DE202023001329U1

DE202023001329U1 - Werkstück oder Bauteil mit wenigstens einem mittels eines Schmelzschicht-3D-Druckverfahrens hergestellten Körper und Verwendung wenigstens eines Faserbandes mit thermoplastischem Kunststoff

Info

Publication number: DE202023001329U1
Application number: DE202023001329.1U
Authority: DE
Original assignee: Hochschule Mittweida FH
Current assignee: Hochschule Mittweida FH
Priority date: 2023-06-19
Filing date: 2023-06-19
Publication date: 2023-07-07
Anticipated expiration: 2033-06-20

Abstract

Werkstück oder Bauteil mit wenigstens einem mittels eines Schmelzschicht-3D-Druckverfahrens hergestellten Körper (1) aus einem Kunststoff, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Bereich des Körpers (1) wenigstens eine umwickelte Lage wenigstens eines Faserbandes (2) mit thermoplastischem Kunststoff aufweist, wobei der Kunststoff des Körpers (1) und der Kunststoff des Faserbandes (2) durch stoffschlüssiges Fügen miteinander so verbunden sind, dass die Orientierung des Kunststoffes des Körpers (1) und die Fasern des Faserbandes (2) einen Winkel größer und/oder kleiner Null einschließen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Werkstück oder Bauteil mit wenigstens einem mittels eines Schmelzschicht-3D-Druckverfahrens hergestellten Körper aus einem Kunststoff und eine Verwendung wenigstens eines Faserbandes mit thermoplastischem Kunststoff.
Zur Herstellung von Körpern können additive Schmelzschichtverfahren verwendet werden, welche als FFF-Verfahren (FFF - Fused Filament Fabrication) und als FLM-Verfahren (FLM - Fused Layer Modeling) bekannt sind. Der Körper besitzt dabei schichtweise aufgebrachten Kunststoff aus einem aufgeschmolzenen Filament, welches auf eine Plattform aufgebracht ist.
Durch die Druckschrift DE 10 2016 120 098 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstands aus einem Hochtemperatur-Polymerwerkstoff durch ein dreidimensionales Drucken bekannt. Dabei wird der Kunststoff zwischenzeitlich in einen plastifizierten Zustand überführt, ohne dabei geräte- oder baugruppenspezifische Temperaturlimits des 3D-Druckers zu überschreiten.
Die Druckschrift DE 10 2017 100 258 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur durch Wärmeeintrag unterstützten Schichtverschweißung in 3D-Druckverfahren mit schichtweisem Aufbau. Durch ein Einbringen von gezielter lokaler Erwärmung wird die untere Schicht lokal angeschmolzen, so dass die aufgetragene fadenförmige Kunststoffschmelze mit der unten wieder aufgeschmolzenen Lage durch gemeinsame Schmelzbereiche eine festere Verbindung eingeht.
Der so realisierte Gegenstand oder das so hergestellte Werkstück besitzen eine anisotrope Festigkeit, so dass diese nur zwei Vorzugsrichtungen für eine Anwendung aufweisen. Bauteile mit einer räumlichen äußeren Belastung besitzen so nur eine reduzierte Festigkeit und Steifigkeit.
Der in den Schutzansprüchen 1 und 7 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Werkstücke oder Bauteile mit einem mittels eines Schmelzschicht-3D-Druckverfahrens hergestellten Körper aus einem Kunststoff mit erhöhter Festigkeit und Steifigkeit bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird mit den in den Schutzansprüchen 1 und 7 aufgeführten Merkmalen gelöst.
Das Werkstück oder das Bauteil mit wenigstens einem mittels eines Schmelzschicht-3D-Druckverfahrens hergestellten Körper und die Verwendung eines Faserbandes mit thermoplastischem Kunststoff zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass ein Werkstück oder ein Bauteil mit wenigstens einem mittels eines Schmelzschicht-3D-Druckverfahrens hergestellten Körper aus einem Kunststoff mit erhöhter Festigkeit und Steifigkeit bereitstellbar ist.
Dazu weist wenigstens ein Bereich des Körpers wenigstens eine umwickelte Lage wenigstens eines Faserbandes mit thermoplastischem Kunststoff auf, wobei der Kunststoff des Körpers und der Kunststoff des Faserbandes durch stoffschlüssiges Fügen miteinander so verbunden sind, dass die Orientierung des Kunststoffes des Körpers und die Fasern des Faserbandes einen Winkel größer und/oder kleiner Null einschließen.
Das Faserband mit thermoplastischem Kunststoff wird damit zur wenigstens bereichsweisen Umwicklung und Verbindung eines mittels eines Schmelzschicht-3D-Druckverfahren hergestellten Körpers verwendet.
Bei dem Schmelzschicht-3D-Druckverfahren wird bekannterweise ein Kunststoff schichtweise auf einem Druckbett aufgebracht. Durch den schichtweisen Aufbau kommt es zu einem anisotropen Verhalten, so dass senkrecht zur Druckebene eine deutliche Reduzierung der Festigkeit prinzipbedingt vorliegt. Die so hergestellten Körper haben nur zwei Vorzugsrichtungen für ihre Anwendung. Damit besitzen beispielsweise Bauteile mit einer räumlichen äußeren Belastung und Torsion an Wellen eine reduzierte Festigkeit und Steifigkeit. Derzeit ist nur eine Langfaserverstärkung der Kunststoffe in der Druckebene möglich. Dadurch kann lediglich der ebene Spannungszustand verstärkt werden. Das Verfahren, wobei das Faserband mit thermoplastischem Kunststoff zur Umwicklung und Verbindung eines mittels eines Schmelzschicht-3D-Druckverfahren hergestellten Körpers verwendet wird, stellt ein hybrides Fertigungsverfahren dar. An der Oberfläche des Körpers erfolgt nach dessen Druck mittels des Faserbandes eine langfaserverstärkte Verstärkung. Das kann vorteilhafterweise richtungsungebunden erfolgen. Damit können Werkstücke oder Bauteile vorteilhafterweise in allen Dimensionen belastungsgerecht additiv gefertigt werden. Die erreichbare Festigkeit und Steifigkeit der additiv gefertigten Körper werden signifikant erhöht. Das Faserband mit thermoplastischem Kunststoff kann dazu ein Band aus dem thermoplastischen Kunststoff mit den Fasern.
Der aus dem Kunststoff mit dem Schmelzschicht-3D-Druckverfahren hergestellte, mit dem wenigstens einen Faserband mit thermoplastischem Kunststoff wenigstens bereichsweise umwickelte und mit dem Kunststoff des Faserbandes verbundene Körper kann auch ein Werkstück sein. Das so hergestellte Werkstück kann wiederum mit dem Schmelzschicht-3D-Druckverfahren weiter mit einer Schicht oder mehreren Schichten bedruckt werden. Das so realisierte Werkstück kann als Körper wenigstens bereichsweise mit wenigstens einem weiteren Faserband wenigstens bereichsweise umwickelt werden und somit sein. Das so erfolgte Bedrucken und Umwickeln kann wiederholt an gleicher Stelle des Werkstücks und/oder anderen Stellen des Werkstücks erfolgen. Das wenigstens bereichsweise Umwickeln kann dabei einem Faserband oder wenigstens einem weiteren Faserband erfolgen.
Das Faserband kann dazu unidirektional angeordnete Fasern und/oder Fasern verschiedener Richtungen besitzen.
Neben der Erhöhung der Festigkeit und Steifigkeit kann auch die Oberfläche der gedruckten Körper verbessert werden. Dabei können die durch den schichtweisen Aufbau an den Oberflächen entstehenden Rillen kaschiert werden. Mittels des Faserbandes können auch zusätzliche Funktionen integriert werden. So kann der Verschleißschutz erhöht werden. Weiterhin können Reibwerte der durch das Faserband ausgebildeten Oberfläche des Werkstücks oder Bauteils beeinflusst werden. Der Reibwert kann dabei erhöht oder reduziert werden. Darüber hinaus ist mittels des Faserbandes die Optik des Werkstücks oder des Bauteils beeinflussbar. Das Faserband kann vorteilhafterweise auch wenigstens bereichsweise elektrisch leitfähig oder permanentmagnetisch ausgebildet sein, so dass der Körper oder das Bauteil wenigstens elektrisch leitfähig oder permanentmagnetisch realisierbar ist. Mit verschiedenen Faserbändern können auch Werkstücke oder Bauteile mit mehreren Körpern und Faserbändern mit unterschiedlichen Eigenschaften hergestellt und so bereitgestellt werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den folgenden Weiterbildungen und Ausführungsformen aufgeführt. Diese können das Werkstück oder Bauteil mit einem mittels eines Schmelzschicht-3D-Druckverfahrens hergestellten Körper aus einem Kunststoff und die Verwendung eines Faserbandes mit thermoplastischem Kunststoff einzeln oder in einer Kombination fortbilden.
Der Körper besteht in einer Ausführungsform aus einem faservertärkten Kunststoff. Die Fasern des Körpers und die Fasern des Faserbandes schließen einen Winkel größer und/oder kleiner Null und damit verschieden von Null ein.
Der Körper ist in einer Ausführungsform ein mittels des FFF-Verfahrens (FFF - Fused Filament Fabrication) oder des FLM-Verfahrens (FLM - Fused Layer Modeling) hergestellter Körper. Bei diesen Fertigungsverfahren wird der Körper bekannterweise aus einem schmelzfähigen drahtförmigen Kunststoff über eine beheizbare Düse auf einer Bauplattform schichtweise aufgebaut.
Der Körper ist in einer Ausführungsform ein aus einem faserverstärkten Kunststoff mit einem Schmelzschicht-3D-Druckverfahren hergestellter Körper. Weiterhin ist der aus dem faserverstärkten Kunststoff bestehende Körper mit dem Faserband wenigstens bereichsweise so umwickelt, dass die Fasern des aus dem faserverstärkten Kunststoff bestehenden Körpers und die Fasern des Faserbandes einen Winkel größer und/oder kleiner Null und damit verschieden von Null einschließen.
Der Körper besitzt in einer Ausführungsform wenigstens bereichsweise eine Lage oder mehrere Lagen des Faserbandes oder eines weiteren Faserbandes. Der Körper mit mehreren Lagen des Faserbandes kann dazu auch so umwickelt sein, dass die Fasern der Faserbänder einen Winkel größer, kleiner und/oder gleich Null und damit verschieden von Null einschließen. Dazu können die Fasern der Faserbänder wiederum verschiedene Winkel zueinander einschließen.
Zur Verbindung des Faserbandes und des Körpers wird in einer Ausführungsform ein stoffschlüssiges Fügeverfahren verwendet. Das kann ein Schweißverfahren oder ein Klebeverfahren sein.
Zur Herstellung des Körpers wird in einer Ausführungsform das FFF-Verfahren (FFF - Fused Filament Fabrication) oder das FLM-Verfahrens (FLM - Fused Layer Modeling) verwendet. Der Körper ist dabei ein aus einem schmelzfähigen drahtförmigen Kunststoff über eine beheizbare Düse auf einer Bauplattform schichtweise aufgebauter Körper.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung prinzipiell dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigt:

1 ein mittels eines Schmelzschicht-3D-Druckverfahrens hergestellten Körper mit einem Faserband.

Im nachfolgenden Ausführungsbeispiel werden ein Werkstück oder Bauteil mit wenigstens einem mittels eines Schmelzschicht-3D-Druckverfahrens hergestellten Körper 1 aus einem Kunststoff und eine Verwendung wenigstens eines Faserbandes 2 mit thermoplastischem Kunststoff zusammen näher erläutert.
Ein Werkstück oder Bauteil besteht im Wesentlichen aus einem mittels eines Schmelzschicht-3D-Druckverfahrens hergestellten Körper 1 aus einem Kunststoff und einem Faserband 2.
Die 1 zeigt einen mittels eines Schmelzschicht-3D-Druckverfahrens hergestellten Körper 1 mit einem Faserband 2 in einer prinzipiellen Darstellung.
Der Körper 1 ist ein aus einem Kunststoff mit einem Schmelzschicht-3D-Druckverfahren hergestellter Körper 1. Dazu kann vorzugsweise das FFF-Verfahren (FFF - Fused Filament Fabrication) oder das FLM-Verfahren (FLM - Fused Layer Modeling) angewandt werden. Der Körper 1 ist wenigstens bereichsweise mit wenigstens wenigstens einem Faserband 2 mit thermoplastischem Kunststoff umwickelt, so dass die Orientierung des Kunststoffes des Körpers 1 und die Fasern des Faserbandes 2 einen Winkel größer und/oder kleiner Null und damit verschieden Null einschließen. Zur Verbindung der Kunststoffe des Körpers 1 und des Faserbandes 2 wird ein stoffschlüssiges Fügen verwendet. Dazu kann insbesondere ein Schweißverfahren oder ein Klebeverfahren verwendet werden. Der so hergestellte Körper 1 mit dem Faserband 2 kann ein Bauteil oder ein Werkstück sein. Bei Letzterem kann wenigstens ein weiteres Schmelzschicht-3D-Drucken und/oder ein Umwickeln mit dem Faserband 2 oder einem weiteren Faserband erfolgen.
In einer Ausführungsform kann der Körper 1 aus einem faserverstärkten Kunststoff mit einem Schmelzschicht-3D-Druckverfahren hergestellt sein. Dieser ist mit dem Faserband 2 und/oder einem weiteren Faserband wenigstens bereichsweise so umwickelt, dass die Fasern des aus dem faserverstärkten Kunststoff bestehenden Körpers 1 und die Fasern des Faserbandes 2 oder der Faserbänder einen Winkel größer und/oder kleiner Null einschließen. Dabei können bei Verwendung mehrerer Faserbänder 2 deren Fasern voneinander unterschiedliche Winkel einschließen. So kann der Körper 1 wenigstens bereichsweise mit einer oder mehreren Lagen des Faserbandes 2 oder eines weiteren Faserbandes umwickelt sein.
Das Werkstück oder Bauteil weist so einen oder mehrere mittels des Schmelzschicht-3D-Druckverfahrens hergestellten oder hergestellte Körper 1 aus dem Kunststoff auf. Wenigstens ein Bereich des Körpers 1 oder der Körper 1 weist wenigstens eine umwickelte Lage wenigstens eines Faserbandes 2 mit thermoplastischem Kunststoff auf, wobei der Kunststoff des Körpers 1 und der Kunststoff des Faserbandes 2 durch stoffschlüssiges Fügen miteinander so verbunden sind, dass die Orientierung des Kunststoffes des Körpers 1 und die Fasern des Faserbandes 2 einen Winkel größer und/oder kleiner Null und damit verschieden von Null einschließen.
In einer Ausführungsform kann der Körper 1 aus einem faservertärkten Kunststoff bestehen. Die Fasern des Körpers 1 und die Fasern des Faserbandes 2 schließen einen Winkel größer und/oder kleiner Null und damit verschieden von Null ein. Natürlich kann das Werkstück oder das Bauteil auch mehrere Körper 1 mit Fasern oder Körper 1 mit und ohne Fasern besitzen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016120098 A1 [0003]
DE 102017100258 A1 [0004]

Claims

Werkstück oder Bauteil mit wenigstens einem mittels eines Schmelzschicht-3D-Druckverfahrens hergestellten Körper (1) aus einem Kunststoff, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Bereich des Körpers (1) wenigstens eine umwickelte Lage wenigstens eines Faserbandes (2) mit thermoplastischem Kunststoff aufweist, wobei der Kunststoff des Körpers (1) und der Kunststoff des Faserbandes (2) durch stoffschlüssiges Fügen miteinander so verbunden sind, dass die Orientierung des Kunststoffes des Körpers (1) und die Fasern des Faserbandes (2) einen Winkel größer und/oder kleiner Null einschließen.
Werkstück oder Bauteil nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (1) aus einem faservertärkten Kunststoff besteht und dass die Fasern des Körpers (1) und die Fasern des Faserbandes (2) einen Winkel größer und/oder kleiner Null einschließen.
Werkstück oder Bauteil nach wenigstens einem der Schutzansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (1) ein mittels des FFF-Verfahrens (FFF - Fused Filament Fabrication) oder des FLM-Verfahrens (FLM - Fused Layer Modeling) hergestellter Körper (1) ist.
Werkstück oder Bauteil nach wenigstens einem der Schutzansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (1) ein aus einem faserverstärkten Kunststoff mit einem Schmelzschicht-3D-Druckverfahren hergestellter Körper (1) ist und dass der aus dem faserverstärkten Kunststoff bestehende Körper (1) mit dem Faserband (2) wenigstens bereichsweise so umwickelt ist, dass die Fasern des aus dem faserverstärkten Kunststoff bestehenden Körpers (1) und die Fasern des Faserbandes (2) einen Winkel größer und/oder kleiner Null einschließen.
Werkstück oder Bauteil nach wenigstens einem der Schutzansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (1) wenigstens bereichsweise mit einer oder mehreren Lagen des Faserbandes (2) oder eines weiteren Faserbandes umwickelt ist.
Werkstück oder Bauteil wenigstens einem der Schutzansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (1) mit mehreren Lagen des Faserbandes (2) so umwickelt ist, dass die Fasern der Faserbänder (2) einen Winkel größer, kleiner und/oder gleich Null einschließen.
Verwendung wenigstens eines Faserbandes (2) mit thermoplastischem Kunststoff, dadurch gekennzeichnet, dass das Faserband (2) mit thermoplastischem Kunststoff zur wenigstens bereichsweisen Umwicklung und Verbindung eines mittels eines Schmelzschicht-3D-Druckverfahren hergestellten Körpers (1) verwendet wird.
Verwendung nach Schutzanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verbindung des Faserbandes (2) und des Körpers (1) ein stoffschlüssiges Fügeverfahren verwendet wird.
Verwendung nach wenigstens einem der Schutzansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung des Körpers (1) das FFF-Verfahren (FFF - Fused Filament Fabrication) oder das FLM-Verfahrens (FLM - Fused Layer Modeling) verwendet wird.
Verwendung nach wenigstens einem der Schutzansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verbindung der Kunststoffe des Körpers (1) und des Faserbandes (2) ein stoffschlüssiges Fügen verwendet wird.