaser (Bezugszeichen ff der
DE 10 2021 100 590 A1) einen Meniskus (Bezugszeichen mi der
DE 10 2021 100 590 A1) mit einem Kontaktwinkel (Bezugszeichen χ der
DE 10 2021 100 590 A1) ausbildet, der kleiner als 90° ist. Auf diese Weise stellt der richtige Benetzungswinkel eine optimale Anhaftung zwischen der Funktionsfaser (Bezugszeichen ff der
DE 10 2021 100 590 A1) und dem Material der Oberfläche des Werkstücks (Bezugszeichen wst der
DE 10 2021 100 590 A1) sicher.
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Nachteilig an dem zum Zeitpunkt der Anmeldung noch unveröffentlichten internen Stand der Technik entsprechend der
DE 10 2021 100 590 A1 ist, dass die in der Bezugszeichen ff der
DE 10 2021 100 590 A1 offengelegte technische Lehre in Vorversuchen zur Ausarbeitung der technischen Lehre der hier vorgelegten Schrift Schwächen bei der Einbettung dicker Kohlenstofffasern zeigte. Aufgrund von Exportregeln ist es für Privatpersonen sowie klein und mittelständische Unternehmen nicht immer einfach, Zugang zu dünnen 1k-Kohlefasern zu erlangen.
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Außerdem sind solche Fasern aufgrund fertigungstechnischer Gegebenheiten in der Regel sehr teuer. Es besteht daher der Wunsch, auch diese preiswerteren 3k-Fasern für die additive Fertigung einsetzen zu können. Hierfür muss aber verhindert werden, dass diese sehr dicken Funktionsfasern, die zudem noch typischerweise in einer bandförmigen, also nicht runden Struktur vorliegen, verarbeiten zu können. Wie dies möglich ist wird hiermit offengelegt.
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Hier sei außerdem erwähnt, dass es sich gemäß der technischen Lehre der
DE 10 2021 100 590 A1 bei der Funktionsfaser (ff) im Sinne dieser Schrift es sich um eine oder mehrere der folgenden Fasern handeln kann. Die Funktionsfaser (ff) kann aber auch eine oder mehrere der folgenden Fasern und/oder Materialien umfassen: Einen Lichtwellenleiter, eine Kohlenstofffaser, eine Glasfaser, eine Keramikfaser, eine Faser umfassend ein metallisches Glas, einen Draht, insbesondere umfassend Stahl oder Kupfer oder Messing oder Silber oder Gold oder Platin oder Wolfram oder eine Legierung oder umfassend ein anderes Metall, einen Formgedächtnisdraht, insbesondere einen Nitiol-Draht, einen Kunststoffdraht, eine Kunststofffaser, eine Litze, ein Gewebeband, ein Textil, eine Naturfaser, eine radioaktive oder radioaktiv markierte Faser oder einen entsprechenden Draht oder eine entsprechende Litze, eine Röhre oder andere lineare fluidische Vorrichtung, eine flexible, insbesondere bandförmige elektrische Schaltung, ein RFID-System, ein Sensorelement, insbesondere ein Dehnungsmesstreifen, ein Lichtwellenleiter mit einem optisch aktiven Abschnitt, insbesondere mit einem Quantenpunkt, insbesondere mit einem NV-Zentrum oder einem ST1-Zentrum in Diamant, und/oder insbesondere mit einer Selten-Erden-Dotierung, insbesondere mit einer Erbium-Dotierung, ein Aktor, insbesondere ein Heizdraht oder ein Kühlelement oder ein Draht mit einem Memory-Effekt (Formgedächtnisdraht) oder ein ferromagnetischer Draht, ein Draht oder eine Litze oder eine Faser mit zumindest lokal ferromagnetischen Eigenschaften, eine ferromagnetische oder magnetisch markierte Funktionsfaser (ff) oder ein entsprechender Draht.
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Des Weiteren sei noch erwähnt, dass es sich gemäß der technischen Lehre der
DE 10 2021 100 590 A1 bei dem hier vorgestellten das Material des Werkstücks im Bereich der relevanten Oberfläche des Werkstücks u.a. einen oder mehrere der folgenden Stoffe umfassen kann: einen Kunststoff, insbesondere ein Thermoplast, ein Metall, eine Keramik und/oder Material, das sich bei einem Brennvorgang zu Keramik wandelt, Aluminium, ein Glas, Eisen, Kupfer, Gold, Platin, Titan, Vanadium, Neodym, Stahl und/oder Edelstahl, ein Composit-Material, einen Halbleiter, ein radioaktives Material, ein elektrisch leitendes Material, ein optisch transparentes Material, ein farbiges Material, ein ferromagnetisches Material und/oder eine ferromagnetische Materialkomponente, ein in einem Lösungsmittel lösliches Material und/oder eine in einem Lösungsmittel lösliche Materialkomponente, wobei insbesondere das erste Material der Schicht (pw) nicht in dem Lösungsmittel lösbar ist.
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Zusätzlich sei noch erwähnt, dass es sich gemäß der technischen Lehre der
DE 10 2021 100 590 A1 die Funktionsfaser (ff) u.a. eines oder mehrere der folgenden Materialien, im Folgenden als zweites Material bezeichnet, umfassen kann: Eine Modifikation des Kohlenstoffs, ein Glas aus einem elektrischen Isolator oder einem Metall oder einer Siliziumverbindung oder einem anderen Halbleiter oder einem Halbmetall, eine polykristalline Modifikation aus einem elektrischen Isolator oder einem Metall oder einer Siliziumverbindung oder einem anderen Halbleiter oder ein Halbmetall, ein Metall, insbesondere Eisen und/oder Kupfer und/oder Messing und/oder Bronze und/oder Silber und/oder Gold und/oder Platin und/oder Wolfram und/oder Titan und/oder Niob und/oder seltene Erden und/oder Uran und/oder Plutonium und/oder Thorium und/oder Germanium und/oder Silizium und/oder Palladium und/oder Indium und/oder eine Legierung oder ein anderes Metall und/oder ein Halbmetall, einen Kunststoff, ein Thermoplast, ein Duroplast, ein faserartiges oder textiles und/oder gewebtes zweites Material, ein ferromagnetisches und/oder permanentmagnetisches zweites Material, ein keramisches zweites Material und/oder ein Vormaterial, dass ein Brennen in ein keramisches Material wandeln kann, ein radioaktives zweites Material.
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Zusätzlich sei auch noch erwähnt, dass es sich gemäß der technischen Lehre der
DE 10 2021 100 590 A1 die Funktionsfaser (ff) u.a. eine oder mehrere der folgenden Fasertypen umfassen kann: Eine Kristallfaser, insbesondere Asbest, eine Keramikfaser, eine Kohlenstofffaser, eine Glasfaser, insbesondere einen Lichtwellenleiter, eine Faser aus metallischem Glas, einen Draht, einen Formgedächtnisdraht, insbesondere einen Nitiol-Draht, eine Kunststoff- und/oder Naturfaser, eine Litze, ein Gewebe und/oder Gewebeband, eine Röhre oder eine andere insbesondere lineare fluidische Vorrichtung, eine flexible, insbesondere bandförmige, elektrische Schaltung, ein RFID-System, ein Sensorelement, insbesondere ein Dehnungsmesstreifen oder ein Lichtwellenleiter mit einem optisch aktiven Abschnitt, insbesondere mit einem Quantenpunkt und/oder insbesondere mit einem NV-Zentrum und/oder insbesondere mit einem anderen paramagnetischen Störstellenzentrum und/oder insbesondere mit einer Selten-Erden-Dotierung, insbesondere mit einer Erbium-Dotierung, ein Aktor, insbesondere einen Heizdraht oder ein Kühlelement oder ein Draht mit einem Memory-Effekt (Formgedächtnisdraht) oder ein ferromagnetischer Draht, ein Draht oder eine Litze oder eine Faser oder ein Gewebe mit zumindest lokal ferromagnetischen und/oder permanentmagnetischen Eigenschaften, eine flexible Schaltung mit elektronischen Bauelementen, insbesondere in Form einer schmalen bandförmigen flexiblen Schaltung, wobei der Biegeradius und die Höhe und die Breite der Funktionsfaser (ff) klein genug für einen Transport durch den Kanal einer Funktionsfasereinlegevorrichtung sind und wobei die Funktionsfaser (ff) ggf. für das Einlegen in die Schmelze eines Aufschmelzbereichs oder eine sonstige Einschränkung der Freiheitsgrade der Funktionsfaser (ff) - beispielsweise durch Klebung -geeignet ist, wobei zumindest ein Teil der Funktionsfaser (ff) nach dem Einlegen ein elektrisches Bauelement, insbesondere eine elektromagnetisch wirksame Vorrichtung, insbesondere eine Spule und/oder Antenne, darstellt.
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Zusätzlich sei auch noch erwähnt, dass es sich gemäß der technischen Lehre der
DE 10 2021 100 590 A1 das Material des Werkstücks einen oder mehrere der folgenden Stoffe umfasst: Kunststoff, insbesondere Thermoplaste, Metall, Aluminium, ein Glas, Eisen, ein Composit-Material, ein Halbleiter-Material, ein ferromagnetisches Material und/oder eine ferromagnetische Materialkomponente, ein in einem Lösungsmittel lösliches Material und/oder eine ein in einem Lösungsmittel lösliche Materialkomponente.
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Aus der
US 2016 0 107 379 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Deposition des Materials eines Filaments auf einem Werkstück bekannt, bei dem das Material des Filaments eine Funktionsfaser umfasst. Das Trägermaterial des Filaments wird vor der Deposition durch ein Werkzeug aufgeschmolzen, sodass doe Schmelze vor der Deposition die Funktionsfaser umgibt.
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Aus der
US 2020 0 016 393 A1 ist ein Verfahren zum Einlegen einer Funktionsfaser bekannt, wobei die Funktionsfaser in eine Nut eingelegt wird und anschließend mit einem Material vergossen wird.
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Aus der Schrift „Dreidimensionale Faserverstärkung in additiv gefertigten Kunststoffbauteilen“ Ingenieur.de 28.05.2018 ist ebenfalls die Einbettung von Funktionsfasern in eine Nut bekannt.
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Aufgabe
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Dem Vorschlag liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lösung zu schaffen die die obigen Nachteile des Stands der Technik nicht aufweist, die Verarbeitung dickerer Funktionsfasern und zwar insbesondere von 3k-Kohlefasern zulässt weitere Vorteile aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch die eigenständigen Ansprüche gelöst. Weitere mögliche Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Lösung der Aufgabe
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einbetten von Funktionsfasern (ff) in ein Werkstück während eines FDM-Verfahrens. Das Verfahren umfasst den Schritt des FDM-Drucks mindestens einer Nut (Nu) mit einem Nut-Boden und Nut-Wänden und mit einer Nut-Oberkante (Nuok). Die Nut (Nu) weist bevorzut eine Nutweite (Nuw) und eine Nuttiefe (Nud) auf. Die Nutquerschittsfläche (NuA) ergibt sich im Falle einer rechteckigen Nutquerschnittsfläche als NuA=Nud*Nuw. Im Gegensatz zum Stand der Technik umfasst das vorgeschlagene Verfahren einen Schritt des Aufschmelzens des Materials der Nut-Wände der Nut (Nu) und /oder des Nut-Bodens der Nut (Nu) zu einer Schmelze innerhalb der Nutz (Nu). Es ergibt sich bevorzugt eine Schmelze, die sich in der Nut (Nu) sammelt. Im Gegensatz zm Stand der Technik liefert also das Werkstück das Material für die Einbettung der Funktionsfaser (ff) in der Nut (Nu). Das vorschlagsgemäße Verfahren umfasst daher auch den Schritt des Einlegens mindestens einer Funktionsfaser (ff) mittels eines Funktionsfasereinlegewerkzeugs in diese zuvor erzeugte Schmelze des Materials der Nut-Wände bzw. des Nut-Bodens. Es folgt das Erstarren dieser Schmelze zu einem Verfestigungsbereich (d) mit der eingelegten Funktionsfaser (ff). Die Funktionsfaser (ff) besitzt bevorzugt eine Funktionsfaserquerschnittsfläche (ffA). Im Idealfall entspricht die Funktionsfaserquerschnittsfläche (ffA) der Nutquerschnittsfläche (Nua). In dem Fall kann die Schmelze des Nutwandmaterials und des Nutbodenmaterials die Funktionsfaser (ff) typischerweise so bedecken, dass sich eine fast glatte Oberfläche ergibt. Bevorzugt weicht daher die Funktionsfaserquerschnittsfläche (ffA) von der Nutquerschnittsfläche (NuA) um nicht mehr als 50%, besser um nicht mehr als 10%, besser um nicht mehr als 5%, besser um nicht mehr als 5%, besser um nicht mehr als 2%, besser um nicht mehr als 2% ab. Im Gegensatz zum Stand der Technik kann bei geeigneter Nut-Konstruktion der Nut (nu) somit erreicht werden, dass die Oberfläche des Verfestigungsbereiches (d) im Wesentlichen mit der Nut-Oberkante (Nuok) im Wesentlichen abschließt. Hierzu empfiehlt das hier vorgelegte Dokument, dass die Funktionsfaserquerschnittsfläche (ffA) der Funktionsfaser (ff) im Wesentlichen der Nutquerschnittsfläche (NuA) des Grabens der Nut (Nu) einsprechen sollte. Wird die Funktionsfaser (ff) dann in die Schmelze des Materials der Nut-Wände und des Nut-Bodens eingelegt, so ergibt sich im Wesentlichen weder ein Mangel noch ein Überschuss an Material und die Oberfläche des Werkstücks glättet sich durch die Oberflächenspannung der flüssigen Schmelze über der eingelgten Funktionsfaser (ff) wieder. Bevorzugt ist die Aufschmelztiefe (mld) des Materials des Nutbodens von der Nutoberkante (Nuok) aus gemessen größer als die Funktionsfaserdicke (ffd). Abschließend erfolgt bevorzugt ein FDM-Druck zumindest einer Abdeckebene (8,9).
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Die Erfindung betrifft somit in einer Verfeinerung ein Verfahren zum Einbetten von Funktionsfasern (ff) in ein Werkstück während eines FDM-Verfahrens. Das Verfahren beginnt in einer konkreteren Ausprägung mit dem FDM-Druck der Druckebenen (1,2,3) mit einem groben Infill (infill_g) bis zu einer ersten Unterstützungsebene (4) ausschließlich dieser ersten Unterstützungsebene) mit einem groben Infill (infill_g). Es folgt der FDM-Druck der Unterstützungsebenen (4,5) im Wesentlichen mit einem groben Infill (infill_g). Dabei führt das FDM-Drucken jedoch den Infill im Bereich der NutBöden der späteren Nuten (Nu) als dichten Infill (infi_d) (englisch: solid infill) aus.
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Ein dichter Infill (infill_d) zeichnet sich dabei im Sinne der hier vorgelegten Schrift dadurch aus, dass der Abstand von der Außenkante einer ersten Materialdepositionslinie zur Außenkante einer zweiten, unmittelbar benachbarten Materialdepositionslinie in einer Abscheidelinie kleiner gleich null ist, sodass sich die Materialdepositionslinien, die der FDM-Drucker platziert, berühren.
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Ein grober, lückenhafter Infill (infill_g) zeichnet sich dabei im Sinne der hier vorgelegten Schrift dadurch aus, dass der Abstand von der Außenkante einer ersten Materialdepositionslinie zur Außenkante einer zweiten, unmittelbar benachbarten Materialdepositionslinie in einer Abscheidelinie größer null ist. Bevorzugt der Abstand von der Außenkante einer ersten Materialdepositionslinie zur Außenkante einer zweiten, unmittelbar benachbarten Materialdepositionslinie in einer Abscheidelinie größer als der halbe, besser als der einfache Durchmesser dieser Materialdepositionslinie , sodass sich die Materialdepositionslinien, die der FDM-Drucker platziert, deutlich beabstandet sind.
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Im Folgenden west daher ein grober Infill (infi_g) eine geringere Dichte des deponierten Materials auf als die Dichte des deponierten Materials eines dichten Infills (infi_d).
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Es folgt sofern notwendig ein optionaler FDM-Druck der unterstützenden Verlegeebenen (6) mit einem groben Infill (infill_g). Dabei druckt das FDM-Drucken jedoch im Bereich der Nut-Wände der Nut (Nu) jeweils einen inneren Perimeter (peri). Das FDM-Drucken druckt dabei im Bereich der Nuten (Nu) keinen Infill. Darauf folgt der FDM-Druck der Verlegeebene (7) mit einem groben Infill (infill_g), wobei das FDM-Drucken jedoch im Bereich der Nut-Wände der Nuten (Nu) jeweils einen inneren Perimeter (peri) druckt und wobei das FD-Drucken im Bereich der Nuten (Nu) keinen Infill druckt. Dadurch entstehen die Nuten (Nu) zur Einlegung der Funktionsfasern (ff).
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Dann folgen das Aufschmelzen des Materials mindestens einer so entstandenen Nut (Nu), das Einlegen mindestens einer Funktionsfaser (ff) in die Schmelze des Materials der mindestens einen so entstandenen Nut (Nu), die Erstarrung der Schmelze und der nachfolgende FDM-Druck der Abdeckebenen (8,9) mit einem groben Infill (infill_g), wobei das FDM-Drucken der Abdeckebenen jedoch den Infill im Bereich der Nut-Deckel der Nuten (Nu) als dichten Infill (infi_d) (englisch: solid infill) ausführt. Durch den ggf. notwendige FDM-Druck der verbleibenden Druckebenen (10,11,12) mit einem groben Infill (infill_g) wird das Verfahren abgeschlossen.
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Hinsichtlich der Begrifflichkeiten Unterstützungsebene, unterstützende Verlegeebene, Verlegeebene und Abdeckebene verweist diese Schrift auf die nachfolgenden Erläuterungen.
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Diese Schrift schlägt ein Verfahren zum Einbetten von Funktionsfasern (ff) in ein Werkstück während eines FDM-Verfahrens vor. Das vorgeschlagene Verfahren umfasst zunächst den Schritt des Bereitstellens einer Datenverarbeitungsanlage. Die die Datenverarbeitungsanlage kann dabei im Sinne dieser Schrift ausdrücklich auch mehrere Teildatenverarbeitungsanlagen umfassen. Die nicht zwingend über Datenleitungen verbunden sein müssen. Im Sinne dieser Schrift reicht es aus, wenn die Teildatenverarbeitungsanlagen Teile der Aufgaben der Datenverarbeitungsanlage im Sinne dieser Schrift übernehmen und so im Sinne dieser Schrift wie die hier beschriebene Datenverarbeitungsanlage zusammenwirken. Das vorgeschlagene Verfahren umfasst das Bereitstellen eines FDM-Druckers. Bevorzugt sollte der FDM-Drucker dazu geeignet und eingerichtet sein, ein Verfahren entsprechend der
DE 10 2021 100 590 A1 zur Anfertigung des Werkstücks auszuführen. Ein weiterer Schritt des hier vorgeschlagenen Verfahrens umfasst das Bereitstellen der Konstruktionsdaten des zu erstellenden Werkstücks in der Datenverarbeitungsanlage. Typischerweise handelt es sich dabei um ein „.STL‟-File oder ein Additive Manufacturing File Format (AMF). Die Datenverarbeitungsanlage führt bevorzugt für den nächsten Verfahrensschritt ein sogenanntes Slicer-Programm aus. Das Slicer-Programm zerlegt die bereitgestellten Konstruktionsdaten des zu erstellenden Werkstücks in Druckebenen. Die Druckebenen werden durch den Slicer durch den sogenannten Perimeter begrenzt. Innen erzeugt der Slicer die sogenannten Infill-Daten. Der Slicer führt den Infill typischerweise in zwei verschiedenen Arten aus: Flächen, die Oberflächen des Werkstücks bilden sollen werden mit einem dichten Infill ausgeführt, der keine Lücken aufweist. (Englisch: solid infill) Bereiche einer Druckschicht, die keine Außenflächen bilden sollen führt der Slicer als weniger dicht gefüllte Bereiche aus. Für das vorgeschlagene Verfahren führt der Slicer typischerweise zuerst ein konventionelles Slicen der Konstruktionsdaten durch und erzeugt Druckebenendaten für die Druckebenen in der Datenverarbeitungsanlage. Dieses konventionelle Slicen ergibt dann typischerweise einen Druckdatensatz, der für jede Druckebene Druckebenendaten dieser Druckebene umfasst, die typischerweise zur Steuerung des FDM-Druckers geeignet sind.
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Diese Druckebenendaten umfassen in Bereichen, die Außenflächen sind, Daten zum Drucken des Perimeters (Peri) und Daten zum Drucken eines dichten Infills (Infi_d) (Englisch: solid infill). Die Druckebenendaten umfassen hingegen in Bereichen, die keine Außenflächen sind, Daten zum Drucken eines groben, lückenhaften Infills (Infi_g). Der Slicer, den die Datenverarbeitungsanlage ausführt führt einen solchen groben Infill typischerweise als Gitterstruktur aus. Die Öffnungen des Gitters sparen Material. Das Gitter selbst erzeugt dreieckige Strukturen, die dem Werkstück bereits eine gewisse Stabilität und Steifigkeit verleihen. Der grobe Infill (ini_g) besitzt also bevorzugt eine geringere Dichte hat als der dichte Infill (infi_d) (Englisch: solid infill). Das vorschlagsgemäße Verfahren umfasst des Weiteren den Schritt des Bereitstellens zumindest einer Information, in welche zumindest eine Druckebene eine oder mehrere Funktionsfasern (ff) eingelegt werden sollen eingelegt werden sollen, um die Verlegeebene dieser Funktionsfasern (ff) zu kennzeichnen. Diese Bereitstellung dieser zumindest einen Information erfolgt bevorzugt in der Datenverarbeitungsanlage. Die Druckebene, in der Funktionsfasern (ff) eingelegt werden sollen, bezeichnet die hier vorgelegte Schrift im Folgenden als Verlegeebene der Funktionsfasern (ff). Dieses Festlegen der Druckebene, in der Funktionsfasern (ff) eingelegt werden sollen, erfolgt bevorzugt durch den Slicer. Der Slicer ist ein Programm, das die Datenverarbeitungsanlage ausführt. Das vorschlagsgemäße Verfahren umfasst des Weiteren den Schritt des Festlegens der Verlegepfade (vp) der Funktionsfasern (ff) in dieser Verlegeebene. Dieser Schritt des Festlegens der Verlegepfade (vp) erfolgt typischerweise wieder in der Datenverarbeitungsanlage, die den Slicer ausführt. Die Datenverarbeitungsanlage führt somit typischerweise einen Schritt des Bereitstellens der Verlegepfaddaten des Verlegepfads (vp) aus. Hier kann der Begriff Verlegepfad (vp) sich auch nur auf einen Teilabschnitt einer Funktionsfaser (ff) beziehen. Die Datenverarbeitungsanlage führ somit ein Verfahren zum Festlegen der Verlegepfade (vp) dieser Funktionsfasern (ff) in dieser Verlegeebene aus. Bevorzugt ist dabei jeder Funktionsfaser (ff) bzw. jedem Teilabschnitt einer Funktionsfaser (ff), die eingelegt werden sollen, jeweils genau ein Verlegepfad (vp) zugeordnet. Bevorzugt führt die Datenverarbeitungsanlage auf Basis der Konstruktionsdaten und eines mechanischen Belastungsmodells eine FEM-Simulation durch und ermittelt das mechanische Stressfeld innerhalb des Werkstücks auf theoretischer Basis. Bevorzugt gibt der Konstrukteur dem Slicer die Startpunkte der Verlegepfade (vp) vor. Der Slicer ermittelt dann den Verlegepfad (vp) für die Funktionsfasern (ff) so, dass der Verlegepfad (vp) dem Maximum des mechanischen Stresses folgt. Hierdurch ist sichergestellt, dass die Funktionsfasern (ff), beispielsweise Kohlefasern, eine maximale Kraft aufnehmen und das Werkstück somit nach dem Einlegen der Funktionsfasern (ff) in das Werkstück maximal entlasten. Es ist denkbar, statt des mechanischen Stresses andere physikalische Parameter wie beispielsweise ein elektrisches Spannungsfeld im Falle von elektrischen Leitungen als Funktionsfasern (ff) zu verwenden. Grundsätzlich ordnet die Datenverarbeitungsanlage mittels des Silcers jeder Funktionsfaser (ff) bzw. jedem Teilabschnitt einer Funktionsfaser (ff), die eingelegt werden sollen, jeweils genau ein Verlegepfad (vp) zu. Die Verlegung der Funktionsfasern s(ff) oll in einer Druckebene erfolgen, die diese Schrift im Folgenden als Verlegeebene bezeichnet. Ein Werkstück kann mehrere Verlegeebenen aufweisen. Zur Vereinfachung beschreibt die hier vorgelegte Schrift nur eine einzige Verlegeebene ohne das vorgeschlagene Verfahren hierauf zu begrenzen. Die Verlegeebene wird von den vorausgehenden Druckebenen mechanisch gestützt. Bevorzugt stellt die Datenverarbeitungsanlage eine Information über die Anzahl n der Unterstützungsebenen, die unterhalb der Verlegeebene als Unterstützungsebenen bereit, wobei bevorzugt n die Anzahl an Unterstützungsebenen darstellt und bevorzugt eine ganze positive Zahl ist; Daher umfasst das vorgeschlagene Verfahren das Festlegen von n Ebenen unterhalb der Verlegeebene der Funktionsfasern (ff) als Unterstützungsebenen. Hierbei ist n eine ganze positive Zahl größer oder gleich 1. Dieses Festlegen von n Ebenen unterhalb der Verlegeebene als Unterstützungsebenen erfolgt typischerweise wieder in der Datenverarbeitungsanlage. In analoger Weise erfolgt als ein weiterer Schritt des vorgeschlagenen Verfahrens das Festlegen von m Ebenen oberhalb der Verlegeebene als Abdeckebenen. Bevorzugt stellt die Datenverarbeitungsanlage eine Information über die Anzahl m der Abdeckebenen oberhalb der Verlegeebene als Abdeckebenen bereit, wobei m die Anzahl an Abdeckebenen darstellt und wobei m eine ganze positive Zahl ist. Wieder erfolgt das Festlegen von m Ebenen oberhalb der Verlegeebene als Abdeckebenen in der Datenverarbeitungsanlage, die den Slicer ausführt. Gemäß dem hier vorgeschlagenen Verfahren erfolgt das Erzeugen der geslicten Druckebenendaten für die Unterstützungsebenen in der Datenverarbeitungsanlage mittels des modifizierten Slicers. Im Wesentlichen entsprechen dabei die Druckebenendaten der Unterstützungsebenen den Druckebenendaten der entsprechenden Druckebenen des konventionellen Slicens. Im Wesentlichen bedeutet hier, dass die Druckebenendaten die wesentliche Geometrie in der Art wiedergeben, wie konventionell geslicte Druckebenendaten dies tun würden. Die wesentlichen Merkmale der betreffenden Druckebene wie z.B. der Umriss und typischerweise der Perimeterverlauf sind typischerweise nicht oder nur gering verändert. Diese Druckebenendaten der Unterstützungsebenen unterscheiden sich jedoch von den Druckebenendaten der entsprechenden Druckebenen des konventionellen Slicens dadurch, dass die geslicten Druckebenendaten für die Unterstützungsebenen links und rechts der Projektion eines Verlegepfades der Verlegepfade (vp) auf die Druckebene mindestens bis zu einen ersten Abstand a1 von dieser Projektion dieses Verlegepfades (vp) auf die Druckebene einen dichten Infill (infi_d) aufweisen. Dies führt dazu, dass die Funktionsfasern (ff) nach dem Einlegen in das Material des Werkstücks auf diesem, mit einem dichten Infill versehenen Bereich mechanisch ruhen. Hierdurch kann es zu einer besseren mechanischen Verbindung zwischen der Oberfläche der Funktionsfaser (ff) und der Oberfläche des Materials des Werkstücks in diesem Bereich kommen. Andererseits sorgt die Begrenzung des dichten Infills (infi_d) auf den Bereich links und rechts der Projektion des Verlegepfades der Verlegepfade (vp) auf die Druckebene mindestens bis zu einen ersten Abstand a1 von dieser Projektion dieses Verlegepfades (vp) auf die Druckebene dafür, dass in den anderen Bereichen der Druckebene ein grober Infill (infi_g) verwendet werden kann, der Lücken offenlässt, aber dafür wesentlich weniger Material benötigt. Des Weiteren umfasst das hier vorgestellte Verfahren das Erzeugen der geslicten Druckebenendaten für die Verlegeebene. Die Datenverarbeitungsanlage führt wieder dieses Erzeugen der geslicten Druckebenendaten für die Verlegeebene aus. Wie zuvor entsprechen typischerweise die Druckebenendaten der Verlegeebene den Druckebenendaten der entsprechenden Druckebene des konventionellen Slicens nur im Wesentlichen. Diese Druckebenendaten der Verlegeebene unterscheiden sich vorschlagsgemäß sich von den Druckebenendaten der entsprechenden Druckebenen des konventionellen Slicens dadurch, dass die geslicten Druckebenendaten für die Verlegeebene links und rechts der Projektion des besagten Verlegepfades der Verlegepfade (vp) auf die Druckebene zumindest teilweise in einem nicht notwendigerweise gleichen dritten Abstand a3 von dieser Projektion dieses besagten Verlegepfades (vp) auf die Druckebene einen Perimeter (Peri) aufweisen und dass die geslicten Druckebenendaten für die Verlegeebene in dem Raum links und rechts der Projektion des besagten Verlegepfades der Verlegepfade (vp) auf die Druckebene zumindest teilweise einem nicht notwendigerweise gleichen zweiten Abstand a2 von dieser Projektion dieses besagten Verlegepfades (vp) auf die Druckebene keinen Infill (ini_d, infi_g) aufweisen. Dies bedeutet nichts anderes, dass der FDM-Drucker auf den dichten Infill der obersten Unterstützungsebene links und rechts des geplanten Verlegepfades (vp) je einen Perimeter vorzugsweise parallel zum geplanten Verlegepfad (vp) druckt. Hierdurch entsteht in dem Zwischenbereich zwischen den beiden Perimetern eine Nut (Nu), in die später das Funktionsfasereinlegewerkzeug des FDM-Druckers die Funktionsfaser (ff) einlegt. Dies ist von besonderem Vorteil für die Einbettung dicker Funktionsfasern(ff), die eine Funktionsfaserdicke (ffd) aufweisen, die größer als die Dicke einer Druckebene ist. Hierdurch muss die Funktionsfaser (ff) das geschmolzene Material des Werkstücks während des Einlegens der Funktionsfaser (ff) nicht verdrängen. Im Idealfall entspricht die Funktiuonsfaserquerschnittsfläche (ffA) der Funktionsfaser (ff) der Nutquerschnittsfläche (NuA) der Nut (Nu). Bevorzugt weicht die Funktionsfaserquerschnittsfläche (NuA) der Nut (Nu) um nicht mehr als 200%, besser nicht mehr als 100%, besser nicht mehr als 50%, besser nicht mehr als 20%, besser nicht mehr als 10% von der Funktionsfaserquerschnittsfläche (ffA) der Funktionsfaser (ff) ab. Das vorgeschlagene Verfahren umfasst bevorzugt des Weiteren das Erzeugen der geslicten Druckebenendaten für die Abdeckebenen. Dieses Erzeugen der geslicten Druckebenendaten für die Abdeckebenen erfolgt wieder bevorzugt in der Datenverarbeitungsanlage. Wie zuvor entsprechenden die Druckebenendaten der Abdeckebenen den Druckebenendaten der entsprechenden Druckebenen des konventionellen Slicens nur im Wesentlichen. Typischerweise unterscheiden sich diese Druckebenendaten der Abdeckebenen sich von den Druckebenendaten der entsprechenden Druckebenen des konventionellen Slicens dadurch, dass die geslicten Druckebenendaten für die Abdeckebenen links und rechts der Projektion dieses besagten Verlegepfades (vp) auf die Druckebene mindestens bis zu einen vierten Abstand a4 von dieser Projektion dieses besagten Verlegepfades (vp) auf die Druckebene einen dichten Infill (infi_d) (englisch: solid infill) aufweisen. Dies führt dazu, dass die Funktionsfasern (ff) nach dem Einlegen in das Material des Werkstücks auf diesem, von einem dichten Infill versehenen Bereich mechanisch bedeckt sind. Hierdurch kann es wieder zu einer besseren mechanischen Verbindung zwischen der Oberfläche der Funktionsfaser (ff) und der Oberfläche des Materials des Werkstücks in diesem Bereich kommen. Andererseits sorgt die Begrenzung des dichten Infills (infi_d) auf den Bereich links und rechts der Projektion des Verlegepfades der Verlegepfade(vp) auf die Druckebene mindestens bis zu dem vierten Abstand a3 von dieser Projektion dieses Verlegepfades (vp) auf die Druckebene dafür, dass in den anderen Bereichen der Druckebene ein grober Infill (infi_g) verwendet werden kann, der Lücken offenlässt, aber dafür wesentlich weniger Material benötigt.
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Nachdem nun die Druckebenendaten erstellt sind, muss die Datenverarbeitungsanlage noch den eigentliche Druckdatensatz synthetisieren. U.U. kann sie das bereits zusammen mit dem Erstellen der Druckebenendaten durchführen. Das vorgeschlagene Verfahren umfasst daher den Schritt des Erzeugens eines modifizierten Druckdatensatzes in der Datenverarbeitungsanlage durch Ersetzen der Druckebenendaten der Druckebenen, die den Unterstützungsebenen entsprechen, durch die korrespondierenden Druckebenendaten der korrespondierenden Unterstützungsebenen und durch Ersetzen der Druckebenendaten der Druckebenen, die der Verlegeebene entspricht, durch die korrespondierenden Druckebenendaten der Verlegeebene und durch Ersetzen der Druckebenendaten der Druckebenen, die den Abdeckebenen entsprechen, durch die korrespondierenden Druckebenendaten der korrespondierenden Abdeckebenen.
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Die Datenverarbeitungsanlage oder der Nutzer transferiert diese Druckebenendaten dann auf den Steuerrechner des FDM-Druckers. Dabei kann dieser Steuerrechner Teil der Datenverarbeitungsanlage sein oder die Datenverarbeitungsanlage sein. Damit beginnt die Herstellung des Werkstücks in einer Zweiten Phase des vorschlaggemäßen Verfahrens mit einer zweiten Gruppe von Schritten. Diese zweite Gruppe von Schritten des vorschlagsgemäßen Verfahrens umfasst den FDM-Druck des Werkstücks unter Nutzung des modifizierten Datensatzes bis zur Verlegeebene einschließlich. Dann unterbricht der FDM-Drucker den konventionellen FDM-Druck. Zu diesem Zeitpunkt hat der FDM-Drucker bereits die besagte Nut (Nu) zum Einlegen der Funktionsfaser (ff) bzw. die besagten Nuten (Nu) zum Einlegen der Funktionsfasern (ff) gefertigt. In der Regel führt der FDM-Drucker nun einen Werkzeugwechsel durch. Der FDM-Drucker unterbricht also das FDM-Drucken für das Einlegen der Funktionsfaser (ff). Das dann aktive Werkzeug ist die Funktionsfasereinlegevorrichtung. Die Funktionsfasereinlegevorrichtung schmilzt die Nut-Wände der so entstanden Nut (Nu) und/oder des Nutbodens der Nut (Nu) zumindest lokal auf. Die Funktionsfasereinlegevorrichtung legt dann die Funktionsfasern (ff) bzw. der zugehörigen Teilabschnitte der betreffenden Funktionsfaser (ff) längs der zugehörigen Verlegepfade (vp) in die Nut (Nu) bzw. die Nuten (Nu) der Verlegeebene ein. -Bevorzugt legt das Funktionsfasereinlegewerkzeugs die Funktionsfasern (ff) bzw. die zugehörigen Teilabschnitte der betreffenden Funktionsfaser (ff) längs der zugehörigen Verlegepfade (vp) in die Schmelze der Nut-Wände der so entstanden Nut (Nu) und/oder in die Schmelze des Nutbodens der Nut (Nu) ein. Mit der Fortbewegung des Funktionsfasereinlegewerkzeugs sinkt die Heizleistung, die das Material der Schmelze erreicht, und es kommt zu einem Erstarren der Schmelze der Nut-Wände der so entstanden Nut (Nu) und des Nutbodens der Nut (Nu) zu einem Verfestigungsbereich (d). Der Verfestigungsbereich (d) umfasst dann auch die Funktionsfaser (ff). Die die Datenverarbeitungsanlage kann mehrere Teildatenverarbeitungsanlagen umfassen, die z.B. über Datenleitungen, die drahtlos oder drahtgebunden oder optisch sein können, miteinander gekoppelt sind.Es ist denkbar, dass in einigen Bereichen die Funktionsfaser (ff) über Bereiche mit einem groben Infill (ifil_g) geführt werden. Dies ist zwar nicht besonders sinnvoll, soll hier aber als Möglichkeit erwähnt werden. Sobald die Funktionsfasereinlegevorrichtung die Funktionsfasern (ff) bzw. der zugehörigen Teilabschnitte der betreffenden Funktionsfaser (ff) längs der zugehörigen Verlegepfade (vp) in die Nut (Nu) bzw. die Nuten (Nu) der Verlegeebene eingelegt hat, führt der FDM-Drucker typischerweise wieder einen Werkzeugwechsel aus und setzt den FDM-Druck unter Nutzung des modifizierten Datensatzes ab der Verlegeebene ausschließlich fort. Dies bedeutet in der Regel, dass der FDM-Drucker die Nuten (Nu) längs des Verlegepfades (vp), die nun typischerweise Funktionsfasern (ff) oder Teilabschnitte von Funktionsfasern (ff) aufweisen, mittels der Abdeckebenen verschließt. Diese Abdeckebenen weisen bevorzugt im Bereich der Nuten (Nu) mit den Funktionsfasern (ff) einen dichten Infill (infi_d) auf, sodass sich ein dichter Deckel für diese Abdeckebenen ergibt. Bei der Ausarbeitung des hier vorgelegten Vorschlags hat sich gezeigt, dass es sinnvoll ist, das Material der auf die Verlegeebene folgenden Abdeckebene möglichst langsam erstarren zu lassen, um einen möglichst guten Oberflächenkontakt zwischen Funktionsfaser (ff) in der Nut (Nu) und dem Material des Abdeckebene im Bereich der Funktionsfaser (ff) zu ermöglichen. Hierdurch wird diese mechanische Verbindung verbessert und die mechanische Stabilität steigt.
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Die Vorteile des unmittelbar zuvor beschriebenen Verfahrens sind darauf nicht beschränkt. Das vorgeschlagene Verfahren verbessert die Einlegbarkeit dicker Funktionsfasern(ff). Es vermeidet einen Wulst überschüssigen Materials nach dem Einlegen der Funktionsfasern(ff). Im Falle von Kohlefasern als Funktionsfasern (ff) vermeidet das vorgeschlagene Verfahren ein Zerfasern der Kohlefaserlitzen durch einen mechanischen Kontakt zwischen Extruderdüse und noch aus dem Aufschmelzbereich herausragenden Kohlefaserteilen. Zumindest verringert es diesen Effekt. Diese Schrift erwähnte bereits die Vorteile der erhöhten mechanischen Stabilität durch eine bessere Umschließung der Funktionsfaser (ff) mit extrudiertem Material und den daraus resultierenden verbesserten Oberflächenkontakt zwischen extrudiertem Material und Funktionsfaseroberfläche, was sich in einer erhöhten Festigkeit der Verbindung bemerkbar macht.
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Die Laborversuche zur Ausarbeitung der hier vorgelegten Schrift ergaben jedoch auch, dass eine Nuttiefe (Nud) der Nuten(Nu) in Größe der Dicke einer Druckebene des FDM-Druckers in der Regel, beispielsweise für die Verwendung von 3k-Kohlefasern als einzulegende Funktionsfasern (ff), nicht ausreicht. Das Einlegen von Funktionsfasern (ff) in Nuten (Nu) mit einer Nuttiefe (Nud) der Nuten (Nu) in Größe der Dicke einer Druckebene des FDM-Druckers führte zwar zu einer Verringerung der Faserbeschädigungen durch die Extruderdüse. Sie verschwanden aber nicht. Aus diesem Grunde ist eine Modifikation des Verfahrens notwendig, das zu einer Nuttiefe (Nud) der Nuten (Nu) führt, die größer als eine Nut-Tiefe (Nud) der Nuten (Nu) in Größe der Dicke genau einer Druckebene des FDM-Druckers ist. Ein solches modifiziertes, hier vorgeschlagenes Verfahren zum Einbetten von Funktionsfasern (ff) in ein Werkstück während eines FDM-Verfahrens nach Anspruch basiert im Wesentlichen auf dem zuvor vorgeschlagenen Verfahren. Zusätzlich erfolgt nun die Festlegung von o Ebenen unterhalb der Verlegeebene als unterstützende Verlegeebenen. -Hierzu stellt bevorzugt die Datenverarbeitungsanlage eine Information über die Anzahl o unterstützender Verlegeebenen unterhalb der Verlegeebene als unterstützende Verlegeebenen bereit. Dabei stellt typischerweise o die Anzahl an unterstützende Verlegeebenen dar. o ist dabei typischerweise eine ganze positive Zahl. Die Datenverarbeitungsanlage legt bevorzugt dies o Ebenen unterhalb der Verlegeebene als unterstützende Verlegeebenen bevorzugt im Rahmen der Abarbeitung eines modifizierten Slicer-Programms fest. Hierbei ist o bevorzugt eine ganze positive Zahl. Nun jedoch erfolgt ein Festlegen von n Ebenen unterhalb der Verlegeebene als UnterstützungsebenenNun bedeutet die Anzahl n der Unterstützungsebenen die Anzahl von n Unterstützungsebenen unterhalb der untersten unterstützenden Verlegeebene, wobei n wieder die Anzahl an Unterstützungsebenen darstellt. Das Festlegen von n Ebenen unterhalb der Verlegeebene als Unterstützungsebenen erfolgt wieder bevorzugt als Teil des Slicer-Programms, das bevorzugt die Datenverarbeitungsanlage ausführt. Hierbei steht n wieder für eine ganze positive Zahl. Jedoch erfolgt nun ein nun das Festlegen der n Ebenen auch ausdrücklich zusätzlich unterhalb der untersten unterstützenden Verlegeebene als Unterstützungsebenen in der Datenverarbeitungsanlage. Die o unterstützenden Verlegeebenen werden also in diesem Verfahren zwischen die n Unterstützungsebenen und die Verlegeebene eingefügt. Die Datenverarbeitungsanlage erzeugt in diesem verfeinerten Verfahren dann die geslicten Druckebenendaten für die unterstützenden Verlegeebenen. Dabei entsprechen die Druckebenendaten der unterstützenden Verlegeebenen den Druckebenendaten der entsprechenden Druckebenen des konventionellen Slicens nur im Wesentlichen. Diese Druckebenendaten der unterstützenden Verlegeebenen unterscheiden sich nämlich von den Druckebenendaten der entsprechenden Druckebenen des konventionellen Slicens dadurch, dass die geslicten Druckebenendaten für die unterstützenden Verlegeebenen links und rechts der Projektion des besagten Verlegepfades (vp) der Verlegepfade (vp) auf die Druckebene zumindest teilweise in einem nicht notwendigerweise gleichen Abstand a1 von dieser Projektion dieses besagten Verlegepfades (vp) auf die Druckebene einen Perimeter (Peri) aufweisen und dass die geslicten Druckebenendaten für die unterstützenden Verlegeebenen in dem Raum links und rechts der Projektion des besagten Verlegepfades der Verlegepfade (vp) auf die Druckebene zumindest teilweise einem nicht notwendigerweise gleichen Abstand a2 von dieser Projektion dieses besagten Verlegepfades (vp) auf die Druckebene keinen Infill (ini_d, infi_g) aufweisen.
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Die unterstützenden Verlegeebenen entsprechen im Bereich der Verlegepfade (vp) der Funktionsfasern (ff) bzw. der Teilstücke der Funktionsfasern (ff) also im Wesentlichen der Verlegeebene mit dem Unterschied, dass der Verlegepfad (vp) in der Verlegeebene und nicht in den unterstützenden Verlegeebenen verläuft. Dies ist insofern irrelevant, dass die Nuttiefe (Nud) der Nuten(Nu), in die die Funktionsfasereinlegevorrichtung die Funktionsfasern (ff) einlegt nun um o Dicken der Druckebenen auf o+1 erhöht. Somit wird durch eine Optimierung der Anzahl der unterstützenden Verlegeebenen und der Nutbreiten (Nuw) der Nuten (Nu) eine verbesserte Einbettung auch sehr dicker Funktionsfasern (ff) möglich. Es hat sich insbesondere bei der Einbettung von 3k-Kohlefasern als Funktionsfasern (ff) gezeigt, dass die mangelnde Flexibilität dieser Kohlefasern zu Problemen bei der Einbettung mit gekrümmten Verlegepfaden (vp) führt. Die 3k-Kohlefasern, die bei der Ausarbeitung des hier vorgelegten Vorschlags zur Verfügung standen, wiesen einen Rechteckigen Funktionsfaserquerschnitt auf. Daher drehten sich diese im Bereich der Krümmung um die Kohlefaserlängsachse, sodass die Faserseiten aus den Nuten (Nu) in solchen Bereichen herausschauten und die Extruderdüsen beim Extrudieren der Abdeckebenen diese Faserkannten beschädigen konnten. Bei der Ausarbeitung des hier vorgelegten Vorschlags führte eine erhöhte Nuttiefe (Nud) der Nuten (Nu) im Bereich großer Krümmungen zu einer Verbesserung. Diese Schrift schlägt daher vor, für solche Funktionsfasern (ff) mit elliptischem oder rechteckigem Funktionsfaserquerschnitt eine Nuttiefe (Nud) der Nuten (Nu) in Betracht zu ziehen, die von der Krümmung des Verlegepfades (vp) abhängt. Bei den beispielhaften Vorversuchen zur Ausarbeitung dieser Schrift hat sich eine Erhöhung der Nuttiefe (Nud) der Nuten (Nu) bei starken Krümmungen des Verlegepfades (vp) als hilfreich erwiesen. Für die Nacharbeit des hier vorgelegten Vorschlags wird eine Erprobung verschiedener Nuttiefen (Nud) durch systematische Versuche mittels statistischer Versuchsplanung vorgeschlagen. Wie zuvor erfolgt wieder das Erzeugen eines modifizierten Druckdatensatzes in der Datenverarbeitungsanlage. Hierzu ersetzt die Datenverarbeitungsanlage wieder die Druckebenendaten der Druckebenen, die den Unterstützungsebenen entsprechen, durch die korrespondierenden Druckebenendaten der korrespondierenden Unterstützungsebenen und die Druckebenendaten der Druckebenen, die den unterstützenden Verlegeebenen entsprechen, durch die korrespondierenden Druckebenendaten der korrespondierenden unterstützenden Verlegeebenen und die Druckebenendaten der Druckebenen, die der Verlegeebene entspricht, durch die korrespondierenden Druckebenendaten der Verlegeebene und die Druckebenendaten der Druckebenen, die den Abdeckebenen entsprechen, durch die korrespondierenden Druckebenendaten der korrespondierenden Abdeckebenen.
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Wie zuvor kann dann wieder der FDM-Druck durch den FDM-Drucker erfolgen. Im Gegensatz zum zuvor vorgestellten Verfahren, sind nun aber die Nuten (Nu) für das Einbringen der Funktionsfasern (ff) in ihrer Tiefe optimiert und nicht mehr auf die Dicke einer Druckebene limitiert.
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Bei der Ausarbeitung der technischen Lehre dieser Schrift kam es vor, dass die Funktionsfaser (ff) so dicht am Perimeter platziert wurde, dass der Perimeter beim Einlegen beschädigt wurde. Im Zusammenhang mit dem Einlegen der besagten 3k-Kohlefasern als Funktionsfasern (ff) äußerte sich das so, dass die Extruderdüse in diesem Bereich die Kohlefasern beschädigte, so dass diese zerfaserten und Mikrofasern aus der Oberfläche des Werkstücks herausragten. Die Fehlerbaumanalyse ergab als geeignete erste Gegenmaßnahme, dass der Abstand (b) des Faserendes einer Funktionsfaser (ff) nach dem Einlegen zu einem Perimeter (Peri) größer als der größte Durchmesser der Funktionsfaser (ff) und/oder besser größer als der doppelte größte Durchmesser der Funktionsfaser (ff) und/oder besser größer als der fünffache größte Durchmesser der Funktionsfaser (ff) und/oder besser größer als der zehnfache größte Durchmesser der Funktionsfaser (ff) sein sollte. Welcher Mindestabstand zweckmäßig ist, dürfte von Anlage zu Anlage variieren. In den Vorversuchen hat sich ein Abstand größer als der doppelte größte Durchmesser der Funktionsfaser (ff) bewährt.
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Die Fehlerbaumanalyse ergab als geeignete zweite Gegenmaßnahme, dass der Abstand (r) einer Funktionsfaser (ff) nach dem Einlegen zu einem Perimeter (Peri) sektrecht zu ihrem Verlegepfad (vp) größer als der größte Durchmesser der Funktionsfaser (ff), und/oder besser größer als der doppelte größte Durchmesser der Funktionsfaser (ff) und/oder besser größer als der fünffache größte Durchmesser der Funktionsfaser (ff) und/oder besser größer als der zehnfache größte Durchmesser der Funktionsfaser (ff) sein sollte. Welcher Mindestabstand hier zweckmäßig ist, dürfte auch hier von Anlage zu Anlage variieren. In den Vorversuchen hat sich auch hier ein Abstand größer als der doppelte größte Durchmesser der Funktionsfaser (ff) bewährt.
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In vielen Anwendungsfällen sollen die Funktionsfasern (ff) entsprechend einem Vektorfeld eines physikalischen Parameters verlegt werden. Ein solcher physikalischer Parameter kann beispielsweise ein elektrisches Feld oder eine elektrische Stromdichte sein. In diesen beiden Fällen wird in vielen Anwendungsfällen die Funktionsfaser (ff) ein elektrisch leitender Draht oder dergleichen sein. In dem in dieser Schrift häufig verwendeten Beispiel eines mechanischen Stressfeldes kann es sich beispielsweise um eine Kohlefaser oder dergleichen handeln. Zur Ermittlung des Verlegepfads (vp) führt die Datenverarbeitungsanlage bevorzugt eine Simulation der Verteilung des physikalischen Parameters innerhalb des Werkstücks durch. Das hier vorgeschlagene Verfahren umfasst daher bevorzugt zu den zuvor bereits beschriebenen Schritten das Durchführen einer FEM-Simulation auf Basis der Konstruktionsdaten des Werkstücks unter Ermittlung eines Spannungsdatensatzes eines mechanischen Spannungsfeldes in der Datenverarbeitungsanlage. Die Datenverarbeitungsanlage ermittelt dann dann im Zuge der Ausführung des modifizierten Slicer-Programms die Verlegepfade (vp) der Funktionsfasern (ff) in der Verlegeebene unter Berücksichtigung des mittels der FEM-Simulation ermittelten Spannungsdatensatzes des mechanischen Spannungsfeldes in der Datenverarbeitungsanlage. Dabei folgen die Verlegepfade (vp) bevorzugt den jeweiligen Maximalspannungen innerhalb des mechanischen Spannungsfeldes innerhalb des Werkstücks.
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Mittels eines Korrekturverfahrens stellt die Datenverarbeitungsanlage dabei sicher, dass das Festlegen der Verlegepfade (vp) von Funktionsfasern (ff) in der Verlegeebene in der Art erfolgt, dass nach dem Einlegen der Funktionsfaser (ff) in die Schmelze der Nut-Wände der Nut (Nu) und des Nutbodens der Nut (Nu) der Abstand zwischen der Funktionsfaser (ff) und einer Außenfläche des Werkstücks größer als der fünfte Abstand a5 ist. Dies kann durch eine geeignete Vorgabe oder Variation der Startpunkte der Verlegepfade (vp) erfolgen. Ggf. kann die Einfügung der Verlegepfade (vp) in einem Verfahren mit einem zyklischen Wechsel der Festlegung eines Verlegepfads (vp) mit einer anschließenden FEM-Simulation erfolgen. Die FEM-Simulation kann dann bei der Berechnung den Einfluss von Funktionsfasern (ff) längs der zuvor bereits festgelegten Verlegepfade (vp) bereits berücksichtigen, sodass auch die gegenseitige Beeinflussung der Funktionsfasern (ff) sich in der Festlegung der Verlegepfade (vp) niederschlägt. Dabei kann die Datenverarbeitungsanlage Verlegepfade (vp), die Mindestabstände verletzen ausschließen. Die Festlegung der Verlegepfade (vp) erfolgt dann bevorzugt so, dass die Datenverarbeitungsanlage den Verlegepfad (vp) als nächstes festgelegt, der die Mindestabstände einhält und längs seines Verlegepfads (vp) die größte mechanische Spannung aufweist. Das zuvor beschriebene beschreibt beispielhaft die Festlegung der Verlegepfade (vp) für mechanisch stabilisierende Funktionsfasern (ff), wie beispielsweise Kohlefasern. In analoger Weise können die Verlegepfade (vp) für elektrisch leitende Funktionsfasern (ff) in elektrischen Potentialfeldern oder Stromdichtefeldern berechnet werden.
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Wie bereits beschrieben, kann die elliptische oder rechteckige Funktionsfaserquerschnittsfläche (ffA) einer Funktionsfaser (ff) zu Problemen in Bereichen eines gekrümmten Verlegepfads (vp) führen. Eine weiter Maßnahme mit gewisser Wirkung ist ein Versatz der Bahnkurve der Funktionsfasereinlegevorrichtung gegenüber dem Verlegepfad (vp). Der FDM-Drucker weist zum Einlegen der Funktionsfasern (ff) in die Nuten (Nu) der Verlegeebene eine Funktionsfasereinlegevorrichtung zum Einlegen der Funktionsfaser (ff) in das Material des Werkstücks auf. Die Funktionsfasereinlegevorrichtung stellt die Funktionsfaser (ff) dabei über einen Kanal innerhalb der Funktionsfasereinlegevorrichtung bereit. Der Kanal der Funktionsfasereinlegevorrichtung weist typischerweise eine werkstückseitige Öffnung an seinem einen Ende auf. Der FDM-Drucker bewegt während des Einlegens der Funktionsfasern (ff) bzw. der zugehörigen Teilabschnitte der betreffenden Funktionsfaser (ff) längs der zugehörigen Verlegepfade (vp) die werkstückseitige Öffnung des Funktionsfasereinlegewerkzeugs längs eines Funktionsfasereinlegewerkzeugpfades (ffewp). Das besondere an der hier vorgestellten Variation des Fasereinlegeverfahrens ist somit, dass der Funktionsfasereinlegewerkzeugpfad (ffewp) von dem vorgesehenen Verlegepfad (vp) abweichen kann, um die mechanischen Spannungen innerhalb der Funktionsfaser (ff) insbesondere in Kurven des Verlegepfads (vp) modifizieren zu können. Bevorzugt hängt dann die Abweichung (s) des Verlegepfads (vp) vom Funktionsfasereinlegewerkzeugpfad (ffewp) von der vorgesehenen Krümmung des Verlegepfades (vp) ab. Im Sinne des hier vorgelegten Schrift bestimmt sich die Abweichung (s) als Länge zwischen einem ersten Punkt auf dem Verlegepfad (vp) und einem zweiten Punkt auf dem Funktionsfasereinlegewerkzeugpfad (ffewp), wobei zur Bestimmung des zweiten Punkts eine Senkrechte zur Tangente an den Verlegepfad (vp) im ersten Punkt gebildet wird und der Schnittpunkt zwischen dieser Senkrechten und dem Funktionsfasereinlegewerkzeugpfad (ffewp) gesucht wird. Dieser Schnittpunkt ist dann der zweite Punkt. Damit ist dann auch der Abstand (s) zwischen einem ersten Punkt auf dem Verlegepfad (vp) und einem zweiten Punkt auf dem Funktionsfasereinlegewerkzeugpfad (ffewp) im Sinne des hier vorgelegten Dokuments bestimmt. Im Sinne des hier vorgelegten Dokuments ist typischerweise der Verlegepfad (vp) der Funktionsfaser (ff) um eine Abweichung (s) bereichsweise gegenüber dem Funktionsfasereinlegewerkzeugpfad (ffewp) versetzt. Die Abweichung des Verlegepfads (vp) vom Funktionsfasereinlegewerkzeugpfad (ffewp) ist bevorzugt dabei der Krümmung des vorgesehenen Verlegepfads (vp) entgegengerichtet.
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Wie bereits oben beschrieben weist typischerweise der FDM-Drucker einen Extruder für das Drucken der Druckebenen auf. Der Extruder extrudiert beim Drucken einer Druckebene Material auf die momentane Oberfläche des Werkstücks. Gemäß dem hier vorgelegten Vorschlag für ein geeignetes Druckverfahren weist der FDM-Drucker bevorzugt eine Kühlvorrichtung, insbesondere einen Lüfter, auf, die das vom Extruder extrudierte Material mit einer zusätzlichen Kühlleistung während des Druckens kühlen kann. Die Kühlleistung kann zeitlich schwanken. Die Kühlleistung kann von der gerade vorliegenden Drucksituation abhängen. Die Kühlleistung kann daher dabei zeitweise auch 0W sein. Beispielsweise kann es sich um einen Lüfter handeln, der am Extruder befestigt ist, Luftansaugt und mittels eines Luftkanals auf die Extrudierungsposition bläst. Die zusätzliche Kühlleistung kann zeitweise ausdrücklich auch 0W sein, was im Folgenden genutzt werden kann. Die hier vorgeschlagene Verfahrensmodifikation umfasst bevorzugt das Kühlen des extrudierten Materials während des Druckens der Druckebene der auf das Drucken der Verlegeebene folgenden Abdeckebene mit einer ersten Kühlleistung der Kühlvorrichtung und das Kühlen des Extrudierten Materials während des Druckens der Druckebene von Unterstützungsebenen und/oder ggf. von unterstützenden Verlegeebenen und/oder der Verlegeebene und/oder von Abdeckebenen, die nicht die auf das Drucken der Verlegeebene folgenden Abdeckebene sind, mit einer zweiten Kühlleistung der Kühlvorrichtung. Dabei kann die zweite Kühlleistung zwischen diesen Druckebenen durchaus auch aus anderen Gründen als den hier aufgeführten unterschiedlich sein. Die zweite Kühlleistung kann somit druckebenenspezifisch sein. Wichtig ist, dass bevorzugt die zweite Kühlleistung größer als die erste Kühlleistung ist. Das bedeutet, dass bevorzugt die auf die Verlegeebene folgende Abdeckebene zumindest im Bereich des Verlegepfades (vp) bevorzugt weniger gekühlt wird. Dadurch hängt das Material in diesen Bereichen leichter durch und verbindet sich inniger mit der in die Nut (Nu) eingelegten Funktionsfaser (ff). Somit können insbesondere und bevorzugt alle diese zweiten Kühlleistungen größer als die erste Kühlleistung sein.
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Der Verlegepfad (vp) einer Funktionsfaser (ff) oder eines Teilabschnitts einer Funktionsfaser (ff) verläuft in der Verlegeebene, wie bereits mehrfach beschrieben, bevorzugt zumindest teilweise in einer Nut (Nu).
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Betrachtet man den Querschnitt der Nut (Nu), so kann man eine Kontur (NoOf) der Oberfläche der Nut (Nu) definieren, die quasi die Kante der Nut (Nu) darstellen würde, wenn das Werkstück senkrecht zur Nut geschnitten würde. Mehrere solcher Querschnitte mit einer eingezeichneten Kontur (NuOf) der Oberfläche der Nut (Nu) sind in den 10, 11 und 12 dargestellt. Die Kontur (NuOf) der Oberfläche der Nut (Nu) ist dort jeweils als fette schwarze Linie zur Verdeutlichung eingetragen.
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Bei der Nut (Nu) kann es sich zumindest teilweise um eine U-Nut oder zumindest teilweise um eine π-Nut oder zumindest teilweise um eine II-Nut handeln. Diese Nut-Typen werden in den Figuren näher erläutert.
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Dies hat den Vorteil, dass die Oberfläche innerhalb der Nut (Nu) vergrößert ist und dass die dort vorgesehenen Steger und Hervorhebungen somit eine schlechtere Wärmeableitung in das übrige Material des Werkstücks zeigen und daher schneller schmelzen.
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Typischerweise weist die Nut (Nu) eine Nut-Tiefe (Nud) und eine Nut-Weite (Nuw) auf. Eine solche Struktur zur Verbesserung des Aufschmelzverhaltens kennzeichnet sich gemäß dem hier vorgelegten Vorschlag dadurch, dass die Länge der Nut-Kontur (NuOf) vor dem Aufschmelzen der Nut-Wände und/oder des Nut-Bodens der Nut (Nu) größer ist als die Summe aus dem doppelten der Nut-Tiefe (Nud) zuzüglich der Nut-Weite (Nuw).
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Das hier vorgelegte Dokument offenbart u.a. auch ein Verfahren zum Einbetten von Funktionsfasern (ff) in ein Werkstück während eines FDM-Druckverfahrens, wobei entlang der in den Konstruktionsdaten festgelegten Verlegepfade (vp) der Funktionsfasern (ff) Nuten (Nu) zum Einlegen der Funktionsfasern (ff) vorgesehen werden, die von Bereichen dichteren Infills (infill_d) umgeben sind. Dabei werden entsprechend angepasste Konstruktionsdaten gesliced und einem FDM-Drucker zugeführt. Anschließend wird das Werkstück unter Nutzung des modifizierten Datensatzes gedruckt. Der FDM-Druck kann unterbrochen werden kann, um zumindest einen Teilabschnitt einer Funktionsfaser (ff) zumindest längs eines Teilabschnitts der Nut (Nu) einzulegen. Der FDM-Druck wird anschließend bis zur Fertigstellung des Werkstücks fortgesetzt. Das Verfahren zeichnet sich durch das Aufschmelzen der Nut-Wände und/oder des Nut-Bodens in zumindest einem Teilabschnitt der Nut (Nu). Dieses Aufschmelzen erfolgt bevorzugt vor dem Einlegen der Funktionsfaser (ff) zu einer Schmelze. Anschließende erfolgt das Einlegen zumindest des Teilabschnitts der der Funktionsfaser (ff) in diese Schmelze und das Erstarren der Schmelze zu einem Verfestigungsbereich (d) nach dem Einlegen der Funktionsfaser (ff) in die Schmelze. Bevorzugst schließt die Oberfläche des Verfestigungsbereiches (d) im Wesentlichen mit der Nut-Oberkante (Nuok) der Nut (Nu) ab, da die Nutquerschittsfläche (NuA) bevorzugt nur unwesentlich von der Funktionsfaserquerschnittfläche (ffA) abweicht.
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Vorteil
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Im Gegensatz zu den Verfahren aus dem Stand der Technik ermöglicht das hier vorgestellte Verfahren die sichere Einbettung dicker Funktionsfasern (ff) in das Werkstück beim 3D-Drucken und vermeidet die Beschädigung der Funktionsfaser (ff) durch die Extruder-Düse beim Druck nachfolgender Druckebenen. Die Vorteile sind hierauf aber nicht beschränkt.
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Figurenliste
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- 1 zeigt das beispielhafte Vorgehen beim 3D-Drucken eines beispielhaften Probekörpers mittels einer FDM-Drucktechnik entsprechend der zum Zeitpunkt der Einreichung dieser Schrift unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 10 2021 100 590.6.
- 2 zeigt mögliche günstige Einlegelinien für den beispielhaften Probekörper der 1 für zwei verschiedene beispielhafte Lastfälle entsprechend der zum Zeitpunkt der Einreichung dieser Schrift unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 10 2021 100 590.6.
- 3 und 4 zeigen in analoger Weise zur 1 die eine beispielhafte Schichtenfolge bei der Einbettung von dicken Funktionsfasern (ff) in einen beispielhaften Probekörper als Werkstück entsprechend dem hier vorgelegten Vorschlag.
- 5 und 6 entsprechen den 3 und 4 mit dem Unterschied, dass die Verlegepfade (vp) der Funktionsfasern (ff) für einen anderen Lastfall optimiert sind.
- 7 zeigt einen Ausschnitt aus einem Querschnitt durch einen beispielhaften Probekörper im Bereich einer Nut (Nu).
- 8 entspricht der 7 mit dem Unterschied, dass 8 die Situation der 7 nach dem zumindest teilweisen Aufschmelzen der Nut-Wände und des Nut-Bodens und nach dem Einlegen der Funktionsfaser (ff) in die Schmelze und nach dem anschließenden Erstarren der Schmelze zu einem Verfestigungsbereich (d) zeigt.
- 9 entspricht der 8 mit dem Unterschied, dass 9 die Situation der 8 nach dem aufbringen einer ersten Abdeckschicht, der achten Druckebene (8), und einer zweiten Abdeckschicht, der neunten Druckebene (9), zeigt.
- 10 zeigt eine alternative Form einer Nut (Nu) vor dem Einlegen der Funktionsfaser(ff).
- 11 stellt eine Extremform der Nut (Nu) der 10 dar, da der Nut-Teiler (NuT) bis in die Verlegeebene, hie die siebte Druckebene (7), reicht.
- 12 zeigt wieder eine U-Nut wie die 7. Allerdings ist die Tiefe der U-Nut um die Dicke einer Druckebene erhöht.
- 13 entspricht dem Bild der Druckebene 7 in 6 und verdeutlicht den ersten und zweiten Mindestabstand.
- 14 zeigt einen gegenüber dem Verlegepfad (vp) einer Funktionsfaser (ff) beispielhaft um eine Abweichung (s) des Verlegepfads (vp) der Funktionsfaser (ff) vom Funktionsfasereinlegewerkzeugpfad (ffewp) bereichsweise versetzen Funktionsfasereinlegewerkzeugpfad (ffewp).
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Beschreibung der Figuren
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1 1 zeigt das beispielhafte Vorgehen beim 3D-Drucken eines beispielhaften Probekörpers mittels einer FDM-Drucktechnik entsprechend der
DE 10 2021 100 590.6. Die
1 entstammt dem zum Zeitpunkt der Anmeldung dieser Schrift noch unveröffentlichten Stand der Technik der deutschen Patentanmeldung
DE 10 2021 100 590.6. Die gestrichelten Linien in der
1 stellen die Außenmaße des beispielhaften Probekörpers dar. Die durchgezogenen Linien stellen die durch den Extruder des FDM-Druckers abgesetzten Material-Linien des geschmolzenen Filament-Materials dar, das der Extruder in der betreffenden Druckschicht bei der Erstellung des Werkstücks abgesetzt hat. Eine Datenverarbeitungsanlage führt entsprechend der technischen Lehre der
DE 10 2021 100 590.6 ein Datenverarbeitungsprogramm, im Folgenden Slicer genannt, aus. Der Slicer wandelt einen ersten Datensatz, die Konstruktionsdaten, der die Geometrie des zu erstellenden Werkstücks beschreibt, in einen Druckdatensatz um, der das Absetzen des Linienmaterials auf dem Werkstück durch den Extruder steuern kann und der das Einlegen der Funktionsfaser (ff) in das Werkstück steuern kann. Typischerweise beginnt der FDM-Drucker mit dem Absetzen der Materiallinien, die den Umfang des Werkstücks in der betreffenden Schicht definieren. Diese Schrift benennt diese Materiallinien im Folgenden mit dem Begriff Perimeter (peri). Nach dem 3D-Drucken der Umfangslinien, die später die Oberflächen des Werkstücks bilden, füllt der FDM-Drucker das Innere des Werkstücks mit einem sogenannten Infill (infi) aus. In dem Beispiel der
1 bildet die unterste Schicht (i) später eine Außenfläche des Werkstücks. Daher platziert der FDM-Drucker die Materiallinien des Infills (infi) in der ersten Schicht (i) und in der zweiten Schicht (ii) so dicht nebeneinander, dass die Materiallinien sich bevorzugt berühren und aneinanderhaften. Dies wird in dieser Schrift als dichter Infill (infi_d) (Englisch: solid infill) bezeichnet. Bevorzugt sind die Materiallinien der ersten Schicht (i) nicht parallel zu den Materiallinien der zweiten Schicht (ii). In dem in
1 schrittweise, vereinfacht und schematisch dargestellten Prozess stellt der vorschlagsgemäße FDM-Drucker einen beispielhaften Probekörper mit beispielhaft 12 Schichten (i bis xii) her. In dem Beispiel der
1 weisen die Schichten (iii bis v), die nach den beiden Außenschichten, der ersten Schicht (i) und der zweiten Schicht (ii) gedruckt werden, zwar auch einen Infill (infi) auf. Der FDM-Drucker führt in dem Beispiel der
1 jedoch den Infill der dritten Schicht (iii) und den Infill der vierten Schicht (iv) und den Infill (infi) der fünften Schicht (v) nicht so dicht aus, wie den Infill (infi) der ersten Schicht (i) und den Infill der zweiten Schicht (ii). Der FDM-Drucker führt in dem Beispiel der
1 stattdessen den Infill der dritten Schicht (iii) und den Infill der vierten Schicht (iv) und den Infill (infi) der fünften Schicht (v) als groben Infill (infi_g) aus. Dies spart Filament-Material. Diese Schrift hier bezeichnet einen solchen Infill als groben Infill (infi_g), um den Gegensatz zum dichten Infill (infi_d) hervorzuheben. In dem Beispiel der
1 soll der FDM-Drucker beispielhaft in die sechste Schicht (vi) eine Kohlefaser als beispielhafte Funktionsfaser (ff) einlegen, um eine sechste Schicht (vib) mit eingelegter Funktionsfaser (ff) zu erhalten.
Für eine gute Einlegbarkeit der Funktionsfaser (ff) und für eine gute mechanische Verbindung zwischen Funktionsfaser (ff) und dem Infill am Ort der Einlegung der Funktionsfaser (ff) beispielsweise durch Adhäsion ist es sinnvoll, wenn der FDM-Drucker die Materiallinien des Infills zumindest im Bereich der Einlegung der Funktionsfaser (ff) so dicht platziert, dass sie bevorzugt bereits vor dem Einlegen der Funktionsfaser (ff) in diesen Einlegebereichen der Funktionsfaser (ff) eine geschlossene Fläche, also einen dichten Infill (infi_d) bilden. Dies bezeichnet die hier vorgelegte Schrift als dichten Infill (infi_d) (Englisch solid infill). Bevorzugt erstreckt sich diese Geschlossenheit dieser Fläche zumindest bis zu einem Minimalabstand links und rechts der geplanten Einlegelinie für die Einlegung der Funktionsfaser (ff) in die temporäre Oberfläche des Werkstücks. In dem Beispiel der
1 ist diese temporäre Oberfläche des Werkstücks vor der Einlegung der Funktionsfaser (ff) die temporäre Oberfläche der sechsten Schicht (vi). In dem Beispiel der
1 ist die sechste Schicht (vi) zur Vereinfachung nicht nur bis zu dem Mindestabstand links und rechts der geplanten Einlegelinie der Funktionsfaser (ff) so dicht ausgeführt, dass sie eine geschlossene Fläche bildet. In dem Beispiel der
1 ist die sechste Schicht (vi) beispielhaft alternativ ganzflächig so dicht ausgeführt, dass sie eine ganzflächige geschlossene Fläche bildet und einen dichten Infill (infi_d) aufweist. Mit Hilfe der Funktionsfasereinlegevorrichtung legt der FDM-Drucker die Funktionsfasern (ff) in die sechste Schicht (vi) ein. Bevorzugt berechnet der Slicer die vorgesehene Einlegelinien, also die Verlegepfade (vp) der Funktionsfasern (ff), auf Basis einer oder mehrerer Finite-Elemente-Simulationen des Werkstücks auf Basis eines oder mehrerer anwendungsrelevanter mechanischer Lastfälle. Bevorzugt entspricht dabei jeweils eine vorgesehene Einlegelinie jeweils einer Funktionsfaser (ff) im Wesentlichen dem Verlauf eines mechanischen Spannungsfeldes innerhalb der Ebene der Schicht der Verlegeebene, hier beispielhaft der sechsten Schicht (vi). Bevorzugt deckt der FDM-Drucker diese modifizierte sechste Schicht (vi) nach dem Einlegen der Funktionsfaser (ff) mit einer siebten Schicht (vii) ab. Für eine gute Abdeckung der Funktionsfaser (ff) mit Filament-Material und für eine gute mechanische Verbindung zwischen Funktionsfaser (ff) und dem Infill der siebten Schicht (vii) am Ort der Einlegung der Funktionsfaser (ff) in die sechste Schicht (vi) beispielsweise durch Adhäsion ist es sinnvoll, wenn der FDM-Drucker auch die Materiallinien des Infills der siebten Schicht (vii) zumindest im Bereich der Einlegung der Funktionsfaser (ff) so dicht platziert, dass sie bevorzugt in diesen Einlegebereichen der Funktionsfaser (ff) eine geschlossene Fläche oberhalb der Funktionsfaser (ff) bilden, also einen dichten Infill (infi_d) aufweisen. Bevorzugt erstreckt sich diese Geschlossenheit dieser Fläche bis zu einem Minimalabstand links und rechts der Einlegelinie des Verlegepfads (vp) für die Einlegung der Funktionsfaser (ff) in die sechste Schicht (vi) des Werkstücks. In dem Beispiel der
1 ist auch die siebte Schicht (vii) zur Vereinfachung nicht nur bis zu dem Mindestabstand links und rechts der Einlegelinie der Funktionsfaser (ff) in die sechste Schicht (vi) so dicht ausgeführt, dass sie eine geschlossene Fläche bildet. In dem Beispiel der
1 ist auch die siebte Schicht (vii) beispielhaft alternativ ganzflächig so dicht ausgeführt, dass sie eine ganzflächige geschlossene Fläche bildet, also einen dichten Infill (infi_d) aufweist.
In dem Beispiel der
1 weisen die beispielhaften Schichten (viii bis x), die nach der siebten Schicht (vii) gedruckt werden, zwar auch einen Infill (infi) auf. Der FDM-Drucker führt in dem Beispiel der
1 jedoch den Infill der achten Schicht (viii) und den Infill der neunten Schicht (ix) und den Infill (infi) der zehnten Schicht (x) als groben Infill (infi_g) nicht so dicht aus, wie den Infill (infi) der siebten Schicht (vii), der ein dichter Infill (infi_d) war. Dies spart wieder Filament-Material. Darüber hinaus mindert dieser weniger dichte Infill (infi) in der achten Schicht (viii), der neunten Schicht (ix) und der zehnten Schicht (x) auch die Störungen, die die Funktionsfaser (ff) und das Einlegen der Funktionsfaser (ff) in der sechsten Schicht (vi) hervorrufen. In Versuchen hat sich jedoch gezeigt, dass dies zur Unterdrückung der verursachten Störungen bei dicken Funktionsfasern (ff) nicht ausreicht. Insbesondere reichte es in den Versuchen nicht für eine fehlerfreie Verlegung von 3k-Kohlenstoffasern aus. Sofern die Funktionsfasern (ff) sehr dünn sind, ermöglicht dies, dass in dem Beispiel des Probekörpers der
1 die oberste zwölfte Schicht (xii) keinen Rückschluss auf die Einbettung der Funktionsfaser (ff) in den Probekörper zulässt. Dies ist bei dicken Funktionsfasern (ff) nicht der Fall. Insofern ist der unveröffentlichte Stand der Technik zur Verarbeitung dicker Funktionsfasern (ff) nicht geeignet. Nach dem Drucken der zehnten Schicht (x), druckt der FDM-Drucker mit Hilfe des Extruders die elfte Schicht (xi) und die zwölfte Schicht (xii). Da die zwölfte Schicht (xii) wieder eine Außenschicht des beispielhaften Probekörpers sein soll, sieht der Slicer in dem Datensatz für den FDM-Drucker einen dichten Druck der Materiallinien vor, sodass vorzugsweise sowohl die zwölfte Schicht (xii) als auch die elfte Schicht (xi) eine geschlossene Fälle bilden. Die Pfeilkette in
1 soll die Abarbeitungsreihenfolge verdeutlichen.
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2
2 zeigt mögliche günstige Einlegelinien für den beispielhaften Probekörper der 1 für zwei verschiedene beispielhafte Lastfälle. 2a zeigt beispielhafte Einlegelinien des Verlegepfades (vp) für Kohlefasern als Funktionsfasern (ff) für einen beispielhaften, bestimmungsgemäßen Lastfall, der von einer beispielhaften Einspannung des beispielhaften Probekörpers an der linken Außenkante des Probekörpers und an der rechten Außenkante des Probekörpers ausgeht und eine beispielhafte Zugbelastung mit diesen Einspannungen unterstellt.
2b zeigt beispielhafte Einlegelinien des Verlegepfades (vp) für Kohlefasern als Funktionsfasern (ff) für einen beispielhaften bestimmungsgemäßen Lastfall, der von einer beispielhaften Einspannung des Probekörpers an der linken Außenkante des Probekörpers und einer beispielhaften Bolzenbelastung in der runden Öffnung in der Mitte des Probekörpers ausgeht. Auch der Fall der 2b unterstellt eine beispielhafte Zugbelastung mit der linksseitigen Einspannung und einer nach rechts gerichteten Bolzenbelastung im Loch des beispielhaften Probekörpers.
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Figuren 3 und 4
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Die 3 und 4 zeigt in analoger Weise zur 1 die eine beispielhafte Schichtenfolge bei der Einbettung von dicken Funktionsfasern (ff) in einen beispielhaften Probekörper als Werkstück. Die 3 und die 4 nummerieren die einzelnen Druckebenen mit arabischen Ziffern von 1 bis 12 in der Fertigungsreihenfolge (fr) durch. Die 3 und 4 zeigt die Herstellung eines Probekörpers für eine Lastproblemstellung analog zu 2a. Es ergeben sich beispielhafte Einlegelinien des Verlegepfades (vp) für Kohlefasern als Funktionsfasern (ff) für einen beispielhaften, bestimmungsgemäßen Lastfall, der von einer beispielhaften Einspannung des beispielhaften Probekörpers der 3 und 4 an der linken Außenkante des Probekörpers und an der rechten Außenkante des Probekörpers ausgeht und eine beispielhafte Zugbelastung mit diesen Einspannungen unterstellt.
Die im Folgenden von 1 bis 12 durchnummerierten Textabschnitte beschreiben die dargestellten und von 1 bis 12 durchnummerierten Druckebenen innerhalb des Ablaufs der Fertigungsreihenfolge (fr) der Druckebenen.
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Erste Druckebene 1
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Die mit 1 bezeichnete erste Druckebene entspricht der mit i nummerierten ersten Druckebene der 1. Der FDM-Drucker führt in dem Beispiel des beispielhaften Probekörpers der 3 und 4 den Infill der mit 1 bezeichneten ersten Druckebene als dichten Infill (infi_d) aus, da es sich in dem Beispiel um eine Außenfläche des Werkstücks handelt.
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Zweite Druckebene 2
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Die mit 2 bezeichnete zweite Druckebene entspricht der mit ii nummerierten zweiten Druckebene der 1. Der FDM-Drucker führt in dem Beispiel des beispielhaften Probekörpers der 3 und 4 den Infill der mit 2 bezeichneten zweiten Druckebene ebenfalls als dichten Infill (infi_d) aus, da in dem Beispiel die zweite Druckebene noch als zur Außenfläche des Werkstücks gehörend betrachtet wird. Der Infill der zweiten Druckebene ist bevorzugt anders ausgerichtet als der Infill der ersten Druckebene.
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Dritte Druckebene 3
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Die mit 3 bezeichnete dritte Druckebene entspricht der mit iii nummerierten dritten Druckebene der 1. Der FDM-Drucker führt in dem Beispiel des beispielhaften Probekörpers der 3 und 4 den Infill der mit 3 bezeichneten dritten Druckebene als groben Infill (infi_g) aus, da in dem Beispiel die dritte Druckebene nicht als zur Außenfläche des Werkstücks gehörend betrachtet wird, sondern als innere Druckfläche betrachtet wird. Der FDM-Drucker druckt den Perimeter, der später die senkrechte Außenfläche des Werkstücks bilden soll. Der Infill der dritten Druckebene ist bevorzugt anders ausgerichtet als der Infill der zweiten Druckebene.
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Die mit 4 bezeichnete vierte Druckebene entspricht keiner der Druckebenen der 1. Der FDM-Drucker führt in dem Beispiel des beispielhaften Probekörpers der 3 und 4 den Infill der mit 4 bezeichneten vierten Druckebene in Abhängigkeit von den Verlegepfaden (vp) der Funktionsfasern (ff) in der Verlegeebene aus. Die Verlegebene der Funktionsfasern (ff) ist in dem Beispiel der 3 und 4 die siebte Druckebene 7, die später hier beschrieben wird. Der FDM-Drucker führt den Infill der vierten Druckebene, wenn nichts anderes zutrifft, als groben Infill (infi_g) aus, da in dem Beispiel die vierte Druckebene nicht als zur Außenfläche des Werkstücks gehörend betrachtet wird, sondern als innere Druckfläche betrachtet wird. Der FDM-Drucker druckt den Perimeter, der später die senkrechte Außenfläche des Werkstücks bilden soll. In den Bereichen der vierten Druckebene jedoch, die in der Nähe der Verlegepfade (vp) der Funktionsfasern (ff) liegen, druckt der FDM-Drucker den Infill als dichten Infill (infi_d). Die Datenverarbeitungsanlage ermittelt diese Bereiche bei der Erstellung des Druckdatensatzes mittels einer Projektion der Verlegepfade (vp) der Funktionsfasern (ff) aus der Verlegeebene in diese Unterstützungsebene der vierten Druckebene. Eine solche Projektion eines Verlegepfades (vp) aus der Verlegeebene in die betreffende Druckebene bezeichnet diese Schrift als Verlegepfadprojektionslinie. Die Position einer solchen Verlegepfadprojektionslinie wird im Folgenden mit dem Bezugszeichen PVL markiert. Zumindest in den Bereichen mit einem jeweiligen Abstand von einer Verlegepfadprojektionslinie, der kleiner als ein erster Abstand a1 ist, führt der FDM-Drucker den Infill nicht als groben Infill (infi_g) sondern als dichten Infill (infi_d) aus. Dies hat den Zweck, eine maximal geschlossene Verbindungsfläche zwischen dem Material des Werkstücks und der Oberfläche der jeweiligen Funktionsfaser (ff), die der FDM-Drucker bei der Ausführung der nachfolgend hergestellten Verlegeebene einlegt, zu ermöglichen. Die vierte Druckebene ist eine Unterstützungsebene. Der Infill der vierten Druckebene ist bevorzugt anders ausgerichtet als der Infill der dritten Druckebene.
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Fünfter Druckebene 5 und zweite Unterstützungsebene
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Die mit 5 bezeichnete fünfte Druckebene entspricht ebenfalls keiner der Druckebenen der 1. Der FDM-Drucker führt in dem Beispiel des beispielhaften Probekörpers der 3 und 4 den Infill der mit 5 bezeichneten fünften Druckebene in Abhängigkeit von den Verlegepfaden (vp) der Funktionsfasern (ff) in der Verlegeebene aus. Die Verlegebene der Funktionsfasern (ff) ist in dem Beispiel der 3 und 4 die siebte Druckebene 7, die später hier beschrieben wird. Der FDM-Drucker führt den Infill der fünften Druckebene, wenn nichts anderes zutrifft, als groben Infill (infi_g) aus, da in dem Beispiel die fünfte Druckebene nicht als zur Außenfläche des Werkstücks gehörend betrachtet wird, sondern als innere Druckfläche betrachtet wird. Der FDM-Drucker druckt den Perimeter, der später die senkrechte Außenfläche des Werkstücks bilden soll. In den Bereichen der fünften Druckebene jedoch, die in der Nähe eines Verlegepfades (vp) einer Funktionsfasern (ff) liegen, druckt der FDM-Drucker den Infill als dichten Infill (infi_d). Die Datenverarbeitungsanlage ermittelt diese Bereiche bei der Erstellung des Druckdatensatzes mittels einer Projektion der Verlegepfade (vp) der Funktionsfasern (ff) aus der Verlegeebene in diese Unterstützungsebene der fünften Druckebene als Verlegepfadprojektionslinien. Die Position einer Verlegepfadprojektionslinie markiert diese Schrift mit dem Bezugszeichen PVL. Zumindest in den Bereichen mit einem Abstand von einer der Verlegepfadprojektionslinien, der kleiner als ein erster Abstand a1 ist, führt der FDM-Drucker den Infill in der fünften Druckebene nicht als groben Infill (infi_g) sondern als dichten Infill (infi_d) aus. Dies hat wieder den Zweck, eine maximal geschlossene Verbindungsfläche zwischen dem Material des Werkstücks und der Oberfläche der Funktionsfaser (ff), die der FDM-Drucker bei der Ausführung der nachfolgend hergestellten Verlegeebene einlegt, zu ermöglichen. Die fünfte Druckebene ist eine Unterstützungsebene. Der Infill der fünften Druckebene ist bevorzugt anders ausgerichtet als der Infill der vierten Druckebene.
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Sechste Druckebene 6 und erste unterstützende Verlegeebene
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Die mit 6 bezeichnete sechste Druckebene entspricht ebenfalls keiner der Druckebenen der 1. Der FDM-Drucker führt in dem Beispiel des beispielhaften Probekörpers der 3 und 4 den Infill der mit 6 bezeichneten sechsten Druckebene in Abhängigkeit von den Verlegepfaden (vp) der Funktionsfasern (ff) in der Verlegeebene aus. Die Verlegebene der Funktionsfasern (ff) ist in dem Beispiel der 3 und 4 die siebte Druckebene 7, die später hier beschrieben wird. Der FDM-Drucker führt den Infill der sechsten Druckebene, wenn nichts anderes zutrifft, als groben Infill (infi_g) aus, da in dem Beispiel die sechste Druckebene nicht als zur Außenfläche des Werkstücks gehörend betrachtet wird, sondern als innere Druckfläche betrachtet wird. Der FDM-Drucker druckt den Perimeter, der später die senkrechte Außenfläche des Werkstücks bilden soll. In den Bereichen der sechsten Druckebene jedoch, die in der Nähe eines Verlegepfads (vp) einer Funktionsfaser (ff) liegen, druckt der FDM-Drucker nun keinen Infill. Stattdessen berandet der FDM-Drucker diesen Bereich mit einem Perimeter (peri), der den groben Infill (infi_g) bzw. den äußeren Perimeter zur so gebildeten Nut (Nu) im Material des Werkstücks abgrenzt. Dieser innere Perimeter (peri) innerhalb des Werkstücks und die Nut (Nu) unterscheiden das Werkstück von Werkstücken aus dem Stand der Technik. Die Datenverarbeitungsanlage ermittelt diese Bereiche bei der Erstellung des Druckdatensatzes wieder mittels einer Projektion der Verlegepfade (vp) der Funktionsfasern (ff) aus der Verlegeebene in diese Unterstützungsebene der sechsten Druckebene als Verlegepfadprojektionslinien. Die Position dieser Verlegepfadprojektionslinie markiert diese Schrift mit dem Bezugszeichen PVL. Zumindest in den Bereichen mit Abständen von diesen Verlegepfadprojektionslinien, die kleiner als ein zweiter Abstand a2 sind, führt der FDM-Drucker keinen Infill in der sechsten Druckebene aus. In einem dritten Abstand a3 von den Verlegepfadprojektionslinien druckt der FDM-Drucker jeweils zwei innere Perimeter (peri) links und rechts der jeweiligen Verlegepfadprojektionslinie. Dies hat den Zweck, einen Vorrichtungsteil der Nuten (Nu) herzustellen, in die die Funktionsfasereinlegevorrichtung des FDM-Druckers die dicken Funktionsfasern (ff) einlegen kann. Die so gedruckten inneren Perimeter (peri) bilden später vor dem Einlegen der Funktionsfasern (ff) die Wände der Nuten (Nu). Die sechste Druckebene ist eine unterstützende Verlegeebene. Der Infill der sechsten Druckebene ist bevorzugt anders ausgerichtet als der Infill der fünften Druckebene.
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Siebte Druckebene und Verlegeebene
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Die mit 7 bezeichnete siebte Druckebene entspricht ebenfalls keiner der Druckebenen der 1. Die beispielhafte siebte Druckebene ist in dem Beispiel der 3 und 4 die Verlegeebene, bei deren Fertigung die Funktionsfasereinlegevorrichtung des FDM-Druckers die Funktionsfasern (ff) einlegt. Der FDM-Drucker führt in dem Beispiel des beispielhaften Probekörpers der 3 und 4 den Infill der mit 7 bezeichneten siebten Druckebene in Abhängigkeit von den Verlegepfaden (vp) der Funktionsfasern (ff) aus. Der FDM-Drucker führt den Infill der siebten Druckebene, wenn nichts anderes zutrifft, als groben Infill (infi_g) aus, da in dem Beispiel die siebte Druckebene nicht als zur Außenfläche des Werkstücks gehörend betrachtet wird, sondern als innere Druckfläche betrachtet wird. Der FDM-Drucker druckt den Perimeter, der später die senkrechte Außenfläche des Werkstücks bilden soll. In den Bereichen der siebten Druckebene jedoch, die in der Nähe eines Verlegepfads (vp) einer Funktionsfaser (ff) liegen, druckt der FDM-Drucker wieder keinen Infill. Stattdessen berandet der FDM-Drucker wiederum diesen Bereich mit einem Perimeter (peri), der den groben Infill (infi_g) bzw. den äußeren Perimeter zur so gebildeten Nut (Nu) im Material des Werkstücks abgrenzt. Dieser innere Perimeter (peri) innerhalb des Werkstücks und die Nut (Nu) unterscheiden wieder das Werkstück von Werkstücken aus dem Stand der Technik. Die Datenverarbeitungsanlage ermittelt diese Bereiche bei der Erstellung des Druckdatensatzes unter Verwendung der festgelegten Verlegepfade (vp) der Funktionsfasern (ff). Zumindest in den Bereichen mit Abständen von diesen Verlegepfaden (vp), die kleiner als ein zweiter Abstand a2 sind, führt der FDM-Drucker keinen Infill in der siebten Druckebene aus. In einem dritten Abstand a3 von den Verlegepfaden (vp) druckt der FDM-Drucker jeweils zwei Perimeter (peri) links und rechts des jeweiligen Verlegepfads (vp). Dies hat den Zweck, die obersten Vorrichtungsteile der Nuten (Nu) herzustellen. Die so gedruckten inneren Perimeter (peri) bilden später vor dem Einlegen der Funktionsfasern (ff) die Wände der Nuten (Nu). Nach Abschluss des FDM-Druckens der siebten Druckebene legt die Funktionsfasereinlegevorrichtung des FDM-Druckers die dicken Funktionsfasern (ff) in die so gebildeten Nuten (Nu) ein. Vorschlagsgemäß schmilzt die Funktionsfasereinlegevorrichtung dabei zumindest einen Teil der Nut-Wände und bevorzugt auch einen Teil des Nut-Bodens der Nuten (Nu) auf. Die Funktionsfasereinlegevorrichtung heizt dabei die jeweils einzulegende Funktionsfaser (ff) während des Einlegevorgangs der betreffenden Funktionsfaser (ff) mittels eines Heizkörpers auf. Die betreffende Funktionsfaser (ff) und die Heizkörper der Funktionsfasereinlegevorrichtung liefern dabei während des Einlegevorgangs der jeweils betreffenden Funktionsfaser (ff) die Wärmeenergie zum Aufschmelzen des Materials der Nut-Wände und des Nut-Bodens an die entsprechenden Positionen in der Nut (Nu). Mittels einer Vorschubeinrichtung legt die Funktionsfasereinlegevorrichtung dann die betreffende Funktionsfaser (ff) während ihres Einlegevorgangs in die Schmelze der Nut-Wände und des Nut-Bodens der Nut (Nu) ein. Die Oberfläche der betreffenden, einzulegenden Funktionsfaser (ff) ist dabei bevorzugt so behandelt, dass die Schmelze die Oberfläche der Funktionsfaser (ff) benetzt. Bevorzugt entspricht die Nutquerschnittsfläche (NuA) der Nut (Nu) der zugehörigen Funktionsfaserquerschnittsfläche (ffA) der in die zugehörige Nut (Nu) einzulegenden zugehörigen Funktionsfaser (ff). Die Nutquerschnittsfläche (NuA) der Nut (Nu) ergibt sich aus Nut-Tiefe mal Nut-Breite. Damit ergibt sich die Nutquerschnittsfläche (NuA) der Nut (Nu) aus der Dicke der Druckebenen mal der Summe der Anzahl der unterstützenden Verlegeebenen plus 1 mal der Nut-Breite. Bei richtiger Abstimmung von NutQuerschnittsfläche (NuA) und Funktionsfaserquerschnittsfläche (ffA) der Funktionsfaser (ff) ergibt sich eine optimale Ausbildung der Oberfläche der Verlegeebene nach Einlegung der Funktionsfasern (ff). Die siebte Druckebene ist in diesem Beispiel die Verlegeebene. Der Infill der siebten Druckebene ist bevorzugt anders ausgerichtet als der Infill der sechsten Druckebene.
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Achte Druckebene und erste Abdeckebene
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Die mit 8 bezeichnete achte Druckebene entspricht keiner der Druckebenen der 1. Der FDM-Drucker führt in dem Beispiel des beispielhaften Probekörpers der 3 und 4 den Infill der mit 8 bezeichneten achten Druckebene in Abhängigkeit von den Verlegepfaden (vp) der Funktionsfasern (ff) in der Verlegeebene aus. Die Verlegebene der Funktionsfasern (ff) ist in dem Beispiel der 3 und 4 die siebte Druckebene 7. Der FDM-Drucker führt den Infill der achten Druckebene, wenn nichts anderes zutrifft, als groben Infill (infi_g) aus, da in dem Beispiel die achte Druckebene nicht als zur Außenfläche des Werkstücks gehörend betrachtet wird, sondern als innere Druckfläche betrachtet wird. Der FDM-Drucker druckt den Perimeter, der später die senkrechte Außenfläche des Werkstücks bilden soll. In den Bereichen der achten Druckebene jedoch, die in der Nähe der Verlegepfade (vp) der Funktionsfasern (ff) liegen, druckt der FDM-Drucker den Infill als dichten Infill (infi_d). Die Datenverarbeitungsanlage ermittelt diese Bereiche bei der Erstellung des Druckdatensatzes mittels einer Projektion der Verlegepfade (vp) der Funktionsfasern (ff) aus der Verlegeebene in diese Abdeckebene der achten Druckebene. Eine solche Projektion eines Verlegepfades (vp) aus der Verlegeebene in die betreffende Druckebene bezeichnet diese Schrift als Verlegepfadprojektionslinie. Die Position einer solchen Verlegepfadprojektionslinie wird hier mit dem Bezugszeichen PVL markiert. Zumindest in den Bereichen mit einem jeweiligen Abstand von einer Verlegepfadprojektionslinie, der kleiner als ein vierter Abstand a4 ist, führt der FDM-Drucker den Infill nicht als groben Infill (infi_g) sondern als dichten Infill (infi_d) aus. Dies hat den Zweck, eine maximal geschlossene Verbindungsfläche zwischen dem Material des Werkstücks und der Oberfläche der jeweiligen Funktionsfaser (ff), die der FDM-Drucker bei der Ausführung der zuvor hergestellten Verlegeebene einlegt, zu ermöglichen. Die achte Druckebene ist eine Abdeckebene. Der Infill der achten Druckebene ist bevorzugt anders ausgerichtet als der Infill der siebten Druckebene.
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Neunte Druckebene und zweite Abdeckebene
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Die mit 9 bezeichnete neunte Druckebene entspricht keiner der Druckebenen der 1. Der FDM-Drucker führt in dem Beispiel des beispielhaften Probekörpers der 3 und 4 den Infill der mit 9 bezeichneten neunten Druckebene in Abhängigkeit von den Verlegepfaden (vp) der Funktionsfasern (ff) in der Verlegeebene aus. Die Verlegebene der Funktionsfasern (ff) ist in dem Beispiel der 3 und 4 die siebte Druckebene 7. Der FDM-Drucker führt den Infill der neunten Druckebene, wenn nichts anderes zutrifft, als groben Infill (infi_g) aus, da in dem Beispiel die neunte Druckebene nicht als zur Außenfläche des Werkstücks gehörend betrachtet wird, sondern als innere Druckfläche betrachtet wird. Der FDM-Drucker druckt den Perimeter, der später die senkrechte Außenfläche des Werkstücks bilden soll. In den Bereichen der achten Druckebene jedoch, die in der Nähe der Verlegepfade (vp) der Funktionsfasern (ff) liegen, druckt der FDM-Drucker den Infill als dichten Infill (infi_d). Die Datenverarbeitungsanlage ermittelt diese Bereiche bei der Erstellung des Druckdatensatzes mittels einer Projektion der Verlegepfade (vp) der Funktionsfasern (ff) aus der Verlegeebene in diese Abdeckebene der neunten Druckebene. Eine solche Projektion eines Verlegepfades (vp) aus der Verlegeebene in die betreffende Druckebene bezeichnet diese Schrift als Verlegepfadprojektionslinie. Die Position einer solchen Verlegepfadprojektionslinie wird hier mit dem Bezugszeichen PVL markiert. Zumindest in den Bereichen mit einem jeweiligen Abstand von einer Verlegepfadprojektionslinie, der kleiner als ein vierter Abstand a4 ist, führt der FDM-Drucker den Infill nicht als groben Infill (infi_g) sondern als dichten Infill (infi_d) aus. Dies hat den Zweck, eine maximal geschlossene Verbindungsfläche zwischen dem Material des Werkstücks und der Oberfläche der jeweiligen Funktionsfaser (ff), die der FDM-Drucker bei der Ausführung der zuvor hergestellten Verlegeebene einlegt, zu ermöglichen. Die neunte Druckebene ist eine Abdeckebene. Der Infill der neunten Druckebene ist bevorzugt anders ausgerichtet als der Infill der achten Druckebene.
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Zehnte Druckebene 10
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Die mit 10 bezeichnete zehnte Druckebene entspricht der mit x nummerierten zehnten Druckebene der 1. Der FDM-Drucker führt in dem Beispiel des beispielhaften Probekörpers der 3 und 4 den Infill der mit 10 bezeichneten zehnten Druckebene als groben Infill (infi_g) aus, da in dem Beispiel die zehnte Druckebene nicht als zur Außenfläche des Werkstücks gehörend betrachtet wird, sondern als innere Druckfläche betrachtet wird. Der FDM-Drucker druckt den Perimeter, der später die senkrechte Außenfläche des Werkstücks bilden soll. Der Infill der zehnten Druckebene ist bevorzugt anders ausgerichtet als der Infill der neunten Druckebene.
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Elfte Druckebene 11
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Die mit 11 bezeichnete elfte Druckebene entspricht der mit xi nummerierten elften Druckebene der 1. Der FDM-Drucker führt in dem Beispiel des beispielhaften Probekörpers der 3 und 4 den Infill der mit 11 bezeichneten elften Druckebene als dichten Infill (infi_d) aus, da in dem Beispiel die elfte Druckebene bereits als zur Außenfläche des Werkstücks gehörend betrachtet wird. Der Infill der elften Druckebene ist bevorzugt anders ausgerichtet als der Infill der zehnten Druckebene.
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Zwölfte Druckebene 12
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Die mit 12 bezeichnete zwölfte Druckebene entspricht der mit xii nummerierten zwölften Druckebene der 1. Der FDM-Drucker führt in dem Beispiel des beispielhaften Probekörpers der 3 und 4 den Infill der mit 12 bezeichneten zwölften Druckebene als dichten Infill (infi_d) aus, da es sich in dem Beispiel um eine Außenfläche des Werkstücks handelt. Der Infill der zwölften Druckebene ist bevorzugt anders ausgerichtet als der Infill der elften Druckebene
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Figuren 5 und 6
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Die 5 und 6 entsprechen den 3 und 4 mit dem Unterschied, dass die Verlegepfade (vp) der Funktionsfasern (ff) für einen anderen Lastfall optimiert sind. Der Unterschied des Lastfalls zwischen dem Lastfall der 3 und 4 einerseits und dem Lastfall der 5 und 6 andererseits entspricht dem Unterschied des Lastfalls zwischen dem Lastfall der 2a einerseits und dem Lastfall der 2b andererseits.
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Die 5 und 6 zeigt in analoger Weise zu den 3 und 4 die eine beispielhafte Schichtenfolge bei der Einbettung von dicken Funktionsfasern (ff) in einen beispielhaften Probekörper als Werkstück. Die 5 und die 6 nummerieren die einzelnen Druckebenen mit arabischen Ziffern von 1 bis 12 in der Fertigungsreihenfolge (fr) durch. Die 5 und 6 zeigt jedoch die Herstellung eines Probekörpers für eine Lastproblemstellung analog zu 2b. Es ergeben sich beispielhafte Einlegelinien des Verlegepfades (vp) für Kohlefasern als Funktionsfasern (ff) für einen beispielhaften, bestimmungsgemäßen Lastfall, der von einer beispielhaften Einspannung des Probekörpers an der linken Außenkante des Probekörpers und einer beispielhaften Bolzenbelastung in der runden Öffnung in der Mitte des Probekörpers ausgeht.
Da im Übrigen die Erläuterungen der verschiedenen Druckebenen 1 bis 12 der 3 bis 4 auch auf die von 1 bis 12 ebenfalls durchnummerierten Druckebenen 1 bis 12 der 5 und 6 zutreffen, verzichtet die hier vorgelegte Schrift auf die Wiederholung der entsprechenden Beschreibungen. Die Beschreibungen der Druckebenen 1 bis 12 der 3 und 4 treffen auf die korrespondieren Beschreibzungen der korrespondierenden Druckebenen 1 bis 12 der 5 und 6 ebenfalls zu.
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7
7 zeigt einen Ausschnitt aus einem Querschnitt durch einen beispielhaften Probekörper im Bereich einer Nut (Nu). Der Probekörper ist bis zur Verlegeebene, die hier ebenfalls die Druckebene 7 ist, gedruckt. Die Druckebenen sind analog zu den 3 bis 6 mit den arabischen Ziffern 1 bis 7 versehen. Diese arabischen Ziffern 1 bis 7 bezeichnen die Druckebenen 1 bis 7. Die entsprechenden Bezugszeichen 1 bis 7 sind mit einem weißen Rechteck in der 7 hinterlegt, um die Lesbarkeit zu verbessern. Die Beschreibungen der Druckebenen 1 bis 7 gelten auch hier in Bezug auf die Druckebenen 1 bis 7. Die Druckebenen unterscheiden sich von Druckebene zu Druckebene durch eine Änderung der Schraffurrichtung. Eine feine Schraffur steht für einen groben Infill (infi_g). Eine grobe Schraffur steht für einen dichten Infill (infi_d) (Englisch: solid infill). Zur besseren Übersicht sind entsprechende Hinweise in Form von Bezugszeichen (infi_d, infi_g) angebracht. Ein dicker schwarzer Punkt markiert die beispielhafte theoretische Position des Verlegepfads (vp) in der Verlegeebene, der siebten Druckebene (7). Längs der von der theoretischen Position des Verlegepfads (vp) ausgehenden Projektionsline erfolgt die Bemaßung der oben erwähnten Abstände relativ und senkrecht zu dieser Projektionslinie.
Der erste Abstand (a1) markiert den Abstand bis zu dem der FDM-Drucker von der Projektion des Verlegepfads (vp) von der theoretischen Position des Verlegepfads (vp) in der Verlegeebene, der Druckebene 7, auf die Unterstützungsebenen, hier die vierte Druckebene (4) und die fünfte Druckebene (5), statt eines groben Infills (infi_g) einen dichten Infill (infi_d) benutzt und so eine geschlossene Materialfläche erzeugt. In dem Beispiel der 7 führt der Drucker dies symmetrisch zur Projektion des Verlegepfads (vp) von der theoretischen Position des Verlegepfads (vp) aus gesehen aus.
Daher reicht die Angabe des ersten Abstands (a1) auf einer Seite der Projektion des Verlegepfads (vp).
Der zweite Abstand (a2) markiert den Bereich mit einem Abstand von der Verlegepfadprojektionslinie, der kleiner als der zweite Abstand a2 ist und in dem in der Verlegeebene, hier die Druckebene 7, und in den unterstützenden Verlegebenen, hier die Druckebene 6, der FDM-Drucker keinen Infill ausführt.
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Der Dritte Abstand a3 legt die Position fest, an der der FDM-Drucker in dem dritten Abstand a3 von den Verlegepfadprojektionslinien in den unterstützenden Verlegeebenen, hier nur die Druckebene 6, bzw. der Verlegeebene, hier die Druckebene 7, jeweils zwei Perimeter (peri) links und rechts der jeweiligen Verlegepfadprojektionslinie bzw. des Verlegepfads (vp) druckt, um die Nut (Nu) herzustellen. In die Nut (Nu) legt typischerweise anschließend die Fasereinlegevorrichtung des FDM-Druckers nach dem Drucken der Verlegeebene die Funktionsfaser (ff) ein. Die inneren Perimeter (peri) in dieser Figur, die die Wände der Nut (Nu) bilden und die Nut (Nu) selbst sowie der durch den dichten Infill (infi_d) der beiden Unterstützungsebenen, der Druckebenen 4 und 5, gebildete Nut-Boden unterscheiden das hier vorgestellte Verfahren vom Stand der Technik. Diese Schrift bezeichnet die in der 7 dargestellte Form der Nut (Nu) als U-Form.
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8 8 entspricht der 7 mit dem Unterschied, dass 8 die Situation der 7 nach dem zumindest teilweisen Aufschmelzen der Nut-Wände und des Nut-Bodens und nach dem Einlegen der Funktionsfaser (ff) in die Schmelze und nach dem anschließenden Erstarren der Schmelze zu einem Verfestigungsbereich (d) zeigt. Durch das vorschlagsgemäße Verfahren befindet sich die Oberkante der Funktionsfaser (ff) an einer tieferen Position, sodass eine Beschädigung der Funktionsfaser (ff) durch den Extruder des FDM-Druckers beim Drucken nachfolgender FDM-Druckebenen unwahrscheinlicher ist. Bevorzugt beträgt die Abweichung (fe) der Oberfläche des Werkstücks im Bereich der Nut (Nu) bezogen auf die Nut-Oberkante (Nuok) betragsmäßig weniger als 50% der Funktionsfaserdicke (ffd) der Funktionsfaser (ff). Besser beträgt die Abweichung (fe) der Oberfläche des Werkstücks im Bereich der Nut (Nu) bezogen auf die Nut-Oberkante (Nuok) betragsmäßig weniger als 25% der Funktionsfaserdicke (ffd) der Funktionsfaser (ff). Noch besser beträgt die Abweichung (fe) der Oberfläche des Werkstücks im Bereich der Nut (Nu) bezogen auf die Nut-Oberkante (Nuok) betragsmäßig weniger als 10% der Funktionsfaserdicke (ffd) der Funktionsfaser (ff). Wiederum besser beträgt die Abweichung (fe) der Oberfläche des Werkstücks im Bereich der Nut (Nu) bezogen auf die Nut-Oberkante (Nuok) betragsmäßig weniger als 5% der Funktionsfaserdicke (ffd) der Funktionsfaser (ff). Besser beträgt die Abweichung (fe) der Oberfläche des Werkstücks im Bereich der Nut (Nu) bezogen auf die Nut-Oberkante (Nuok) betragsmäßig weniger als 2,5% der Funktionsfaserdicke (ffd) der Funktionsfaser (ff). Noch besser beträgt die Abweichung (fe) der Oberfläche des Werkstücks im Bereich der Nut (Nu) bezogen auf die Nut-Oberkante (Nuok) betragsmäßig weniger als 1% der Funktionsfaserdicke (ffd) der Funktionsfaser (ff).
Unter diesen Voraussetzungen schließt dann die Oberfläche des Verfestigungsbereiches (d) im Wesentlichen mit der Nut-Oberkante (Nuok) der Nut (Nu) ab. Die nachfolgenden Schichten werden dann durch die Funktionsfaser (ff) wesentlich weniger gestört. Bevorzugt sollte natürlich die Funktionsfaser (ff) nicht über dir Oberkante der Nut (Nok) hinausreichen und die Nut (Nu) durch das Material der Funktionsfaser (ff) vollständig ausgefüllt sein, sodass auch keine Vertiefung entsteht. Auch soll keine Schmelze aus der Nut (Nu) durch die Funktionsfaser (ff) herausgepresst werden. Im Idealfall sollte daher die Nutquerschnittsfläche (NuA) der Nut (Nu) der Funktionsfaserquerschnittsfläche (ffA) der Funktionsfaser (ff) entsprechen. Bevorzugt wird also die Nut-Tiefe (Nud) der Nut (Nu) einerseits der Funktionsfaserdicke (ffd) der Funktionsfaser (ff) andererseits entsprechen, während die Breite der Nut (Nu) an die Funktionsfaserquerschnittsfläche (ffA) der Funktionsfaser (ff) angepasst ist. Wird dann die Funktionsfaser (ff) in die Schmelze des Nut-Materials eingelegt, so stellt sich typischerweise eine ebene Fläche beim Erstarren zu einem Verfestigungsbereich ein. Dies ist aus dem benannten Stand der Technik nicht bekannt. In der Realität zeigt die Oberfläche zwar noch eine gewisse Rauhigkeit, diese ist aber signifikant minimiert. Die Oberfläche des Werkstücks wird im Bereich der Nut (Nu) durch die Oberfläche des Verfestigungsbereiches (d) der erstarrten Schmelze und ggf. die Oberfläche der Funktionsfaser (ff) gebildet, wenn diese Oberfläche der Funktionsfaser (ff) aus der Schmelze herausschaut, was vermeiden werden soll.
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9
9 entspricht der 8 mit dem Unterschied, dass 9 die Situation der 8 nach dem aufbringen einer ersten Abdeckschicht, der achten Druckebene (8), und einer zweiten Abdeckschicht, der neunten Druckebene (9), zeigt. Außerdem ist in 9 bereits die zehnte Druckebene (10) aufgebracht, die in dem Beispiel der 3 bis 6 flächendeckend einen groben Infill (infi_g) zeigt. Ein dicker schwarzer Punkt markiert die ursprüngliche beispielhafte theoretische Position des Verlegepfads (vp) in der Verlegeebene, der siebten Druckebene (7). Längs der von der theoretischen Position des Verlegepfads (vp) nach oben und unten ausgehenden Projektionsline erfolgt die Bemaßung der oben erwähnten Abstände relativ und senkrecht zu dieser Projektionslinie.
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Der vierte Abstand (a4) markiert nun den Abstand bis zu dem der FDM-Drucker von der Projektion des Verlegepfads (vp) von der theoretischen Position des Verlegepfads (vp) in der Verlegeebene, der siebten Druckebene (7), auf die Abdeckebenen, hier die achte Druckebene (8) und die neunte Druckebene (9), statt eines groben Infills (infi_g) einen dichten Infill (infi_d) benutzt und so eine geschlossene Materialfläche erzeugt. In dem Beispiel der 9 führt der Drucker dies symmetrisch zur Projektion des Verlegepfads (vp) von der theoretischen Position des Verlegepfads (vp) aus gesehen aus. Daher reicht auch hier die Angabe des vierten Abstands (a4) auf einer Seite der Projektion des Verlegepfads (vp).
Wie leicht zu erkennen ist, ist die Schwerpunktslinie der Funktionsfaser (ff) gegenüber dem dicken schwarzer Punkt, der die ursprüngliche beispielhafte theoretische Position des Verlegepfads (vp) in der Verlegeebene, der siebten Druckebene (7), markiert, abgesunken.
Bevorzugt kühlt der FDM-Drucker das extruduierte Material beim Drucken des dichten Infills (infi_d) der Abdeckungsbereiche in der ersten Abdeckungsebene, hier der achten Druckebene (8), weniger. Hierdurch ist das extrudierte Material während des Absetzvorgangs weniger viskos und kann die nach dem Einlegen der Funktionsfasern (ff) verbliebenen Ungleichheiten der Oberfläche der Verlegeebene besser ausgleichen. Außerdem führt dies zu einer besseren Verbindung der Oberfläche des extrudierten Materials in diesem Bereich mit der Funktionsfaser (ff).
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10
10 zeigt eine alternative Form einer Nut (Nu) vor dem Einlegen der Funktionsfaser (ff). Ein Nutteiler (NuT) teilt die Nut (Nu) zumindest teilweise in eine erste Teilnut (Nu1) und eine zweite Teilnut (Nu3). Während des Einlegevorgangs trifft die heiße Funktionsfaser (ff) auf den Nutteiler und schmilzt diesen auf. Hierdurch kann diese relativ früh im Einlegevorgang entstehende Schmelze des Nutteilers die erste Teilnut (Nu1) und die zweite Teilnut (Nu2) fluten und so für eine innige Verbindung zwischen Funktionsfaser (ff) und Nutboden sorgen. In dem Beispiel der 10 reicht der Nut-Teiler (NuT) nicht bis zur Verlegeebene, hier der siebten Druckebene (7). Daher ist der Querschnitt der Nut (Nu) π-förmig. Eine solche Nut (Nu) ist im Sinne dieser Schrift eine π-Nut.
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11
11 stellt eine Extremform der Nut (Nu) der 10 dar, da der Nut-Teiler (NuT) bis in die Verlegeebene, hie die siebte Druckebene (7), reicht. Daher teilt der Nut-Teiler (NuT) die Nut vollständig in eine erste Teilnut (Nu1) und eine zweite Teilnut (Nu2). Eine solche Nut (Nu) ist im Sinne dieser Schrift eine II-Nut.
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12
12 zeigt wieder eine U-Nut wie die 7. Allerdings ist die Tiefe der U-Nut um die Dicke einer Druckebene erhöht. Die Verlegeebene in diesem Beispiel ist dann die achte Druckebene (8) statt wie bisher die siebte Druckebene (7). Statt nur einer unterstützenden Verlegeebene, der sechsten Druckebene (6), in 7 weist der Querschnitt der 12 zwei unterstützende Druckebenen, die sechste Druckebene (6) und die siebte Druckebene (7), auf.
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13
13 entspricht dem Bild der Druckebene 7 in 6. 13 zeigt die zu druckenden Perimeter (peri) und die zu druckenden Bereiche, die der FDM-Drucke mit einem groben Infill (infi_g) füllt. Bevorzugt legt die Datenverarbeitungsanlage den Verlegepfad (vp) der Funktionsfasern (ff) so fest, dass bevorzugt die Enden der Funktionsfasern (FF) jeweils einen ersten Mindestabstand (b) zum nächstgelegenen Perimeter (peri) nicht unterschreiten. Dies verhindert ein ungewolltes Austreten der Enden der Funktionsfaser (ff) oder von Bestandteilen der Funktionsfaser (ff) am Ende der Funktionsfasern (ff) aus dem Werkstück.
Des Weiteren legt bevorzugt die Datenverarbeitungsanlage den Verlegepfad (vp) der Funktionsfasern (ff) so fest, dass bevorzugt der Abstand (r) senkrecht zum Verlegepfad (vp) der Funktionsfaser (ff) zum nächstgelegenen Perimeter (peri) einen zweiten Mindestabstand (r) zum nächstgelegenen Perimeter (peri) nicht unterschreiten. Dies verhindert ein ungewolltes Austreten der Enden der Funktionsfaser (ff) oder von Bestandteilen der Funktionsfaser (ff) aus den Seitenflächen des Werkstücks.
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14
14 zeigt einen gegenüber dem Verlegepfad (vp) einer Funktionsfaser (ff) beispielhaft um eine Abweichung (s) bereichsweise versetzen Funktionsfasereinlegewerkzeugpfad (ffewp). Dies hat den Vorteil, dass dies das gezielte lokale verändern der mechanischen Spannung der Funktionsfaser (ff) ermöglicht.
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Schluss bemerkungen
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Die obige Beschreibung erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit und beschränkt diese Offenbarung nicht auf die gezeigten Beispiele. Andere Variationen zu den offengelegten Beispielen können von denjenigen, die über gewöhnliche Fachkenntnisse auf dem Gebiet verfügen, anhand der Zeichnungen, der Offenbarung und der Ansprüche verstanden und ausgeführt werden. Die unbestimmten Artikel „ein“ oder „eine“ und dessen Flexionen schließen eine Vielzahl nicht aus, während die Erwähnung einer bestimmten Anzahl von Elementen nicht die Möglichkeit ausschließt, dass mehr oder weniger Elemente vorhanden sind. Eine einzige Einheit kann die Funktionen mehrerer in der Offenbarung genannter Elemente erfüllen, und umgekehrt können mehrere Elemente die Funktion einer Einheit erfüllen. Zahlreiche Alternativen, Äquivalente, Variationen und Kombinationen sind möglich, ohne dass der Anwendungsbereich der vorliegenden Offenbarung verlassen wird.
Soweit nichts anders angegeben ist, können sämtliche Merkmale der vorliegenden Erfindung frei miteinander kombiniert werden. Dies betrifft die gesamte hier vorgelegte Schrift. Auch die in der Figurenbeschreibung beschriebenen Merkmale können, soweit nichts anderes angegeben ist, als Merkmale der Erfindung frei mit den übrigen Merkmalen kombiniert werden. Eine Beschränkung einzelner Merkmale der Ausführungsbeispiele auf die Kombination mit anderen Merkmalen der Ausführungsbeispiele ist dabei ausdrücklich nicht vorgesehen. Außerdem können gegenständliche Merkmale der Vorrichtung umformuliert auch als Verfahrensmerkmale Verwendung finden und Verfahrensmerkmale umformuliert als gegenständliche Merkmale der Vorrichtung. Eine solche Umformulierung ist somit automatisch mit offenbart.
In der vorausgehenden detaillierten Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen verwiesen. Die Beispiele in der Beschreibung und den Zeichnungen sollten als illustrativ betrachtet werden und sind nicht als einschränkend für das beschriebene spezifische Beispiel oder Element zu betrachten. Aus der vorausgehenden Beschreibung und/oder den Zeichnungen und/oder den Ansprüchen können durch Abänderung, Kombination oder Variation bestimmter Elemente mehrere Beispiele abgeleitet werden. Darüber hinaus können Beispiele oder Elemente, die nicht wörtlich beschrieben sind, von einer fachkundigen Person aus der Beschreibung und/oder den Zeichnungen abgeleitet werden. Merkmale, die an unterschiedlichen Stellen in diesem Dokument offenbart sind, können miteinander kombiniert werden, sofern diese Kombination sinnvoll ist. Auch wenn an den entsprechenden Stellen in diesem Text zu Verfahren und Verfahrensschritten keine Vorrichtung offenbart sein sollte, die diesen Verfahrensschritt durchführt, so ist in dieser Schrift hiermit eine Vorrichtung und/oder ein Vorrichtungsteil offenbart, der diesen Verfahrensschritt ausführen kann. Dieser Vorrichtungsteil kann mit anderen Vorrichtungen und/oder Vorrichtungsteilen kombiniert werden, wenn dies sinnvoll ist. Den Funktionen der iin dieser Schrift offenbarten Vorrichtungen und Vorrichtungsteilen entsprechen Verfahrensschritte, die diese Vorrichtungsteile durchführen. Diese Verfahrensschritte können untereinander und mit Verfahrensschritten zu Verfahren kombiniert werden. Solche Verfahren sind ausdrücklicher Teil der Offenbarung.
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Bezugszeichenliste
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Arabische Ziffern
- 1
- erste Druckebene. Die erste Druckebene entspricht der mit i nummerierten ersten Druckebene der 1. Der FDM-Drucker führt in dem Beispiel des beispielhaften Probekörpers der 3 und 4 den Infill der ersten Druckebene als dichten Infill (infi_d) aus, da es sich in dem Beispiel um eine Außenfläche des Werkstücks handelt.
- 2
- zweite Druckebene. Die zweite Druckebene entspricht der mit ii nummerierten zweiten Druckebene der 1. Der FDM-Drucker führt in dem Beispiel des beispielhaften Probekörpers der 3 und 4 den Infill der zweiten Druckebene ebenfalls als dichten Infill (infi_d) aus, da in dem Beispiel die zweite Druckebene noch als zur Außenfläche des Werkstücks gehörend betrachtet wird. Der Infill der zweiten Druckebene ist bevorzugt anders ausgerichtet als der Infill der ersten Druckebene 1.
- 3
- dritte Druckebene. Die dritte Druckebene entspricht der mit iii nummerierten dritten Druckebene der 1. Der FDM-Drucker führt in dem Beispiel des beispielhaften Probekörpers der 3 und 4 den Infill der dritten Druckebene als groben Infill (infi_g) aus, da in dem Beispiel die dritte Druckebene nicht als zur Außenfläche des Werkstücks gehörend betrachtet wird, sondern als innere Druckfläche betrachtet wird. Der FDM-Drucker druckt den Perimeter, der später die senkrechte Außenfläche des Werkstücks bilden soll. Der Infill der dritten Druckebene ist bevorzugt anders ausgerichtet als der Infill der zweiten Druckebene.
- 4
- vierte Druckebene und erste Unterstützungsebene. Die mit 4 bezeichnete vierte Druckebene entspricht keiner der Druckebenen der 1. Die vierte Druckebene ist in dem Beispiel der 3 und 4 die erste Unterstützungsebene. Der FDM-Drucker führt in dem Beispiel des beispielhaften Probekörpers der 3 und 4 den Infill vierten Druckebene in Abhängigkeit von den Verlegepfaden (vp) der Funktionsfasern (ff) in der Verlegeebene 7 aus. Der FDM-Drucker führt den Infill der vierten Druckebene, wenn nichts anderes zutrifft, als groben Infill (infi_g) aus, da in dem Beispiel die vierte Druckebene nicht als zur Außenfläche des Werkstücks gehörend betrachtet wird, sondern als innere Druckfläche betrachtet wird. Der FDM-Drucker druckt den Perimeter, der später die senkrechte Außenfläche des Werkstücks bilden soll. In den Bereichen der vierten Druckebene jedoch, die in der Nähe der Verlegepfade (vp) der Funktionsfasern (ff) liegen, druckt der FDM-Drucker den Infill als dichten Infill (infi_d). Zumindest in den Bereichen mit einem jeweiligen Abstand von einer Verlegepfadprojektionslinie, der kleiner als ein erster Abstand a1 ist, führt der FDM-Drucker den Infill nicht als groben Infill (infi_g) sondern als dichten Infill (infi_d) aus. Die vierte Druckebene ist eine Unterstützungsebene. Der Infill der vierten Druckebene ist bevorzugt anders ausgerichtet als der Infill der dritten Druckebene.
- 5
- fünfte Druckebene und zweite Unterstützungsebene. Die mit 5 bezeichnete fünfte Druckebene entspricht keiner der Druckebenen der 1. Die fünfte Druckebene ist in dem Beispiel der 3 und 4 die zweite Unterstützungsebene. Der FDM-Drucker führt in dem Beispiel des beispielhaften Probekörpers der 3 und 4 den Infill fünften Druckebene in Abhängigkeit von den Verlegepfaden (vp) der Funktionsfasern (ff) in der Verlegeebene 7 aus. Der FDM-Drucker führt den Infill der fünften Druckebene, wenn nichts anderes zutrifft, als groben Infill (infi_g) aus, da in dem Beispiel die fünfte Druckebene nicht als zur Außenfläche des Werkstücks gehörend betrachtet wird, sondern als innere Druckfläche betrachtet wird. Der FDM-Drucker druckt den Perimeter, der später die senkrechte Außenfläche des Werkstücks bilden soll. In den Bereichen der fünften Druckebene jedoch, die in der Nähe der Verlegepfade (vp) der Funktionsfasern (ff) liegen, druckt der FDM-Drucker den Infill als dichten Infill (infi_d). Zumindest in den Bereichen mit einem jeweiligen Abstand von einer Verlegepfadprojektionslinie, der kleiner als ein erster Abstand a1 ist, führt der FDM-Drucker den Infill nicht als groben Infill (infi_g) sondern als dichten Infill (infi_d) aus. Die fünfte Druckebene ist eine Unterstützungsebene. Der Infill der fünften Druckebene ist bevorzugt anders ausgerichtet als der Infill der vierten Druckebene.
- 6
- sechste Druckebene und erste unterstützende Verlegeebene. Die mit 6 bezeichnete sechste Druckebene entspricht ebenfalls keiner der Druckebenen der 1. Der FDM-Drucker führt in dem Beispiel des beispielhaften Probekörpers der 3 und 4 den Infill der sechsten Druckebene in Abhängigkeit von den Verlegepfaden (vp) der Funktionsfasern (ff) in der Verlegeebene 7 aus. Die sechste Druckebene ist in dem Beispiel der 3 und 4 die erste unterstützende Verlegeebene. Der FDM-Drucker führt den Infill der sechsten Druckebene, wenn nichts anderes zutrifft, als groben Infill (infi_g) aus, da in dem Beispiel die sechste Druckebene nicht als zur Außenfläche des Werkstücks gehörend betrachtet wird, sondern als innere Druckfläche betrachtet wird. Der FDM-Drucker druckt den Perimeter, der später die senkrechte Außenfläche des Werkstücks bilden soll. In den Bereichen der sechsten Druckebene jedoch, die in der Nähe eines Verlegepfads (vp) einer Funktionsfaser (ff) liegen, druckt der FDM-Drucker keinen Infill. Stattdessen berandet der FDM-Drucker diesen Bereich mit einem Perimeter (peri), der den groben Infill (infi_g) bzw. den äußeren Perimeter zur so gebildeten Nut (Nu) im Material des Werkstücks abgrenzt. Dieser innere Perimeter (peri) innerhalb des Werkstücks und die Nut (Nu) unterscheiden das Werkstück von Werkstücken aus dem Stand der Technik. Zumindest in den Bereichen mit Abständen von den Verlegepfadprojektionslinien, die kleiner als ein zweiter Abstand a2 sind, führt der FDM-Drucker keinen Infill in der sechsten Druckebene aus. In einem dritten Abstand a3 von den Verlegepfadprojektionslinien druckt der FDM-Drucker jeweils zwei innere Perimeter (peri) links und rechts der jeweiligen Verlegepfadprojektionslinie. Dies hat den Zweck, einen Vorrichtungsteil der Nuten (Nu) herzustellen, in die die Funktionsfasereinlegevorrichtung des FDM-Druckers die dicken Funktionsfasern (ff) einlegen kann. Die so gedruckten inneren Perimeter (peri) bilden später vor dem Einlegen der Funktionsfasern (ff) die Wände der Nuten (Nu). Die sechste Druckebene ist eine unterstützende Verlegeebene. Der Infill der sechsten Druckebene ist bevorzugt anders ausgerichtet als der Infill der fünften Druckebene.
- 7
- siebte Druckebene und Verlegeebene. Die siebte Druckebene entspricht ebenfalls keiner der Druckebenen der 1. Die beispielhafte siebte Druckebene ist in dem Beispiel der 3 und 4 die Verlegeebene, bei deren Fertigung die Funktionsfasereinlegevorrichtung des FDM-Druckers die Funktionsfasern (ff) einlegt. Der FDM-Drucker führt in dem Beispiel des beispielhaften Probekörpers der 3 und 4 den Infill der siebten Druckebene in Abhängigkeit von den Verlegepfaden (vp) der Funktionsfasern (ff) aus. Der FDM-Drucker führt den Infill der siebten Druckebene, wenn nichts anderes zutrifft, als groben Infill (infi_g) aus, da in dem Beispiel die siebte Druckebene nicht als zur Außenfläche des Werkstücks gehörend betrachtet wird, sondern als innere Druckfläche betrachtet wird. Der FDM-Drucker druckt den Perimeter (peri), der später die senkrechte Außenfläche des Werkstücks bilden soll. In den Bereichen der siebten Druckebene jedoch, die in der Nähe eines Verlegepfads (vp) einer Funktionsfaser (ff) liegen, druckt der FDM-Drucker wieder keinen Infill. Stattdessen berandet der FDM-Drucker wiederum diesen Bereich mit einem inneren Perimeter (peri), der den groben Infill (infi_g) bzw. den äußeren Perimeter zur so gebildeten Nut (Nu) im Material des Werkstücks abgrenzt. Dieser innere Perimeter (peri) innerhalb des Werkstücks und die Nut (Nu) unterscheiden wieder das Werkstück von Werkstücken aus dem Stand der Technik. Zumindest in den Bereichen mit Abständen von den Verlegepfaden (vp), die kleiner als ein zweiter Abstand a2 sind, führt der FDM-Drucker keinen Infill in der siebten Druckebene aus. In einem dritten Abstand a3 von den Verlegepfaden (vp) druckt der FDM-Drucker jeweils zwei innere Perimeter (peri) links und rechts des jeweiligen Verlegepfads (vp). Dies hat den Zweck, die obersten Vorrichtungsteile der Nuten (Nu) herzustellen. Die so gedruckten inneren Perimeter (peri) bilden später vor dem Einlegen der Funktionsfasern (ff) die Wände der Nuten (Nu). Nach Abschluss des FDM-Druckens der siebten Druckebene legt die Funktionsfasereinlegevorrichtung des FDM-Druckers die dicken Funktionsfasern (ff) in die so gebildeten Nuten (Nu) ein. Vorschlagsgemäß schmilzt die Funktionsfasereinlegevorrichtung dabei zumindest einen Teil der Wände und bevorzugt auch einen Teil des Bodens der Nuten (Nu) auf. Die Funktionsfasereinlegevorrichtung heizt dabei die jeweils einzulegende Funktionsfaser (ff) während des Einlegevorgangs der betreffenden Funktionsfaser (ff) mittels eines Heizkörpers auf. Die betreffende Funktionsfaser (ff) und die Heizkörper der Funktionsfasereinlegevorrichtung liefern dabei während des Einlegevorgangs der jeweils betreffenden Funktionsfaser (ff) die Wärmeenergie zum Aufschmelzen des Materials der Nut-Wände der Nut (Nu) und des Nut-Bodens der Nut (Nu) an die entsprechenden Positionen in der Nut (Nu). Mittels einer Vorschubeinrichtung legt die Funktionsfasereinlegevorrichtung dann die betreffende Funktionsfaser (ff) während ihres Einlegevorgangs in die Schmelze der Nut-Wände und des Nut-Bodens der Nut (Nu) ein. Die siebte Druckebene ist in diesem Beispiel die Verlegeebene. Der Infill der siebten Druckebene ist bevorzugt anders ausgerichtet als der Infill der sechsten Druckebene.
- 8
- achte Druckebene und erste Abdeckebene. Die mit 8 bezeichnete achte Druckebene entspricht keiner der Druckebenen der 1. Die achte Druckebene ist in dem Beispiel der 3 und 4 die erste Abdeckebene. Der FDM-Drucker führt in dem Beispiel des beispielhaften Probekörpers der 3 und 4 den Infill der achten Druckebene in Abhängigkeit von den Verlegepfaden (vp) der Funktionsfasern in der Verlegeebene 7 aus. Der FDM-Drucker führt den Infill der achten Druckebene, wenn nichts anderes zutrifft, als groben Infill (infi_g) aus, da in dem Beispiel die achte Druckebene nicht als zur Außenfläche des Werkstücks gehörend betrachtet wird, sondern als innere Druckfläche betrachtet wird. Der FDM-Drucker druckt den Perimeter, der später die senkrechte Außenfläche des Werkstücks bilden soll. In den Bereichen der achten Druckebene jedoch, die in der Nähe der Verlegepfade (vp) der Funktionsfasern (ff) liegen, druckt der FDM-Drucker den Infill als dichten Infill (infi_d). Zumindest in den Bereichen mit einem jeweiligen Abstand von einer Verlegepfadprojektionslinie, der kleiner als ein vierter Abstand a4 ist, führt der FDM-Drucker den Infill nicht als groben Infill (infi_g) sondern als dichten Infill (infi_d) aus. Die achte Druckebene ist eine Abdeckebene. Der Infill der achten Druckebene ist bevorzugt anders ausgerichtet als der Infill der siebten Druckebene.
- 9
- neunte Druckebene und zweite Abdeckebene. Die mit 9 bezeichnete neunte Druckebene entspricht keiner der Druckebenen der 1. Die neunte Druckebene ist in dem Beispiel der 3 und 4 die zweite Abdeckebene. Der FDM-Drucker führt in dem Beispiel des beispielhaften Probekörpers der 3 und 4 den Infill der neunten Druckebene in Abhängigkeit von den Verlegepfaden (vp) der Funktionsfasern (ff) in der Verlegeebene 7 aus. Der FDM-Drucker führt den Infill der neunten Druckebene, wenn nichts anderes zutrifft, als groben Infill (infi_g) aus, da in dem Beispiel die neunte Druckebene nicht als zur Außenfläche des Werkstücks gehörend betrachtet wird, sondern als innere Druckfläche betrachtet wird. Der FDM-Drucker druckt den Perimeter, der später die senkrechte Außenfläche des Werkstücks bilden soll. In den Bereichen der neunten Druckebene jedoch, die in der Nähe der Verlegepfade (vp) der Funktionsfasern (ff) liegen, druckt der FDM-Drucker den Infill als dichten Infill (infi_d). Zumindest in den Bereichen mit einem jeweiligen Abstand von einer Verlegepfadprojektionslinie, der kleiner als ein vierter Abstand a4 ist, führt der FDM-Drucker den Infill nicht als groben Infill (infi_g) sondern als dichten Infill (infi_d) aus. Die neunte Druckebene ist eine Abdeckebene. Der Infill der neunten Druckebene ist bevorzugt anders ausgerichtet als der Infill der achten Druckebene.
- 10
- zehnte Druckebene. Die zehnte Druckebene entspricht der mit x nummerierten zehnten Druckebene der 1. Der FDM-Drucker führt in dem Beispiel des beispielhaften Probekörpers der 3 und 4 den Infill der zehnten Druckebene als groben Infill (infi_g) aus, da in dem Beispiel die zehnte Druckebene nicht als zur Außenfläche des Werkstücks gehörend betrachtet wird, sondern als innere Druckfläche betrachtet wird. Der FDM-Drucker druckt den Perimeter, der später die senkrechte Außenfläche des Werkstücks bilden soll. Der Infill der zehnten Druckebene ist bevorzugt anders ausgerichtet als der Infill der neunten Druckebene.
- 11
- elfte Druckebene. Die elfte Druckebene entspricht der mit xi nummerierten elften Druckebene der 1. Der FDM-Drucker führt in dem Beispiel des beispielhaften Probekörpers der 3 und 4 den Infill der mit 11 bezeichneten elften Druckebene als dichten Infill (infi_d) aus, da in dem Beispiel die elfte Druckebene bereits als zur Außenfläche des Werkstücks gehörend betrachtet wird. Der Infill der elften Druckebene ist bevorzugt anders ausgerichtet als der Infill der zehnten Druckebene.
- 12
- zwölfte Druckebene. Die zwölfte Druckebene entspricht der mit xii nummerierten zwölften Druckebene der 1. Der FDM-Drucker führt in dem Beispiel des beispielhaften Probekörpers der 3 und 4 den Infill der mit 12 bezeichneten zwölften Druckebene als dichten Infill (infi_d) aus, da es sich in dem Beispiel um eine Außenfläche des Werkstücks handelt. Der Infill der zwölften Druckebene ist bevorzugt anders ausgerichtet als der Infill der elften Druckebene
-
Römische Ziffern
- i
- unterste oder erste Schicht der ersten Druckebene. Die erste Schicht ist in dem Beispiel der 1 eine Außenschicht, die daher der FDM-Drucker mit einem dichten Infill (infi_d) druckt;
- ii
- zweite Schicht der zweiten Druckebene. Die zweite Schicht in dem Beispiel der 1 dieser Schrift auch als eine Außenschicht, die daher der FDM-Drucker mit einem dichten Infill (infi_d) druckt;
- iii
- dritte Schicht der dritten Druckebene. Die dritte Schicht gilt in dem Beispiel der 1 dieser Schrift nicht als eine Außenschicht, sondern als eine innen liegende Schicht, die daher der FDM-Drucker mit einem groben Infill (infi_g) druckt;
- iv
- vierte Schicht der vierten Druckebene. Die vierte Schicht gilt in dem Beispiel der 1 dieser Schrift nicht als eine Außenschicht, sondern als eine innen liegende Schicht, die daher der FDM-Drucker mit einem groben Infill (infi_g) druckt;
- v
- fünfte Schicht der fünften Druckebene. Die fünfte Schicht gilt in dem Beispiel der 1 dieser Schrift nicht als eine Außenschicht, sondern als eine innen liegende Schicht, die daher der FDM-Drucker mit einem groben Infill (infi_g) druckt;
- vi
- sechste Schicht der sechste Druckebene. Die sechste Schicht gilt in dem Beispiel der 1 dieser Schrift nicht als eine Außenschicht oder als eine innen liegende Schicht, sondern als Schicht der Verlegeebene, die daher der FDM-Drucker mit einem dichten Infill (infi_d) entsprechend der technischen Lehre der DE 10 2021 100 590.6 druckt;
- vib
- gemäß der technischen Lehre der DE 10 2021 100 590.6 legt die Funktionsfasereinlegevorrichtung die Funktionsfaser (ff) in das Material der Schicht der Verlegeebene ein.
- vii
- siebte Schicht der siebten Druckebene. Die siebte Schicht gilt in dem Beispiel der 1 dieser Schrift nicht als eine Außenschicht oder als eine innen liegende Schicht und nicht als Schicht der Verlegeebene, sondern als Schicht einer Abdeckebene, die daher der FDM-Drucker mit einem dichten Infill (infi_d) entsprechend der technischen Lehre der DE 10 2021 100 590.6 druckt;
- viii
- achte Schicht der achten Druckebene. Die achte Schicht gilt in dem Beispiel der 1 dieser Schrift nicht als eine Außenschicht, sondern als eine innen liegende Schicht, die daher der FDM-Drucker mit einem groben Infill (infi_g) druckt;
- ix
- neunte Schicht der neunten Druckebene. Die neunte Schicht gilt in dem Beispiel der 1 dieser Schrift nicht als eine Außenschicht, sondern als eine innen liegende Schicht, die daher der FDM-Drucker mit einem groben Infill (infi_g) druckt;
- x
- zehnte Schicht der zehnten Druckebene. Die zehnte Schicht gilt in dem Beispiel der 1 dieser Schrift nicht als eine Außenschicht, sondern als eine innen liegende Schicht, die daher der FDM-Drucker mit einem groben Infill (infi_g) druckt;
- xi
- elfte Schicht der elften Druckebene. Die elfte Schicht gilt in dem Beispiel der 1 dieser Schrift auch als eine Außenschicht, die daher der FDM-Drucker mit einem dichten Infill (infi_d) druckt;
- xii
- zwölfte Schicht der zwölften Druckebene. Die zwölfte Schicht ist in dem Beispiel der 1 eine Außenschicht, die daher der FDM-Drucker mit einem dichten Infill (infi_d) druckt;
-
Buchstabenkombinationen
- a1
- erster Abstand. Der erste Abstand ist der Abstand bis zu dem der FDM-Drucker von der Projektion des Verlegepfads (vp) von der Verlegeebene auf die Unterstützungsebene statt eines groben Infills (infi_g) einen dichten Infill (infi_d) benutzt und so eine geschlossene Materialfläche erzeugt.
- a2
- zweiter Abstand. Zumindest in dem Bereich mit einem Abstand von der Verlegepfadprojektionslinie, der kleiner als ein zweiter Abstand a2 ist, führt der FDM-Drucker keinen Infill in den unterstützenden Verlegeebenen bzw. der Verlegeebene aus.
- a3
- dritter Abstand. In einem dritten Abstand von den Verlegepfadprojektionslinien in den unterstützenden Verlegeebenen bzw. der Verlegeebene druckt der FDM-Drucker jeweils zwei Perimeter (peri) links und rechts der jeweiligen Verlegepfadprojektionslinie bzw. des Verlegepfads (vp), um eine Nut (Nu) herzustellen, in die die Fasereinlegevorrichtung des FDM-Druckers nach dem Drucken der Verlegeebene die Funktionsfaser (ff) einlegen kann.
- a4
- vierter Abstand. Der vierte Abstand ist der Abstand bis zu dem der FDM-Drucker von der Projektion des Verlegepfads (vp) von der Verlegeebene auf die Abdeckebene statt eines groben Infills (infi_g) einen dichten Infill (infi_d) benutzt und so eine geschlossene Materialfläche erzeugt.
- b
- erster Mindestabstand zwischen dem Ende einer Funktionsfaser (ff) und einem Perimeter (peri);
- d
- Verfestigungsbereich;
- fe
- Abweichung der Oberfläche des Werkstücks im Bereich der Nut (Nu) bezogen auf die Nut-Oberkante (Nuok);
- ff
- Funktionsfaser;
- ffA
- Funktionsfaserquerschnittsfläche;
- ffd
- Dicke der Funktionsfaser (ff);
- ffewp
- Funktionsfasereinlegewerkzeugpfad. Der FDM-Drucker bewegt zum Einlegen der Funktionsfasern (ff) bzw. der zugehörigen Teilabschnitte der betreffenden Funktionsfaser (ff) längs der zugehörigen Verlegepfade (vp) die werkstückseitige Öffnung des Funktionsfasereinlegewerkzeugs längs des Funktionsfasereinlegewerkzeugpfades. Der Funktionsfasereinlegewerkzeugpfad kann von dem vorgesehenen Verlegepfad (vp) also ausdrücklich abweichen, um beispielsweise die mechanischen Spannungen innerhalb der Funktionsfaser (ff) insbesondere in Kurven des Verlegepfads (vp) modifizieren zu können. Der Verlegepfad (vp) stellt also den Zielpfad für die endgültige Lage der Funktionsfaser (ff) dar. Bevorzugt hängt dann die Abweichung (s) des Verlegepfads (vp) der Funktionsfaser (ff) vom Funktionsfasereinlegewerkzeugpfad von der vorgesehenen Krümmung des Verlegepfades (vp) der Funktionsfaser (ff) ab. Die Abweichung des Verlegepfads (vp) der Funktionsfaser (ff) vom Funktionsfasereinlegewerkzeugpfad ist bevorzugt dabei der Krümmung des vorgesehenen Verlegepfads (vp) der Funktionsfaser (ff) entgegengerichtet;
- fr
- Fertigungsreihenfolge;
- infi
- Infill;
- infi_d
- dichter Infill (Englisch: solid infill);
- infi_g
- grober Infill;
- mld
- Aufschmelztiefe des Nut-Bodens der Nut (Nu) vor dem Einlegen der Funktionsfaser (ff) in die Schmelze des Materials des Nut-Bodens der Nut (Nu) und der Nut-Wände der Nut (Nu);
- Nu
- Nut. In die Nut legt die Funktionsfasereinlegevorrichtung des FDM-Druckers die Funktionsfaser (ff) ein;
- Nu1
- erste Teilnut;
- Nu2
- zweite Teilnut;
- NuA
- Nutquerschittsfläche;
- Nud
- Nuttiefe;
- NuOf
- Kontur der Oberfläche der Nut (Nu). Die Kontur der Oberfläche der Nut (Nu)ist in den 10, 11 und 12 als fette schwarze Linie zur Verdeutlichung eingetragen;
- Nuok
- Nutoberkannte der Nut (Nu);
- NuT
- Nut-Teiler. Der Nutteiler teilt die Nut (Nu) zumindest teilweise in eine erste Teilnut (Nu1) und eine zweite Teilnut (Nu3);
- Nuw
- Nutweite;
- peri
- Perimeter;
- PVL
- beispielhafte Position des Verlegepfads (vp);
- r
- zweiten Mindestabstand (r), den der Abstand senkrecht zum Verlegepfad (vp) der Funktionsfaser (ff) zum nächstgelegenen Perimeter (peri) nicht unterschreiten soll.
- s
- Abweichung des Verlegepfads (vp) der Funktionsfaser (ff) vom Funktionsfasereinlegewerkzeugpfad (ffewp);
- uvSdT
- Stand der Technik, der zum Zeitpunkt der Anmeldung der hier vorgelegten Schrift noch nicht veröffentlicht ist;
- vp
- Verlegepfad. Die Funktionsfaser (ff) kommt auf dem Verlegepfad nach der Einbettung zu liegen. In den Zeichnungen kann daher zwischen der Linie der Funktionsfaser (ff) und dem Verlegepfad nicht unterschieden werden;
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Liste der zitierten Schriften
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102021 [0001, 0003, 0004, 0005, 0006, 0007, 0008, 0009, 0010, 0011, 0012, 0013, 0014, 0015, 0017, 0018, 0019, 0020, 0021, 0036, 0056, 0057, 0086, 0087]
- US 20160107379 A1 [0022]
- US 20200016393 A1 [0023]
- WO 2018067918 A2 [0025, 0087]
- US 20170064840 A1 [0025, 0087]
- US 20140268607 A1 [0025, 0087]
- US 20160067928 A1 [0025, 0087]
