EP3938174A1 - Verfahren und vorrichtung zum imprägnieren eines faserbündels sowie verfahren und anlage zur herstellung einer dreidimensionalen struktur - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum imprägnieren eines faserbündels sowie verfahren und anlage zur herstellung einer dreidimensionalen struktur

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EP3938174A1
EP3938174A1 EP20705926.2A EP20705926A EP3938174A1 EP 3938174 A1 EP3938174 A1 EP 3938174A1 EP 20705926 A EP20705926 A EP 20705926A EP 3938174 A1 EP3938174 A1 EP 3938174A1
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EP
European Patent Office
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plastic material
fiber bundle
melted
highly viscous
impregnation
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Application number
EP20705926.2A
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Maik Titze
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Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Original Assignee
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
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Publication date
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    • B33Y70/10—Composites of different types of material, e.g. mixtures of ceramics and polymers or mixtures of metals and biomaterials

Definitions

  • the invention relates to a method for impregnating at least one Faserbün dels with a highly viscous plastic material.
  • the invention also relates to a device for this purpose.
  • the invention also relates to a method for producing a three-dimensional structure which is formed from two or more different materials.
  • the invention also relates to a system for producing such a three-dimensional structure.
  • fiber composite materials Due to the special weight-specific strength and rigidity, fiber composite materials have become indispensable as modern materials. But also the combination of fiber material and plastic material in 3D printing opens up new possibilities for the production of complex structures without having to resort to isotropic materials. Both in the manufacture of fiber composite components from fiber composite materials and in 3D printing with fiber reinforcement, fiber rovings are very often used, which are a type of fiber bundle and are formed from a large number of continuous fibers, also called filaments.
  • DE 10 2017 124 352.6 discloses a system for producing 3-dimensional structures which have 2 or more different materials and a 3-D printing head is provided with both a virtually endless fiber material, for example in the form of rovings, and a thermoplastic plastic material supplied, which then open into a mixing chamber in order to impregnate the fiber material there with the thermoplastic plastic material. The material mixture formed in this way is then extruded through an outlet of the 3D print head in order to produce the three-dimensional structure.
  • the impregnation of virtually endless fiber rovings with thermoplastic material is currently unsatisfactory due to the high viscosity of the thermoplastic material and the low permeability of the continuous fibers, especially when the fiber material is to be continuously conveyed and extruded.
  • the fiber roving is usually guided over several specially shaped rollers that are shaped in such a way that the cross-section of the fiber bundle is enlarged and thus the distance between the individual filaments is increased. In this way, the required depth of penetration of the melted plastic material is reduced and the permeability of the fibers is increased.
  • the melted plastic material is then brought into contact with the expanded fiber over a long period of time under pressure at one or more points in order to impregnate it.
  • EP 0 712 716 A1 discloses a method for impregnating continuous fibers or fiber bundles with a melted thermoplastic material, the fibers or rovings passing through an impregnation zone which has the form of a damped oscillation.
  • a relatively large amount of installation space is required in the method with fiber spreading, since the fibers have to be deflected several times. To ensure that the fibers are not damaged, the maximum permitted bending radii must be observed. The multiple deflection also causes an increase in friction and thus an increased necessary tensile force on the fiber. This must be ensured by the process so that continuous fiber guidance is possible. The tensile force applied must not exceed a maximum permissible value in order to exclude individual filaments of the fiber roving from tearing. Processes that work with little or no fiber spreading reduce the risk of damage to the fibers, but require long process times in order to achieve adequate fiber impregnation.
  • the object of the present invention is to provide an improved method and an improved device with which in particular fiber rovings can be reliably impregnated with a highly viscous plastic material without having to make a large amount of installation space available or expect long process times . It is also the object of the present invention to provide an improved method and an improved system for the production of three-dimensional structures with which fiber rovings are continuous can be impregnated with a highly viscous plastic material in order to make impregnation possible during the pressing process, especially in the case of generative processes.
  • the object is achieved according to the invention with the method according to claim 1 and the device according to claim 1 1 for impregnating a fiber bundle.
  • the object is also achieved according to the invention with the method according to claim 10 and the system according to claim 17 for producing a 3-dimensional structure.
  • Advantageous embodiments of the invention can be found in the corresponding subclaims.
  • a method for impregnating at least one fiber bundle with a highly viscous plastic material in which case at least one fiber bundle to be impregnated, which is formed from a large number of continuous fibers (so-called filaments), and a plastic material that is melted and melted at a given process temperature is highly viscous, is provided.
  • a highly viscous plastic material is understood here in particular as a plastic material which, at a given process temperature, has a viscosity of essentially more than 8000 mPas (milli-Pascal seconds).
  • a medium viscosity is used between 300 mPas and 8000 mPas.
  • Thermoplastic plastics as they are often found in hybrid 3D printing, often have a viscosity of 300 Pas to 10,000 Pas. Depending on how strongly the plastic material is sheared when it is brought into contact with the fiber, the viscosity can also be significantly below the usual zero viscosity (3000 - 10,000 Pas).
  • the specified process temperature is understood to mean that temperature of the plastic material at which the plastic material is used for impregnation. In the case of thermoplastic materials, this is in particular the temperature at which the plastic material has melted and can thus impregnate the fiber bundle accordingly.
  • the provided fiber bundle is now impregnated with the plastic material in that the fiber bundle to be impregnated, for example a roving, is continuously passed through an impregnation cavity.
  • the temperature-controlled, melted and highly viscous plastic material Located in the impregnation cavity the temperature-controlled, melted and highly viscous plastic material, so that when the fiber bundle is passed through the impregnation cavity, the fiber bundle is completely enclosed by the melted plastic material in the impregnation cavity.
  • the impregnation cavity can be filled with the plastic material in such a way that there is no air in the impregnation cavity during the impregnation process.
  • new plastic material is also continuously provided to the impregnation cavity in order to be able to ensure a continuous impregnation process.
  • the impregnation cavity has a temperature control device in order to heat the impregnation cavity to the specified process temperature of the highly viscous plastic material. It is therefore advantageous if during the continuous passage of the fiber bundle through the impregnation cavity, new plastic material is continuously added to the impregnation cavity and / or the plastic material in the impregnation cavity is continuously tempered in order to keep it at the desired process temperature.
  • the melted and highly viscous plastic material in the impregnation cavity is in contact with a surface of at least one vibration generator in such a way that sound energy is brought into the melted and highly viscous plastic material of the impregnation cavity by means of the vibration generator.
  • the at least one vibration generator has a surface that is in direct contact with the melted and highly viscous plastic material of the impregnation cavity, the vibration generator being designed to generate an oscillation or vibration that is then in contact with the plastic material Surface is transmitted to the plastic material in the form of sound nergie. Due to the oscillations or vibrations of the oscillation generator, sound waves or pressure waves are generated within the melted and highly viscous plastic material, which then lead to the highly viscous plastic material penetrating deep into the fiber bundle and thereby wets the individual filaments or continuous fibers. In particular, the spaces between the individual filaments or continuous fibers of the fiber bundle are filled with the highly viscous plastic material, so that a very high impregnation quality can be achieved even if the fiber bundle is continuously passed through the impregnation cavity.
  • the inventors have recognized that with the help of a vibration generator, the surface of which is in direct contact with the highly viscous and melted plastic material, sound energy can be introduced into the highly viscous plastic material in such a way that a fiber bundle or roving of high quality in a continuous Process can be impregnated.
  • the installation space required for this is very small, so that the method according to the invention is particularly suitable for 3D printing and the continuous filing of endless fibers.
  • the inventor has also recognized that despite the high viscosity of the molten plastic material with the aid of a vibration generator in contact with the plastic material, sound energy can nevertheless be introduced into the plastic material in such a way that the fiber bundle is impregnated with the plastic material with a high quality .
  • This is surprising because, due to the viscoelastic effect, the melted and highly viscous plastic material needs a significantly longer time to recover after mechanical deformation than low-viscosity media. Nevertheless, a high impregnation performance can be achieved.
  • the highly viscous plastic material is a thermoplastic plastic material which is highly viscous, ie has a viscosity of more than 8000 mPas, at the given process temperature at which the plastic material is melted and in the form of a melt.
  • the vibration generator generates a vibration amplitude between 1 pm and 150 pm, preferably max. 40 pm, particularly preferably max. 35 pm, generated and / or an oscillation frequency between 100 Hz and 100 kHz, preferably between 15 kHz and 60 kHz, particularly preferably between 19 kHz and 60 kHz, generated.
  • the oscillation frequency is not higher than 45 kHz. In a special embodiment, the oscillation frequency is between 19.2 kHz and 19.7 kHz.
  • real and / or complex eigenmodes of a structure of the impregnation cavity are excited by the oscillation generator. It has been shown that, despite the viscoelastic effect of the highly viscous plastic material, a sufficient sound power or sound energy can be introduced into the plastic material in order to achieve a high impregnation performance.
  • at least a part of the surface of the vibration generator is formed by a special, preferably modally vibrating structure, with real and / or complex eigenmodes of this structure of the impregnation cavity being able to be excited by the vibration generator.
  • Such a structure or structures are preferably completely covered by the plastic material in the impregnation cavity.
  • Such structures can, for example, be modally oscillating plates in the impregnation cavity.
  • Such structures can be a tube with Eigenfor men through which the fiber bundle to be impregnated is passed. In this way, the impregnation performance can be significantly improved even with highly viscous plastic material.
  • the tube itself can form the impregnation cavity or be part of it.
  • vibration maxima and minima that occur in the structure then act as spatially distributed generators for coupling the sound energy.
  • the surface of the which is in contact with the melted plastic material Vibration generator is treated by microstructuring, roughening and / or plasma before or provided so as to improve the adhesion or wetting of the upper surface of the vibration generator with the melted plastic material. It has been shown that such measures for the pretreatment of the surface of the vibration generator that is in contact with the plastic material, the adhesion of the surface or the wetting ability of the upper surface with the melted plastic material can be improved in such a way that despite the viscoelastic effect the highly viscous plastic material ent speaking sound waves or pressure waves can be introduced into the melted plastic mate rial in order to achieve the necessary sound energy for the impregnation of the fiber bundle. By increasing the adhesiveness of the surface of the vibration generator that is in contact with the plastic, it is prevented that even at high frequency and / or high amplitude of the
  • Vibration generator no flea spaces arise between the surface of the vibration generator and the melted plastic material that prevent the transmission of the necessary sound power.
  • the plastic material is materially modified in order to reduce the cohesive forces, as a result of which the wetting of the surface of the vibration generator can be improved and the cohesive forces can be reduced.
  • the fiber bundle in the impregnation cavity is guided through the surface of the vibration generator which at least partially encloses the fiber bundle, while the surface of the vibration generator is in contact with the melted, highly viscous plastic material.
  • the fiber bundle is guided through a cavity of the vibration generator in the manner of the eye of a needle or an arch, in which area the vibration generator emits the sound energy into the highly viscous plastic material.
  • the fiber bundle can be in contact with the surface of the vibration generator in places.
  • the special geometry prevents the material from flowing away or ensures improved coupling of the vibration energy or sound energy through overpressure and underpressure zones.
  • the fiber bundle is spread open by suitable measures in front of the impregnation cavity or in the impregnation cavity in order to improve the result, for example as the available space allows it .
  • suitable measures in front of the impregnation cavity or in the impregnation cavity in order to improve the result, for example as the available space allows it .
  • the melted plastic material is passed through the impregnation cavity or flows through it together with the fiber bundle.
  • the impregnation cavity can have an entrance for the fiber bundle and an entrance for the melted plastic material, wherein in a preferred embodiment the fiber bundle and the melted plastic material are guided through one and the same entrance into the impregnation cavity.
  • the impregnation cavity can have an exit for the fiber bundle and an exit for the melted plastic material, wherein in a preferred embodiment the fiber bundle and the melted plastic material are guided through the same exit from the impregnation cavity.
  • thermoplastic fiber semifinished product for example a thermoplastic fiber semifinished product
  • the melted plastic material in the impregnation cavity is subjected to pressure or is imprinted during the impregnation of the fiber bundle.
  • the melted plastic material can be under a pressure that is greater than an ambient pressure. It is thus conceivable that the melted plastic material is under a melt pressure of 5 bar to 100 bar, possibly even up to 400 bar.
  • the pressure of the melted plastic material is an additional pressure that does not oscillate in the kHz range, which is determined in particular by the flow channel geometry and the conveying speed. Because even The introduction of sound into the melted plastic material (melt) also generates a pressure change, which, however, oscillates in the kHz range according to the vibration generator.
  • the pressure that is meant here is independent of the sound introduction and is introduced in addition to the sound introduction.
  • the melted plastic material in the impregnation cavity is thus subjected to an additional pressure that is independent of the introduction of sound or the sound energy introduced.
  • the melted plastic material is thus put under pressure in addition to the introduction of the sound energy.
  • the melted plastic material can be under a pressure that is greater than the outlet pressure at or behind the outlet or nozzle outlet. This makes it possible to position the nozzle with a very small gap to a pressure bed. In this case there would be a pressure of 100 bar at the nozzle outlet, for example, because the melt cannot exit at a free end, but this is lower than the pressure in the impregnation cavity (for example 200 bar).
  • Printing on the melted plastic material can be achieved, for example, in connection with the previous embodiment, in which the melted plastic material is guided out of the impregnation cavity through a nozzle or an extruder together with the fiber material. In this way, a pressure gradient between the entrance of the melted plastic material and the exit of the melted plastic material can be achieved.
  • the melt pressure of the plastic material is less than the cavitation threshold. It is advantageous to only increase the melt pressure to the extent that sufficient sound energy can be introduced into the melted plastic material to reach the cavitation threshold. It has surprisingly been shown that stronger cavitation effects form and dissolve in a printed, melted plastic material in conjunction with the introduction of sound energy into the plastic material by means of the vibration generator, which lead to an improved impregnation of the fiber material by the melted plastic material.
  • the object is also achieved according to the invention with the method for producing a three-dimensional structure that is formed from two or more different materials, a mixed material being output by means of a 3D print head of a 3D printing system. The procedure comprises the following steps:
  • Both materials are continuously fed to an impregnation cavity of the 3D printing system in order to impregnate the virtually endless fiber bundle with the highly viscous, melted plastic material,
  • the highly viscous plastic material and the fiber material are fed to the impregnation cavity, in which the two materials are then combined to form a material mixture by impregnating the fiber material in the form of a fiber bundle or roving with the highly viscous plastic material in the impregnation cavity.
  • the fiber bundle impregnated in this way is then extruded from the 3D printing head in order to produce the three-dimensional structure.
  • the object is also achieved with the device for impregnating at least one fiber bundle, the device having an impregnation cavity into which the highly viscous plastic material is or can be filled, the impregnation cavity having an inlet and an outlet such that a fiber bundle is impregnated can be passed through the highly viscous, melted plastic material of the impregnation cavity.
  • the fiber bundle is thus introduced into the impregnation cavity by means of the inlet and guided out of the impregnation cavity again by means of the outlet, after which it is impregnated with the plastic material after leading out of the impregnation cavity outlet.
  • the device furthermore has a vibration generator which is in contact or can be brought into contact with a surface with the highly viscous and melted plastic material located in the impregnation cavity and is designed for introducing sound energy into the highly viscous and melted plastic material.
  • the device is designed so that it can carry out the previously described method for impregnating a fiber bundle.
  • the surface that is in contact or can be brought into contact with the melted plastic material has a microstructuring, roughening and / or plasma treatment in order to improve the adhesion between the surface of the vibration generator and the melted plastic material.
  • the surface of the vibration generator has a cavity through which the fiber bundle to be impregnated can be passed when the fiber bundle is passed through the highly viscous and melted plastic material of the impregnation cavity.
  • the cavity of the surface of the vibration generator forms a tube through which the fiber bundle can be passed in order to be impregnated with the highly viscous and melted plastic material, the tube having a modally oscillating structure and / or forms a vibrating structure with eigenmodes. It has been shown that the use of a modally oscillating structure or an oscillating structure with natural shapes can significantly improve the impregnation result despite the high viscosity of the medium and the viscoelastic effect. Such a tube can also form the impregnation cavity itself, so that the roving is guided inside the tube and the highly viscous plastic material is contained.
  • the object is also achieved with the system for setting up a three-dimensional structure, the system having a print head which has a first material supply for supplying a virtually endless fiber bundle and at least has a second material feed for feeding a plastic material, the material feed opening into a common impregnation cavity of the printhead in order to impregnate the fiber bundle with the melted and highly viscous plastic material, the printhead is continuously fed both the fiber bundle and a plastic material, whereby the supply of the plastic material can take place in the still solid aggregate state.
  • a temperature control device in the printhead can then ensure that the supplied plastic material is brought to its necessary process temperature and is in the melted state. It is of course also conceivable that the melted and tempered plastic material is already fed to the print head.
  • the impregnated fiber bundle can then be extruded from the print head by means of an outlet of the print head.
  • the print head has a device for impregnating the fiber bundle, a vibration generator being provided for this purpose, which is or can be brought into contact with the highly viscous and molten plastic material located in the impregnation cavity with a surface and for introducing sound energy the highly viscous and melted plastic material is formed.
  • Figure 1 shows a schematic representation of the device according to the invention for impregnating
  • Figure 2 is a schematic representation of the device in a first embodiment
  • Figure 3 is a schematic representation of the device in a second embodiment
  • Figure 4 is a schematic representation of the device with a modally oscillating
  • FIG. 5 shows a schematic representation of the impregnation cavity with its own shapes
  • FIG. 6 shows a schematic representation of an impregnation cavity with an outlet nozzle.
  • FIG. 1 shows, in a greatly simplified schematic representation, a device 10 for impregnating a fiber bundle 11 that is passed through an impregnating cavity 12.
  • the impregnation cavity 12 is filled with a highly viscous and melted plastic material 13 with which the fiber bundle 11 is to be impregnated.
  • the device 10 has an oscillation generator 14, which is in contact with a surface 15 with the melted and highly viscous plastic material 13.
  • the vibration generator 14 shown in FIG. 1 is a longitudinal oscillator which executes a stroke movement in the form of an amplitude s to introduce the sound energy into the highly viscous plastic material 13 at a predetermined frequency f.
  • the direction of the lifting movement is essentially perpendicular to the fiber bundle 11.
  • the vibration generator 14 with its surface 15 is in direct contact with the highly viscous melted plastic material 13, the oscillations or vibrations generated by the vibration generator 14 can be introduced into the plastic material 13 in the form of sound energy in order to improve the impregnation performance of the Fiber bundle 11 to improve. It can be provided that the surface 15 of the vibration generator
  • FIG. 1 shows various possible cross-sectional shapes of the vibration generator 14 which, as surface 15, are intended to couple the vibrations generated by the vibration generator 14 into the highly viscous plastic material.
  • FIG. 2 shows schematically the device 10 in which the vibration generator 14 in the area of its surface 15, with which the vibration generator is in contact with the highly viscous plastic material, has a recess which partially or completely encloses the fiber bundle passed through the impregnation cavity, namely in full contact with the highly viscous plastic material.
  • the roving 11 is consequently passed through a type of “hole” in the longitudinal oscillator with a special profile geometry, the fibers of the roving being able to be in contact with the surface of the longitudinal oscillator 14 in places.
  • the special geometry prevents the material from closing away, or ensures improved coupling of the vibration energy through overpressure and underpressure zones.
  • FIG. 3 schematically shows a further embodiment of the device 10 in which a counterpart or a counter element 16 is opposite the vibration generator 14 in such a way that the fiber bundle 11 is passed between the surface 15 of the vibration generator 14 and the counterpart 16.
  • the counterpart 16 can be, for example, a reflection element arranged in the impregnation cavity 12, which reflects the sound waves coupled in by the vibration generator 14, whereby the influence or the effect of the sound waves on the impregnation process can be improved.
  • the counterpart 16 is also a vibration generator that can actively introduce sound waves into the highly viscous plastic material, whereby the frequency and amplitude of both vibration generators 14 and 16 can be matched to one another so that the greatest possible effect during impregnation of the roving can be achieved.
  • FIG. 4 shows a highly simplified schematic of an embodiment in which a slightly spread roving is pulled through a highly viscous plastic material, with a modally oscillating structure 17 in the impregnation cavity 12 which, as a vibration generator, is intended to introduce corresponding sound energy into the highly viscous plastic material.
  • the occurring vibration maxima and vibration minima couple the vibration energy spatially distributed into the highly viscous plastic material.
  • FIG. 5 shows a further exemplary embodiment of a modally oscillating structure 18 with natural shapes which is designed such that it completely surrounds the roving 11.
  • the surface of the vibration generator is formed by the modally vibrating structures 17 and 18, the vibration generator being designed in such a way that real and / or complex eigenmodes of these structures 17 and 18 can be excited.
  • These modally oscillating structures 17 and 18 are located within the impregnation cavity 12 and can preferably be completely enclosed by the highly viscous plastic material 12. As a result, the sound energy required to improve the impregnation performance can be introduced very effectively into the plastic material.
  • such an embodiment requires only very little installation space and is therefore particularly suitable for generative processes.
  • the modally oscillating structure 18 shown in FIG. 5 in the form of a tube forms the actual impregnation cavity, so that the tube 18 is the impregnation cavity.
  • the tube 18 has an inlet 19a and an outlet 19b, so that the fiber material 11 is guided through the inlet 19a into the interior of the tube and is guided out again through the outlet 19b.
  • the sound energy being introduced into the melted plastic material through the tube 18 in the form of a modally oscillating structure with its own shape.
  • outside the tube there is intentionally no plastic material in this exemplary embodiment, which is only contained in the tube together with the fiber material.
  • FIG. 6 shows in a greatly simplified representation of the device 10 in a white direct embodiment.
  • the device 10 has an impregnation cavity 12 through which the fiber bundle 11 and the highly viscous plastic material 13 are passed.
  • the oscillation generator 14 protrudes in the form of a sonotrode in such a way that the oscillation generator 14 is in contact with the melted plastic material 13 without contacting the fiber bundle 11 in the impregnation cavity. With the aid of the vibration generator 14, sound energy can thus be introduced into the melted plastic material 13.
  • Both the fiber bundle 11 (not, not completely or not sufficiently impregnated) and the melted plastic material 13 are introduced into the device 10 via an inlet or input 19a, so that the fiber bundle 11 and the melted plastic material 13 into the impregnation cavity 12 is insertable.
  • the fiber bundle 11 impregnated with the plastic material 13 is then led out of the device 10 from an outlet or outlet 19b.
  • the outlet or outlet 19b is designed in the form of an extruder or a nozzle for shaping and consolidating the plastic material.
  • a pressure gradient can be generated in the plastic material 13 between the inlet 19a and the outlet 19b.
  • the melt pressure can be between 15 bar and 100 bar, optionally 400 bar.
  • the inlet 19a is designed for the pressure-tight supply of the fiber bundle 11 and the melted plastic material 13.
  • the outlet 19b can be formed in a pressure-tight manner, in particular with regard to the melted plastic material.
  • the vibration generator 14 is also arranged in a pressure-tight manner in relation to the impregnation cavity 12 on the device 10.
  • cavitations can form and dissolve in the melted plastic material 13 Improvement of the impregnation result. It has been shown that the microjets and / or shock waves (cavitation effects) that arise when the cavitations dissolve lead to an improvement in the impregnation, especially when using highly viscous plastic materials.
  • the vibration generator 14 is connected to the device 10 via a pressure-tight connection 23.
  • the temperature and the pressure can be continuously monitored via a sensor 22 in the area of the impregnation cavity 12.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Imprägnieren mindestens eines Faserbündels (11) mit einem hochviskosen Kunststoffmaterial (13), wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: • - Bereitstellen mindestens eines zu imprägnierenden Faserbündels (11), das aus einer Vielzahl von Endlosfasern gebildet ist, sowie eines Kunststoffmaterials (13), das bei vorgegebener Prozesstemperatur aufgeschmolzen und hochviskos ist, und • - Imprägnieren des Faserbündels (11) mit dem Kunststoff material (13), indem das zu imprägnierende Faserbündel kontinuierlich durch eine Imprägnierkavität (12), die mit dem aufgeschmolzenen Kunststoffmaterial (13) gefüllt ist, hindurch geführt wird, • - wobei während des Imprägnierens des Faserbündels das in der Imprägnierkavität befindliche aufgeschmolzene Kunststoffmaterial mit einer Oberfläche (15) wenigstens eines Schwingungsgenerators (14) derart in Kontakt steht, dass Schallenergie mittels des Schwingungsgenerators in das aufgeschmolzene hochviskose Kunststoffmaterial der Imprägnierkavität eingebracht wird.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Imprägnieren eines Faserbündels sowie Verfahren und Anlage zur Herstellung einer dreidimensionalen Struktur
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Imprägnieren mindestens eines Faserbün dels mit einem hochviskosen Kunststoffmaterial. Die Erfindung betrifft ebenso eine Vorrichtung hierzu. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung ei ner dreidimensionalen Struktur, die aus zwei oder mehr unterschiedlichen Werkstof fen gebildet wird. Ebenso betrifft die Erfindung eine Anlage zur Herstellung einer sol chen dreidimensionalen Struktur.
Aufgrund der besonderen gewichtsspezifischen Festigkeit und Steifigkeit sind Faser verbundwerkstoffe als moderne Werkstoffe kaum mehr wegzudenken. Aber auch die Kombination von Fasermaterial und Kunststoffmaterial beim 3D-Druck eröffnet neue Möglichkeiten bei der Herstellung komplexer Strukturen, ohne hierbei auf isotrope Werkstoffe zurückgreifen zu müssen. Sowohl bei der Herstellung von Faserverbund bauteile aus Faserverbundwerkstoffen sowie im 3D-Druck mit Faserverstärkung wer den sehr häufig Faserrovings verwendet, die eine Art Faserbündel darstellen und aus einer Vielzahl von Endlosfasern, auch Filamente genannt, gebildet sind.
So ist aus der DE 10 2017 124 352.6 eine Anlage zum Herstellen von 3-dimensiona- len Strukturen bekannt, die 2 oder mehr unterschiedlichen Werkstoffe aufweisen und dabei wird einem 3D-Druckkopf sowohl ein quasiendloses Fasermaterial, beispiels weise in Form von Rovings, sowie ein thermoplastisches Kunststoffmaterial zuge führt, die dann in einer Mischkammer münden, um dort das Fasermaterial mit dem thermoplastischen Kunststoffmaterial zu imprägnieren. Die so gebildete Materialmi schung wird dann über einen Auslass des 3D- Druckkopfes extrudiert, um so die dreidimensionale Struktur herzustellen. Die Imprägnierung von quasiendlosen Faserrovings mit thermoplastischem Material ist aufgrund der hohen Viskosität des thermoplastischen Materials sowie der gerin gen Permeabilität der Endlosfasern derzeit jedoch unbefriedigend, insbesondere dann, wenn das Fasermaterial kontinuierlich gefördert und extrudiert werden soll.
Es ist bekannt und in der Praxis weit verbreitet, die Faserrovings zunächst auf zu spreizen, also in der Breite auf zu fächern. Flierzu wird der Faserroving in der Regel über mehrere speziell geformte Rollen geführt, die so geformt sind, dass der Quer schnitt des Faserbündels vergrößert wird und somit der Abstand der einzelnen Fila mente erhöht wird. Auf diese Weise wird die erforderliche Eindringtiefe des aufge schmolzenen Kunststoffmaterials verringert und die Permeabilität der Fasern erhöht. Anschließend wird das aufgeschmolzene Kunststoffmaterial unter Druck an einer o- der mehreren Stellen mit der aufgespreizten Faser über längere Zeit in Kontakt ge bracht, um diese zu imprägnieren.
So ist beispielsweise aus der EP 0 712 716 A1 ein Verfahren zum Imprägnieren von Endlosfasern oder Faserbündel mit einem aufgeschmolzenen thermoplastischen Kunststoff bekannt, wobei die Fasern oder Rovings eine Imprägnierzone durchlau fen, die die Form einer gedämpften Schwingung aufweist.
Aus der US 2012/0040106 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Imprägnie ren eines Fasermaterials mit einem Matrixmaterial bekannt, bei dem das Fasermate rial in ein Formwerkzeug eingebracht und anschließend mit dem Matrixmaterial infun diert wird. Während des Infundierens des Fasermaterials mit dem Matrixmaterial wer den mithilfe von Lautsprechern oder Tongebern Vibrationen erzeugt, um so das Er gebnis des Imprägnierens zu verbessern.
Aus der DE 10 2016 107 956 A1 ist ein Verfahren zum Imprägnieren von Endlosfa sern zur Herstellung von faserverstärkten Halbzeugen bekannt, wobei zunächst meh rere Einzelfasern zu einem gemeinsamen Faserbündel zusammengeführt und mit dem Kunststoffmaterial imprägniert werden. Anschließend wird das mit dem Kunst stoffmaterial imprägnierte Fasermaterial auf eine gekühlte Walze extrudiert, wo es mit einer Sonotrode so in Wirkverbindung steht, dass mittels der Sonotrode das Fa sermaterial mit dem Matrixmaterial mit einer Ultraschallschwingung angeregt wird. Die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zum Imprägnieren von Faser material, insbesondere Faserbündeln, mit einem hochviskosen Kunststoffmaterial, wie beispielsweise einem thermoplastischen Kunststoffmaterial, weisen unterschiedli che Nachteile auf. So wird bei den Verfahren mit Faserspreizung relativ viel Bauraum benötigt, da die Fasern mehrfach umgelenkt werden müssen. Damit die Fasern nicht beschädigt werden, sind dabei maximal zulässige Biegeradien zu beachten. Eben falls bedingt die mehrfache Umlenkung eine Reibungserhöhung und somit eine ver stärkte notwendige Zugkraft an der Faser. Diese muss durch den Prozess sicherge stellt werden, damit eine kontinuierliche Faserführung möglich ist. Die aufgebrachte Zugkraft darf dabei einen maximal zulässigen Wert nicht überschreiten, um ein Rei ßen einzelner Filamente des Faserrovings auszuschließen. Verfahren, die ohne oder mit nur einer sehr geringen Faserspreizung arbeiten, reduzieren das Risiko der Be schädigung der Fasern, bedingen jedoch lange Prozesszeiten, um eine ausrei chende Faserimprägnierung zu erreichen.
Die Faserimprägnierung auf Grundlage von Schall- bzw. Schwingungsenergie ist bis her nur für niedrigviskose Medien bekannt. Bei hochviskosen Medien, wie beispiels weise aufgeschmolzenes thermoplastisches Kunststoffmaterial, ergeben sich beson dere Herausforderungen hinsichtlich der Einkopplung der Schall- bzw. Schwingungs energie in das Medium. Für Anwendungen, bei denen nur wenig Bauraum zur Verfü gung steht und Fasern mit hochviskosen Werkstoffen imprägniert werden müssen, ist somit kein geeignetes Verfahren verfügbar, dass prozesssicher eine tiefe Imprägnie rung der Faserrovings ermöglicht.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung anzugeben, mit dem insbesondere Fa serrovings prozesssicher mit einem hochviskosen Kunststoffmaterial imprägniert wer den können, ohne dass hierfür viel Bauraum zur Verfügung gestellt werden muss bzw. hohe Prozesszeiten zu erwarten sind. Es ist ebenfalls Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Anlage zur Herstellung von dreidimensionalen Strukturen anzugeben, mit denen kontinuierlich Faserrovings mit einem hochviskosen Kunststoffmaterial imprägniert werden können, um so insbe sondere bei generativen Verfahren eine Imprägnierung während des Drückens zu er möglichen.
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie der Vorrichtung ge mäß Anspruch 1 1 zum Imprägnieren eines Faserbündels erfindungsgemäß gelöst. Die Aufgabe wird im Übrigen auch mit dem Verfahren gemäß Anspruch 10 sowie der Anlage gemäß Anspruch 17 zur Herstellung einer 3-dimensionalen Struktur erfin dungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den entsprechenden Unteransprüchen.
Gemäß Patentanspruch 1 wird ein Verfahren zum Imprägnieren mindestens eines Faserbündels mit einem hochviskosen Kunststoffmaterial vorgeschlagen, wobei hier für zunächst mindestens ein zu imprägnierendes Faserbündel, das aus einer Vielzahl von Endlosfasern (sogenannte Filamente) gebildet ist, sowie ein Kunststoffmaterial, das bei vorgegebener Prozesstemperatur aufgeschmolzen und hochviskos ist, be reitgestellt wird. Unter einem hochviskosen Kunststoffmaterial wird hierbei insbeson dere ein Kunststoffmaterial verstanden, welches bei einer vorgegebenen Prozess temperatur eine Viskosität von im Wesentlichen mehr als 8000 mPas (milli-Pascalse- kunden) hat. Hiervon zu unterscheiden sind niedrigviskose Kunststoffmaterialien, die eine Viskosität bis 300 mPas haben. Zwischen 300 mPas und 8000 mPas spricht man von einer mittleren Viskosität. Thermoplastische Kunststoffe, wie sie häufig im hybriden 3D-Druck anzutreffen sind, weisen oftmals eine Viskosität von 300 Pas bis 10.000 Pas. Je nachdem wie stark das Kunststoffmaterial beim in Kontakt bringen mit der Faser geschert wird, kann die Viskosität auch deutlich unterhalb der üblichen Nullviskosität (3000 - 10.000 Pas) liegen. Unter der vorgegebenen Prozesstempera tur wird dabei diejenige Temperatur des Kunststoffmaterials verstanden, bei der das Kunststoffmaterial zur Imprägnierung verwendet wird. Bei thermoplastischen Kunst stoffen ist dies insbesondere diejenige Temperatur, bei der das Kunststoffmaterial aufgeschmolzenen ist und so das Faserbündel entsprechend imprägnieren kann.
Das bereitgestellte Faserbündel wird nun mit dem Kunststoffmaterial imprägniert, in dem das zu imprägnierende Faserbündel, beispielsweise ein Roving, kontinuierlich durch eine Imprägnierkavität hindurchgeführt wird. In der Imprägnierkavität befindet sich dabei das temperierte, aufgeschmolzene und hochviskose Kunststoffmaterial, sodass beim Hindurchführen des Faserbündels durch die Imprägnierkavität das Fa serbündel vollständig von dem in der Imprägnierkavität befindlichen aufgeschmolze nen Kunststoffmaterial umschlossen wird. Die Imprägnierkavität kann dabei so mit dem Kunststoffmaterial gefüllt sein, dass sich während des Imprägniervorganges keine Luft in der Imprägnierkavität befindet. Dabei kann selbstverständlich vorgese hen sein, dass während des kontinuierlichen Hindurchführens des Faserbündels auch kontinuierlich neues Kunststoffmaterial der Imprägnierkavität bereitgestellt wird, um so einen kontinuierlichen Imprägniervorgang sicherstellen zu können. Des Weite ren kann selbstverständlich auch vorgesehen sein, dass die Imprägnierkavität eine Temperiereinrichtung aufweist, um so die Imprägnierkavität auf die vorgegebene Prozesstemperatur des hochviskosen Kunststoffmaterials zu erwärmen. Es ist dem zufolge vorteilhaft, wenn während des kontinuierlichen Hindurchführens des Faser bündels durch die Imprägnierkavität kontinuierlich neues Kunststoffmaterial der Im prägnierkavität hinzugefügt wird und/oder kontinuierlich das in der Imprägnierkavität befindliche Kunststoffmaterial temperiert wird, um es so insbesondere auf der ge wünschten Prozesstemperatur zu halten.
Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass während des Imprägnierens des Faser bündels das in der Imprägnierkavität befindliche aufgeschmolzene und hochviskose Kunststoffmaterial mit einer Oberfläche wenigstens eines Schwingungsgenerators derart in Kontakt steht, dass Schallenergie mittels des Schwingungsgenerators in das aufgeschmolzene und hochviskose Kunststoffmaterial der Imprägnierkavität ein gebracht wird.
Der mindestens eine Schwingungsgenerator weist hierfür eine Oberfläche auf, die di rekt im Kontakt mit dem aufgeschmolzenen und hochviskosen Kunststoffmaterial der Imprägnierkavität steht, wobei der Schwingungsgenerator ausgebildet ist, eine Schwingung bzw. Vibration zu erzeugen, die dann über die mit dem Kunststoffmate rial in Kontakt stehende Oberfläche an das Kunststoffmaterial in Form von Schalle nergie übertragen wird. Durch die Schwingungen bzw. Vibrationen des Schwin gungsgenerators werden somit Schallwellen bzw. Druckwellen innerhalb des aufge schmolzenen und hochviskosen Kunststoffmaterials erzeugt, die dann dazu führen, dass das hochviskose Kunststoffmaterial tief in das Faserbündel eindringt und dabei die einzelnen Filamente bzw. Endlosfasern benetzt. Dabei werden insbesondere die Zwischenräume zwischen den einzelnen Filamenten bzw. Endlosfasern des Faser bündels mit dem hochviskosen Kunststoffmaterial besetzt, sodass eine sehr hohe Imprägnierqualität erreicht werden kann, auch wenn das Faserbündel kontinuierlich durch die Imprägnierkavität hindurchgeführt wird.
Der Erfinder haben dabei erkannt, dass mithilfe eines Schwingungsgenerators, der mit seiner Oberfläche direkt im Kontakt mit dem hochviskosen und aufgeschmolze nen Kunststoffmaterial steht, Schallenergie so in das hochviskose Kunststoffmaterial eingebracht werden kann, dass hierdurch ein Faserbündel bzw. Roving mit hoher Qualität in einem kontinuierlichen Prozess imprägniert werden kann. Der hierfür be nötigte Bauraum ist dabei sehr klein, sodass sich das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere für den 3D-Druck sowie dem kontinuierlichen Ablegen von Endlosfa sern eignet. Durch die Verkleinerung des Bauraumes wird insbesondere bei Endef fektoren die zu bewegende Masse des Endeffektors verringert, wodurch die Präzi sion des gesamten Prozesses erhöht werden kann.
Der Erfinder hat des Weiteren auch erkannt, dass trotz der hohen Viskosität des auf geschmolzenen Kunststoffmaterials mithilfe eines mit dem Kunststoffmaterial in Kon takt stehenden Schwingungsgenerators dennoch Schallenergie so in das Kunststoff material eingebracht werden kann, dass das Faserbündel mit dem Kunststoffmaterial mit einer hohen Qualität imprägniert wird. Dies ist deshalb überraschend, da auf grund des viskoelastischen Effektes das aufgeschmolzene und hochviskose Kunst stoffmaterial eine deutlich längere Zeit benötigt, um sich nach einer mechanischen Verformung wieder zurück zu formen, als niedrigviskose Medien. Dennoch kann eine hohe Imprägnierleistung erreicht werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform handelt es sich bei dem hochviskosen Kunststoffmaterial um ein thermoplastisches Kunststoffmaterial, welches bei der vor gegebenen Prozesstemperatur, bei der das Kunststoffmaterial aufgeschmolzen und in Form einer Schmelze vorliegt, hochviskos ist, d. h. eine Viskosität von mehr als 8000 mPas hat. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird durch den Schwingungs generator eine Schwingungsamplitude zwischen 1 pm bis 150 pm , vorzugsweise max. 40 pm, besonders vorzugsweise max. 35 pm, erzeugt und/oder eine Schwin gungsfrequenz zwischen 100 Hz und 100 kHz, vorzugsweise zwischen 15 kHz und 60 kHz, besonders vorzugsweise zwischen 19 kHz und 60 kHz, erzeugt. Hierdurch kann in das hochviskose Kunststoffmaterial eine Schallenergie eingebracht werden, die trotz der technischen Herausforderung des hochviskosen Mediums eine sehr hohe Imprägnierleistung gewährleistet. Bei einer besonderen Ausführungsform liegt die Schwingungsfrequenz nicht höher als 45 kHz. Bei einer besonderen Ausfüh rungsform lieg die Schwingungsfrequenz zwischen 19,2 kHz und 19,7 kHz.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform werden durch den Schwin gungsgenerator reelle und/oder komplexe Eigenmoden einer Struktur der Impräg nierkavität angeregt. Es hat sich gezeigt, dass hierdurch trotz des viskoelastischen Effektes des hochviskosen Kunststoffmaterials dennoch eine hinreichende Schallleis tung bzw. Schallenergie in das Kunststoffmaterial eingebracht werden kann, um eine hohe Imprägnierleistung zu erreichen. In dieser Ausführungsform wird zumindest ein Teil der Oberfläche des Schwingungsgenerators durch eine spezielle, vorzugsweise modal schwingende Struktur gebildet, wobei durch den Schwingungsgenerator reelle und/oder komplexe Eigenmoden dieser Struktur der Imprägnierkavität angeregt wer den können. Vorzugsweise ist eine solche Struktur bzw. sind solche Strukturen voll ständig von dem Kunststoffmaterial in der Imprägnierkavität bedeckt. Solche Struktu ren können beispielsweise modal schwingende Platten in der Imprägnierkavität sein. Denkbar ist aber auch, dass es sich bei solchen Strukturen um ein Rohr mit Eigenfor men handeln kann, durch das das zu imprägnierende Faserbündel hindurchgeführt wird. Hierdurch kann die Imprägnierleistung auch bei hochviskosen Kunststoffmate rial signifikant verbessert werden. Das Rohr kann dabei selbst die Imprägnierkavität bilden oder Teil dessen davon sein.
Die auftretenden Schwingungsmaxima und -minima der Struktur wirken dann als räumlich verteilte Generatoren für die Einkopplung der Schallenergie.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die mit dem aufgeschmolzenen Kunststoffmaterial in Kontakt befindliche Oberfläche des Schwingungsgenerators durch Mikrostrukturierung, Anrauung und/oder Plasma vor behandelt oder so bereitgestellt wird, um die Adhäsion bzw. die Benetzung der Ober fläche des Schwingungsgenerators mit dem aufgeschmolzenen Kunststoffmaterial zu verbessern. Es hat sich gezeigt, dass durch derartige Maßnahmen zur Vorbehand lung der Oberfläche des Schwingungsgenerators, die mit dem Kunststoffmaterial in Kontakt steht, die Adhäsion der Oberfläche bzw. die Benetzungsfähigkeit der Ober fläche mit dem aufgeschmolzenen Kunststoffmaterial derart verbessert werden kann, dass trotz des viskoelastischen Effektes des hochviskosen Kunststoffmaterials ent sprechende Schallwellen bzw. Druckwellen in das aufgeschmolzene Kunststoffmate rial eingebracht werden können, um so die notwendige Schallenergie für die Impräg nierung des Faserbündels zu erreichen. Durch die Erhöhung der Adhäsionsfähigkeit der mit dem Kunststoff in Kontakt stehenden Oberfläche des Schwingungsgenerators wird verhindert, dass auch bei hoher Frequenz und/oder hoher Amplitude des
Schwingungsgenerators keine Flohlräume zwischen der Oberfläche des Schwin gungsgenerators und dem aufgeschmolzenen Kunststoffmaterial entstehen, die eine Übertragung der notwendigen Schallleistung verhindern.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird das Kunststoffmaterial zum Flerabsetzen der Kohäsionskräfte stofflich modifiziert, wodurch die Benetzung der Oberfläche des Schwingungsgenerators verbessert werden kann und die Kohäsi onskräfte herabgesetzt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Faserbündel in der Imprägnierkavität durch die das Faserbündel zumindest teilweise umschließende Oberfläche des Schwingungsgenerators geführt wird, während die Oberfläche des Schwingungsgenerators mit dem aufgeschmolzenen hochviskosen Kunststoffmate rial in Kontakt steht. Das Faserbündel wird hierbei durch eine Kavität des Schwin gungsgenerators in Art eines Nadelöhrs oder eines Bogens geführt, wobei in diesem Bereich der Schwingungsgenerator die Schallenergie in das hochviskose Kunststoff material abgibt. Das Faserbündel kann dabei stellenweise in Kontakt zu der Oberflä che des Schwingungsgenerators stehen. Die besondere Geometrie verhindert dabei ein wegfließen des Materials bzw. stellt durch Über- und Unterdruckzonen ein ver bessertes Einkoppeln der Schwingungsenergie bzw. Schallenergie sicher. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Imprägnieren des Faserbündels kann es unter anderem vorgesehen sein, das vor der Imprägnierkavität oder in der Impräg nierkavität das Faserbündel durch geeignete Maßnahmen aufgespreizt wird, um das Ergebnis zu verbessern, so wie es z.B. der zur Verfügung stehende Bauraum es er laubt. Grundsätzlich ist es jedoch nicht erforderlich, bei Anwendung des erfindungs gemäßen Verfahrens eine Aufspreizung der Fasern des Faserbündels zu bewirken.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das aufgeschmolzene Kunst stoffmaterial zusammen mit dem Faserbündel durch die Imprägnierkavität hindurch geführt wird oder hindurch fließt. Flierzu kann die Imprägnierkavität einen Eingang für das Faserbündel und einen Eingang für das aufgeschmolzene Kunststoffmaterial aufweisen, wobei in einer bevorzugten Ausführungsform das Faserbündel und das aufgeschmolzene Kunststoffmaterial durch ein und denselben Eingang in die Impräg nierkavität geführt wird. Demgemäß kann die Imprägnierkavität einen Ausgang für das Faserbündel und einen Ausgang für das aufgeschmolzene Kunststoffmaterial aufweisen, wobei in einer bevorzugten Ausführungsform das Faserbündel und das aufgeschmolzene Kunststoffmaterial durch einen denselben Ausgang aus der Im prägnierkavität geführt wird.
Hierdurch wird es beispielsweise möglich, ein Kunststofffaserhalbzeug (bspw. ein Thermoplastfaserhalbzeug) herzustellen, indem beispielsweise das Faserbündel und das aufgeschmolzene Kunststoffmaterial durch eine Düse oder einen Extruder als Ausgang geführt werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das aufgeschmolzene Kunst stoffmaterial in der Imprägnierkavität während des Imprägnierens des Faserbündels mit einem Druck beaufschlagt wird bzw bedruckt wird. Das aufgeschmolzene Kunst stoffmaterial kann dabei unter einem Druck stehen, der größer ist als ein Umge bungsdruck. So ist es denkbar, dass das aufgeschmolzene Kunststoffmaterial unter einem Schmelzedruck von 5 bar bis 100 bar, gegebenenfalls sogar bis 400 bar steht.
Bei dem Druck des aufgeschmolzenen Kunststoffmaterials handelt es sich um einen zusätzlichen, nicht im kHz Bereich oszillierenden Druck, welcher insbesondere durch die Fließkanalgeometrie sowie die Fördergeschwindigkeit bestimmt wird. Denn auch durch die Schalleinbringung in das aufgeschmolzene Kunststoffmaterial (Schmelze) wird auch eine Druckänderung erzeugt, die jedoch im kHz Bereich gemäß dem Schwingungsgenerator oszilliert. Der Druck, der hier gemeint ist, ist unabhängig von der Schalleinbringung und wird zusätzlich zu der Schalleinbringung eingebracht. Das aufgeschmolzene Kunststoffmaterial in der Imprägnierkavität wird somit mit einem von der Schalleinbringung bzw. eingebrachten Schallenergie unabhängigen, zusätzli chen Druck beaufschlaft. Das aufgeschmolzene Kunststoffmaterial wird somit zusätz lich zu der Einbringung der Schallenergie unter Druck gesetzt.
Das aufgeschmolzene Kunststoffmaterial kann dabei unter einem Druck stehen, der größer ist als der Ausgangsdruck am bzw. hinter dem Ausgang bzw. Düsenausgang. Hierdurch ist es möglich, die Düse nur mit einem sehr kleinen Spalt zu einem Drück bett zu positionieren. In diesem Fall wäre am Düsenaustritt bspw. ein Druck von 100 bar, da die Schmelze nicht an einem freien Ende austreten kann, dieser aber kleiner ist als der Druck in der Imprägnierkavität (bspw. 200 bar).
Das Bedrucken des aufgeschmolzenen Kunststoffmaterials kann beispielsweise in Zusammenhang mit der vorherigen Ausführungsform erreicht werden, bei der das aufgeschmolzene Kunststoffmaterial durch eine Düse oder einen Extruder zusam men mit dem Fasermaterial aus der Imprägnierkavität herausgeführt wird. Hierdurch kann ein Druckgradient zwischen dem Eingang des aufgeschmolzenen Kunststoff materials und dem Ausgang des aufgeschmolzenen Kunststoffmaterials erreicht wer den.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Schmelzedruck des Kunststoffmaterials kleiner ist als die Kavitationsschwelle. Dabei ist vorteilhaft, den Schmelzedruck nur so weit zu steigern, wie auch hinreichend Schallenergie zum Erreichen der Kavitationsschwelle in das aufgeschmolzene Kunststoffmaterial eingebracht werden kann. Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass sich in einem bedruckten, aufgeschmolzenen Kunststoffmaterial i.V.m. dem Einbringen von Schallenergie in das Kunststoffmaterial mittels des Schwingungsgenerators stärkere Kavitationseffekte bilden und auflösen, die zu einer verbesserten Imprägnierung des Fasermaterials durch das aufgeschmol zene Kunststoffmaterial führen. Die Aufgabe wird im Übrigen auch mit dem Verfahren zur Herstellung einer dreidi mensionalen Struktur, die aus zwei oder mehr unterschiedlichen Werkstoffen gebil det werden, erfindungsgemäß gelöst, wobei mittels eines 3D-Druckkopfes einer 3D- Druckanlage ein hieraus gemischter Werkstoff ausgegeben wird. Das Verfahren um fasst dabei die folgenden Schritte:
- Zuführen eines hochviskosen Kunststoffmaterials als einen ersten Werk stoff und eines quasiendlosen Faserbündels eines Fasermaterials als ei nen zweiten Werkstoff zu der 3D-Druckanlage,
- wobei beide Werkstoffe einer Imprägnierkavität der 3D-Druckanlage konti nuierlich zugeführt werden, um das quasiendlose Faserbündel mit dem hochviskosen, aufgeschmolzenen Kunststoffmaterial zu imprägnieren,
- Extrudieren des mit dem hochviskosen Kunststoffmaterial imprägnierten Faserbündels mittels des 3D-Druckkopfes,
- wobei während des Herstellens der dreidimensionalen Struktur kontinuier lich das quasiendlose Faserbündel mit dem hochviskosen, aufgeschmolze nen Kunststoffmaterial mit dem vorstehend beschriebenen Verfahren im prägniert wird.
Das hochviskose Kunststoffmaterial sowie das Fasermaterial werden dabei der Im prägnierkavität zugeführt, in der dann beide Werkstoffe zu einem Materialgemisch verbunden werden, indem das Fasermaterial in Form eines Faserbündels bzw. Ro- vings mit dem hochviskosen Kunststoffmaterial in der Imprägnierkavität imprägniert wird. Anschließend wird das so imprägnierte Faserbündel aus dem 3D-Druckkopf extrudiert, um so die dreidimensionale Struktur herzustellen.
Im Übrigen wird die Aufgabe auch mit der Vorrichtung zum Imprägnieren mindestens eines Faserbündels gelöst, wobei die Vorrichtung eine Imprägnierkavität hat, in die das hochviskose Kunststoffmaterial eingefüllt oder einfüllbar ist, wobei die Impräg nierkavität einen Einlass und einen Auslass derart aufweist, dass ein Faserbündel zum Imprägnieren durch das hochviskose, aufgeschmolzene Kunststoffmaterial der Imprägnierkavität hindurchführbar ist. Das Faserbündel wird somit mittels des Einlas ses in die Imprägnierkavität eingeführt und mittels des Auslasses wieder aus der Im prägnierkavität herausgeführt, wobei es nach dem herausführen aus dem Auslass der Imprägnierkavität mit dem Kunststoffmaterial imprägniert ist. Die Vorrichtung weist des Weiteren einen Schwingungsgenerator auf, der mit einer Oberfläche mit dem in der Imprägnierkavität befindlichen hochviskosen und aufgeschmolzenen Kunststoffmaterial in Kontakt steht oder bringbar ist und zum Einbringen von Schalle nergie in das hochviskose und aufgeschmolzene Kunststoffmaterial ausgebildet ist.
Vorteilhafterweise ist die Vorrichtung dabei so ausgebildet, dass sie das vorher be schriebene Verfahren zur Imprägnierung eines Faserbündels ausführen kann.
Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass die mit dem aufgeschmolzenen Kunststoffmaterial in Kontakt stehende oder bringbare Oberfläche eine Mikrostruktu rierung, Anrauung und/oder Plasmabehandlung aufweist, um die Adhäsion zwsichen der Oberfläche des Schwingungsgenerators und dem aufgeschmolzenen Kunststoff material zu verbessern.
Dabei kann es ebenfalls vorgesehen sein, dass die Oberfläche des Schwingungsge nerators eine Kavität aufweist, durch die das zu imprägnierende Faserbündel hin durchführbar ist, wenn das Faserbündel durch das hochviskose und aufgeschmol zene Kunststoffmaterial der Imprägnierkavität hindurchgeführt wird.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Kavität der Oberfläche des Schwingungsgenerators eine Röhre bildet, durch die das Faserbündel hindurchführbar ist, um mit dem hochviskosen und aufgeschmolze nen Kunststoffmaterial imprägniert zu werden, wobei die Röhre eine modal schwin gende Struktur und/oder eine schwingende Struktur mit Eigenformen ausbildet. Es hat sich gezeigt, dass durch die Verwendung einer modal schwingenden Struktur bzw. eine schwingende Struktur mit Eigenformen das Imprägnierergebnis trotz der hohen Viskosität des Mediums und des viskoelastischen Effektes deutlich verbessert werden kann. Eine solche Röhre kann aber auch selbst die Imprägnierkavität bilden, so dass im Inneren der Röhre der Roving geführt sowie das hochviskose Kunststoff material enthalten ist.
Die Aufgabe wird im Übrigen auch mit der Anlage zur Fierstellung einer dreidimensio nalen Struktur gelöst, wobei die Anlage einen Druckkopf aufweist, der eine erste Ma terialzuführung zum Zuführen eines quasiendlosen Faserbündels und wenigstens eine zweite Materialzuführung zum Zuführen eines Kunststoffmaterials hat, wobei die Materialzuführung in einer gemeinsamen Imprägnierkavität des Druckkopfes mün den, um das Faserbündel mit dem aufgeschmolzenen und hochviskosen Kunststoff material zu imprägnieren, dem Druckkopf wird dabei kontinuierlich sowohl das Faser- bündel als auch ein Kunststoffmaterial zugeführt, wobei die Zuführung des Kunst stoffmaterials im noch festen Aggregatzustand erfolgen kann. Durch eine Temperier einrichtung in dem Druckkopf kann dann erreicht werden, dass das zugeführte Kunststoffmaterial auf seine notwendige Prozesstemperatur gebracht wird und im aufgeschmolzenen Zustand vorliegt. Denkbar ist selbstverständlich auch, dass dem Druckkopf bereits das aufgeschmolzene und temperiert Kunststoffmaterial zugeführt wird. Mittels eines Auslasses des Druckkopfes kann dann das imprägnierte Faserbün del aus dem Druckkopf extrudiert werden.
Erfindungsgemäß weist der Druckkopf eine Vorrichtung zum Imprägnieren des Fa- serbündels auf, wobei hierfür ein Schwingungsgenerator vorgesehen ist, der mit ei ner Oberfläche mit dem in der Imprägnierkavität befindlichen hochviskosen und auf geschmolzenen Kunststoffmaterial in Kontakt steht oder bringbar ist und zum Ein bringen von Schallenergie in das hochviskose und aufgeschmolzene Kunststoffmate rial ausgebildet ist.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren beispielhaft erläutert. Es zeigen:
Figur 1 schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Im prägnieren;
Figur 2 schematische Darstellung der Vorrichtung in einer ersten Ausführungs form;
Figur 3 schematische Darstellung der Vorrichtung in einer zweiten Ausführungs form;
Figur 4 schematische Darstellung der Vorrichtung mit einer modal schwingenden
Struktur;
Figur 5 schematische Darstellung der Imprägnierkavität mit Eigenformen;
Figur 6 schematische Darstellung einer Imprägnierkavität mit Austrittsdüse.
Figur 1 zeigt in einer schematisch stark vereinfachten Darstellung eine Vorrichtung 10 zum Imprägnieren eines Faserbündels 11 , dass durch eine Imprägnierkavität 12 hindurchgeführt wird. Die Imprägnierkavität 12 ist dabei mit einem hochviskosen und aufgeschmolzenen Kunststoffmaterial 13 gefüllt, mit dem das Faserbündel 11 im prägniert werden soll.
Des Weiteren weist die Vorrichtung 10 einen Schwingungsgenerator 14 auf, der mit einer Oberfläche 15 mit dem aufgeschmolzenen und hochviskosen Kunststoffmate- rial 13 in Kontakt steht. Bei dem in Figur 1 gezeigten Schwingungsgenerators 14 handelt es sich um einen Longitudinalschwinger, der zum Einbringen der Schallener gie in das hochviskose Kunststoffmaterial 13 mit einer vorgegebenen Frequenz f eine Hubbewegung in Form einer Amplitude s ausführt. Die Richtung der Hubbewegung ist dabei im Ausführungsbeispiel der Figur 1 im Wesentlichen senkrecht zu dem Fa serbündel 11.
Aufgrund der Tatsache, dass der Schwingungsgenerator 14 mit seiner Oberfläche 15 direkt im Kontakt mit dem hochviskosen aufgeschmolzenen Kunststoffmaterial 13 steht, können die durch den Schwingungsgenerator 14 erzeugten Schwingungen bzw. Vibrationen in Form von Schallenergie in das Kunststoffmaterial 13 eingebracht werden, um so die Imprägnierleistung des Faserbündels 11 zu verbessern. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Oberfläche 15 des Schwingungsgenerators
13 durch Mikrostrukturierung, Anrauung und/oder Plasma vorbehandelt ist, um die Adhäsion zwischen der Oberfläche 15 des Schwingungsgenerators 14 mit dem auf geschmolzenen hochviskosen Kunststoffmaterial 13 zu verbessern. Hierdurch wird erreicht, dass zwischen der Oberfläche 15 des Schwingungsgenerators 14 und dem Kunststoffmaterial 13 während des Schwingens sich keine Hohlräume bilden, die eine Einkopplung der Schwingungen bzw. Vibrationen des Schwingungsgenerators
14 in das Kunststoffmaterial 13 erschweren oder gänzlich verhindern.
Figur 1 zeigt auf der rechten Seite verschiedene mögliche Querschnittsformen des Schwingungsgenerators 14, die als Oberfläche 15 die durch den Schwingungsgene rator 14 erzeugten Schwingungen in das hochviskose Kunststoffmaterial einkoppeln sollen.
Figur 2 zeigt schematisch die Vorrichtung 10, bei der der Schwingungsgenerator 14 im Bereich seiner Oberfläche 15, mit der der Schwingungsgenerator mit dem hoch viskosen Kunststoffmaterial in Kontakt steht, eine Ausnehmung aufweist, welche das durch die Imprägnierkavität hindurchgeführte Faserbündel teilweise oder vollständig umschließt, und zwar im vollständigen Kontakt mit dem hochviskosen Kunststoffma terial. Der Roving 11 wird demzufolge durch eine Art„Loch“ in dem Longitudinal schwinger mit einer besonderen Profil Geometrie hindurchgeführt, wobei die Fasern des Rovings dabei stellenweise in Kontakt mit der Oberfläche des Longitudinal schwingers 14 stehen können. Die besondere Geometrie verhindert ein Wegschlie ßen des Materials, bzw. stellt durch Über- und Unterdruckzonen ein verbessertes Einkoppeln der Schwingungsenergie sicher.
Figur 3 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung 10, bei der dem Schwingungsgenerator 14 ein Gegenstück bzw. ein Gegenelement 16 gegen überliegt derart, dass zwischen der Oberfläche 15 des Schwingungsgenerators 14 und dem Gegenstück 16 das Faserbündel 11 hindurchgeführt wird. Bei dem Gegenstück 16 kann es sich beispielsweise um ein in der Imprägnierkavität 12 angeordneten Reflexionselement handeln, welches die von dem Schwingungsge nerator 14 eingekoppelten Schallwellen reflektieren, wodurch das Einwirken bzw. die Wirkung der Schallwellen auf den Imprägnierprozess verbessert werden kann.
Denkbar ist selbstverständlich auch, dass es sich bei dem Gegenstück 16 ebenfalls um einen Schwingungsgenerator handelt, der aktiv Schallwellen in das hochviskose Kunststoffmaterial einbringen kann, wobei Frequenz und Amplitude beider Schwin gungsgeneratoren 14 und 16 so aufeinander abgestimmt sein können, dass ein größtmöglicher Effekt beim Imprägnieren des Rovings erreicht werden kann.
Figur 4 zeigt schematisch stark vereinfachten eine Ausführungsform, bei der ein leicht aufgespreizter Roving durch ein hochviskose Kunststoffmaterial durchgezogen wird, wobei sich in der Imprägnierkavität 12 eine modal schwingende Struktur 17 be findet, die als Schwingungsgenerator entsprechende Schallenergie in das hochvis kose Kunststoffmaterial einbringen soll. Die auftretenden Schwingungsmaxima und Schwingungsminima koppeln dabei räumlich verteilt die Schwingungsenergie in das hochviskose Kunststoffmaterial ein.
Figur 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer modal schwingenden Struktur 18 mit Eigenformen, die so ausgebildet ist, dass sie den Roving 11 vollständig um schließt. Die Oberfläche des Schwingungsgenerators wird dabei durch die modal schwingenden Strukturen 17 und 18 gebildet, wobei der Schwingungsgenerator der art ausgebildet ist, dass reelle und/oder komplexe Eigenmoden dieser Strukturen 17 und 18 angeregt werden können. Diese modal schwingenden Strukturen 17 und 18 befinden sich dabei innerhalb der Imprägnierkavität 12 und können dabei vorzugs weise vollständig von dem hochviskosen Kunststoffmaterial 12 umschlossen sein. Flierdurch kann sehr effektiv die notwendige Schallenergie zum Verbessern der Im prägnierleistung in das Kunststoffmaterial eingebracht werden. Darüber hinaus be darf eine derartige Ausführungsform einen nur sehr geringen Bauraum und eignet sich demzufolge besonders bei generativen Verfahren.
Denkbar ist aber auch, dass die in Figur 5 gezeigte modal schwingende Struktur 18 in Form einer Röhre die eigentliche Imprägnierkavität bildet, so dass die Röhre 18 die Imprägnierkavität ist. Hierfür hat die Röhre 18 einen Einlass 19a sowie einen Auslass 19b, so dass das Fasermaterial 1 1 durch den Einlass 19a in das Innere der Röhre geführt wird und durch den Auslass 19b wieder herausgeführt wird. Im Inneren der Röhre 18 befindet sich des Weiteren das aufgeschmolzene Kunststoffmaterial, wobei durch die Röhre 18 in Form einer modal schwingenden Struktur mit Eigenform die Schallenergie in das aufgeschmolzene Kunststoffmaterial eingebracht wird. Au ßerhalb der Röhre befindet sich in diesem Ausführungsbeispiel gewollt kein Kunst stoffmaterial, welches nur in der Röhre zusammen mit dem Fasermaterial enthalten ist.
Figur 6 zeigt in einer stark vereinfachten Darstellung die Vorrichtung 10 in einer wei teren Ausführungsform. Die Vorrichtung 10 weist eine Imprägnierkavität 12 auf, durch die das Faserbündel 1 1 und das hochviskose Kunststoffmaterial 13 hindurch geführt wird. In die Imprägnierkavität 12 ragt des Weiteren der Schwingungsgenera tor 14 in Form einer Sonotrode derart hinein, dass der Schwingungsgenerator 14 mit dem aufgeschmolzenen Kunststoffmaterial 13 in Kontakt steht, ohne das Faserbün del 1 1 in der Imprägnierkavität zu kontaktieren. Mithilfe des Schwingungsgenerators 14 kann so Schallenergie in das aufgeschmolzene Kunststoffmaterial 13 eingebracht werden.
Über einen Einlass bzw. Eingang 19a wird sowohl das Faserbündel 1 1 (nicht, nicht vollständig oder nicht hinreichend imprägniert) als auch das aufgeschmolzene Kunst stoffmaterial 13 in die Vorrichtung 10 eingeführt, sodass das Faserbündel 1 1 und das aufgeschmolzene Kunststoffmaterial 13 in die Imprägnierkavität 12 einführbar ist.
Aus einem Auslass bzw. Ausgang 19b wird dann das mit dem Kunststoffmaterial 13 imprägnierten Faserbündels 1 1 aus der Vorrichtung 10 herausgeführt.
Der Auslass bzw. Ausgang 19b ist dabei in Form eines Extruders bzw. einer Düse zur Formgebung und Konsolidierung des Kunststoffmaterials ausgebildet. Durch das Ausformen des Ausgangs 19b in Form einer Düse bzw. eines Extruders im Gegen satz zum Einlass bzw. Eingang kann ein Druckgradient in dem Kunststoffmaterial 13 zwischen dem Einlass 19a dem Auslass 19b erzeugt werden. Der Schmelzedruck kann dabei zwischen 15 bar und 100 bar, gegebenenfalls 400 bar liegen. Der Einlass 19a ist dabei zur druckdichten Zuführung des Faserbündels 1 1 und des aufgeschmolzenen Kunststoffmaterials 13 ausgebildet. Der Auslass 19b kann dabei insbesondere in Bezug auf das aufgeschmolzene Kunststoffmaterial Druck dicht aus gebildet sein.
Der Schwingungsgenerator 14 ist dabei ebenfalls Druck dicht in Bezug auf die Im prägnierkavität 12 an der Vorrichtung 10 angeordnet.
Durch das Bedrucken des aufgeschmolzenen Kunststoffmaterials 13 mit einem Druck bzw. Bildung eines Druckgradienten kann im Zusammenhang mit dem einbrin- gen der Schallenergie durch den Schwingungsgenerator 14 erreicht werden, dass sich in dem aufgeschmolzenen Kunststoffmaterial 13 Kavitationen bilden und auflö- sen, die zu einer deutlichen Verbesserung des Imprägnierergebnisses führen. Es hat sich gezeigt, dass die bei der Auflösung der Kavitationen entstehenden Mikrojets und/oder Schockwellen (Kavitationseffekte) zu einer Verbesserung der Imprägnie rung insbesondere bei der Anwendung von hochviskosen Kunststoffmaterialen füh ren.
Zwischen dem Einlass 19a sowie vor dem Auslass 19b befinden sich Führungsele mente 20, um das Fasermaterial 1 1 an der richtigen Position durch die Imprägnier kavität 12 hindurch zu führen. Zwischen den Führungselementen 20 ist dabei die So notrode 14 bzw. der Schwingungsgenerator angeordnet.
Der Schwingungsgenerator 14 ist dabei über eine druckdichte Anbindung 23 mit der Vorrichtung 10 verbunden. Über einen Sensor 22 im Bereich der Imprägnierkavität 12 kann kontinuierlich die Temperatur und der Druck überwacht werden.
Am Auslass 19b wird schließlich der imprägnierte Faserroving 21 herausgeführt. Bezuqszeichenliste
10 Vorrichtung
1 1 Faserbündel/Roving
12 Imprägnierkavität
13 hochviskoses Kunststoffmaterial
14 Schwingungsgenerator
15 Oberfläche des Schwingungsgenerators
16 Gegenstück/Gegenelement
17 modal schwingende Plattenstruktur
18 modal schwingendes Rohr mit Eigenformen
19a Einlass
19b Auslass
20 Führungselemente
21 Imprägnierter Faserroving
22 Sensor
23 Druckdichte Anbindung

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Imprägnieren mindestens eines Faserbündels (11 ) mit einem hochviskosen Kunststoffmaterial (13), dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- Bereitstellen mindestens eines zu imprägnierenden Faserbündels (11 ), das aus einer Vielzahl von Endlosfasern gebildet ist, sowie eines Kunststoffma terials (13), das bei vorgegebener Prozesstemperatur aufgeschmolzen und hochviskos ist, und
- Imprägnieren des Faserbündels (11 ) mit dem Kunststoffmaterial (13), in dem das zu imprägnierende Faserbündel (11 ) kontinuierlich durch eine Im prägnierkavität (12), die mit dem aufgeschmolzenen Kunststoffmaterial (13) gefüllt ist, hindurch geführt wird,
- wobei während des Imprägnierens des Faserbündels (11 ) das in der Im prägnierkavität (12) befindliche aufgeschmolzene Kunststoffmaterial (13) mit einer Oberfläche (15) wenigstens eines Schwingungsgenerators (14) derart in Kontakt steht, dass Schallenergie mittels des Schwingungsgene rators (14) in das aufgeschmolzene hochviskose Kunststoffmaterial (13) der Imprägnierkavität (12) eingebracht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das hochviskose Kunststoffmaterial (13) ein thermoplastisches Kunststoffmaterial ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Schwingungsgenerator (14) eine Schwingungsamplitude zwischen 1 pm bis 150 pm, vorzugsweise max. 40 pm, besonders vorzugsweise max. 35 pm, er- zeugt wird und/oder dass durch den Schwingungsgenerator (14) eine Schwin gungsfrequenz zwischen 100 Hz und 100 kHz, vorzugsweise zwischen 15 kHz und 60 kHz, besonders vorzugsweise zwischen 20 kHz und 60 kHz erzeugt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, dass durch den Schwingungsgenerator (14) reelle und/oder komplexe Ei genmoden einer Struktur (17, 18) der Imprägnierkavität (12) angeregt werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, dass die mit dem aufgeschmolzenen Kunststoffmaterial (13) in Kontakt befindliche Oberfläche (15) des Schwingungsgenerators (14) zum Einbringen der Schallenergie durch Mikrostrukturierung, Anrauung und/oder Plasma vor behandelt oder so bereitgestellt wird, um die Adhäsion und/oder Benetzung der Oberfläche (15) des Schwingungsgenerators (14) mit dem aufgeschmolze nen Kunststoffmaterial (13) zu verbessern.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, dass das Kunststoffmaterial (13) zum Herabsetzen der Kohäsionskräfte stofflich modifiziert wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, dass das Faserbündel (11 ) in der Imprägnierkavität (12) durch die das Fa serbündel (11 ) zumindest teilweise umschließende Oberfläche (15) des Schwingungsgenerators (14) geführt wird, während die Oberfläche (15) des Schwingungsgenerators (14) mit dem aufgeschmolzenen hochviskosen Kunststoffmaterial (13) in Kontakt steht.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, dass das aufgeschmolzene Kunststoffmaterial (13) zusammen mit dem Faserbündel (11 ) durch die Imprägnierkavität (12) hindurch geführt wird oder hindurch fließt.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, dass das aufgeschmolzene Kunststoffmaterial (13) in der Imprägnierkavi tät (12) während des Imprägnierens des Faserbündels (11 ) mit einem Druck beaufschlagt wird.
10. Verfahren zur Fierstellung einer dreidimensionalen Struktur, die aus zwei oder mehr unterschiedlichen Werkstoffen gebildet werden, mittels eines 3D-Druck- kopfes einer 3D-Druckanlage, wobei das Verfahren die folgenden Schritte um fasst:
- Zuführen eines hochviskosen Kunststoffmaterials (13) als einen ersten Werkstoff und eines quasiendlosen Faserbündels (11 ) eines Fasermateri als einen zweiten Werkstoff zu der 3D-Druckanlage,
- wobei beide Werkstoffe einer Imprägnierkavität (12) der 3D-Druckanlage kontinuierlich zugeführt werden, um das quasiendlose Faserbündel (11 ) mit dem hochviskosen, aufgeschmolzenen Kunststoffmaterial (13) zu im prägnieren,
- Extrudieren des mit dem hochviskosen Kunststoffmaterial (13) imprägnier ten Faserbündels (11 ) mittels des 3D-Druckkopfes, dadurch gekennzeichnet, dass
- während des Fiersteilens der dreidimensionalen Struktur kontinuierlich das quasiendlose Faserbündel (11 ) mit dem hochviskosen, aufgeschmolzenen Kunststoffmaterial (13) mit dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 imprägniert wird.
11. Vorrichtung (10) zum Imprägnieren mindestens eines Faserbündels (11 ), das aus einer Vielzahl von Endlosfasern gebildet ist, mit einem Kunststoffmaterial (13), das bei vorgegebener Prozesstemperatur aufgeschmolzen und hochvis kos ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) eine Imprägnier kavität (12) hat, in die das hochviskose Kunststoffmaterial (13) eingefüllt oder einfüllbar ist, wobei die Imprägnierkavität (12) einen Einlass und einen Aus lass derart aufweist, dass ein Faserbündel (11 ) zum Imprägnieren durch das hochviskose, aufgeschmolzene Kunststoffmaterial (13) der Imprägnierkavität (12) hindurchführbar ist, und die Vorrichtung (10) weiterhin einen Schwin gungsgenerator (14) hat, der mit einer Oberfläche (15) mit dem in der Impräg nierkavität (12) befindliche hochviskose, aufgeschmolzene Kunststoffmaterial
(13) in Kontakt steht oder bringbar ist und zum Einbringen von Schallenergie in das hochviskose, aufgeschmolzene Kunststoffmaterial (13) ausgebildet ist.
12. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der
Schwingungsgenerator (14) zum Erzeugen einer Schwingungsamplitude zwi schen 1 pm bis 150 pm, vorzugsweise max. 40 pm, besonders vorzugsweise max. 35 pm, und/oder zum Erzeugen einer Schwingungsfrequenz zwischen 100 Flz und 100 kHz, vorzugsweise zwischen 15 kHz und 60 kHz, besonders vorzugsweise zwischen 20 kHz und 60 kHz, ausgebildet ist.
13. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 1 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungsgenerator (14) zum Erzeugen von Schwingungen derart ein gerichtet ist, dass reelle und/oder komplexe Eigenmoden einer Struktur (17, 18) der Imprägnierkavität (12) angeregt werden.
14. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 1 bis 13, dadurch gekennzeich net, dass die mit dem aufgeschmolzenen Kunststoffmaterial in Kontakt ste hende oder bringbare Oberfläche (15) zum Einbringen der Schallenergie eine Mikrostrukturierung, Anrauung und/oder Plasmabehandlung aufweist, um die Adhäsion und/oder Benetzung der Oberfläche (15) des Schwingungsgenera tors (14) mit dem aufgeschmolzenen Kunststoffmaterial zu verbessern.
15. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 1 bis 14, dadurch gekennzeich net, dass die Oberfläche (15) des Schwingungsgenerators (14) eine Kavität aufweist, durch die das zu imprägnierende Faserbündel (1 1 ) hindurchführbar ist, wenn das Faserbündel (1 1 ) durch das hochviskose, aufgeschmolzene Kunststoffmaterial (13) der Imprägnierkavität (12) hindurchgeführt wird.
16. Vorrichtung (10) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavität der Oberfläche (15) des Schwingungsgenerators (14) eine Röhre bildet, durch die das Faserbündel (11 ) hindurchführbar ist, um mit dem hochviskosen auf geschmolzenen Kunststoffmaterial (13) imprägniert zu werden, wobei die Röhre eine modal schwingende Struktur und/oder eine schwingende Struktur mit Eigenformen hat.
17. Anlage zur Herstellung einer dreidimensionalen Struktur, die aus zwei oder mehr unterschiedlichen Werkstoffen gebildet werden, mit einem 3D-Druck- köpf, der eine erste Materialzuführung zum Zuführen eines quasiendlosen Fa serbündels (11 ) eines Fasermaterials und wenigstens eine zweite Materialzu führung zum Zuführen eines Kunststoffmaterials (13), das bei vorgegebener Prozesstemperatur aufgeschmolzen und hochviskos ist, die in einer Impräg nierkavität (12) des 3D-Druckkopfes münden, um das Faserbündel (11 ) mit dem aufgeschmolzenen hochviskosen Kunststoffmaterial (13) zu imprägnie ren, wobei die Imprägnierkavität (12) mit einem Auslass des 3D-Druckkopfes kommunizierend in Verbindung steht, der zum Extrudieren des imprägnierten Faserbündels (11 ) eingerichtet ist, um die dreidimensionale Struktur herzustel len, dadurch gekennzeichnet, dass der 3D-Druckkopf eine Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 11 bis 16 aufweist.
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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CN113334627A (zh) * 2021-06-23 2021-09-03 四川兴宇航科技有限公司 一种连续碳纤维增强pekk预浸料生产工艺及设备

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2926223A1 (de) * 1979-06-29 1981-01-08 Troester Maschf Paul Verfahren und vorrichtung zum beschichten von straengen aus elektrisch leitfaehigem material
US5114633A (en) * 1991-05-16 1992-05-19 Shell Oil Company Method for the resin-impregnation of fibers
AT403448B (de) * 1994-11-15 1998-02-25 Danubia Petrochem Polymere Extrusionsimprägniervorrichtung
JP2003039430A (ja) * 2001-08-01 2003-02-13 Sumitomo Bakelite Co Ltd 超音波による樹脂含浸方法及び装置
US20120040106A1 (en) * 2010-08-16 2012-02-16 Stefan Simmerer Apparatus for impregnating a fiber material with a resin and methods for forming a fiber-reinforced plastic part
WO2013092738A2 (de) * 2011-12-21 2013-06-27 Bayer Intellectual Property Gmbh Verfahren zur herstellung eines strangförmigen verbundwerkstoffes und anlage hierzu
US9579851B2 (en) * 2013-03-22 2017-02-28 Markforged, Inc. Apparatus for fiber reinforced additive manufacturing
WO2017068159A1 (en) * 2015-10-21 2017-04-27 Hexcel Composites Limited Impregnation process using ultrasound energy
DE102016107956A1 (de) * 2016-04-28 2017-11-02 Herrmann Ultraschalltechnik Gmbh & Co. Kg Verfahren zum Imprägnieren von Endlosfasern zur Herstellung von faserverstärkten Halbzeugen
WO2017192866A1 (en) * 2016-05-04 2017-11-09 Somnio Global Holdings, Llc Additive fabrication methods and devices for manufacture of objects having preform reinforcements
US10953598B2 (en) * 2016-11-04 2021-03-23 Continuous Composites Inc. Additive manufacturing system having vibrating nozzle
DE102017124352A1 (de) * 2017-10-18 2019-04-18 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Anlage, Druckkopf und Verfahren zum Herstellen von dreidimensionalen Strukturen

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