WO2021116293A1 - Vorrichtung und verfahren zur herstellung einer faserstruktur - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur herstellung einer faserstruktur Download PDF

Info

Publication number
WO2021116293A1
WO2021116293A1 PCT/EP2020/085543 EP2020085543W WO2021116293A1 WO 2021116293 A1 WO2021116293 A1 WO 2021116293A1 EP 2020085543 W EP2020085543 W EP 2020085543W WO 2021116293 A1 WO2021116293 A1 WO 2021116293A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
fiber
sieve
nozzle
designed
fibers
Prior art date
Application number
PCT/EP2020/085543
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Frederic Kreplin
Robert Götzinger
Samuel Schabel
Original Assignee
Technische Universität Darmstadt
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Technische Universität Darmstadt filed Critical Technische Universität Darmstadt
Publication of WO2021116293A1 publication Critical patent/WO2021116293A1/de

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/20—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B29C64/245—Platforms or substrates
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/10—Processes of additive manufacturing
    • B29C64/106—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material
    • B29C64/118—Processes of additive manufacturing using only liquids or viscous materials, e.g. depositing a continuous bead of viscous material using filamentary material being melted, e.g. fused deposition modelling [FDM]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/20—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B29C64/205—Means for applying layers
    • B29C64/209—Heads; Nozzles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/20—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B29C64/255—Enclosures for the building material, e.g. powder containers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21D—TREATMENT OF THE MATERIALS BEFORE PASSING TO THE PAPER-MAKING MACHINE
    • D21D1/00—Methods of beating or refining; Beaters of the Hollander type
    • D21D1/002—Control devices
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21D—TREATMENT OF THE MATERIALS BEFORE PASSING TO THE PAPER-MAKING MACHINE
    • D21D1/00—Methods of beating or refining; Beaters of the Hollander type
    • D21D1/20—Methods of refining
    • D21D1/30—Disc mills
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C70/00—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts
    • B29C70/04—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts comprising reinforcements only, e.g. self-reinforcing plastics
    • B29C70/28—Shaping operations therefor
    • B29C70/30—Shaping by lay-up, i.e. applying fibres, tape or broadsheet on a mould, former or core; Shaping by spray-up, i.e. spraying of fibres on a mould, former or core
    • B29C70/38—Automated lay-up, e.g. using robots, laying filaments according to predetermined patterns

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and method for making a fiber structure, and more particularly to a fiber printer.
  • nozzles are used to apply material in a targeted manner to a predetermined location.
  • the extrusion processes such as. B. the "Fused Deposition
  • Modeling ” (FDM) mostly use a heated extruder nozzle that can be moved in a horizontal plane and a platform that can be moved in a vertical direction.
  • Plastics such as acrylonitrile butadiene styrene (ABS) and polylactide (PLA), or waxes are fed into the extruder nozzle in the form of a filament via rollers, where they are heated slightly above the melting point.
  • ABS acrylonitrile butadiene styrene
  • PLA polylactide
  • Material is applied in the horizontal plane in dots or lines in building layers (superimposed in the vertical direction). The material solidifies shortly after exiting the nozzle by dissipating heat into the component. Partly the components are z. B. additionally cooled by fans. The platform moves one layer thick after a layer is created and the next layer is applied.
  • the process variants include fused deposition modeling (FDM), the 3-D plotter, multiphase jet solidification (MJS) and multi-jet modeling (MJM).
  • FDM fused deposition modeling
  • MVS multiphase jet solidification
  • MJM multi-jet modeling
  • workpieces with a desired strength can be produced in a targeted manner in areas that are subject to heavy loads. It should be noted, however, that the systems and processes mentioned work with heating. Another possibility to increase the strength of workpieces is to use fibers or fiber composites that use fiber suspensions.
  • the present invention relates to an apparatus for producing an inhomogeneous fiber structure using a fiber medium, having the following features: a sieve device and a feed device which is designed to apply a fiber medium to the sieve device at a desired application rate; furthermore a movement device which is designed to move at least part of the feed device in at least two independent directions and thus to produce the inhomogeneous fiber structure.
  • the term inhomogeneous fiber structure is intended to denote a spatial arrangement of fibers (e.g.
  • plastic, paper or carbon fibers also suitable mixtures of such fibers in which the fibers have a location-variable preferred orientation and / or a location-variable density (number of fibers per area or volume) and / or can have a spatially variable composition such as certain fiber blends, fillers or additives.
  • the variability in place can exist both in the sieve plane and orthogonally to it; for example, several layers of fibers with independent preferred orientation can be arranged one above the other in the cross-section of the fiber structure.
  • the term inhomogeneous fiber structure should also be understood to refer to a height profile that may vary over the wire plane; in this way, for example, a surface topology similar to an embossing pattern can be generated.
  • the local variability can follow local and / or global patterns such as channels, spirals or closed contours.
  • inhomogeneous is also intended to include that all fibers have no preferred direction or that the orientation of the individual fibers can be adjusted in a locally controlled manner.
  • the fiber medium is a heterogeneous mixture of fibers or powders in a medium suitable for fine distribution, which can also contain binding agents and / or solvents.
  • the medium can be, for example, a liquid such as water, but also a gas such as air.
  • the feed device traverses over the sieve device; local recesses and / or the application of several layers can take place here. After leaving the feed device, liquid or gaseous constituents of the fiber suspension pass through the sieve device, while at least the fibers or the powder remain on the sieve device.
  • the application rate is the number of fibers deposited on the sieve device or an amount of powder deposited on the sieve device, or also the amount of the fiber medium applied to the sieve per time.
  • Embodiments include about Paper fiber suspensions with consistencies of 0.05% and application rates at which the fibers are deposited almost individually on the screen, or suspensions of, for example, calcium carbonate powder, which is deposited by the feed device in pores of an inhomogeneous fiber structure resting on the screen device. Fibers or powder can also be applied dry to the sieve device, for example by being applied to the sieve device in an air stream through the feed device.
  • sieve device is to be understood very generally as meaning a mesh made of a suitable material and with a suitable mesh size.
  • a Rapid-Köthen sieve and / or a filter made of a suitable material such as that of a coffee filter can be used.
  • the directions of the relative movement can be fixed in a horizontal plane or, for example, span a locally and / or temporally variable local tangential plane on the sieve device. Movement is to be understood as the direction of advance relative to the screening device.
  • the movement device can, however, also be designed to enable further changes over time which are necessary for operating the device; this can include, for example, changes in the angles of parts of the feed device.
  • the feed device has a nozzle for discharging the fiber medium onto the screen, a storage container for storing the fiber medium and a connecting line which connects the nozzle and the storage container.
  • the nozzle can generate a laminar stretch flow through which the fibers are oriented in the direction of flow.
  • the connecting line optionally comprises a step diffuser.
  • a step diffuser is used to dissolve Fiber clumps in the supply line. Its use ensures that fibers are applied to the sieve device practically individually or in isolation.
  • the nozzle can also have a tapering, curved mouth region. The individual placement and the orientation of the fibers can be improved by the configuration of the mouth. The structure of the fiber structure is influenced by this configuration; the angle of incidence is particularly important.
  • Interchangeable nozzles can be suitably preformed to accommodate different fiber media.
  • the alignment of the fibers in a preferred direction is basically made possible by the feed mobility of the feed device relative to the sieve, it can be additionally improved by the embodiment of the nozzle with a curved mouth section.
  • the design of the device for fiber orientation or for depositing the fibers in a locally variable preferred direction distinguishes the device and method as presented here from the devices and methods of 3D printing.
  • the nozzle can be adjusted relative to the sieve device in its included angle with the vertical direction and / or rotatable about the vertical axis and / or designed in order to maintain a predetermined distance between the nozzle and the sieve device.
  • the nozzle can be kept at a constant angle, for example when the suspension unit moves, both to the direction of movement and to the vertical direction.
  • the angle of attack of the nozzle can be important for an oriented deposit of the fibers on the sieve device. In the further embodiments described above with a curved nozzle, this can be aligned in each case according to the current feed direction.
  • the feed device is further designed to set a pressure of the fiber medium in the nozzle and / or to adjust a quantity of the
  • the pressure of the fiber medium can be regulated, for example, in that the storage container is designed as a height-adjustable level box.
  • a pulsation-free pump can be used, for example, which moves the fiber medium through the connecting hose at a specific pressure and / or a specific rate.
  • the amount of fiber medium flowing through the connecting device can be controlled by a general or the previously mentioned pulsation-free pump or also by a control valve such as a hose pinch valve on the connecting line.
  • the desired application rate can also be set. In this way, a height profile above the sieve level can also be achieved.
  • the storage container has a stirring device in order to achieve continuous mixing of the fiber medium, and / or the storage container has an overflow in order to keep a filling level of the storage container constant.
  • the stirring device and / or the overflow can be important when using a fiber suspension as the fiber medium.
  • the overflow allows, for example, the storage container to be filled with fiber suspension at a constant rate with a constant liquid level.
  • the device furthermore has a suction device which is designed to be able to be moved in the two independent directions in which the feed device can be moved by the movement device in a manner dependent on or independent of the feed device; further to extract moisture or gas (eg air) only in a region of the sieve device in which the feed device applies or has just applied the fiber medium to the sieve device; and also to control suction performance.
  • moisture or gas eg air
  • Such a suction device comprises, for example, a head part (e.g. a nozzle) located on the opposite side of the screen on the feed device with an opening area directed towards the screen, which has one or more openings (e.g. slots) and which is connected to a pump system via a hose for generating a negative pressure (e.g. a vacuum pump) is connected.
  • a head part e.g. a nozzle
  • a negative pressure e.g. a vacuum pump
  • the head part, the hose or the pump system may have one or more valves via which air can be sucked in at an adjustable rate from an area away from the sieve - so-called false air.
  • a suction effect is achieved via the openings in a manner which is suitable for removing liquid from the fiber suspension applied to the screen.
  • the strength of the suction effect can be controlled via the performance of the pump system and / or via the targeted suction of false air through the valves.
  • At least the openings and / or the head of the suction device can be adjusted in their position analogous to the possible positions of the feed device, and liquid is only suctioned in a limited area (e.g.
  • the device has a housing for at least part of the device, the housing being designed to set a desired environment for application of the fiber medium.
  • the desired environment is characterized by at least one of the following physical parameters:
  • a certain pressure for example an overpressure or underpressure or an atmospheric pressure
  • a certain humidity for example a humidity
  • a certain gas mixture for example air with an addition of
  • the movement device has at least two linear drives in order to move the feed device independently of one another in two mutually perpendicular directions.
  • the directions can, for example, span the horizontal plane (orthogonal to gravity).
  • the fiber suspension can be applied in any route and / or curve by the drives.
  • the movement device and / or the suction device are designed to synchronize a movement of the nozzle with a movement of the suction device.
  • the synchronization can consist, for example, of the positions of the feed device and the suction device running in unison, with little or no relative movement being permitted.
  • the screening device has a rotating screen and / or a rotatably mounted screen and / or an angle-adjustable screen and / or a profile-shaped or profile-deformable screen.
  • a rotating sieve can, for example, be designed as a flexible mesh and passed over possibly height-adjustable rotating rollers.
  • a revolving screen can for example be continued by a length of the printing area after a section of the inhomogeneous fiber structure has been completed, or it can carry out a continuous movement in the transverse direction to the rotating rollers.
  • a rotation can take place within the sieve plane and / or affect the sieve plane itself.
  • Application examples see a circular disc-shaped sieve that rotates at constant or variable speed in the sieve plane around its center point, as well as a rotation of the sieve plane by a predetermined angle range of up to +/- 90 ° (or +/- 6o ° or +/- 45 0 ) in comparison to the horizontal plane by means of adjustable pulleys.
  • an angle can be set, for example, by selecting a relative vertical height of the rotating rollers.
  • a round, rotatable screen is advantageously designed in particular for the production of round blanks (for example round paper filters).
  • round blanks for example round paper filters.
  • Sheets of non-woven material are produced from which the blanks are then punched out. This creates a correspondingly large amount of waste, which is often difficult to recycle.
  • the exemplary embodiments with a rotatable sieve make it possible to produce round blanks (or indeed any arbitrarily shaped filters) that already have the final contour. This avoids or minimizes waste.
  • the filter is generated on the rotating sieve by a radial movement of the nozzle, advantageously with simultaneous tracking of the suction device.
  • the sieve device is advantageously designed to easily detach and remove the rotatable sieve from the sieve device, so that the resulting round blank can be detached from the sieve with little effort.
  • the sieve does not have to be flat, but can have a profile above a plane in its shape. Such a sieve can be used, for example, when the inhomogeneous fiber structure is formed into a specific shape or structure, such as the shape of an egg carton or the like.
  • Movement device can be designed to move the feed device and optionally the suction device to the profile of the Adapt sieves and, for example, also enable movement in a third independent direction.
  • the feed device is part of a plurality of feed devices that are assigned to a sieve device, and / or the sieve device is part of a plurality of sieve devices that are assigned to a feed device, and / or there are none, one or more than one suction device.
  • Combinations of parts of one or more feed devices are also advantageous.
  • a nozzle to a plurality of storage containers in a feed device, for example each with different fiber media.
  • a plurality of valves can control the supply of fiber media from the various containers to the nozzle.
  • fiber mixtures or a timely or synchronous application of fiber material (e.g. carbon fibers) and matrix (e.g. resins) to fix the fibers to form the inhomogeneous fiber structure can be achieved.
  • the device can also have a plurality of sieves and / or filters which are arranged in cascade in order to enable method steps to be carried out in series.
  • several of the devices mentioned can also be combined in one system.
  • different fiber materials and / or fillers can also be advantageously applied to the sieve device within one application plane.
  • the device further has a control device, the control device being designed to control the movement device and / or the feed device and / or the suction device and / or a movement of the sieve device in order to generate at least one of the following features: a desired fiber orientation , several superimposed fiber layers with different main fiber orientations,
  • control device can have various structural features such as, for example, connecting elements between different parts of the device and / or a programmable one
  • Processor unit and / or comprise a user interface.
  • the aforementioned patterns can be implemented in the fiber orientation of the inhomogeneous fiber structure, and / or one-dimensional lines and / or curves can be formed in the fiber orientation, for example to generate capillarity in a desired direction.
  • locally predetermined fiber or powder densities and / or predetermined material compositions can be achieved.
  • control unit for producing areas of different density can be achieved, for example, by regulating the pressure of the fiber medium, but also by the speed of the movement of the feed device relative to the sieve or by varying the fiber suspension (different fiber materials).
  • control device is further designed to carry out at least one of the following controls to generate the features:
  • the screen By rotating the screen suitably fast in relation to the rate of application of the fiber suspension, for example, an elongation effect with respect to the fibers of the fiber suspension can be achieved, which leads to the alignment of the fibers.
  • the stretched fibers are advantageously fixed immediately.
  • control is implemented by a suitable modification of a control code for a 3D printer.
  • the modification includes, for example, the adjustment of the speed or the use of the parameters with regard to the height adjustment for the angle adjustment of the nozzle.
  • the device can be used for at least one of the following functions:
  • Functional fiber structures can be created, for example, by introducing fillers into the inhomogeneous fiber structure.
  • a pore or web structure can be introduced into the inhomogeneous fiber structure, which can be filled with calcium carbonate, for example.
  • Other additives are conductive powder or fiber materials (e.g. graphene), which can be introduced as filling or as elements of the structure and can serve, for example, as conductor tracks. Sensors can also be implemented in this way.
  • the present invention also relates to a method for producing an inhomogeneous fiber structure with the following steps:
  • a fiber suspension is used in this process, which has at least one of the following components:
  • Fibers of a predetermined length Fibers of a predetermined length, chemically modified fibers,
  • the device can be used to produce inhomogeneous fiber structures with short fibers with lengths of less than one millimeter up to 10 millimeters.
  • Powder materials such as calcium carbonate, activated carbon and / or graphene can for example be introduced into pores and / or channels of the inhomogeneous fiber structure.
  • the application of the fibers in a preferred direction by moving the feed device is particularly important.
  • conductive tracks made of metal fibers can be introduced into the fiber structure in a targeted manner.
  • Fibers result, not achievable with 3Ü printing devices or processes.
  • the at least two directions of movement of the feed device are also able, in particular, to allow the fiber orientation to run in closed contours, that is to say without breaking points.
  • the exemplary embodiments allow the use of metal fibers, in particular through a suitable choice of the fiber medium. Other fiber materials for which a suitable fiber medium can be found can also be applied in this way.
  • inhomogeneous fiber structures with individual properties in particular with regard to the fiber orientation, can also be produced in small quantities up to a number of pieces. For example, desired shape and
  • Material composition properties can be achieved for specific requirements.
  • the structure and thus the properties of an inhomogeneous fiber structure can be controlled via the control device, which can allow control of exemplary embodiments of the present invention, for example via a design in the context of a suitable program on the PC influence in a targeted manner.
  • This offers, for example, the possibility of shaping fiber structures with certain mechanical properties (such as high stability in the Area around a perforation by circumferentially aligning the fiber preferential direction; e.g. tangential laying of the fibers), or to influence microfluidics in the individual layers and z.
  • the control device can allow control of exemplary embodiments of the present invention, for example via a design in the context of a suitable program on the PC influence in a targeted manner.
  • This offers, for example, the possibility of shaping fiber structures with certain mechanical properties (such as high stability in the Area around a perforation by circumferentially aligning the fiber preferential direction; e.g. tangential laying of the fibers), or to influence
  • a fiber material that is optimized for later use can be produced, which can then be further processed, for example, into a fiber composite material.
  • inhomogeneous fiber structures from a single type of fiber can also be produced, which can then be further processed, for example, into a fiber composite material.
  • Hybrid materials can be produced through the use of other fiber material.
  • applications in the field of research and development for example in the production and determination of material properties of inhomogeneous fiber structures or fiber composite materials
  • commercial production for example in the production and determination of material properties of inhomogeneous fiber structures or fiber composite materials
  • Fig. 1 illustrates an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 shows further optional details according to exemplary embodiments of the present invention with a movable nozzle and a movable one Suction device on a round sieve that can be rotated in the sieve plane.
  • 3A shows the possibilities of movement of the nozzle.
  • 3B shows a diagram of an exemplary embodiment of the present invention in which the nozzle maintains a fixed orientation with respect to the direction of movement.
  • FIG. 4 shows an embodiment of the present invention with a rotating screen which is guided over rotating rollers and in which there are two feed and two suction devices.
  • Fig. 5A shows schematically a revolving screen which is passed over height-adjustable rotating rollers.
  • 5B shows schematically a round sieve which is mounted such that it can be rotated and inclined via height-adjustable deflection rollers.
  • FIG. 6 shows a diagram of an exemplary embodiment of the present invention with an inclined rotating sieve.
  • 7 shows a flow diagram for a method for producing an inhomogeneous fiber structure according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 8 illustrates a step diffuser which is integrated into a connecting line.
  • Fig. 9 shows an embodiment for a nozzle. 10 shows a microfluidic product.
  • the device comprises a sieve device 110, a feed device 120 and a movement device 130.
  • the feed device 120 is designed to apply a fiber medium 50 to the sieve device 110 at a desired application rate.
  • the movement device 130 is designed to move at least a part of the feed device 120 in at least two independent ways To move directions and so produce the inhomogeneous fiber structure.
  • the device comprises a movable suction device 140.
  • the sieve device 110 comprises, for example, a round sieve that can be rotated in the sieve plane or a filter, for example to suck up moisture from the applied fiber medium 50 and / or to suck in fibers or powder contained in the fiber medium 50 .
  • the feed device 130 comprises, for example, a movable nozzle 122 which is connected by a connecting line 127 to a storage container 124 for the fiber medium 50. A quantity of the fiber medium 50 moved through the connecting line 127 is controlled, for example, by a control valve 128.
  • the nozzle 122 is, for example, movable in the horizontal (X-Y) plane, but can also allow a movement in the vertical direction, for example in the case of an inclinable sieve device or a sieve device with a height profile.
  • the fibers or the powder of the fiber medium 50 exiting through the nozzle 122 are retained by the sieve device 110; the suspension liquid or a gas of the fiber medium 50 is sucked off through the sieve via the opening area 142 and the suction channel 144 of the suction device 140.
  • the fibers or the powder are fixed on the sieve device 110 by suctioning off the suspension liquid or the gas close to the time and location.
  • the screening device 110 can, for example, driven by a stepping motor, rotate permanently at an adjustable speed, or it can be rotated through any desired angle in the screening plane.
  • the shape of the sieve device 110 does not have to be round, but is useful for a rotating sieve device 110.
  • the suspension liquid or the gas can be connected to a vacuum pump with a hose (not shown here).
  • the opening area 142 of the suction device with the suction channel 144 is shown movable in the horizontal (XY) plane in the horizontal (XY) plane synchronously with the nozzle 122, but like the nozzle 122 it can also be be designed to perform movements in the vertical direction. In this way, sucking in false air can be significantly reduced, since gas or a gas / suspension liquid mixture is only sucked in where such a suction is to be carried out.
  • the local suction supports the laying down of the fibers in a desired orientation or the suction does not change the fiber orientation.
  • FIG. 2 shows a further embodiment, further optional details are shown.
  • a fiber suspension is assumed here as the fiber medium 50.
  • the fiber medium 50 is guided from the storage container 124, for example by the action of its own weight, in a manner controlled by a control valve 128 via the connecting hose 127 to the nozzle 122 and as a thin jet onto a circular disk-shaped sieve (for example a Rapid-Köthen sieve of 20 cm Diameter) comprehensive screen device 110 applied.
  • a circular disk-shaped sieve for example a Rapid-Köthen sieve of 20 cm Diameter
  • Agitation device 126 has been attached in the storage container 124, by means of which the sedimentation of the fibers can be prevented.
  • the storage container 124 has an overflow 125 so that fiber medium 50 can be pumped permanently into the storage container 124 and a fiber suspension level in the storage container 124 remains constant.
  • a constant hydrostatic pressure generated in this way in the storage container 124 causes a constant volume flow of the fiber medium 50 through the nozzle 122.
  • the volume of the storage container 124 therefore does not need to be adjusted, however, by moving the storage container 124, a difference in height between the nozzle outlet and the fiber suspension level in the storage container can be created 124 can be set.
  • the control valve 128 controls the amount of that flowing through the connecting hose 127 Fiber medium 50.
  • the fiber suspension of the fiber medium 50 can, for example, be highly diluted (material density of, for example, 0.05%) so that the fibers can be deposited almost individually on the sieve device 110.
  • the nozzle 122 can create a laminar stretch flow, whereby the fibers in
  • Direction of flow can be oriented.
  • the fiber medium 50 encounters the rotating sieve device 110.
  • the sieve device 110 is mounted on a holder (not shown in the figure), which can be rotated permanently or through a certain angle, for example by means of a stepping motor with variable speed.
  • the screen holder (not shown in the figure) is mounted in this application example in a fixed horizontal plane.
  • openings 143 in the opening area 142 of a suction device 140, which removes the suspension liquid and fixes the fibers on the sieve.
  • the sieving speed can be higher than the exit speed of the fiber medium 50 from the nozzle 122, so that the fibers are additionally stretched when they hit the sieving device 110.
  • the nozzle 122 and the head of the suction device traverse together during the production process along the sieve device 110, so that an inhomogeneous fiber structure can arise in several layers. Movements of the nozzle 122 and the opening area 142 of the suction device 140 can be limited to the horizontal plane (orthogonal to gravity) Directions are driven. In the case of an embodiment with adjustable sieve device 110 and / or a sieve device 110 with a vertically variable profile, the nozzle 122 and the opening area 142 of the suction device 140 can also be designed to be able to follow the surface of the sieve device 110 in all spatial directions.
  • the nozzle 122 and / or the opening portion 142 of the suction device 140 can be moved in vertical direction. At least the nozzle 122 is guided by linear guide rails 132 in the figure.
  • the suction device 140 comprises, for example, a head part with the
  • Opening area 142 in which, according to the illustrated embodiment, openings 143 designed to be movable in slots receive the suspension liquid and discharge it via the suction channel 144 and a suction hose 145.
  • the suction hose 145 used as part of the suction channel 144 is used for flexibility in order to enable the suction device 140 to be adjusted in accordance with a changing position of the nozzle 122.
  • the suction can take place with the aid of a vacuum pump 147, which generates a negative pressure which can be regulated via a bypass valve 146 through targeted suction of false air.
  • the system is controlled by a control unit 150, which can control, for example, the position of the nozzle 122, the opening area 142 and the openings 143 as well as the vertical height of the drainage container 124, the control valve 128, the bypass valve 146 and the movement of the sieve device 110.
  • the opening area 142 comprises one or more slits that can be moved relative to the sieve device 110, the control device 150 being designed accordingly to adapt the position of the one or more movable slits to the position of the mouth of the nozzle 122.
  • the slots can be moved in a traversing manner parallel to the surface of the screening device 110 by means of a carriage or slide on a linear guide. The movement of the suspension opening and / or the
  • Opening area 142 can for example take place via one or more stepper motor (s). In this way, sucking in false air at the slots can be significantly reduced, since air or an air / water mixture is only sucked in where drying is to be carried out.
  • the control of the stepper motors 131 to move the horizontal position the nozzle 122 as well as the opening area 142 of the suction device 140, the drive for the rotation of the sieve device 110 and the control valve 128 take place, for example, via a computing unit (microcontroller board) such as the chicken Uno with GRBL firmware.
  • a computing unit microcontroller board
  • the nozzle 122 and the opening area 142 of the suction device 140 in parallel, two CNC shields (interfaces for the chicken microcontroller) can be used, for example, the signal for the first CNC shield for controlling the nozzle 122 being on the second CNC shield for controlling the opening area 142 of the suction device 140 is mirrored.
  • G-code for example, can be used to control the nozzles.
  • G-code can be generated from 3D CAD models by saving the model as an Astl file and feeding it to a slicing program. The slicing program creates a layered body from the solid. The routes for the material order are generated within the individual shifts according to the selected settings. The G-code for system control can then be generated automatically from the routes. With the help of a transmission program (e.g. Universal Geode Sender), the generated G-code can be sent to the microcontroller board after minor adjustments, such as deleting the commands for the vertical axis and inserting commands to control the valve or to rotate the sieve be transmitted.
  • a transmission program e.g. Universal Geode Sender
  • 3A shows exemplary embodiments for possible movements of the nozzle 122, which can be brought about by the movement device 130.
  • the nozzle 122 or the movement device 130 can be designed, for example, to allow a rotation by an angle a of up to, for example, 45 degrees to the vertical direction (here denoted by Z) and / or a rotation about the vertical direction relative to the sieve device 110 .
  • the holder of the nozzle 122 and / or the sieve device 110 can advantageously be designed in such a way that the position of the mouth of the nozzle 122 does not change when the orientation is changed.
  • 3B shows a diagram of an exemplary embodiment of the present invention in which the nozzle 122 maintains a fixed orientation with respect to the direction of movement in the horizontal plane by adjusting the angle ⁇ and rotating about the vertical axis. This can be achieved, for example, via a feed vector control and
  • Fine-tuning of the application of the fiber medium 50 and / or an improved control of the fiber orientation on the sieve device 110 can be used.
  • the holder of the nozzle 122 and / or of the sieve device 110 can be designed in such a way that the position of the mouth of the nozzle 122 and thereby the location at which the fiber medium 50 reaches the
  • Sieve device 110 is applied, is not changed when the orientation of the nozzle 122 is changed.
  • FIG. 4 shows an embodiment of the present invention with a revolving screen unit 110, which is guided over rotating rollers 111 (or deflection rollers), and in which two feed devices 120 (a nozzle 122, a connecting hose 127 with a control valve 128 and a storage container 124 are shown in each case) with overflow 125, filled with fiber medium 50) and two suction devices 140 (each of which shows a suction channel 144 with an opening 142).
  • a section of paper or another material can be applied, and the screen device 110 can then be continued by the length of the application area.
  • the screening device 110 can also take over the movement of the nozzles 122 in a direction orthogonal to the rotating rollers 111.
  • the parallel use of several feed and suction devices 120, 140 is advantageous, for example, in order to apply different layers with different fibers and / or to manufacture different products in parallel.
  • FIG. 5A schematically shows a revolving screening device 110 which is passed over height-adjustable rotating rollers 111.
  • the sieve level can be adjusted by an angle or an angular range (for example up to +/- 45 ° with respect to the vertical plane).
  • 5B schematically shows a round sieve device no which is mounted such that it can be rotated and inclined via height-adjustable fastening points or rollers 112.
  • the sieve plane can be rotated through an angle or an angular range (for example up to +/- 90 ° with respect to the vertical plane).
  • the screening device 110 can be rotated due to an embodiment using deflection rollers 112.
  • FIG. 6 shows a diagram of an exemplary embodiment of the present invention with inclined revolving sieve device 110.
  • a revolving sieve device 110 is shown, which is guided over height-adjustable rotating rollers 111; Furthermore, a nozzle 122, a connecting hose 27 with control valve 128 and a storage container 124 filled with fiber medium 50 and a suction channel 144 with an opening 142.
  • the position of the suction opening 142 can in turn be tracked to the position of the nozzle 122 (e.g. by means of the movement device 130) so that moisture is specifically extracted only where the fiber medium 50 is applied. The sucking in of false air is thus minimized again.
  • FIG. 7 shows a flow diagram for a method for producing an inhomogeneous fiber structure.
  • the procedure includes:
  • the fiber medium 50 used can have at least one of the following components: plastic fibers, paper fibers, wood fibers, glass fibers, carbon fibers, natural fibers, chemically modified fibers, fibers of a predetermined length, powder material, chemical additives or a mixture of the aforementioned components. With the mixture, certain properties such as weight, strength, moisture resistance, flammability, recyclability, biodegradability, etc. can be set.
  • the device can be used for many uses. This includes in particular:
  • step diffuser 1271 illustrates a step diffuser 1271, as it is integrated into a connecting line 127 in front of a nozzle 122 in exemplary embodiments.
  • the step diffuser 1271 serves to homogenize a fiber distribution in the fiber medium 50, before it is fed into the nozzle 122.
  • the direction of flow of the fiber medium 50 runs vertically from top to bottom in the figure.
  • the left side of the figure shows the step diffuser 1271 with several steps, one of which is shown enlarged in the right side of the figure.
  • the individual step has a tapering section 1272 in which a cross-sectional area of the connecting line 127 is reduced.
  • the fiber medium 50 accelerates in the tapering section 1272.
  • the tapering section 1272 is followed by an expansion chamber 1273. This has a wider cross section than that at the end of the tapered section 1272.
  • the resulting jump in cross-section causes fiber flocks or bundles to be pulled apart so that fibers are separated.
  • turbulences 51 can also arise, which promote the dissolution of clumps of the fiber material in the fiber medium 50.
  • the larger the jump in cross section the better the separation can be effected.
  • the narrowest cross section (here at the end of the tapering section 1272) is advantageously large enough to prevent blocking by the fiber material in the fiber medium 50.
  • the tapering of the cross section is advantageously used in that additives such as additives or chemicals are introduced into the fiber medium 50 from the outside via suitable feed lines into the expansion chamber 1273.
  • additives such as additives or chemicals
  • This is shown in the figure by the arrows 52.
  • Individual stages can be connected in a row and, for example, have different cross-sections at the cross-sectional jump areas between the respective tapering sections 1272 and expansion chambers 1273. In this way, the pressure and flow rate of the fiber medium in the nozzle 122 can also be influenced.
  • FIG. 9 shows an exemplary embodiment for a nozzle 122.
  • the nozzle has a curved mouth region 123.
  • the nozzle 122 is advantageously designed to be rotatable and optionally also inclinable. By rotating, it can always be aligned in the direction of travel (indicated in the figure by the arrow labeled v).
  • a point of impact of the fiber medium 50 on the screen 110 coincides with an axis of rotation for the nozzle 122.
  • a structure of the inhomogeneous fiber structure can be influenced by different angles of incidence. Orientation in the direction perpendicular to the sieve 110 can thus also be achieved.
  • FIG. 10 shows a microfluidic product 200 as can be produced with exemplary embodiments of the device presented.
  • a plan view is shown in the upper part of the figure and a section through the microfluidic product 200 in the lower part of the figure.
  • a channel structure 220 is located on a carrier material 210 and has a reservoir 225 on one side for applying a sample.
  • the sample consists of a fluid.
  • the carrier material 210 is designed in such a way that it can only be poorly or not at all wetted by the fluid.
  • the channel structure 220 forms a multiplicity of branching channels on a side opposite the reservoir 225, each of which ends in a diagnosis point 230 with a respective indicator material.
  • channel structures can be created, for example, by filling pores in a fiber material with wax where the fluid should not flow along. This is also possible with exemplary embodiments of the device presented. However, exemplary embodiments of the present device are designed in particular to produce the channel structure 220 directly (also on the carrier material 210) without the need for a subsequent or additional application of wax.
  • the channel structure 220 can also be formed within a sheet.
  • fine topographies can be created, for example to form the reservoir 225. Due to the possibility of applying different materials, fibers modified with indicators, for example, can also be deposited in a very localized manner.
  • Exemplary embodiments thus offer a large number of advantages, which can be summarized as follows.
  • a targeted orientation of fibers can be achieved in order to influence the strength properties of fiber structures.
  • one or more traversing nozzles 122 are used according to exemplary embodiments for workpieces with a shape that is mainly extended in two dimensions, which apply a fiber medium 50 to a screen device 110 in a reciprocal movement.
  • Behind the sieve device 110 there is a vacuum zone, via which suspension liquid and / or gas can be removed in a targeted manner.
  • a vacuum pump 147 can draw off suspension liquid through the sieve device 110, while fibers and / or powder are retained by the sieve device 110.
  • the fibers or the powder can be deposited on the sieve device 110 in a manner oriented in a preferred direction and fixed in their position by suctioning off the liquid and / or gases close to the time and location.
  • the fibers are applied to the sieve device 110 via the nozzle 122, for example as a thin jet.
  • the nozzle 122 generates a laminar stretch flow, whereby the fibers orient themselves in the direction of flow.
  • the fiber suspension 50 hits the sieve device 110.
  • an opening area 142 of a suction device 140 Directly behind the sieve device 110 there is an opening area 142 of a suction device 140, which removes water and / or gas and fixes the orientation of the fibers by means of a suction effect.
  • the sieving speed is advantageously higher than the jet exit speed, so that the fibers are additionally stretched when they strike the sieving device 110.
  • the nozzle 110 and the opening area 142 of the suction device 140 traverse over the screen 110 during the production process, so that, for example, a sheet of paper is produced in several layers.
  • powder can be introduced into pores and / or channels of an inhomogeneous fiber structure in order to functionalize the inhomogeneous fiber structure.
  • This can relate, for example, to properties such as liquid transport or conductivity of the inhomogeneous fiber structure.
  • the inhomogeneous fiber structures produced with the exemplary embodiments of the present invention can be used for various applications. These include:

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Nonwoven Fabrics (AREA)

Abstract

Eine Vorrichtung zur Herstellung einer inhomogenen Faserstruktur unter Nutzung eines Fasermediums (50) umfasst: eine Siebeinrichtung (110), und eine Zuführeinrichtung (120), die ausgebildet ist, um ein Fasermedium (50) mit in einer gewünschten Aufbringrate auf die Siebeinrichtung (110) aufzubringen; und weiter eine Bewegungseinrichtung (130), die ausgebildet ist, um zumindest einen Teil der Zuführeinrichtung (120) in zumindest zwei unabhängigen Richtungen zu bewegen und so die inhomogene Faserstruktur herzustellen.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung einer Faser Struktur Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zu Herstellung einer Faserstruktur und insbesondere auf einen Faserdrucker.
HINTERGRUND
In additiven Fertigungsverfahren, insbesondere bei Extrusionsverfahren, werden Düsen eingesetzt, um Material gezielt an einem vorbestimmten Ort aufzutragen. Die Extrusionsverfahren, wie z. B. das „Fused Deposition
Modelling“ (FDM), nutzen dabei meist eine beheizte, in einer horizontalen Ebene bewegliche Extruderdüse und eine in vertikaler Richtung verfahrbare Plattform. Kunststoffe, wie z.B. Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) und Polylactide (PLA), oder Wachse werden in Form eines Filaments über Rollen in die Extruderdüse geleitet und dort leicht über den Schmelzpunkt erhitzt. Der
Materialauftrag erfolgt dabei in der horizontalen Ebene punkt- oder linienförmig in aufbauenden (in vertikaler Richtung übereinandergelagerten) Schichten. Das Material erstarrt kurz nach dem Austritt aus der Düse durch Ableiten der Wärme in das Bauteil. Teilweise werden die Bauteile z. B. durch Ventilatoren zusätzlich gekühlt. Die Plattform verfährt nach Erstellung einer Schicht um eine Schichtdicke, und die nächste Schicht wird aufgetragen. Zu den Verfahrensvarianten zählen unter anderem das Fused Deposition Modeling (FDM), der 3-D Plotter, die Multiphase Jet Solidification (MJS) und das Multi- Jet Modeling (MJM). Bei diesen Fertigungs verfahren können zwar gezielt Werkstücke mit einer gewünschten Festigkeit in stark beanspruchten Bereichen hergestellt werden. Festzuhalten bleibt aber, dass die erwähnten Anlagen und Verfahren mit Erhitzung arbeiten. Eine andere Möglichkeit die Festigkeit von Werkstücken zu erhöhen, besteht in der Verwendung von Fasern bzw. Faserverbundstoffen, die Fasersuspensionen verwenden. Allerdings existieren hierfür bisher noch keine Systeme, die auch für Papiermaterialien einsetzbar wären. Für die Papierherstellung stehen zwar verschiedene kommerzielle Anlagen zur Verfügung, um Papier in kleinen Mengen und mit verschiedenen Eigenschaften herzustellen (z.B. RK- Blattbildner, Dynamic Sheet Former, MK Sheet Former). Im Fall des Dynamic Sheet Formers oder des MK Sheet Formers können Papiere mit einer deutlich erhöhten Faserorientierung in Maschinenrichtung hergestellt werden. Die Fasern können hierbei betriebsbedingt nur in eine Richtung, die Maschinenrichtung, ausgerichtet werden.
Es besteht somit ein Bedarf nach Herstellungsanlagen für Fasermaterialstrukturen, in denen ein Fasermaterial (nicht notwendigerweise Papierfasern) schichtweise auf ein Sieb aufgetragen wird und gleichzeitig kontrolliert beliebige vorbestimmte Strukturen (z.B. bestimmte Orientierungen der Fasern) erzeugt werden können.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Dieses Ziel wird zumindest teilweise durch eine Vorrichtung nach Anspruch l und ein Verfahren nach Anspruch 14 erreicht. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte Weiterbildungen der Vorrichtung nach Anspruch
1.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Herstellung einer inhomogenen Faserstruktur unter Nutzung eines Fasermediums, mit folgenden Merkmalen: eine Siebeinrichtung sowie eine Zuführeinrichtung, die ausgebildet ist, um ein Fasermedium mit einer gewünschten Aufbringrate auf die Siebeinrichtung aufzubringen; ferner eine Bewegungseinrichtung, die ausgebildet ist, um zumindest einen Teil der Zuführeinrichtung in zumindest zwei unabhängigen Richtungen zu bewegen und so die inhomogene Faserstruktur herzustellen. Der Begriff inhomogene Faserstruktur soll dabei eine räumliche Anordnung von Fasern (z.B. Kunststoff-, Papier- oder Kohlefasern; auch geeignete Gemische solcher Fasern) bezeichnen, in welcher die Fasern eine ortsvariable Vorzugsausrichtung und/oder eine ortsvariable Dichte (Anzahl Fasern pro Fläche oder Volumen) und/oder eine ortsvariable Zusammensetzung wie beispielsweise bestimmte Fasermischungen, Füllstoffe oder Additive besitzen können. Die Variabilität im Ort kann dabei sowohl in der Siebebene als auch orthogonal dazu bestehen; so können im Querschnitt der Faserstruktur beispielsweise mehrere Schichten von Fasern mit unabhängiger Vorzugsausrichtung übereinander angeordnet werden. Der Begriff inhomogene Faserstruktur soll in diesem Zusammenhang auch auf ein möglicherweise über der Siebebene variierendes Höhenprofil bezogen verstanden werden; so kann beispielsweise eine Oberflächentopologie ähnlich einem Prägemuster erzeugt werden. Die Variabilität im Ort kann dabei lokal und/ oder global Mustern wie beispielsweise Kanälen, Spiralen oder geschlossenen Konturen folgen. Der
Begriff inhomogen soll auch umfassen, dass alle Fasern keine Vorzugsrichtung haben bzw. die Orientierung der einzelnen Fasern lokal kontrolliert einstellbar ist.
Das Fasermedium ist ein heterogenes Stoffgemisch aus Fasern oder Pulvern in einem für eine Fein Verteilung derselben geeigneten Medium, das zudem zusätzlich Binde- und/ oder Lösungsmittel enthalten kann. Das Medium kann beispielsweise eine Flüssigkeit wie etwa Wasser, aber auch ein Gas wie etwa Luft sein. Im Herstellungsprozess traversiert die Zuführeinrichtung über der Siebeinrichtung; dabei können lokal Aussparungen und/oder das Aufträgen mehrerer Schichten erfolgen. Nach dem Verlassen der Zuführeinrichtung treten flüssige oder gasförmige Bestandteile der Fasersuspension durch die Siebeinrichtung hindurch, während zumindest die Fasern oder das Pulver auf der Siebeinrichtung verbleiben. Die Aufbringrate ist eine Anzahl auf der Siebeinrichtung abgelegter Fasern beziehungsweise eine Menge auf der Siebeinrichtung abgelegten Pulvers, oder auch die Menge des auf dem Sieb aufgetragenen Fasermediums pro Zeit. Ausführungsbeispiele umfassen etwa Papierfaser-Suspensionen mit Stoffdichten von 0,05% und Aufbringraten, bei denen die Fasern nahezu einzeln auf dem Sieb abgelegt werden, oder auch Suspensionen von beispielsweise Calciumcarbonatpulver, welches durch die Zuführeinrichtung in Poren einer auf der Siebeinrichtung aufliegenden inhomogenen Faserstruktur abgelegt wird. Fasern oder Pulver können auch trocken auf die Siebeinrichtung aufgebracht werden, beispielsweise indem sie in einem Luftstrom durch die Zuführeinrichtung auf die Siebeinrichtung aufgetragen werden.
Unter Siebeinrichtung soll dabei sehr allgemein ein Geflecht aus einem geeigneten Material und mit geeigneter Maschengröße verstanden werden.
Beispielsweise kann ein Rapid- Köthen-Sieb und/oder ein Filter aus geeignetem Material wie z.B. dem eines Kaffeefilters verwendet werden.
Die Richtungen der Relativbewegung (der Sieb- und Zuführeinrichtung) können dabei fest in einer horizontalen Ebene liegen oder auch beispielsweise eine örtlich und/ oder zeitlich variable lokale Tangentialebene an die Siebeinrichtung aufspannen. Bewegung ist dabei als Vorschubrichtung relativ zur Siebeinrichtung zu verstehen. Die Bewegungseinrichtung kann aber zusätzlich ausgebildet sein, um weitere zeitliche Veränderungen, die für ein Betreiben der Vorrichtung notwendig sind, zu ermöglichen; dazu können zum Beispiel Veränderungen von Winkeln von Teilen der Zuführeinrichtung gehören.
Optional weist die Zuführeinrichtung eine Düse zum Ausbringen des Fasermediums auf das Sieb, einen Vorratsbehälter zum Aufbewahren des Fasermediums sowie eine Verbindungsleitung, welche die Düse und den Vorratsbehälter verbindet, auf. Die Düse kann eine laminare Dehnströmung erzeugen, durch welche sich die Fasern in Strömungsrichtung orientieren.
Optional umfasst die Verbindungsleitung in weiteren Ausführungsformen einen Stufendiffusor. Ein solcher Stufendiffusor dient einer Auflösung von Faserverklumpungen in der Zuleitung. Durch seinen Einsatz kann gewährleistet werden, dass Fasern praktisch einzeln bzw. isoliert auf die Siebeinrichtung aufgetragen werden. Die Düse kann zudem in weiteren Ausführungsbeispielen einen sich verjüngenden, gekrümmten Mündungsbereich aufweisen. Durch die Ausgestaltung der Mündung kann die Einzelablegung und die Orientierung der Fasern verbessert werden. Die Struktur des Fasergefüges wird durch diese Ausgestaltung beeinflusst; insbesondere ist der Auftreffwinkel von Bedeutung.
Je nach Art des Fasermaterials oder des Zusatzstoffes können bei in vielen Aspekten gleichbleibender Anforderung an die Zuführungseinrichtung unterschiedliche Auftreffwinkel bzw. Ausgestaltungen des Mündungsbereiches der Düse vorteilhaft sein. Auswechselbare Düsen können geeignet vorgeformt sein, um unterschiedlichen Fasermedien Rechnung zu tragen.
Während das Ausrichten der Fasern in einer Vorzugsrichtung grundsätzlich durch die Vorschubbeweglichkeit der Zuführeinrichtung gegenüber dem Sieb ermöglicht wird, kann es durch die Ausführungsform der Düse mit geschwungenem Mündungsabschnitt zusätzlich verbessert werden.
Insbesondere die Ausbildung der Vorrichtung zur Faserorientierung bzw. zum Ablegen der Fasern in eine lokal variable Vorzugsrichtung unterscheidet Vorrichtung und Verfahren wie hier vorgestellt von Vorrichtungen und Verfahren des 3D-Drucks.
Optional ist die Düse durch die Bewegungseinrichtung relativ zu der Siebeinrichtung in ihrem mit der vertikalen Richtung eingeschlossenen Winkel verstellbar und/oder um die vertikale Achse rotierbar und/oder ausgebildet, um einen vorbestimmten Abstand zwischen Düse und Siebeinrichtung einzuhalten. Durch die Verstellung des Winkels zur vertikalen Richtung (oder der entsprechenden Neigung) sowie die Rotation um die vertikale Richtung kann die Düse beispielsweise bei Bewegungen der Suspensionseinheit sowohl zur Bewegungsrichtung als auch zur vertikalen Richtung in jeweils konstantem Winkel gehalten werden. Der Anstellwinkel der Düse kann dabei wichtig für eine orientierte Ablage der Fasern auf der Siebeinrichtung sein. In den vorangehend beschriebenen weiteren Ausführungsformen mit gekrümmter Düse kann diese jeweils entsprechend der momentanen Vorschubrichtung ausgerichtet werden.
Optional ist die Zuführeinrichtung weiter ausgebildet, um einen Druck des Fasermediums in der Düse einzustellen und/oder um eine Menge des
Fasermediums, welche durch die Verbindungsleitung strömt, zu regulieren.
Der Druck des Fasermediums kann dabei beispielsweise reguliert werden, indem der Vorratsbehälter als ein höhenverstellbarer Niveaukasten ausgebildet ist. Alternativ oder ergänzend kann beispielsweise eine pulsationsfreie Pumpe eingesetzt werden, welche das Fasermedium mit einem bestimmten Druck und/ oder einer bestimmten Rate durch den Verbindungsschlauch bewegt.
Die Menge des Fasermediums, die durch die Verbindungseinrichtung strömt, lässt sich durch eine allgemeine oder die zuvor bereits erwähnte pulsationsfreie Pumpe oder auch durch ein Steuerventil wie beispielsweise ein Schlauchquetschventil an der Verbindungsleitung kontrollieren.
Mit Hilfe des Steuerventils und der verstellbaren Höhe des Vorratsbehälters kann zudem die gewünschte Aufbringrate eingestellt werden. Auf diese Weise kann auch ein Höhenprofil über der Siebebene erreicht werden.
Optional weist der Vorratsbehälter eine Rühreinrichtung auf, um ein fortlaufendes Durchmischen des Fasermediums zu erreichen, und/oder der Vorratsbehälter weist einen Überlauf auf, um einen Befüllungsgrad des Vorratsbehälters konstant zu halten.
Die Rühreinrichtung und/oder der Überlauf können bei einer Verwendung einer Fasersuspension als Fasermedium wichtig sein. Der Überlauf erlaubt beispielsweise ein Befüllen des Vorratsbehälters mit Fasersuspension in zeitlich konstanter Rate bei gleichbleibendem Flüssigkeitsspiegel. Durch die Durchmischung der Fasersuspension mit Hilfe der Rühreinrichtung kann beispielsweise eine Sedimentation der Fasern verhindert werden. Optional weist die Vorrichtung weiterhin eine Absaugeinrichtung auf, die ausgebildet ist, um in den zwei unabhängigen Richtungen, in denen die Zuführeinrichtung durch die Bewegungseinrichtung bewegt werden kann, in von der Zuführeinrichtung abhängiger oder unabhängiger Weise bewegt werden zu können; weiter um Feuchtigkeit oder Gas (z.B. Luft) nur in einem Bereich der Siebeinrichtung abzusaugen, in dem die Zuführeinrichtung das Fasermedium auf die Siebeinrichtung aufbringt oder gerade aufgebracht hat; und ferner um eine Absaugleistung zu kontrollieren.
Eine solche Absaugeinrichtung umfasst beispielsweise einen sich auf der Zuführeinrichtung gegenüberliegenden Seite des Siebes befindenden Kopfteil (z.B. eine Düse) mit einem zum Sieb hin gerichteten Öffnungsbereich, der eine oder mehrere Öffnungen (z.B. Schlitze) aufweist, und der über einen Schlauch an ein Pumpsystem zur Erzeugung eines Unterdrucks (z.B. eine Vakuumpumpe) angeschlossen ist. Bei einem Fasermedium mit Luft muss keine Feuchtigkeit entzogen werden. In beiden Fällen sorgt die Absaugung aber dafür, dass die
Fasern am Auftreffort fixiert werden. Zur Kontrolle der Absaugleistung weisen der Kopfteil, der Schlauch oder das Pumpsystem dazu möglicherweise ein oder mehrere Ventile auf, über die in einstellbarer Rate Luft aus einer Umgebung abseits des Siebs - sogenannte Falschluft - angesaugt werden kann. Mittels des Unterdrucks wird über die Öffnungen ein Absaugeffekt in einer Weise erreicht, die geeignet ist, um Flüssigkeit aus der auf dem Sieb aufgetragenen Faser Suspension zu entnehmen. Die Stärke des Absaugeffekts kann über die Leistung des Pumpsystems und/oder über das gezielte Ansaugen von Falschluft durch die Ventile kontrolliert werden. Zumindest die Öffnungen und/ oder der Kopf der Absaugeinrichtung sind dabei in der Position analog zu den möglichen Positionen der Zuführeinrichtung verstellbar, und ein Absaugen von Flüssigkeit erfolgt nur in einem begrenzten Bereich (z.B. einer Fläche von einigen mm Durchmesser, oder l bis 2 Zentimetern Umfang) um diese Position. Auch ein Abstand der Öffnungen zur Siebeinrichtung kann einstellbar sein. Optional weist die Vorrichtung ein Gehäuse für zumindest einen Teil der Vorrichtung auf, wobei das Gehäuse ausgebildet ist, um eine gewünschte Umgebung für ein Aufbringen des Fasermediums einzustellen. Dabei zeichnet sich die gewünschte Umgebung durch mindestens einen der folgenden physikalischen Parameter aus:
- einen bestimmten Druck (beispielsweise einen Überdruck oder Unterdrück oder einen Atmosphärendruck),
- eine bestimmte Temperatur,
- eine bestimmte Feuchtigkeit (beispielsweise eine Luftfeuchtigkeit), - ein bestimmtes Gasgemisch (Beispielsweise Luft mit einem Zusatz von
Schutzgasen und/ oder Aerosolen).
Optional weist die Bewegungseinrichtung zumindest zwei Linearantriebe auf, um die Zuführeinrichtung in zwei senkrecht aufeinander stehenden Richtungen unabhängig voneinander zu bewegen. Die Richtungen können beispielsweise die horizontale Ebene (orthogonal zur Gravitation) aufspannen. Durch die Antriebe kann die Fasersuspension in beliebigen Routen und/ oder Kurven aufgebracht werden.
Optional sind die Bewegungseinrichtung und/oder die Absaugeinrichtung ausgebildet, um eine Bewegung der Düse mit einer Bewegung der Absaugeinrichtung zu synchronisieren.
Die Synchronisation kann dabei beispielsweise aus einem Laufen der Positionen der Zuführeinrichtung und der Absaugeinrichtung im Gleichtakt bestehen, wobei keine oder wenig Relativbewegung zugelassen wird.
Optional weist die Siebeinrichtung ein umlaufendes Sieb und/oder ein drehbar gelagertes Sieb und/ oder ein winkelverstellbares Sieb und oder ein profilgeformtes oder profilverformbares Sieb auf.
Ein umlaufendes Sieb kann beispielsweise als biegsames Geflecht ausgeführt und über möglicherweise höhenverstellbare Drehwalzen geleitet werden. Im Herstellungsprozess kann ein umlaufendes Sieb beispielsweise nach Abschluss eines Abschnitts der inhomogenen Faserstruktur um eine Länge des Druckbereichs weitergeführt werden oder eine fortlaufende Bewegung in Querrichtung zu den Drehwalzen durchführen. Eine Drehung kann innerhalb der Siebebene erfolgen und/oder die Siebebene selbst betreffen. Anwendungsbeispiele sehen ein kreisscheibenförmiges Sieb, das mit konstanter oder variabler Geschwindigkeit in der Siebebene um seine Mittelpunkt rotiert, sowie eine Drehung der Siebebene um einen vorbestimmten Winkelbereich bis zu +/- 90° (oder +/- 6o° oder +/- 450) im Vergleich zur horizontalen Ebene vermittels verstellbarer Umlenkrollen vor. Bei einem über Drehwalzen geleiteten umlaufenden Sieb kann ein Winkel beispielsweise über eine Wahl einer relativen vertikalen Höhe der Drehwalzen eingestellt werden.
In weiteren Ausführungsbeispielen ist ein rundes, drehbares Sieb insbesondere für eine Produktion von Ronden (etwa runden Papierfiltern) vorteilhaft ausgebildet. In konventionellen Verfahren werden dazu Papierbahnen oder
Bahnen aus Vliesstoff (non-woven material) produziert, aus welchen die Ronden anschließend ausgestanzt werden. Dabei entsteht entsprechend viel Verschnitt, der auch oft nur schwierig zu recyceln ist. Durch die Ausführungsbeispiele mit drehbarem Sieb ist es möglich, Ronden (oder in der Tat beliebig geformte Filter) herzustellen, die die finale Kontur bereits aufweisen. Dadurch wird Verschnitt vermieden bzw. minimiert. Der Filter wird dabei auf dem rotierenden Sieb durch eine radiale Bewegung der Düse erzeugt, vorteilhafterweise bei gleichzeitigem Nachführen der Absaugeinrichtung. Vorteilhafterweise ist die Siebeinrichtung ausgebildet, um das drehbare Sieb leicht aus der Siebeinrichtung zu lösen und herauszunehmen, so dass die entstandene Ronde mit nur geringem Aufwand von dem Sieb abgelöst werden kann.
Das Sieb braucht nicht eben zu sein, sondern kann in seiner Form ein Profil über einer Ebene aufweisen. Ein solches Sieb kann etwa bei einer Ausbildung der inhomogenen Faserstruktur zu einer bestimmten Form oder Struktur, wie beispielsweise der Form eines Eierkartons o.ä., verwendet werden. Die
Bewegungseinrichtung kann dabei ausgebildet sein, um eine Bewegung der Zuführeinrichtung und gegebenenfalls die Absaugeinrichtung dem Profil des Siebs anzupassen und beispielsweise auch eine Bewegung in eine dritte unabhängige Richtung zu ermöglichen.
Optional ist die Zuführeinrichtung Teil von mehreren Zuführeinrichtungen, die einer Siebeinrichtung zugeordnet sind, und/oder die Siebeinrichtung ist Teil von mehreren Siebeinrichtungen, die einer Zuführeinrichtung zugeordnet sind, und/oder es sind keine, eine oder mehr als eine Absaugeinrichtung vorhanden.
Dabei sind auch Kombinationen von Teilen einer oder mehrerer Zuführeinrichtungen vorteilhaft. So ist es etwa möglich, in einer Zuführeinrichtung eine Düse an mehrere Vorratsbehälter, beispielsweise jeweils mit verschiedenen Fasermedien, anzuschließen. Eine Pluralität von Ventilen kann dabei die Zufuhr von Fasermedien aus den verschiedenen Behältern zur Düse kontrollieren. Auf diese Weise lassen sich beispielsweise Fasergemische oder ein zeitnahes oder auch synchrones Aufbringen von Fasermaterial (z.B. Carbonfasern) und Matrix (z.B. Harzen) zur Fixierung der Fasern zur Bildung der inhomogenen Faserstruktur verwirklichen.
Die Vorrichtung kann auch mehrere Siebe und/oder Filter aufweisen, die kaskadiert angeordnet sind, um eine serielle Ausführung von Verfahrensschritten zu ermöglichen. Ebenso können auch mehrere der genannten Vorrichtungen in einem System vereint werden. Durch die Anwendung mehrerer Düsen oder durch die Verbindung einer Düse zu mehreren Vorratsbehältern lassen sich auch unterschiedlicher Fasermaterialien und/oder Füllstoffe innerhalb einer Auftragsebene auf die Siebeinrichtung in vorteilhafter Weise auftragen.
Optional weist die Vorrichtung weiter eine Steuereinrichtung auf, wobei die Steuereinrichtung ausgebildet ist, um die Bewegungseinrichtung und/oder die Zuführeinrichtung und/oder die Absaugeinrichtung und/oder eine Bewegung der Siebeinrichtung zu steuern, um zumindest eines der folgenden Merkmale zu erzeugen: eine gewünschte Faserorientierung, mehrere übereinanderliegenden Faserschichten, die verschiedene Hauptfaserorientierung aufweisen,
Bereiche oder Konturen auf dem Sieb mit verschiedener F aserorientierungen, - Bereiche unterschiedlicher Fasermaterialien,
Bereiche unterschiedlicher Dichte, eine strukturierte Oberfläche.
Die Steuereinrichtung kann dabei je nach Ausführungsbeispiel verschiedene bauliche Merkmale wie zum Beispiel Verbindungselemente zwischen verschiedenen Teilen der Vorrichtung und/ oder eine programmierbare
Prozessoreinheit und/ oder ein Benutzerinterface umfassen.
Mit Hilfe der Steuereinrichtung können beispielsweise in der Faserorientierung der inhomogenen Faserstruktur die bereits erwähnten Muster implementiert werden, und/ oder es können eindimensionale Linien und / oder Kurven in der Faserorientierung ausgebildet werden, um beispielsweise eine Kapillarität in einer gewünschten Richtung zu erzeugen. Zudem lassen sich lokal vorbestimmte Faser- oder Pulverdichten und/oder vorbestimmte Materialzusammensetzung erreichen.
Die Ausbildung der Steuereinheit zur Herstellung von Bereichen unterschiedliche Dichte kann etwa über eine Regelung des Drucks des Fasermediums, aber auch über der Geschwindigkeit der Bewegung der Zuführeinrichtung relativ zum Sieb oder über eine Variation der Fasersuspension (unterschiedliche Fasermaterialien) erreicht werden.
Optional ist die Steuereinrichtung weiter ausgebildet, um zum Erzeugen der Merkmale zumindest eine der folgenden Steuerungen vorzunehmen:
Ändern der Bewegungsrichtung und/oder der Bewegungsgeschwindigkeit der Düse relativ zur Siebeinrichtung, Einstellen einer Relativgeschwindigkeit zwischen Düse und Siebeinrichtung auf einen Wert größer als einen Wert einer Austrittsgeschwindigkeit des Fasermediums aus der Düse, Einstellen des Winkels zwischen Düse und vertikaler Richtung, Einstellen einer Rotationsbewegung der Düse um die vertikale Richtung,
Einstellen des Abstands zwischen Düse und Siebeinrichtung,
Ändern des Drucks des Fasermediums in der Düse,
Ändern der Menge des Fasermediums, welche durch die Verbindungsleitung strömt,
Einstellen der Absaugleistung,
Veränderung der gewünschten Umgebung, kontrolliertes Bewegen und/oder ein Einstellen einer Lage und/oder einer Form des Siebs.
Einstellen einer Mischung und/ oder eine Abfolge eines Auftrags von Fasermedien.
Durch ein geeignet schnelles Rotieren des Siebs im Verhältnis zur Aufbringrate der Fasersuspension kann beispielsweise ein Dehnungseffekt bezüglich der Fasern der Fasersuspension erreicht werden, der zur Ausrichtung der Fasern führt. In Verbindung mit dem sofortigen lokalen Absaugen erfolgt vorteilhafterweise eine sofortige Fixierung der gedehnten Fasern.
In Anwendungsbeispielen wird die Steuerung durch eine geeignete Abwandlung eines Steuerungscodes für einen 3D-Drucker implementiert. Die Abwandlung umfasst beispielsweise die Anpassung der Geschwindigkeit oder die Nutzung der Parameter hinsichtlich der Höheneinstellung für die Winkeleinstellung der Düse.
Optional kann die Vorrichtung für zumindest eine der folgenden Funktionen verwendet werden:
Erzeugung von Mikrofluidikstrukturen; Herstellung von Faserverbundmaterialien; Herstellung von strukturierten Papierprodukten, Herstellung von Papierprodukten mit einer 3D Oberflächentopologie,
Herstellung von funktionalen Faserstrukturen Unter strukturierten Papierprodukten sollen dabei auch maßgeschneiderte technische Papiere, wie z.B. Filterpapier mit individualisierter Porenstruktur, verstanden werden. Funktionale Faserstrukturen können beispielsweise durch Einbringen von Füllstoffen in die inhomogene Faserstruktur entstehen. So kann beispielsweise eine Poren- oder Bahnstruktur in die inhomogene Faserstruktur eingebracht werden, welche etwa mit Calciumcarbonat befüllt werden kann. Andere Zusatzstoffe sind etwa leitende Pulver- oder Fasermaterialien (z.B. Graphen), die als Befüllung oder als Elemente der Struktur eingebracht und beispielsweise als Leiterbahnen dienen können. Auf diese Weise lassen sich auch Sensoren realisieren.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Herstellung einer inhomogenen Faserstruktur mit folgenden Schritten:
- Aufbringen eines Fasermediums durch eine Zuführeinrichtung mit einer gewünschten Aufbringrate auf eine Siebeinrichtung; - Bewegen von zumindest einem Teil der Zuführeinrichtung in zumindest zwei unabhängigen Richtungen, um die inhomogene Faserstruktur herzustellen.
Optional kommt in diesem Verfahren eine die Fasersuspension zur Anwendung, die zumindest eine der folgenden Komponenten aufweist:
Kunststofffasern,
Papierfasern,
Holzfasern,
Glasfasern,
Kohlenstofffasern,
Metallfasern,
Naturfasern,
Fasern einer vorbestimmten Länge, chemisch modifizierte Fasern,
Pulvermaterial, chemische Additive, eine Mischung der zuvor genannten Komponenten. Beispielsweise kann die Vorrichtung verwendet werden, um inhomogene Faserstrukturen mit Kurzfasern mit Längen von unter einem Millimeter bis hin zu 10 Millimetern herzustellen. Pulvermaterialien wie z.B. Calciumcarbonat, Aktivkohle und/ oder Graphen können beispielsweise in Poren und/ oder Kanäle der inhomogenen Faserstruktur eingebracht werden.
In Ausführungsbeispielen des Verfahrens, in denen Metallfasern verwendet werden, ist insbesondere das Aufbringen der Fasern in einer Vorzugsrichtung durch das Bewegen der Zuführeinrichtung von Bedeutung. Auf diese Weise können gezielt Leiterbahnen aus Metallfasern in die Faserstruktur eingebracht werden. Auch hier sind die Eigenschaften, die sich aus der Orientierung der
Fasern ergeben, nicht mit 3Ü-Druckvorrichtungen oder -verfahren zu erreichen. Die mindestens zwei Bewegungsrichtungen der Zuführeinrichtung sind zudem insbesondere in der Lage, die Faserorientierung in geschlossenen Konturen, also ohne Bruchstellen verlaufen zu lassen. Die Ausführungsbeispiele erlauben die Verwendung von Metallfasern insbesondere durch eine geeignete Wahl des Fasermediums. Auch andere Fasermaterialien, für die ein geeignetes Fasermedium gefunden werden kann, lassen sich so auftragen.
Durch die vorliegende Erfindung können inhomogene Faserstrukturen mit individuellen Eigenschaften, insbesondere hinsichtlich der Faserorientierung, auch in kleinen Mengen bis hin zur Stückzahl l hergestellt werden. Beispielsweise können gewünschte Form- und
Materialzusammensetzungseigenschaften für spezifische Anforderungen erreicht werden. Durch Einbringen von Mustern oder Aussparungen innerhalb einzelner Schichten sowie durch die Maschinenparameter lassen sich über die Steuereinrichtung, die beispielsweise über ein Design im Rahmen eines geeigneten Programms am PC eine Steuerung von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung zulassen kann, der Aufbau und dadurch die Eigenschaften einer inhomogenen Faserstruktur gezielt beeinflussen. Dies bietet beispielsweise eine Möglichkeit, Formen von Faserstrukturen mit bestimmten mechanischen Eigenschaften (wie beispielsweise einer hohen Stabilität im Bereich um eine Perforation durch umlaufendes Ausrichten der Faservorzugsrichtung; z.B. tangentiales Ablegen der Fasern) herzustellen, oder eine Mikrofluidik in den einzelnen Schichten zu beeinflussen und z. B. im Fall einer Anwendung mit Papierfasern kostengünstige papierbasierte Erzeugnisse für Schnelltests beispielsweise für den Gesundheitsbereich zu erschaffen.
Des Weiteren kann durch eine Faserorientierung der Schichten in einem Produktionsschritt ein für eine spätere Anwendung optimiertes Fasermaterial produziert werden, das anschließend beispielsweise zu einem Faserverbundmaterial weiterverarbeitet werden kann. Neben inhomogenen Faserstrukturen aus einer einzelnen Sorte von Fasern können auch
Hybridmaterialien durch den Einsatz von anderem Fasermaterial erzeugt werden. Neben den hier aufgeführten Beispielen sind weitere Anwendungen im Bereich der Forschung und Entwicklung (beispielsweise in der Herstellung und Bestimmung von Werkst off eigenschaften inhomogener Faserstrukturen oder Faserverbundmaterialien) sowie einer kommerziellen Produktion
(beispielsweise von Bauteilformen, Merkmalen wie Wasserzeichen, oder Oberflächen mit bestimmten Benetzbarkeits- oder Reflektionseigenschaften) denkbar.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN Die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen der unterschiedlichen Ausführungsbeispiele, die jedoch nicht so verstanden werden sollten, dass sie die Offenbarung auf die spezifischen Ausführungsformen einschränken, sondern lediglich der Erklärung und dem Verständnis dienen.
Fig. l illustriert ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 zeigt weitere optionale Details gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung mit beweglicher Düse und beweglicher Absaugeinrichtung an einem runden, in der Siebebene drehbaren Sieb. Fig. 3A zeigt Bewegungsmöglichkeiten der Düse.
Fig. 3B zeigt ein Schema zu einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, in dem die Düse eine feste Orientierung bezüglich der Bewegungsrichtung beibehält.
Fig 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit einem umlaufenden Sieb, das über Drehwalzen geführt wird, und bei dem zwei Zuführ- sowie zwei Absaugeinrichtungen vorliegen.
Fig. 5A zeigt schematisch ein umlaufendes Sieb, das über höhenverstellbare Drehwalzen geleitet wird.
Fig. 5B zeigt schematisch ein rundes Sieb, das über höhenverstellbare Umlenkrollen drehbar und inklinierbar gelagert ist.
Fig. 6 zeigt ein Schema zu einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit inkliniertem umlaufendem Sieb. Fig.7 zeigt ein Flussdiagramm für ein Verfahren zur Herstellung einer inhomogenen Faserstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Fig. 8 illustriert einen Stufendiffusor, der in eine Verbindungsleitung integriert ist.
Fig. 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Düse. Fig. 10 zeigt ein Mikrofluidikerzeugnis.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Fig. 1 illustriert ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung für die Vorrichtung zur Herstellung einer inhomogenen Faserstruktur. Die Vorrichtung umfasst eine Siebeinrichtung 110, eine Zuführeinrichtung 120 und eine Bewegungseinrichtung 130. Die Zuführeinrichtung 120 ist ausgebildet, um ein Fasermedium 50 mit in einer gewünschten Aufbringrate auf die Siebeinrichtung 110 aufzubringen. Die Bewegungseinrichtung 130 ist ausgebildet, um zumindest einen Teil der Zuführeinrichtung 120 in zumindest zwei unabhängigen Richtungen zu bewegen und so die inhomogene Faserstruktur herzustellen.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst die Vorrichtung eine bewegliche Absaugeinrichtung 140. Die Siebeinrichtung 110 umfasst beispielsweise ein rundes, in der Siebebene drehbares Sieb oder einen Filter, um beispielsweise Feuchtigkeit aus dem aufgebrachten Fasermedium 50 ab- und/ oder im Fasermedium 50 enthaltene Fasern oder Pulver anzusaugen. Die Zuführeinrichtung 130 umfasst z.B. eine bewegliche Düse 122, die mit einer Verbindungsleitung 127 an einen Vorratsbehälter 124 für das Fasermedium 50 angeschlossen ist. Eine Menge des durch die Verbindungsleitung 127 bewegten Fasermediums 50 wird beispielsweise durch ein Steuerventil 128 kontrolliert.
Die Düse 122 ist beispielhaft in der horizontalen (X-Y-) Ebene beweglich, kann jedoch z.B. bei einer inklinierbaren Siebeinrichtung oder bei einer Siebeinrichtung mit einem Höhenprofil auch eine Bewegung in vertikale Richtung erlauben. Die Fasern oder das Pulver des durch die Düse 122 austretenden Fasermediums 50 werden durch die Siebeinrichtung 110 zurückgehalten; die Suspensionsflüssigkeit oder ein Gas des Fasermediums 50 wird durch das Sieb hindurch über den Öffnungsbereich 142 und den Absaugkanal 144 der Absaugeinrichtung 140 abgesaugt. Durch das zeit- und ortsnahe Absaugen der Suspensionsflüssigkeit oder des Gases werden die Fasern oder das Pulver auf der Siebeinrichtung 110 fixiert.
Die Siebeinrichtung 110 kann, beispielsweise durch einen Schrittmotor angetrieben, permanent mit einstellbarer Geschwindigkeit rotieren oder um einen beliebigen Winkel in der Siebebene gedreht werden. Die Form der Siebeinrichtung 110 muss dabei nicht rund sein, ist für eine rotierende Siebeinrichtung 110 aber sinnvoll. Der Absaugkanal 144 für die
Suspensionsflüssigkeit oder das Gas kann mit einem Schlauch an eine Vakuumpumpe angeschlossen sein (hier nicht im Bild). Der Öffnungsbereich 142 der Absaugeinrichtung ist mit dem Absaugkanal 144 in dem gezeigten Ausführungsbeispiel in der horizontalen (X-Y-) Ebene synchron zur Düse 122 beweglich dargestellt, kann aber wie die Düse 122 gegebenenfalls auch ausgebildet sein, um Bewegungen in die vertikale Richtung durchzuführen. Auf diese Weise kann ein Ansaugen von Falschluft deutlich gesenkt werden, da nur dort Gas bzw. ein Gas-/Suspensionsflüssigkeitsgemisch angesaugt wird, wo eine solche Absaugung durchzuführen ist. Außerdem unterstützt die lokale Absaugung das Ablegen der Fasern in eine gewünschte Orientierung bzw. das Absaugen ändert nicht die Faserorientierung.
Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, wobei weitere optionale Details dargestellt sind. Als Fasermedium 50 wird hier eine Fasersuspension angenommen. Das Fasermedium 50 wird aus dem Vorratsbehälter 124 beispielsweise durch Wirkung seines Eigengewichts in durch ein Steuerventil 128 kontrollierter Weise über den Verbindungsschlauch 127 an die Düse 122 geleitet und als dünner Strahl auf eine beispielhaft ein kreisscheibenförmiges Sieb (beispielsweise ein Rapid-Köthen-Sieb von 20 cm Durchmesser) umfassende Siebeinrichtung 110 aufgetragen. Um die Homogenität des Fasermediums 50 zu gewährleisten, ist eine
Rühreinrichtung 126 in dem Vorratsbehälter 124 angebracht worden, durch welche die Sedimentation der Fasern verhindert werden kann. Der Vorratsbehälter 124 verfügt über einen Überlauf 125, sodass permanent Fasermedium 50 in den Vorratsbehälter 124 gepumpt werden kann und ein Fasersuspensionsspiegel im Vorratsbehälter 124 konstant bleibt. Ein damit erzeugter konstanter hydrostatischer Druck im Vorratsbehälter 124 bewirkt einen konstanten Volumenstrom des Fasermediums 50 durch die Düse 122. Das Volumen des Vorratsbehälters 124 braucht daher nicht angepasst zu werden, es kann jedoch durch ein Verschieben des Vorratsbehälters 124 eine Höhendifferenz zwischen Düsenaustritt und Fasersuspensionsspiegel im Vorratsbehälter 124 eingestellt werden. Somit kann ein Volumenstrom von Fasermedium 50 durch den Verbindungsschlauch 127 durch ein Ändern des hydrostatischen Druckes mit geringem Aufwand angepasst werden. Das Steuerventil 128 (z.B. ein elektromagnetisches Schlauchquetschventil) steuert dabei die Menge des durch den Verbindungsschlauch 127 fließenden Fasermediums 50.
Die Fasersuspension des Fasermediums 50 kann beispielsweise hochverdünnt (Stoffdichte von beispielsweise 0,05 %) sein, sodass die Fasern nahezu einzeln auf der Siebeinrichtung 110 abgelegt werden können. Die Düse 122 kann eine laminare Dehnströmung erzeugen, wodurch sich die Fasern in
Strömungsrichtung orientiert werden. Nach Verlassen der Düse 122 trifft das Fasermedium 50 auf die rotierende Siebeinrichtung 110. Die Siebeinrichtung 110 ist auf einer Halterung montiert (in der Figur nicht gezeigt), die beispielsweise über einen Schrittmotor mit variabler Geschwindigkeit permanent oder um einen bestimmten Winkel gedreht werden kann. Die Siebhalterung (in der Figur nicht dargestellt) ist in diesem Anwendungsbeispiel in einer festen horizontalen Ebene gelagert. Direkt hinter der Siebeinrichtung 110 befinden sich gegenüber des Auftragungsortes des Fasermediums 50 Öffnungen 143 im Öffnungsbereich 142 einer Absaugeinrichtung 140, welche die Suspensionsflüssigkeit entfernt und die Fasern auf dem Sieb fixiert. Die Siebgeschwindigkeit kann dabei höher als die Austrittsgeschwindigkeit des Fasermediums 50 aus der Düse 122 sein, sodass die Fasern beim Auftreffen auf die Siebeinrichtung 110 zusätzlich gestreckt werden.
Die Düse 122 und der Kopf der Absaugeinrichtung traversieren gemeinsam während des Produktionsprozesses entlang der Siebeinrichtung 110, sodass eine inhomogene Faserstruktur in mehreren Schichten entstehen kann. Bewegungen der Düse 122 sowie des Öffnungsbereichs 142 der Absaugeinrichtung 140 können dabei auf die horizontale Ebene (orthogonal zur Gravitation) beschränkt sein Die Düse 122 und der Öffnungsbereich 142 der Absaugeinrichtung 140 können dann mit Schrittmotoren 131 jeweils in eine der durch Pfeile über der Düse 122 angegebenen Richtungen angetrieben werden. Bei einer Ausbildung mit anstellbarer Siebeinrichtung 110 und/ oder einer Siebeinrichtung 110 mit einem vertikal variablen Profil können die Düse 122 und der Öffnungsbereich 142 der Absaug einrichtung 140 auch ausgebildet sein, um der Fläche der Siebeinrichtung 110 in alle Raumrichtungen folgen zu können. Wenn das Sieb also in der vertikalen Richtung beispielsweise um 450 angestellt wird, kann die Düse 122 und/oder der Öffnungsbereich 142 der Absaugeinrichtung 140 auch in vertikale Richtung verfahren. Zumindest die Düse 122 wird in der Figur durch lineare Führungsschienen 132 geleitet. Die Absaugeinrichtung 140 umfasst beispielsweise einen Kopfteil mit dem
Öffnungsbereich 142, in welchem nach dem dargestellten Ausführungsbeispiel in Schlitzen beweglich ausgebildete Öffnungen 143 die Suspensionsflüssigkeit aufnehmen und über den Absaugkanal 144 und einen Absaugschlauch 145 abführen. Der genutzte Absaugschlauch 145 als Teil des Absaugkanals 144 dient der Flexibilität, um ein Nachführen der Absaugeinrichtung 140 entsprechend einer sich ändernden Position der Düse 122 zu ermöglichen. Das Absaugen kann mit Hilfe einer Vakuumpumpe 147 erfolgen, die einen Unterdrück erzeugt, welcher über ein Bypassventil 146 durch gezielte Ansaugung von Falschluft reguliert werden kann. Das System wird durch eine Steuereinheit 150 gesteuert, welche beispielsweise die Position der Düse 122, des Öffnungsbereichs 142 und der Öffnungen 143 sowie die vertikale Höhe des Ablaufbehälters 124, das Steuerventil 128, das Bypassventil 146 und die Bewegung der Siebeinrichtung 110 kontrollieren kann. So umfasst der Öffnungsbereich 142 beispielsweise einen oder mehrere Schlitze, die relativ zur Siebeinrichtung 110 bewegbar sind, wobei die Steuereinrichtung 150 entsprechend ausgebildet ist, um die Position des einen oder der mehreren bewegbaren Schlitze(s) an die Position der Mündung der Düse 122 anzupassen. Beispielsweise können die Schlitze mittels eines Laufwagens oder Schlittens auf einer Linearführung traversierend parallel zur Oberfläche der Siebeinrichtung 110 bewegt werden. Die Bewegung der Suspensionsöffnung und/ oder des
Öffnungsbereiches 142 kann beispielsweise über einen oder mehrere Schrittmotor(en) erfolgen. Auf diese Weise kann ein Ansaugen von Falschluft an den Schlitzen deutlich gesenkt werden, da nur dort Luft bzw. ein Luft- /Wassergemisch angesaugt wird, wo eine Trocknung durchzuführen ist.
Die Steuerung der Schrittmotoren 131 zur Bewegung der horizontalen Position der Düse 122 sowie des Öffnungsbereichs 142 der Absaugeinrichtung 140, des Antriebs für die Rotation der Siebeinrichtung 110 sowie des Steuerventils 128 erfolgt beispielsweise über eine Recheneinheit (microcontroller board), wie z.B. den Arduino Uno mit GRBL-Firmware. Um die Bewegung der Düse 122 und des Öffnungsbereichs 142 der Absaugeinrichtung 140 parallel steuern zu können, können beispielsweise zwei CNC-Shields (Schnittstellen für den Arduino- microcontoller) verwendet werden, wobei das Signal für das erste CNC-Shield zur Steuerung der Düse 122 auf das zweite CNC-Shield zur Steuerung des Öffnungsbereichs 142 der Absaugeinrichtung 140 gespiegelt wird. Durch den identischen Aufbau der horizontalen Traversierung ist sichergestellt, dass sich Düse 122 und der Öffnungsbereich 142 der Absaugeinrichtung 140 parallel bewegen. Zur Steuerung der Düsen kann beispielsweise G-Code verwendet werden. G-Code kann aus 3D-CAD Modellen erzeugt werden, indem das Modell als Astl-Datei gespeichert und einem Slicing-Programm zugeführt wird. Das Slicing-Programm erzeugt aus dem Vollkörper einen geschichteten Körper. Entsprechend der gewählten Einstellungen werden die Routen für den Materialauftrag innerhalb der Einzelschichten erzeugt. Der G-Code zur Anlagensteuerung kann anschließend automatisch aus den Routen erzeugt werden. Mit Hilfe eines Sendeprogrammes (z. B. Universal Geode Sender) kann der erzeugte G-Code nach kleineren Anpassungen, wie z.B. Löschen der Befehle für die vertikale Achse und Einfügen von Befehlen um das Ventil anzusteuern oder das Sieb zu rotieren, an das microcontroller board übermittelt werden.
Fig. 3A zeigt Ausführungsbeispiele für Bewegungsmöglichkeiten der Düse 122, die durch die Bewegungseinrichtung 130 bewirkt werden kann. Die Düse 122 bzw. die Bewegungseinrichtung 130 kann beispielsweise ausgebildet sein, um eine Verdrehung um einen Winkel a von bis zu beispielsweise 45 Grad zur vertikalen Richtung (hier mit Z bezeichnet) und/oder eine Rotation um die vertikale Richtung relativ zur Siebeinrichtung 110 zu gestatten. Dabei kann die Halterung der Düse 122 und/oder der Siebeinrichtung 110 vorteilhafterweise so ausgebildet werden, dass sich die Position der Mündung der Düse 122 bei einer Änderung der Orientierung nicht verändert. Fig. 3B zeigt ein Schema zu einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, in dem die Düse 122 durch Anpassen des Winkels a sowie eine Rotation um die vertikale Achse eine feste Orientierung bezüglich der Bewegungsrichtung in der horizontalen Ebene beibehält. Dies kann beispielsweise über eine Vorschubvektorsteuerung erreicht und zur
Feinabstimmung des Auftragens des Fasermediums 50 und/oder einer verbesserten Kontrolle der Faserorientierung auf der Siebeinrichtung 110 genutzt werden. Dabei kann die Halterung der Düse 122 und/oder der Siebeinrichtung 110 so ausgebildet werden, dass sich die Position der Mündung der Düse 122 und dadurch der Ort, an dem das Fasermedium 50 auf die
Siebeinrichtung 110 aufgetragen wird, bei einer Änderung der Orientierung der Düse 122 nicht verändert.
Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit einer umlaufenden Siebeinheit 110, das über Drehwalzen 111 (oder Umlenkrollen) geführt wird, und bei dem zwei Zuführeinrichtungen 120 (dargestellt sind jeweils eine Düse 122, ein Verbindungsschlauch 127 mit Steuerungsventil 128 sowie ein Vorratsbehälter 124 mit Überlauf 125, gefüllt mit Fasermedium 50) sowie zwei Absaugeinrichtungen 140 (dargestellt sind jeweils ein Absaugkanal 144 mit einer Öffnung 142) vorliegen. In einem Herstellungsprozess kann beispielsweise ein Abschnitt aus Papier oder einem anderen Material aufgetragen, und die Siebeinrichtung 110 anschließend um die Länge des Auftragebereichs weitergeführt werden. Alternativ kann beispielsweise die Siebeinrichtung 110 auch die Bewegung der Düsen 122 in einer Richtung orthogonal zu den Drehwalzen 111 übernehmen. Der parallele Einsatz mehrerer Zuführ- und Absaugeinrichtungen 120, 140 ist beispielsweise vorteilhaft, um unterschiedliche Schichten mit verschiedenen Fasern aufzutragen und/oder verschiedene Produkte parallel herzustellen.
Fig. 5A zeigt schematisch eine umlaufende Siebeinrichtung 110, die über höhenverstellbare Drehwalzen 111 geleitet wird. Auf diese Weise kann die Siebebene um einen Winkel oder einen Winkelbereich (beispielsweise bis zu +/- 45° in Bezug auf die vertikale Ebene) gedreht werden.
Fig. 5B zeigt schematisch eine runde Siebeinrichtung no, die über höhenverstellbare Befestigungspunkten oder Rollen 112 drehbar und inklinierbar gelagert ist. Auf diese Weise kann die Siebebene um einen Winkel oder einen Winkelbereich (beispielsweise bis zu +/- 90° in Bezug auf die vertikale Ebene) gedreht werden. Gleichzeitig kann die Siebeinrichtung 110 aufgrund einer Ausführung unter Verwendung von Umlenkrollen 112 rotiert werden.
Fig. 6 zeigt ein Schema zu einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit inklinierter umlaufender Siebeinrichtung 110. Dargestellt ist eine umlaufende Siebeinrichtung 110, die über höhenverstellbare Drehwalzen 111 geführt wird; ferner eine Düse 122, ein Verbindungsschlauchi27 mit Steuerungsventil 128 sowie ein Vorratsbehälter 124, gefüllt mit Fasermedium 50, sowie ein Absaugkanal 144 mit einer Öffnung 142. Die Position der Absaugöffnung 142 kann wiederum (z.B. mittels der Bewegungseinrichtung 130) der Position der Düse 122 nachgeführt werden, sodass gezielt Feuchtigkeit nur dort abgesaugt wird, wo das Fasermedium 50 aufgebracht wird. Das Ansaugen von Falschluft wird somit wieder minimiert.
Fig. 7 zeigt ein Flussdiagramm für ein Verfahren zur Herstellung einer inhomogenen Faserstruktur. Das Verfahren umfasst:
- Aufbringen S110 eines Fasermediums 50 durch eine Zuführeinrichtung 120 mit in einer gewünschten Aufbringrate auf eine Siebeinrichtung 110;
- Bewegen S120 von zumindest einem Teil der Zuführeinrichtung 120 in zumindest zwei unabhängigen Richtungen, um die inhomogene Faserstruktur herzustellen.
Dieses Verfahren wird mittels der zuvor beschriebenen Vorrichtung ausgeführt, wobei alle funktionalen Merkmale der Vorrichtung als weitere optionale Verfahrensschritte ausgeführt werden können. Das verwendete Fasermedium 50 kann zumindest eine der folgenden Komponenten aufweisen: Kunststofffasern, Papierfasern, Holzfasern, Glasfasern, Kohlenstofffasern, Naturfasern, chemisch modifizierte Fasern, Fasern einer vorbestimmten Länge, Pulvermaterial, chemische Additive oder auch eine Mischung der zuvor genannten Komponenten. Mit der Mischung können bestimmte Eigenschaften wie Gewicht, Festigkeit, Feuchtigkeitsbeständigkeit, Brennbarkeit, Wiederverwertbarkeit, biologisch Abbaubarkeit u.a.m. eingestellt werden.
Somit kann die Vorrichtung gemäß weiterer Ausführungsbeispiele für viele Verwendungen genutzt werden. Hierzu gehören insbesondere:
Erzeugung von Mikrofluidikstrukturen;
Herstellung von Faserverbundmaterialien;
Herstellung von strukturierten Papierprodukten,
Herstellung von Papierprodukten mit einer 3D Oberflächentopologie,
Herstellung von funktionalen Faserstrukturen
Fig. 8 illustriert einen Stufendiffusor 1271, wie er in Ausführungsbeispielen vor einer Düse 122 in eine Verbindungsleitung 127 integriert ist. Der Stufendiffusor 1271 dient einer Homogenisierung einer Faserverteilung im Fasermedium 50, vor dem Zuleiten in die Düse 122. Die Fließrichtung des Fasermediums 50 verläuft jeweils vertikal von oben nach unten in der Figur.
Die linke Seite der Figur zeigt den Stufendiffusor 1271 mit mehreren Stufen, von denen eine vergrößert in der rechten Seite der Figur dargestellt ist. Die einzelne Stufe weist dabei einen Verjüngungsabschnitt 1272 auf, in dem sich eine Querschnittsfläche der Verbindungsleitung 127 reduziert. Durch diese
Verjüngung beschleunigt sich das Fasermedium 50 im Verjüngungsabschnitt 1272. Dem Verjüngungsabschnitt 1272 schließt sich eine Expansionskammer 1273 an. Diese weist einen breiteren Querschnitt als derjenige am Ende des Verjüngungsabschnitts 1272 auf. Der daraus resultierende Querschnittssprung bewirkt ein Auseinanderziehen von Faserflocken bzw. -bündeln, so dass Fasern vereinzelt werden. Bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten können zudem Turbulenzen 51 entstehen, die das Auflösen von Verklumpungen des Fasermaterials im Fasermedium 50 begünstigen. Je größer der Querschnittssprung ist, desto besser kann die Vereinzelung bewirkt werden.
Dabei ist der engste Querschnitt (hier am Ende des Verjüngungsabschnitts 1272) vorteilhafterweise jedoch groß genug, um ein Blockieren durch das Fasermaterial im Fasermedium 50 zu verhindern.
Optional wird die Verjüngung des Querschnitts vorteilhaft ausgenutzt, indem in die Expansionskammer 1273 von außen über geeignete Zuleitungen Zusätze wie etwa Additive oder Chemikalien in das Fasermedium 50 eingeführt werden. In der Figur wird dies durch die Pfeile 52 dargestellt. Einzelne Stufen können in eine Reihe geschaltet werden und dabei z.B. unterschiedliche Querschnitte an den Querschnittssprungbereichen zwischen den jeweiligen Verjüngungsabschnitten 1272 und Expansionskammern 1273 aufweisen. So lassen sich auch Druck und Fließgeschwindigkeit des Fasermediums in der Düse 122 beeinflussen.
Fig. 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Düse 122. Die Düse weist einen gekrümmten Mündungsbereich 123 auf. Die Düse 122 ist vorteilhafterweise rotier- und optional auch inklinierbar ausgebildet. Durch Rotation kann sie immer in Fahrtrichtung (in der Figur angegeben durch den mit v bezeichnet en Pfeil) ausgerichtet werden. In dem hier dargestellten Winkel stimmt ein Auftreffort des Fasermediums 50 auf dem Sieb 110 mit einer Drehachse für die Düse 122 überein. Durch unterschiedliche Auftreffwinkel kann eine Struktur der inhomogenen Faserstruktur beeinflusst werden. So kann auch eine Orientierung in der Richtung senkrecht auf das Sieb 110 erreicht werden.
Fig. 10 zeigt als Beispiel für eine inhomogene Faserstruktur ein Mikrofluidikerzeugnis 200, wie es mit Ausführungsbeispielen der vorgestellten Vorrichtung herstellbar ist. Dargesteht ist im oberen Teil der Figur eine Aufsicht und im unteren Teil der Figur ein Schnitt durch das Mikrofluidikerzeugnis 200. Auf einem Trägermaterial 210 befindet sich eine Kanalstruktur 220, die auf einer Seite ein Reservoir 225 für ein Aufträgen einer Probe aufweist. Die Probe besteht dabei aus einem Fluid. Das Trägermaterial 210 ist so ausgebildet, dass es durch das Fluid nur schlecht oder gar nicht benetzt werden kann. Die Kanalstruktur 220 bildet auf einer dem Reservoir 225 gegenüberliegenden Seite eine Vielzahl sich verzweigende Kanäle aus, die jeweils in einem Diagnosepunkt 230 mit einem jeweiligen Indikatormaterial enden.
In herkömmlichen Vorrichtungen können Kanalstrukturen z.B. dadurch erzeugt werden, dass Poren in einem Fasermaterial mit Wachs dort gefüllt werden, wo das Fluid nicht entlang strömen soll. Dies ist auch mit Ausführungsbeispielen der vorgestellten Vorrichtung möglich. Allerdings sind Ausführungsbeispiele der vorliegenden Vorrichtung insbesondere dazu ausgebildet, etwa die Kanalstruktur 220 direkt (auch auf dem Trägermaterial 210) zu erzeugen, ohne dass ein nachträgliches oder zusätzliches Aufträgen von Wachs notwendig sein muss.
Ein Vorteil der vorgestellten Vorrichtung hegt hierbei auch darin, dass Material nur dort aufgetragen wird, wo es benötigt wird. Entsprechend kann etwa die Kanalstruktur 220 auch innerhalb eines Blattes ausgebildet werden. Es können, wie hier dargestellt, feine Topografien erzeugt werden, so etwa, um das Reservoir 225 zu bilden. Durch die Möglichkeit, unterschiedliche Materialien aufzutragen, können zudem sehr lokal begrenzt bspw. mit Indikatoren modifizierte Fasern abgelegt werden.
Ausführungsbeispiele bieten somit eine Vielzahl von Vorteilen, die wie folgt zusammengefasst werden können. So kann gezielt eine Orientierung von Fasern erreicht werden, um die Festigkeitseigenschaften von Faserstrukturen zu beeinflussen. Um die Faserorientierung während des Produktionsprozesses gezielt beeinflussen zu können, werden gemäß Ausführungsbeispielen bei Werkstücken mit einer vornehmlich in zwei Dimensionen ausgedehnten Form eine oder mehrere traversierende Düsen 122 verwendet, die ein Fasermedium 50 auf eine Siebeinrichtung 110 in einer wechselseitigen Bewegung auftragen. Hinter der Siebeinrichtung 110 befindet sich eine Vakuumzone, über welche Suspensionsflüssigkeit und/oder Gas gezielt entfernt werden können. Beispielsweise kann eine Vakuumpumpe 147 Suspensionsflüssigkeit durch die Siebeinrichtung 110 absaugen, während Fasern und/oder Pulver durch die Siebeinrichtung 110 zurückgehalten werden.
Die Fasern oder das Pulver können dabei auf eine in einer Vorzugsrichtung orientierten Weise auf der Siebeinrichtung 110 abgelegt und durch zeit- und ortsnahes Absaugen der Flüssigkeit und/ oder von Gasen an ihrer Position fixiert werden. Dazu werden die Fasern über die Düse 122 beispielsweise als dünner Strahl auf die Siebeinrichtung 110 aufgetragen. Die Düse 122 erzeugt eine laminare Dehnströmung, wodurch sich die Fasern in Strömungsrichtung orientieren. Nach Verlassen der Düse 122 trifft die Fasersuspension 50 auf die Siebeinrichtung 110. Direkt hinter der Siebeinrichtung 110 befindet sich ein Öffnungsbereich 142 einer Absaugeinrichtung 140, die Wasser und/oder Gas entfernt und über eine Sogwirkung die Orientierung der Fasern fixiert. Vorteilhafterweise ist die Siebgeschwindigkeit dabei höher als die Strahlaustrittsgeschwindigkeit, sodass die Fasern beim Auftreffen auf die Siebeinrichtung 110 zusätzlich gestreckt werden. Die Düse 110 und der Öffnungsbereich 142 der Absaugeinrichtung 140 traversieren während des Produktionsprozesses über dem Sieb 110, sodass beispielsweise ein Papierblatt in mehreren Schichten entsteht.
Mit Hilfe dieses Verfahrens ist es möglich, beispielsweise Papier mit auf vorbestimmte Weise räumlich orientierten Fasern herzustellen. Die Orientierungsrichtung entspricht dabei der Auftragsrichtung und ist nicht auf eine unidirektionale Ausrichtung beschränkt. Fasern können auch entlang einer beliebig geformten Linie orientiert abgelegt werden. Zusätzlich ist die Anlage so konzipiert, dass sie modular erweitert werden kann, um ein Upscaling und/oder ein Numbering-Up auf einen kleinindustriellen Blattbildungsprozess zu ermöglichen. Ferner ist es mit der Vorrichtung möglich, inhomogene Faserstrukturen mit lokal unterschiedlichen Materialzusammensetzungen herzustellen, anzureichern und/oder aufzufüllen. So kann etwa auch die Materialdichte lokal beeinflusst und/oder kontrolliert eingestellt werden. Weiter können beispielsweise Pulver in Poren und/oder Kanäle einer inhomogenen Faserstruktur eingebracht werden, um die inhomogene Faserstruktur zu funktionalisieren. Dies kann beispielsweise Eigenschaften wie Flüssigkeitstransport oder Leitfähigkeit der inhomogenen Faserstruktur betreffen.
Die mit den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung hergestellten inhomogenen Faserstrukturen sind für verschiedene Anwendungen einsetzbar. Hierunter sind unter anderem zu nennen:
- lastpfadgerecht gestaltete Bauteile für Bauanwendungen,
- Substitution von Glasfasern in Faserverbundwerkstoffen,
- Steuerung des Flüssigkeitstransports in der Faserstruktur,
- Erzeugung definierter Porenstrukturen für Filter. Die in der Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
BEZUGSZEICHENLISTE
50 Fasermedium
51 Turbulenzen des Fasermediums
52 Zuleitung von Additiven 110 Siebeinrichtung
111 Drehwalze 112 Umlenkrolle 120 Zuführeinrichtung 122 Düse 123 gekrümmter Mündungsbereich
124 Vorratsbehälter
125 Überlauf
126 Rühreinrichtung 127 V erbindungslei tung 1271 Stufendiffusor
1272 Verjüngungsabschnitt 1273 Expansionskammer 128 Steuerventil I3O Bewegungseinrichtung 131 Schrittmotor
132 Führungsschiene I4O Absaugeinrichtung 142 Öffnungsbereich 143 Öffnung I44 Absaugkanal
145 Absaugschlauch
146 Bypassventil
147 Vakuumpumpe I5O Steuereinrichtung 200 Mikrofluidikerzeugnis
210 Trägermaterial 220 Kanalstruktur
222 Reservoir
23O Diagnosepunkt mit Indikatormaterial
SllO, S120 Schritte eines Verfahrens

Claims

ANSPRÜCHE
1. Vorrichtung zur Herstellung einer inhomogenen Faserstruktur unter Nutzung eines Fasermediums (50), mit folgenden Merkmalen: eine Siebeinrichtung (110); eine Zuführeinrichtung (120), die ausgebildet ist, um ein Fasermedium
(50) mit einer gewünschten Aufbringrate auf die Siebeinrichtung (110) aufzubringen; und eine Bewegungseinrichtung (130), die ausgebildet ist, um zumindest einen Teil der Zuführeinrichtung (120) in zumindest zwei unabhängigen Richtungen zu bewegen und so die inhomogene Faserstruktur herzustellen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Zuführeinrichtung (120) Folgendes aufweist: eine Düse (122) zum Ausbringen des Fasermediums (50) auf die Siebeinrichtung (110), einen Vorratsbehälter (124) zum Aufbewahren des Fasermediums (50), und eine Verbindungsleitung (127), welche die Düse und den Vorratsbehälter (124) verbindet. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei
- die Verbindungsleitung (127) einen Stufendiffusor (1271) umfasst, und/ oder
- die Düse (122) einen sich verjüngenden, gekrümmten Mündungsbereich (1221) aufweist. 4- Vorrichtung nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, wobei die
Bewegungseinrichtung (130) weiter ausgebildet ist, um die Düse (122) relativ zu der Siebeinrichtung (110) - in ihrem mit der vertikalen Richtung eingeschlossenen Winkel zu verstellen und/oder
- um die vertikale Richtung zu rotieren und/ oder
- um einen vorbestimmten Abstand zwischen Düse (122) und Siebeinrichtung (110) einzuhalten. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die
Zuführeinrichtung (120) ausgebildet ist, um
- einen Druck des Fasermediums (50) in der Düse (122) einzustellen, und/ oder
- eine Menge des Fasermediums (50), welche durch die Verbindungsleitung (127) strömt, zu regulieren.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der Vorratsbehälter (124) zusätzlich Folgendes aufweist: eine Rühreinrichtung (126), um ein fortlaufendes Durchmischen des Fasermediums (50) zu erreichen, und/oder einen Überlauf (125), um einen Befüllungsgrad des Vorratsbehälters (124) konstant zu halten.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die weiter Folgendes aufweist: eine Absaugeinrichtung (140), die ausgebildet ist, um zumindest einen der folgenden Effekte zu bewirken: - eine Bewegung in den zwei unabhängigen Richtungen, in denen die Zuführeinrichtung (120) durch die Bewegungseinrichtung (130) bewegbar ist, wobei die Bewegung abhängig oder unabhängig von der Zuführeinrichtung (120) erfolgt,
- ein Absaugen von Feuchtigkeit oder Gas nur in einem Bereich der Siebeinrichtung (110), wo die Zuführeinrichtung (120) das Fasermedium (50) auf die Siebeinrichtung (110) aufbringt oder gerade aufgebracht hat,
- eine Steuerung einer Absaugleistung.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ein Gehäuse für zumindest einen Teil der Vorrichtung aufweist, wobei das Gehäuseausgebildet ist, um eine gewünschte Umgebung für ein Aufbringen des Fasermediums (50) einzustellen, wobei die gewünschte
Umgebung sich durch mindestens einen der folgenden physikalischen Parameter auszeichnet:
- einen bestimmten Druck,
- eine bestimmte Temperatur, - eine bestimmte Feuchtigkeit,
- ein bestimmtes Gasgemisch.
9. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder nach Anspruch 7 soweit rückbezogen auf Anspruch 6, wobei die Bewegungseinrichtung (130) und/oder die Absaugeinrichtung (140) ausgebildet sind, um eine Bewegung der Düse (122) mit einer Bewegung der Absaugeinrichtung (140) zu synchronisieren.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Siebeinrichtung (110): ein umlaufendes Sieb und/oder ein drehbar gelagertes Sieb und/oder - ein winkelverstellbares Sieb und/ oder
- ein profilgeformtes oder profilverformbares Sieb aufweist.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei:
- die Zuführeinrichtung (120) Teil von mehreren Zuführeinrichtungen (120) ist, die einer Siebeinrichtung (110) zugeordnet sind und/oder
- die Siebeinrichtung (110) Teil von mehreren Siebeinrichtungen (110) ist, die einer Zuführeinrichtung (120) zugeordnet sind und/oder
- keine, eine oder mehr als eine Absaugvorrichtung (140) vorhanden sind. 12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die weiter eine Steuereinrichtung (150) aufweist, wobei die Steuereinrichtung (150) ausgebildet ist, um die Bewegungseinrichtung (130) und/oder die Zuführeinrichtung (120) und/oder die Absaugeinrichtung (140) und/oder eine Bewegung der Siebeinrichtung (110) zu steuern, um zumindest eines der folgenden Merkmale zu erzeugen: eine gewünschte Faserorientierung, mehrere übereinanderliegenden Faserschichten, die verschiedene Hauptfaserorientierung aufweisen können,
Bereiche oder Konturen auf der Siebeinrichtung (110) mit verschiedener Faserorientierungen,
Bereiche unterschiedlicher Fasermedien Bereiche unterschiedlicher Dichte, eine strukturierte Oberfläche.
13· Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Steuereinrichtung (150) weiter ausgebildet ist, um zumindest eine der folgenden Steuerungen vorzunehmen: bei Ausbildung unter Rückbezug auf Anspruch 2, ein Ändern der Bewegungsrichtung und/oder der Bewegungsgeschwindigkeit der Düse (122) relativ zur Siebeinrichtung (110), bei Ausbildung unter Rückbezug auf Anspruch 2, ein Einstellen einer Relativgeschwindigkeit zwischen Düse (122) und Siebeinrichtung (110) auf einen Wert größer als einen Wert einer Austrittsgeschwindigkeit des Fasermediums (50) aus der Düse (122), bei Ausbildung unter Rückbezug auf Anspruch 3, ein Einstellen des
Winkels zwischen Düse (122) und vertikaler Richtung, bei Ausbildung unter Rückbezug auf Anspruch 3, ein Einstellen einer Rotationsbewegung der Düse (122) um die vertikale Richtung, bei Ausbildung unter Rückbezug auf Anspruch 3, ein Einstellen des
Abstands zwischen Düse (122) und Siebeinrichtung (110), bei Ausbildung unter Rückbezug auf Anspruch 4, ein Ändern des
Drucks des Fasermediums in der Düse (122), bei Ausbildung unter Rückbezug auf Anspruch 4, ein Ändern der
Menge des Fasermediums (50), welche durch die
Verbindungsleitung (127) strömt, bei Ausbildung unter Rückbezug auf Anspruch 6, ein Einstellen der Absaugleistung, bei Ausbildung unter Rückbezug auf Anspruch 7, eine Veränderung der gewünschten Umgebung, bei Ausbildung unter Rückbezug auf Anspruch 9, ein kontrolliertes Bewegen und/oder ein Einstellen einer Lage und/oder einer Form der Siebeinrichtung (110).
Bei Ausbildung unter Rückbezug auf Anspruch 10, ein Einstellen einer Mischung und/ oder eine Abfolge eines Auftrags von Fasermedien (50).
14. Verwendung der Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche für zumindest eine der folgenden Funktionen:
Erzeugung von Mikrofluidikstrukturen, - Herstellung von Faserverbundmaterialien,
Herstellung von strukturierten Papierprodukten, Herstellung von Papierprodukten mit einer 3D Oberflächentopologie,
Herstellung von funktionalen Faserstrukturen
15. Verfahren zur Herstellung einer inhomogenen Faserstruktur, mit folgenden Schritten:
Aufbringen eines Fasermediums (50) durch eine Zuführeinrichtung (120) mit einer gewünschten Aufbringrate auf eine Siebeinrichtung (110);
Bewegen von zumindest einem Teil der Zuführeinrichtung (120) in zumindest zwei unabhängigen Richtungen, um die inhomogene Faserstruktur herzustellen.
16. Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Fasermedium (50) zumindest eines der folgenden Komponenten aufweist:
Kunststofffasern,
Papierfasern,
Holzfasern,
Glasfasern,
Kohlenstofffasern,
Metallfasern,
Naturfasern, chemisch modifizierte Fasern,
Fasern einer vorbestimmten Länge,
Pulvermaterial, chemische Additive, eine Mischung der zuvor genannten Komponenten.
PCT/EP2020/085543 2019-12-10 2020-12-10 Vorrichtung und verfahren zur herstellung einer faserstruktur WO2021116293A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102019133809.3 2019-12-10
DE102019133809.3A DE102019133809A1 (de) 2019-12-10 2019-12-10 Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung einer Faserstruktur

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2021116293A1 true WO2021116293A1 (de) 2021-06-17

Family

ID=73835591

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2020/085543 WO2021116293A1 (de) 2019-12-10 2020-12-10 Vorrichtung und verfahren zur herstellung einer faserstruktur

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102019133809A1 (de)
WO (1) WO2021116293A1 (de)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113696476B (zh) * 2021-08-19 2022-08-02 清华大学 双自由度旋转机构和体内原位生物打印装置

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19940915A1 (de) * 1999-08-28 2001-03-01 Sellner Umwelttechnologie Gmbh Vorrichtung zur Papier- und Pappeherstellung und ähnlicher Produkte
US20050280184A1 (en) * 2002-11-21 2005-12-22 Sayers Ian C Three dimensional tomographic fabric assembly

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN208201496U (zh) * 2018-05-28 2018-12-07 重庆大学 一种纸浆模型3d打印生产系统
DE102018115692A1 (de) * 2018-06-28 2020-01-02 WZR ceramic solutions GmbH 3D-Druck von organischen Fasern

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19940915A1 (de) * 1999-08-28 2001-03-01 Sellner Umwelttechnologie Gmbh Vorrichtung zur Papier- und Pappeherstellung und ähnlicher Produkte
US20050280184A1 (en) * 2002-11-21 2005-12-22 Sayers Ian C Three dimensional tomographic fabric assembly

Also Published As

Publication number Publication date
DE102019133809A1 (de) 2021-06-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1358059B1 (de) Vorrichtung zum herstellen eines dreidimensionalen objekts enthaltend eine vorrichtung zur behandlung von pulver und verfahren zum herstellen eines dreidimensionalen objekts
EP3083207B1 (de) 3d-druckverfahren mit schnelltrockenschritt
EP3131740B1 (de) Steuereinheit, vorrichtung und verfahren zum herstellen eines dreidimensionalen objekts
DE102005056260B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zum flächigen Auftragen von fließfähigem Material
EP3174691B1 (de) Verfahren, vorrichtung und steuereinheit zum herstellen eines dreidimensionalen objekts
EP3086919A1 (de) Vorrichtung und verfahren mit beschleunigter verfahrensführung für 3d- druckverfahren
EP3011092B1 (de) Kohlenstofffaser-wirrvliesherstellungsverfahren, -anordnung sowie dreidimensionalbauteil-vliesherstellungsverfahren
DE10112629B4 (de) Verfahren und Einrichtung zur variablen Herstellung von Laminatstrukturen
DE20122639U1 (de) Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts
WO2021116293A1 (de) Vorrichtung und verfahren zur herstellung einer faserstruktur
EP4247609A1 (de) Vorrichtung zur extrusionsbasierten herstellung eines geschäumten dreidimensionalen objekts
EP0279323B1 (de) Vorrichtung zum Auftragen eines Schaumstoff bildenden, fliessfähigen Reaktionsgemisches auf eine Unterlage
EP2345530A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zum direkten Faserbandsprühen
DE2522304A1 (de) Verfahren und vorrichtung zur erzeugung einer gleichmaessigen zufuhr von pulverfoermigem material
DE69916422T2 (de) Verfahren zur herstellung und vorrichtung für beschichtung von artikeln
DE2132551A1 (de) Vorrichtung zum Herstellen eines nicht gewobenen Einzelstuecks oder einer nicht gewobenen Stoffbahn aus Fasermaterial
DE19913162C1 (de) Vorrichtung zum Herstellen einer Vliesbahn aus thermoplastischen Polymerfilamenten
WO2021078316A1 (de) Anordnung und verfahren zum erzeugen einer schicht eines partikelförmigen baumaterials in einem 3d-drucker
DE60209434T2 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Vorhang- Beschichten
DE102015222860A1 (de) Additives Herstellungsverfahren
DE102020117248A1 (de) Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung von dreidimensionalen Formteilen
DE19815005A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zum Abscheiden von Materialbahnen zum Aufbau von Bauteilen
EP3976334B1 (de) Vorrichtung und verfahren zur herstellung eines vlieses
DE1929465A1 (de) Vorrichtung zur Herstellung von Holzfaserplatten
EP2611513B1 (de) Fluidentgasungs-vorrichtung und verfahren zur entgasung von fluiden

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 20824518

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 20824518

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1