WO2022063562A1 - Vorrichtung und verfahren zur additiven fertigung einer heterogenen struktur - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur additiven fertigung einer heterogenen struktur Download PDF

Info

Publication number
WO2022063562A1
WO2022063562A1 PCT/EP2021/074554 EP2021074554W WO2022063562A1 WO 2022063562 A1 WO2022063562 A1 WO 2022063562A1 EP 2021074554 W EP2021074554 W EP 2021074554W WO 2022063562 A1 WO2022063562 A1 WO 2022063562A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
additive manufacturing
nozzle
move
heterogeneous structure
vertical direction
Prior art date
Application number
PCT/EP2021/074554
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Eckhard Kirchner
Kay-Eric STEFFAN
Tim Martin MÜLLER
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
Priority to US18/027,083 priority Critical patent/US20230330919A1/en
Publication of WO2022063562A1 publication Critical patent/WO2022063562A1/de

Links

Classifications

    • 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
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/10—Formation of a green body
    • B22F10/18—Formation of a green body by mixing binder with metal in filament form, e.g. fused filament fabrication [FFF]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
    • B22F12/50—Means for feeding of material, e.g. heads
    • B22F12/58—Means for feeding of material, e.g. heads for changing the material composition, e.g. by mixing
    • 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
    • B29C64/10—Processes of additive manufacturing
    • B29C64/188—Processes of additive manufacturing involving additional operations performed on the added layers, e.g. smoothing, grinding or thickness control
    • 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
    • B29C64/227—Driving means
    • B29C64/236—Driving means for motion in a direction within the plane of a layer
    • 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
    • B29C64/227—Driving means
    • B29C64/241—Driving means for rotary motion
    • 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
    • B29C64/30—Auxiliary operations or equipment
    • B29C64/307—Handling of material to be used in additive manufacturing
    • B29C64/321—Feeding
    • B29C64/336—Feeding of two or more materials
    • 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
    • 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
    • B33Y40/00—Auxiliary operations or equipment, e.g. for material handling
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and a method for additive manufacturing of a heterogeneous structure, and in particular to an additive manufacturing process for the integration of continuous materials.
  • FFF Fusion Fabrication
  • plastic fibers with a different composition it is also possible for different plastic fibers with a different composition to be processed one after the other with a print head, or for the plastic fibers to be applied together with a different material.
  • the conductive structure may only be exposed to certain temperature influences or kink angles during production. This can hardly be guaranteed in conventional additive manufacturing systems.
  • the present invention relates to an apparatus for the additive manufacturing of a heterogeneous structure using a plastic fiber and an energy transfer material.
  • Additive manufacturing occurs in a vertical direction perpendicular to a horizontal plane.
  • the device comprises: a nozzle device, a feed device and a movement device.
  • the nozzle device is designed to provide the plastic fiber for additive manufacturing.
  • the feed device is designed to move the material for energy transmission back and forth in the vertical direction and thereby feed and remove it.
  • the movement device is designed to move (linearly or also rotate) the feed device and/or the nozzle device independently of one another in the horizontal (optionally also vertical) plane in order to produce the heterogeneous structure in the horizontal plane.
  • the vertical direction and the horizontal plane are to be understood here as a coordinate system and that the movements and the additive manufacturing do not necessarily or not only take place in these directions got to.
  • the horizontal plane xy plane
  • the vertical direction z direction
  • a rotating print head and/or a rotating plate is also conceivable, so that production can also take place in a different direction, at least temporarily. Nevertheless, this does not change the underlying coordinate system.
  • Additive manufacturing is based in particular on so-called fused filament fabrication (FFF).
  • FFF fused filament fabrication
  • the nozzle device includes a heater for heating the plastic fiber so that it is heated to reduce viscosity, extruded through a movable nozzle and applied to a substrate. There the plastic connects to the previously applied plastic.
  • the energy transfer material may be any flexible, elongate structure and includes in particular a conductor, cable, etc. for conducting an electrical current or a waveguide for conducting an optical signal.
  • a conductor for conducting an electrical current or a waveguide for conducting an optical signal.
  • the conductor has a different refractive index than the plastic fiber used for additive manufacturing.
  • the term energy transmission should not only be understood to mean the provision of a supply voltage or a current source, but also a signal or data transmission or a functional integration.
  • the feed device comprises, for example, a linear drive which is designed to enable propulsion in the direction of the heterogeneous structure, but also a return of the material in order, if necessary, to move the conductor in a direction away from the heterogeneous structure to be produced to lead structure.
  • a linear drive which is designed to enable propulsion in the direction of the heterogeneous structure, but also a return of the material in order, if necessary, to move the conductor in a direction away from the heterogeneous structure to be produced to lead structure.
  • the nozzle means and the feed means are spaced from each other in the horizontal plane.
  • the movement device can be formed, for example, between the nozzle device and the feed device.
  • the nozzle device and the feed device can be movably attached to the movement device along a horizontal axis, so that the greatest possible freedom of movement is possible.
  • the feed device and the nozzle device are not designed to be coaxial with one another, so that the axial axes of the plastic fiber and the exemplary conductor do not match, but are offset laterally with respect to one another.
  • the movement device can, for example, be formed centrally along the connecting axis between the nozzle device and the feed device.
  • the movement device comprises at least one of the following drives in order to move the nozzle device and/or the feed device freely in the horizontal plane:
  • a first drive e.g. a linear drive or a rack and pinion for moving in a first horizontal direction
  • a second drive e.g. a linear drive or a rack and pinion for moving in a second horizontal direction
  • a second rotary drive for rotating or guiding the feeder in a circular manner about a second axis of rotation parallel to the vertical direction.
  • the first axis of rotation and the second axis of rotation are arranged differently from one another, for example.
  • the first axis of rotation can also be offset to an axial direction of the plastic fiber.
  • the same applies to the second axis of rotation which can also be formed laterally offset to the axial axis of the exemplary conductor.
  • the feed device includes a hold-down device, wherein the hold-down device is designed to fix the material for energy transmission in the vertical direction on the heterogeneous structure.
  • the hold-down device is, for example, offset laterally to the axial axis of the material for energy transmission on the feed device, so that an initially applied section of the material for energy transmission is then pressed onto the heterogeneous structure to be manufactured during the movement by the hold-down device. In this way it is possible, for example, for the material for energy transmission to be pressed into a previously formed recess or groove and/or held there by means of the hold-down device.
  • the movement device is designed to move the feed device and the nozzle device independently of one another in the horizontal plane during additive manufacturing.
  • the movements of the feed device and the nozzle device can also be dependent on one another. This allows the energy transfer material to be laid in any direction, both horizontally and vertically.
  • the method includes one or more of the following steps:
  • Exemplary embodiments solve the problems mentioned at the beginning in that the nozzle device and the feed device are designed separately from one another and can be moved separately, so that existing material (e.g. an industrial cable or a glass fiber) can be used over several pressure layers for energy transmission without loss of certification in an additively manufactured component can be processed using the so-called FFF method.
  • existing material e.g. an industrial cable or a glass fiber
  • flexible lines can be used here as a material for energy transmission (e.g. copper lines), which can be embedded in the additively manufactured component as desired (horizontally and vertically). In this way, arbitrarily routed signal paths can be formed in the component.
  • the design of the print head and the printing process differ fundamentally from conventional processes.
  • FIG. 1 shows a device for additive manufacturing according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 2 shows an example printhead in which the device according to embodiments can be implemented.
  • FIG. 3 shows a schematic flowchart for a method for additive manufacturing according to exemplary embodiments.
  • FIG. 4 illustrates the manufacture of a heterogeneous component that can be manufactured with the device according to exemplary embodiments.
  • FIG. 1 shows a device for the additive manufacturing of a heterogeneous structure 50 using a plastic fiber 10 and a material for energy transfer 20 according to an embodiment.
  • Additive manufacturing occurs in a vertical direction z perpendicular to a horizontal plane x-y.
  • the device comprises: a nozzle device 110 which is designed to provide the plastic fiber 10 for additive manufacturing; a feeder 120 configured to move the energy transfer material 20 back and forth in the vertical direction z; and a moving device 130 which is designed to move the feeding device 120 and the nozzle device 110 independently of one another in the horizontal plane x-y in order to manufacture the heterogeneous structure 50 in the horizontal plane x-y.
  • the material for energy transmission 20 can in particular be a cable or a conductor which can be "pulled along" during the additive manufacturing of the heterogeneous structure 50 and can only be severed at the end in order to form an embedded conductor, for example. It is particularly advantageous if it is a flexible material (e.g. a copper line or a fiber optic cable) which gradually - without separating it - into the heterogeneous Structure is embedded and is gradually surrounded by it.
  • the insulation or the glass fiber jacket (“cladding”) in particular can, but does not have to, also be embedded in order not to change the physical properties.
  • the energy transmission material 20 can extend not only horizontally but also vertically and can be laid in a straight line but also in a curved manner. In particular, this material 20 is not a paste, since an undesired tearing off can then occur (eg if it has to be moved vertically upwards relative to the heterogeneous structure).
  • the heterogeneous structure 50 to be manufactured extends in the horizontal plane (x-y plane) and grows layer by layer in the vertical z-direction during additive manufacturing.
  • the nozzle device 110 provides the plastic fiber 10 along the feed direction Bi, with the nozzle device 110 heating the plastic fiber 10 and applying it to the substrate 50 in a viscous state. There, the heated plastic fiber fuses with the previously applied material.
  • the energy transmission material 20 is in particular a conductor for optical or electrical signals.
  • the feeding device 120 is designed to move the conductor 20 in both directions (forward and backward) along the feeding direction B2.
  • the movement device 130 is formed between the nozzle device 110 and the feed device 120 .
  • the movement device 130 can hold the nozzle device 110 on a first axis arm 131 and the feed device 120 on a second axis arm 132 .
  • the axle suspension can be such that the nozzle device 110 is attached to the movement device 130 so that it can be rotated in any way (about any spatial axis).
  • the nozzle device 110 can be mounted so that it can rotate about the vertical axis z, with the axis of rotation not necessarily coinciding with the axial direction of the plastic fiber 10. but can also be shifted to it at will. In this way, the feed direction Bi for the plastic fiber io can point in any direction in space.
  • the suspension of the feed device 120 on the second axis arm 132 can be such that the feed device 120 can also be rotated about one or more axes of rotation in space (in particular about directions parallel to the z-axis).
  • the feed direction B2 for the exemplary line 20 can point in any spatial direction.
  • At least one linear drive (not shown) which moves the nozzle device 110 and the feed device 120 along the horizontal plane x-y.
  • FIG. 2 shows a further exemplary embodiment of the device, which is designed as a print head.
  • the print head again includes the nozzle assembly 110 which heats, extrudes and deposits the plastic fiber 10 onto a surface.
  • the feeder 120 (holder) which carries, for example, a cable (material for energy transmission 20) for energy transmission. Both the plastic fiber 10 and the cable 20 are driven and pushed out of the nozzle device 110 and the feed device 120, respectively.
  • a hold-down device 125 is also attached to the print head.
  • the exemplary cable 20 can be fixed on the component by the hold-down device 125 while the print head travels along its specified printing path (trajectory).
  • plastic fiber 10 is used to generate the component geometry; the cable 20 for desired signal/power transmission. Due to the high mobility of the cable 20, the possible contact points of the print head are not significantly restricted.
  • inexpensive standard materials such as PLA and a NYM cable 20 (designation according to DIN VDE 0292:2007-05) can be used.
  • the print head shown comprises the feed device 120 in the central area and the nozzle device 110 with the heater offset laterally thereto in order to guide the plastic fiber 10 in the vertical direction onto the additive structure 50 to be produced (not shown in FIG. 2).
  • the feed device 120 has an optional linear drive 115 in order to linearly move the nozzle device 110 in the vertical direction upwards or downwards. It is height adjustable.
  • the exemplary embodiment from FIG. 2 includes a plurality of rotary drives, which are driven, for example, via at least one electric motor 133 in the movement device 130 .
  • a first toothed element 134 is formed, which can drive a second toothed element 135 via a toothed belt, for example, in order to rotate the nozzle device 110 about an axis of rotation Ri, which runs through the conductor 20 .
  • a third toothed element 136 can be driven by the electric motor 133, a toothed belt in turn being able to drive a fourth toothed element 137 in order, for example, to rotate the hold-down device 125 about the axis of rotation Ri.
  • the feed device 120 it is also possible for the feed device 120 to be rotatable about an axis of rotation R2 which runs through the electric motor 133 .
  • the toothed belts are not shown in the illustration. In this way, it is possible for the nozzle device 110 and the feed device 120 to be movable anywhere on the ground.
  • another line drive can in turn be used to enable horizontal displacement of the entire device.
  • FIG. 3 schematically shows a flow chart for an additive manufacturing method according to exemplary embodiments.
  • the procedure includes:
  • the movement device 130 being designed to move the feed device 120 and the nozzle device 110 independently of one another in the horizontal plane x-y during additive manufacturing.
  • a heterogeneous structure 50 manufactured according to the method in a first method step 410 a first component section 51 with a recess or groove 52 for receiving the material 20 for energy transmission is manufactured. In a next production step 420, the material for energy transmission 20 is inserted or pressed into the recess 52 using a hold-down device 125. Then, in the last method step 430, the depression is closed.
  • the 53 can in particular be created in layers by additive manufacturing on the first component section 51, i.e. it is not placed on as a whole.
  • the method steps can be decoupled in terms of time and location. All process steps or a part of them can be carried out simultaneously at different points on the component. The method steps can also be repeated or carried out in the order described or in a different order, as long as the desired result of a heterogeneous structure 50 can be achieved.
  • the component geometry to be printed is brought into a layered structure for the FFF process with the help of software.
  • the layers are Retrospectively implemented by the plastic fiber io.
  • the required certification criteria for the cable routing within the component and other design principles can be defined.
  • the software calculates trajectories for the print head and its movable components.
  • the manufacturing process begins with the manufacture of the component (the heterogeneous structure 50).
  • individual layers of plastic fibers 10 are applied to a surface in a production direction according to the “fused filament fabrication” method.
  • the plastic fiber 10 is heated in the nozzle (the nozzle device 110) to reduce its viscosity, extruded through the nozzle 110 by the further advancement of the plastic fiber 10 and applied to a surface.
  • the still soft plastic fiber 10 then hardens on the surface.
  • a drive continuously pushes new plastic fibers 10 into the nozzle 110 so that application can be continuous.
  • a receiving device also made of the plastic fiber 10 is printed into the component.
  • the receiving device 52 can be implemented, for example, in the form of a channel from the entry point to the exit point of the cable (see FIG. 4), in which the cable 20 can be inserted and fixed.
  • the recording device 52 can have any shape and trajectory; in particular, it is conceivable for the recording device 52 to run through several layers.
  • the cable 20 is held by the receptacle 52 itself; otherwise the hold-down device 125 can permanently lock the cable 20 or the receiving device 52 is closed directly by the plastic fiber 10 .
  • the cable 20 can continuously be pushed through the hold-down device 125 are pressed into the receiving device 52 . But that is not mandatory.
  • the cable 20 only needs to be pressed in in certain partial steps and, for example, to hang freely in other process phases.
  • the cable 20 can be compensated for without tension by moving it out and in from the cable holder 120 during each movement of the print head.
  • the mobility of the nozzle 110 around the cable holder 120 ensures that the printing process around the cable 20 can be continued. Individual plastic fiber layers are thus applied over the cable 20 or around the cable 20 (e.g. when building up height) without heating the cable 20 outside of the defined temperature limits.
  • the cable 20 is gradually enclosed by the remainder of the component 50 until the cable 20 reaches the other end point and the component 50 is completed. During the manufacturing process, the cable 20 is severed after reaching the end point.
  • a signal-transmitting component 50 can be manufactured with less effort, and the manufacturing process for such a component 50 can be shortened.
  • a lean manufacturing process for such a component 50 for example in lightweight construction, and with low material costs is possible. Even in late development phases, it is possible to make geometry changes that do not incur high development costs. Automation is possible. Positioning the material in the components 50 independently of the location opens up new potential in additive manufacturing. Therefore, exemplary embodiments for industrial applications of cables for energy transmission (electrical, optical, etc.) can be used, with the manufactured heterogeneous structures 50 satisfying specific environmental conditions (temperature, minimum kink angle, etc.) as they arise during assembly and use of the cables .
  • exemplary embodiments can be used in particular in mechanical engineering, where it often happens that required geometries have to be produced additively, but at the same time should also offer the possibility of providing energy transmission.
  • the fused filament fabrication process is frequently used.
  • a significant advantage of exemplary embodiments consists in the design of the manufacturing process, so that cables can be used in a certified manner under defined environmental conditions.
  • material for energy transfer e.g. a conductor
  • Bi directions of movement z vertical axis (along which the additively manufactured component grows) x-y horizontal plane

Landscapes

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

Abstract

Es ist eine Vorrichtung zur additiven Fertigung einer heterogenen Struktur (50) unter Nutzung einer Kunststofffaser (10) und eines Materials zur Energieübertragung (20) offenbart. Die additive Fertigung erfolgt in einer vertikalen Richtung (z) senkrecht zu einer horizontalen Ebene (x-y). Die Vorrichtung umfasst: eine Düseneinrichtung (110), die ausgebildet ist, um die Kunststofffaser (10) für die additive Fertigung bereitzustellen; eine Zuführeinrichtung (120), die ausgebildet ist, um das Material zur Energieübertragung (20) in vertikaler Richtung (z) vor und zurück zu bewegen; und eine Bewegungseinrichtung (130), die ausgebildet ist, um die Zuführeinrichtung (120) und die Düseneinrichtung (110) unabhängig voneinander in der horizontalen Ebene (x-y) zu bewegen (oder zu drehen), um die heterogene Struktur (50) in der horizontalen Ebene (x-y) zu fertigen.

Description

VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR ADDITIVEN FERTIGUNG
EINER HETEROGENEN STRUKTUR
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur additiven Fertigung einer heterogenen Struktur und insbesondere auf einen additiven Fertigungsprozess zur Integration von kontinuierlichen Materialien.
HINTERGRUND
Bei dem additiven Fertigungsverfahren „Fused Filament Fabrication“ (FFF) wird eine Kunststofffaser in einem Druckkopf viskositätsverringernd erwärmt, dann extrudiert und durch eine bewegliche Düse auf einem Untergrund entlang einer Düsentrajektorie aufgetragen. Die aufgetragene Kunststofffaser (Kunststofffilament) härtet auf dem Untergrund aus und verbindet sich mit zuvor aufgebrachten Kunststoffmaterial, um einen zu fertigenden Körper zu bilden.
Bei diesem Fertigungsverfahren ist es ebenfalls möglich, dass mit einem Druckkopf unterschiedliche Kunststofffasern mit einer anderen Zusammensetzung hintereinander verarbeitet werden oder die Kunststofffasern mit einem anderen Material zusammen aufgetragen werden. Dadurch wird es möglich, dass die Kunststofffaser mit einer metallischen Komponente zur Übertragung von Signalen kombiniert wird, um in dem zu fertigen Körper eine elektrisch leitfähige Struktur bzw. einem integrierten Wellenleiter (z.B. für optischen Signale) zu bilden.
Verfahrensbedingt kann hierbei jedoch nicht gewährleistet werden, dass die metallische Komponente bestimmte Zertifizierungsvorschriften für Industriekabel zur Energieübertragung erfüllt. So darf die leitfähige Struktur nur bestimmten Temperatureinflüsse bzw. Knickwinkel bei der Fertigung ausgesetzt werden. In konventionellen additiven Fertigungsanlagen ist dies kaum sicherzustellen.
Ein weiterer Nachteil der konventionellen Verfahren besteht darin, dass die dafür genutzten Spezialfasern sehr hochwertig sind, sodass ein wirtschaftlicher Nutzen kaum erreichbar ist. Außerdem ist bei diesen Verfahren die Verarbeitung einer weiteren, zusammenhängenden Komponente über mehrere Schichtebene in einem Fertigungsschritt nicht möglich.
Daher besteht ein Bedarf nach alternativen additiven Fertigungstechnologien, bei denen mehr Freiheit möglich ist, um Leiter oder andere Strukturen in einem Kunststoffkörper über eine additive Fertigung einzubetten.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Zumindest ein Teil dieser Probleme wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch i und ein Verfahren nach Anspruch 6 gelöst. Die abhängigen Ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte Weiterbildungen der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur additiven Fertigung einer heterogenen Struktur unter Nutzung einer Kunststofffaser und eines Materials zur Energieübertragung. Die additive Fertigung erfolgt in einer vertikalen Richtung senkrecht zu einer horizontalen Ebene. Die Vorrichtung umfasst: eine Düseneinrichtung, eine Zuführeinrichtung und eine Bewegungseinrichtung. Die Düseneinrichtung ist ausgebildet, um die Kunststofffaser für die additive Fertigung bereitzustellen. Die Zuführeinrichtung ist ausgebildet, um das Material zur Energieübertragung in vertikaler Richtung vor und zurück zu bewegen und dadurch zu- bzw. wegzuführen. Die Bewegungseinrichtung ist ausgebildet, um die Zuführeinrichtung und/oder die Düseneinrichtung unabhängig voneinander in der horizontalen (optional auch vertikalen) Ebene zu bewegen (linear oder auch drehen), um die heterogene Struktur in der horizontalen Ebene zu fertigen.
Es versteht sich, dass die vertikale Richtung und die horizontale Ebene hier als ein Koordinatensystem zu verstehen sind und dass die Bewegungen und die additive Fertigung nicht zwingend oder nicht nur in diese Richtungen erfolgen muss. Die horizontale Ebene (x-y- Ebene) kann beispielsweise parallel zum Fertigungstisch sein, auf dem das Bauteil gefertigt wird, und die vertikale Richtung (z-Richtung) kann die Aufbaurichtung definieren, entlang der additiv gefertigt werden kann. Es ist aber auch ein drehender Druckkopf und/oder eine drehende Platte denkbar, sodass die Fertigung zumindest zwischenzeitlich auch in eine andere Richtung erfolgen kann. Trotzdem ändert sich dadurch aber nicht das zugrundeliegende Koordinatensystem.
Die additive Fertigung basiert insbesondere auf dem sogenannten Fused- Filament-Fabrication (FFF). Bei dieser additiven Fertigung umfasst die Düseneinrichtung eine Heizung zum Aufwärmen der Kunststofffaser, sodass diese viskositätsverringernd erwärmt, über eine bewegliche Düse extrudiert und auf einen Untergrund aufgetragen wird. Dort verbindet sich der Kunststoff mit dem zuvor aufgebrachten Kunststoff.
Das Material zur Energieübertragung kann jede biegbare, ausgedehnte Struktur darstellen und umfasst insbesondere einen Leiter, Kabel etc. zum Leiten eines elektrischen Stroms oder einen Wellenleiter zum Leiten eines optischen Signals. Dazu ist es beispielsweise vorteilhaft, wenn der Leiter einen anderen Brechungsindex aufweist als die Kunststofffaser, die zur additiven Fertigung genutzt wird. Mit dem Begriff Energieübertragung soll nicht nur das Bereitstellen einer Versorgungsspannung oder einer Stromquelle verstanden werden, sondern ebenfalls eine Signal- oder Datenübertragung oder eine Funktionsintegration mitumfasst sein.
Die Zuführeinrichtung umfasst zum Bewegen des Materials zur Energieübertragung beispielsweise einen Linearantrieb, der ausgebildet ist, um einen Vortrieb in Richtung hin zu der heterogenen Struktur, aber auch eine Rückführung des Materials zu ermöglichen, um gegebenenfalls den Leiter in einer Richtung weg von der zu fertigenden heterogenen Struktur zu führen. Auf diese Weise ist es möglich, den beispielhaften Leiter zunächst einzusetzen und gegebenenfalls etwas von der heterogenen Struktur zu lösen, um ihn beispielsweise auch vertikal nach oben zu führen. Ebenfalls ist es möglich auf diese Weise den beispiel- haften Leiter zunächst einzusetzen und an einer anderen Stelle mit der Düseneinrichtung weiterzuarbeiten, sodass der beispielhafte Leiter erst zu einem späteren Zeitpunkt weiter oder abschließend in die heterogene Struktur eingesetzt wird. Dabei wird geachtet, dass der teilweise einsetzte Leiter nicht ungewollt aus der heterogenen Struktur herausgerissen wird.
Optional sind die Düseneinrichtung und die Zuführeinrichtung in der horizontalen Ebene voneinander beabstandet. Außerdem kann die Bewegungseinrichtung beispielsweise zwischen der Düseneinrichtung und der Zuführeinrichtung ausgebildet sein. Zum Beispiel können die Düseneinrichtung und die Zuführeinrichtung entlang einer horizontalen Achse beweglich an der Bewegungseinrichtung befestigt sein, sodass eine möglichst große Freiheit hinsichtlich der Bewegung möglich ist. Insbesondere sind die Zuführeinrichtung und die Düseneinrichtung nicht koaxial zueinander ausgebildet, sodass die axialen Achsen der Kunststofffaser und des beispielhaften Leiters nicht übereinstimmen, sondern lateral zueinander versetzt sind. Die Bewegungseinrichtung kann entlang der Verbindungsachse zwischen der Düseneinrichtung und der Zuführeinrichtung beispielsweise mittig ausgebildet sein.
Optional umfasst die Bewegungseinrichtung zumindest einen der folgenden Antriebe, um Düseneinrichtung und/oder die Zuführeinrichtung frei in der horizontalen Ebene zu bewegen:
- einen ersten Antrieb (z.B. einen Linearantrieb oder eine Zahnstange) zum Bewegen in eine erste horizontale Richtung;
- einen zweiten Antrieb (z.B. einen Linearantrieb oder eine Zahnstange) zum Bewegen in eine zweite horizontale Richtung;
- einen ersten Drehantrieb zum Drehen oder kreisförmigen Führen der Düseneinrichtung um eine erste Drehachse, die parallel zur vertikalen Richtung verläuft;
- einen zweiten Drehantrieb zum Drehen oder kreisförmigen Führen der Zuführeinrichtung um eine zweite Drehachse, die parallel zur vertikalen Richtung verläuft. Die erste Drehachse und die zweite Drehachse sind beispielsweise verschieden voneinander angeordnet. Ebenfalls kann die erste Drehachse versetzt zu einer axialen Richtung der Kunststofffaser ausgebildet sein. Gleiches trifft zu für die zweite Drehachse, die ebenfalls lateral versetzt zu der axialen Achse des beispielhaften Leiters ausgebildet sein kann. Es können jedoch auch noch mehrere Drehantriebe und/oder mehrere Linearantriebe vorhanden sein, sodass Düseneinrichtung und/ oder die Zuführeinrichtung unabhängig voneinander um mehrere oder alle Raumrichtungen drehbar gelagert sind.
Optional umfasst die Zuführeinrichtung einen Niederhalter, wobei der Niederhalter ausgebildet ist, um das Material zur Energieübertragung in vertikaler Richtung auf der heterogenen Struktur zu fixieren. Der Niederhalter ist beispielsweise lateral versetzt zu der axialen Achse des Materials zur Energieübertragung an der Zuführeinrichtung ausgebildet, sodass ein zunächst aufgebrachter Abschnitt des Materials zur Energieübertragung anschließend bei der Bewegung durch den Niederhalter auf die zu fertigende heterogene Struktur gedrückt wird. Auf diese Weise ist es beispielsweise möglich, dass das Material zur Energieübertragung in einer zuvor ausgebildeten Vertiefung oder Nut hineingedrückt wird und/oder dort mittels des Niederhalters gehalten wird.
Ausführungsbeispiele beziehen sich auch auf ein Verfahren zur additiven Fertigung einer heterogenen Struktur mit folgenden Schritten:
- Bereitstellen einer Kunststofffaser, durch eine Düseneinrichtung, für die additive Fertigung;
- Bilden einer heterogenen Struktur durch additive Fertigung unter Nutzung der Kunststofffaser der heterogenen Struktur;
- Zuführen eines Materials zur Energieübertragung durch eine Zuführeinrichtung in vertikaler Richtung; und
- Bewegen der Zuführeinrichtung und der Düseneinrichtung durch eine Bewegungseinrichtung, wobei die Bewegungseinrichtung ausgebildet ist, um die Zuführeinrichtung und die Düseneinrichtung bei der additiven Fertigung unabhängig voneinander in der horizontalen Ebene zu bewegen. Optional können die Bewegungen der Zuführeinrichtung und der Düseneinrichtung auch voneinander abhängig sein. Dadurch kann das Material zur Energieübertragung beliebig verlegt werden, sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung.
Optional umfasst das Verfahren ein oder mehr der folgenden Schritte:
Fertigen eines ersten Bauteilabschnittes mit einer Vertiefung zur Aufnahme des Materials zur Energieübertragung;
Einbringen des Materials zur Energieübertragung in die Vertiefung unter Nutzung eines Niederhalters;
Verschließen der Vertiefung mit dem eingebrachten Material zur Energieübertragung durch einen additive gefertigten zweiten Bauteilabschnitt.
Ausführungsbeispiele lösen die eingangs erwähnten Probleme dadurch, dass die Düseneinrichtung und die Zuführeinrichtung voneinander getrennt ausgebildet werden und separat beweglich sind, so dass vorhandenes Material (zum Beispiel ein Industriekabel oder eine Glasfaser) über mehrere Druckschichten zur Energieübertragung ohne Verlust einer Zertifizierung in einem additiv gefertigten Bauteil nach dem sogenannten FFF-Verfahren verarbeitet werden können. Vorteilhafterweise können hier flexible Leitungen als Material zur Energieübertragung genutzt werden (z.B. Kupferleitungen), die in das additiv fertigte Bauteil beliebig (horizontal als auch vertikal) eingebettet werden können. Auf diese Weise können beliebig verlegte Signalpfade in dem Bauteil ausgebildet werden. Der Aufbau des Druckkopfes als auch des Druckverfahrens weicht grundsätzlich von den konventionellen Verfahren ab.
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 Ausfüh- rungsformen einschränken, sondern lediglich der Erklärung und dem Verständnis dienen.
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zur additiven Fertigung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 zeigt einen beispielhaften Druckkopf, in dem die Vorrichtung gemäß Ausführungsbeispielen implementiert sein kann.
Fig. 3 zeigt ein schematisches Flussdiagramm für ein Verfahren zur additiven Fertigung gemäß Ausführungsbeispielen.
Fig. 4 veranschaulicht die Fertigung eines heterogenen Bauteils, das gemäß Ausführungsbeispielen mit der Vorrichtung gefertigt werden kann.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zur additiven Fertigung einer heterogenen Struktur 50 unter Nutzung einer Kunststofffaser 10 und eines Materials zur Energieübertragung 20 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die additive Fertigung erfolgt in einer vertikalen Richtung z senkrecht zu einer horizontalen Ebene x-y. Die Vorrichtung umfasst: eine Düseneinrichtung 110, die ausgebildet ist, um die Kunststofffaser 10 für die additive Fertigung bereitzustellen; eine Zuführeinrichtung 120, die ausgebildet ist, um das Material zur Energieübertragung 20 in vertikaler Richtung z vor und zurück zu bewegen; und eine Bewegungseinrichtung 130, die ausgebildet ist, um die Zuführeinrichtung 120 und die Düseneinrichtung 110 unabhängig voneinander in der horizontalen Ebene x-y zu bewegen, um die heterogene Struktur 50 in der horizontalen Ebene x-y zu fertigen.
Das Materials zur Energieübertragung 20 kann insbesondere ein Kabel oder ein Leiter sein, der während der additiven Fertigung der heterogenen Struktur 50 „mitgezogen“ und erst am Abschluss abgetrennt werden kann, um so z.B. einen eingebetteten Leiter zu bilden. Es ist dabei insbesondere von Vorteil, wenn es sich dabei um ein flexibles Material handelt (z.B. eine Kupferleitung oder ein Glasfaserkabel) welches nach und nach - ohne es zu trennen - in die heterogene Struktur eingelassen wird und von dieser nach und nach umschlossen wird. Dabei kann, muss aber nicht, insbesondere auch die Isolierung oder der Glasfasermantel („cladding“) mit eingebettet werden, um die physikalischen Eigenschaften nicht zu ändern. Es versteht sich, dass das Material zur Energieübertragung 20 sich nicht nur horizontal, sondern auch vertikal erstrecken kann und geradlinig aber auch kurvig verlegt sein kann. Insbesondere ist dieses Material 20 keine Paste, da es dann zu einem unerwünschten Abreißen kommen kann (z.B. wenn es relativ zur heterogenen Struktur so vertikal nach oben zu bewegen ist).
Die zu fertigende heterogene Struktur 50 erstreckt sich in der horizontalen Ebene (x-y-Ebene) und wächst bei der additiven Fertigung schichtweise in die vertikale z-Richtung. Dazu stellt die Düseneinrichtung 110 die Kunststofffaser 10 entlang der Zuführrichtung Bi bereit, wobei die Düseneinrichtung 110 die Kunststofffaser 10 erwärmt und in einem viskosen Zustand auf den Untergrund 50 aufbringt. Dort verschmilzt die erwärmt Kunststofffaser mit zuvor aufgebrachtem Material.
Das Material zur Energieübertragung 20 ist insbesondere ein Leiter für optische oder elektrische Signale. Die Zuführeinrichtung 120 ist ausgebildet, um den Leiter 20 entlang der Zuführrichtung B2 in beide Richtungen zu bewegen (vor und zurück).
Die Bewegungseinrichtung 130 ist zwischen der Düseneinrichtung 110 und der Zuführeinrichtung 120 ausgebildet. So kann die Bewegungseinrichtung 130 die Düseneinrichtung 110 an einem ersten Achsenarm 131 und die Zuführeinrichtung 120 an einem zweiten Achsenarm 132 halten.
Die Achsenaufhängung kann derart sein, dass die Düseneinrichtung 110 beispielsweise beliebig drehbar (um eine beliebige räumliche Achse) an der Bewegungseinrichtung 130 befestigt ist. Insbesondere kann die Düseneinrichtung 110 um die vertikale Achse z drehbar gelagert sein, wobei die Drehachse nicht zwingenderweise mit der axialen Richtung der Kunststofffaser 10 übereinstimmt, sondern ebenfalls beliebig dazu verschoben sein kann. Auf diese Weise kann die Zuführrichtung Bi für die Kunststofffaser io in eine beliebige Raumrichtungen zeigen.
In gleicher Weise kann die Aufhängung der Zuführeinrichtung 120 an dem zweiten Achsenarm 132 derart sein, dass auch die Zuführeinrichtung 120 um eine oder mehr Drehachsen im Raum (insbesondere um Richtungen parallel zur z- Achse) drehbar ist. Auf diese Weise kann die Zuführrichtung B2 für die beispielhafte Leitung 20 in eine beliebige Raumrichtungen zeigen.
Außerdem kann zumindest ein Linearantrieb vorhanden sein (nicht gezeigt), der die Düseneinrichtung 110 und die Zuführeinrichtung 120 entlang der horizontalen Ebene x-y bewegt.
Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Vorrichtung, die als ein Druckkopf ausgebildet ist. Der Druckkopf weist wieder die Düseneinrichtung 110 auf, die die Kunststofffaser 10 erwärmt, extrudiert und auf einer Oberfläche aufträgt. Ebenfalls an dem Druckkopfbefestigt ist die Zuführeinrichtung 120 (Halter), die zum Beispiel ein Kabel (Material zu Energieübertragung 20) zur Energieübertragung mitführt. Sowohl die Kunststofffaser 10 als auch das Kabel 20 sind angetrieben und werden aus der Düseneinrichtung 110 bzw. der Zuführeinrichtung 120 herausgedrückt. Neben der Zuführeinrichtung 120 ist weiterhin ein Niederhalter 125 an dem Druckkopfbefestigt. Durch den Niederhalter 125 kann das beispielhafte Kabel 20 auf dem Bauteil fixiert werden, während der Druckkopf seine vorgegebene Druckbahn (Trajektorie) abfährt.
Mit der Düseneinrichtung 110 und der Zuführeinrichtung 120 können zwei unterschiedliche Materialien verarbeitet werden. Im Folgenden wird zwischen der Kunststoffaser 10 und dem Kabel 20 unterschieden. Grundsätzlich können auch andere Materialien verarbeitet werden. Die Kunststofffaser 10 dient zum Erzeugen der Bauteilgeometrie; das Kabel 20 zur gewünschten Signal- /Energieübertragung. Durch eine hohe Bewegbarkeit des Kabels 20 werden die möglichen Anfahrpunkte des Druckkopfes nicht nennenswert eingeschränkt. Für das Verfahren können günstige Standardmaterialien z.B. PLA und ein NYM- Kabel 20 (Bezeichnung nach DIN VDE 0292:2007-05) verwendet werden.
Der gezeigte Druckkopf umfasst im zentralen Bereich die Zuführeinrichtung 120 und seitlich dazu versetzt die Düseneinrichtung 110 mit der Heizung, um die Kunststofffaser 10 in vertikaler Richtung auf die zu fertigende additive Struktur 50 (nicht in der Fig. 2 gezeigt) zu führen. Außerdem weist in diesem Ausführungsbeispiel die Zuführeinrichtung 120 einen optionalen Lineartrieb 115, um die Düseneinrichtung 110 in vertikaler Richtung nach oben oder nach unten linear zu bewegen. Sie ist höhenverstellbar.
Das Ausführungsbeispiel aus der Fig. 2 umfasst mehrere Drehantriebe, die beispielsweise über zumindest einen elektrischen Motor 133 in der Bewegungseinrichtung 130 angetrieben werden. Dazu ist ein erstes Zahnelement 134 ausgebildet, welches beispielsweise über einen Zahnriemen ein zweites Zahnelement 135 antreiben kann, um damit die Düseneinrichtung 110 um eine Drehachse Ri, die durch den Leiter 20 verläuft, zu drehen. Außerdem ist ein drittes Zahnelement 136 durch den elektrischen Motor 133 antreibbar, wobei wiederum einen Zahnriemen ein viertes Zahnelement 137 antreiben kann, um beispielsweise den Niederhalter 125 um die Drehachse Ri zu drehen. Es ist ebenfalls möglich, dass die Zuführeinrichtung 120 um eine Drehachse R2, die durch den elektrischen Motor 133 verläuft, drehbar ist. Die Zahnriemen sind in der Darstellung nicht gezeigt. Auf diese Weise ist es möglich, dass die Düseneinrichtung 110 und die Zuführeinrichtung 120 beliebig auf dem Untergrund bewegbar sind. Außerdem kann wiederum ein weiterer Linienantrieb genutzt werden, um eine horizontale Verschiebung der gesamten Vorrichtung zu ermöglichen.
Fig. 3 zeigt schematisch ein Flussdiagramm für ein additives Fertigungsverfahren gemäß Ausführungsbeispielen. Das Verfahren umfasst:
- Bereitstellen S110 einer Kunststofffaser 10, durch eine Düseneinrichtung 110, für die additive Fertigung;
- Bilden S120 einer heterogenen Struktur 50 durch additive Fertigung un- ter Nutzung der Kunststofffaser io der heterogenen Struktur;
- Zuführen S130 eines Materials zur Energieübertragung 20 durch eine Zuführeinrichtung 120 in vertikaler Richtung z; und
- Bewegen S140 der Zuführeinrichtung 120 und/oder der Düseneinrichtung 110 durch eine Bewegungseinrichtung 130, wobei die Bewegungseinrichtung 130 ausgebildet ist, um die Zuführeinrichtung 120 und die Düseneinrichtung 110 bei der additiven Fertigung unabhängig voneinander in der horizontalen Ebene x-y zu bewegen.
Fig. 4 zeigt ein Beispiel für eine nach dem Verfahren gefertigte heterogene Struktur 50. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird in einem ersten Verfahrensschritt 410 ein erster Bauteilabschnitt 51 mit einer Vertiefung oder Nut 52 zur Aufnahme des Materials zur Energieübertragung 20 gefertigt. In einem nächsten Fertigungsschritt 420 wird das Material zur Energieübertragung 20 in die Vertiefung 52 unter Nutzung eines Niederhalters 125 einsetzt bzw. hineingedrückt. Dann erfolgt im letzten Verfahrensschritt 430 ein Verschließen der Vertiefung
52 mit dem eingebrachten Material zur Energieübertragung 20 durch einen additiv gefertigten zweiten Bauteilabschnitt 53. Dieser zweite Bauteilabschnitt
53 kann insbesondere schichtweise durch additives Fertigen auf dem ersten Bauteilabschnitt 51 entstehen, d.h. wird nicht als Ganzes aufgesetzt.
Es versteht sich, dass die Verfahrensschritte zeitlich und örtlich entkoppelt sein können. Alle Verfahrensschritte oder ein Teil davon können zeitgleich an unterschiedlichen Stellen am Bauteil ausgeführt werden. Die Verfahrensschritte können sich auch wiederholen oder in der beschriebenen oder in einer anderen Reihenfolge ausgeführt werden, solange das gewünschte Ergebnis einer heterogenen Struktur 50 erreichbar ist.
Im Detail kann das Fertigungs verfahren gemäß Ausführungsbeispielen wie folgt zusammengefasst werden:
Die zu druckende Bauteilgeometrie wird mit Hilfe einer Software in einen schichtweisen Aufbau für das FFF-Verfahren gebracht. Die Schichten werden im Nachhinein durch die Kunststofffaser io umgesetzt. Zusätzlich können die benötigten Zertifizierungskriterien für die Kabelführung innerhalb des Bauteils und weitere Konstruktionsprinzipien definiert werden. Für eine Prozesssteuerung berechnet die Software Trajektorien für den Druckkopf und seine bewegbaren Bauteile.
Der Fertigungsprozess beginnt mit der Fertigung des Bauteils (die heterogene Struktur 50). Dazu werden nach dem „Fused Filament Fabrica tion“-Verfahren einzelne Schichten Kunststofffaser 10 auf eine Oberfläche in eine Fertigungsrichtung aufgebracht. Die Kunststofffaser 10 wird in der Düse (die Düseneinrichtung 110) viskositätsverringernd erwärmt, durch den weiteren Vorschub der Kunststofffaser 10 durch die Düse 110 extrudiert und auf eine Oberfläche aufgetragen. Die noch weiche Kunststofffaser 10 härtet im Anschluss auf der Oberfläche aus. Ein Antrieb drückt fortlaufend neue Kunststofffasern 10 in die Düse 110, sodass kontinuierlich aufgetragen werden kann.
Erreicht die bisher gefertigte Basis in Fertigungsrichtung einen Eintritts- bzw. Austrittspunkt des beispielhaften Kabels 20 aus dem Bauteil 50 wird eine Aufnahmeeinrichtung (Vertiefung 52), ebenfalls aus der Kunststofffaser 10, in das Bauteil gedruckt. Die Aufnahmeeinrichtung 52 kann zum Beispiel in Form einer Rinne von Eintrittspunkt zum Austrittspunkt des Kabels realisiert sein (s. Fig. 4), in der das Kabel 20 eingelegt und fixiert werden kann. Die Aufnahmeeinrichtung 52 kann den Anforderungen entsprechend eine beliebige Form und Trajek- torie aufweisen, insbesondere ist es denkbar, dass die Aufnahmeeinrichtung 52 durch mehrere Schichten verläuft. Ist die Aufnahmeeinrichtung 52 fertig gestellt, wird das Kabel 20 an einem Einlegepunkt (Eintritts- oder Austrittspunkt) aus dem Kabelhalter (Zuführeinrichtung 120) herausgedrückt und durch den Niederhalter 125 in die Aufnahmeeinrichtung 52 gedrückt. Idealerweise wird das Kabel 20 von der Aufnahmeeinrichtung 52 selbst gehalten; andernfalls kann der Niederhalter 125 permanent das Kabel 20 arretieren oder die Aufnahmeeinrichtung 52 wird durch die Kunststofffaser 10 direkt verschlossen. Mit Verlauf des Fertigungsprozesses kann das Kabel 20 fortwährend durch den Niederhalter 125 in die Aufnahmeeinrichtung 52 eingedrückt werden. Das ist aber nicht zwingend. Das Kabel 20 braucht auch nur in bestimmten Teilschritten eingedrückt zu werden und in anderen Verfahrensphasen z.B. frei hängen.
Damit durch die Befestigung des Kabels 20 an der Aufnahmeeinrichtung 52 die Verfahrbewegungen des Druckkopfes nicht eingeschränkt werden, kann bei jeder Verfahrbewegung des Druckkopfes das Kabel 20 spannungsfrei durch Heraus- und Reinfahren aus dem Kabelhalter 120 ausgeglichen werden.
Dadurch ist sichergestellt, dass das Kabel 20 nicht versehentlich aus der Aufnahmeeinrichtung 52 gerissen oder geknickt wird. Folglich ist es möglich, dass die Information über eine Absolutposition des Druckkopfs verloren geht. Ein hierdurch möglicherweise erforderliche Kalibrierungsschritt unterbricht die Fertigung. Weiterhin gewährleistet die Bewegbarkeit der Düse 110 um den Kabelhalter 120, dass der Druckprozess um das Kabel 20 herum fortgeführt werden kann. Einzelne Kunststofffaserschichten werden somit über das Kabel 20 oder um das Kabel 20 herum (z.B. bei einem Höhenaufbau) aufgetragen, ohne das Kabel 20 außerhalb der definierten Temperaturgrenzen zu erwärmen. Das Kabel 20 wird allmählich vom restlichen Bauteil 50 umschlossen, bis das Kabel 20 am anderen Endpunkt angelangt und das Bauteil 50 fertig gestellt ist. Während des Fertigungsprozesses wird das Kabel 20 nach Erreichen des Endpunkts getrennt.
Ausführungsbeispiele bieten die folgenden Vorteile:
Das Fertigen eines signalübertragenden Bauteils 50 wird mit weniger Aufwand möglich, eine Verkürzung des Herstellungsprozesses eines solchen Bauteils 50 ist erreichbar. Außerdem wird ein schlanker Herstellungsprozess eines solchen Bauteils 50, zum Beispiel im Leichtbau, und mit geringen Materialkosten möglich. Selbst in späten Entwicklungsphasen ist es möglich, Geometrieänderungen durchzuführen, die keine hohen Entwicklungskosten verursachen. Eine Automatisierung ist möglich. Durch eine ortsunabhängige Positionierung des Materials in den Bauteilen 50 wird ein neues Potenzial der additiven Fertigung erschlossen. Daher können Ausführungsbeispiele für Industrieanwendungen von Kabeln zur Energieübertragung (elektrisch, optisch, etc.) genutzt werden, wobei die gefertigten heterogenen Strukturen 50 spezifischen Umgebungsbedingungen (Temperatur, Mindestknickwinkel, etc.) genügen, wie sie bei der Montage und An- wendung der Kabel entstehen.
Daher sind Ausführungsbeispiele insbesondere im Maschinenbau nutzbar, wo es häufig vorkommt, dass geforderte Geometrien additiv zu fertigen sind, gleichzeitig jedoch auch die Möglichkeit bieten sollen, eine Energieübertragung bereitzustellen. Dabei wird insbesondere das Verfahren zur Fused Filament Fabrication häufig genutzt. Ein wesentlicher Vorteil von Ausführungsbeispielen besteht in der Gestaltung des Fertigungsverfahrens, sodass unter definierten Umgebungsbedingungen Kabel zertifiziert eingesetzt werden können.
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
IO Kunststofffaser
20 Material zur Energieübertragung (z.B. ein Leiter)
50 heterogene zu fertigende Struktur
51, 53 Bauteilabschnitte
52 Vertiefung
110 Düseneinrichtung
115 Linearantrieb
120 Zuführeinrichtung
125 Niederhalter
130 Bewegungseinrichtung
131, 132 Achsenaufhängungen
133 ein oder mehrere Motoren
134, 135,.. Zahnelemente (Zahnräder, Kettenräder etc.)
410,420,430 Verfahrensschritte beim Einbetten eines Kabels
Ri, R2 Drehachsen für die Drehantriebe
Bi, B2 Bewegungsrichtungen z vertikale Achse (entlang der das additiv gefertigte Bauteil wächst) x-y horizontale Ebene

Claims

ANSPRÜCHE Vorrichtung zur additiven Fertigung einer heterogenen Struktur (50) unter Nutzung einer Kunststofffaser (10) und eines Materials zur Energieübertragung (20), wobei die additive Fertigung in einer vertikalen Richtung (z) senkrecht zu einer horizontalen Ebene (x-y) erfolgt, die Vorrichtung umfasst: eine Düseneinrichtung (110), die ausgebildet ist, um die Kunststofffaser (10) für die additive Fertigung bereitzustellen; eine Zuführeinrichtung (120), die ausgebildet ist, um das Material zur Energieübertragung (20) in vertikaler Richtung (z) vor und zurück zu bewegen; und eine Bewegungseinrichtung (130), die ausgebildet ist, um die Zuführeinrichtung (120) und die Düseneinrichtung (110) unabhängig voneinander in der horizontalen Ebene (x-y) zu bewegen (oder zu drehen), um die heterogene Struktur (50) in der horizontalen Ebene (x-y) zu fertigen. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Düseneinrichtung (110) und die Zuführeinrichtung (120) in der horizontalen Ebene voneinander beab- standet sind. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bewegungseinrichtung (130) zumindest einen der folgenden Antriebe aufweist, um Düseneinrichtung (110) und/oder die Zuführeinrichtung (120) frei in der horizontalen Ebene zu bewegen:
- einen ersten Antrieb zum Bewegen in eine erste horizontale Richtung;
- einen zweiten Antrieb zum Bewegen in eine zweite horizontale Richtung;
- einen ersten Drehantrieb (134, 135) zum Drehen oder zum kreisförmigen Führen der Düseneinrichtung (110) um eine erste Drehachse (Ri), die parallel zur vertikalen Richtung verläuft; einen zweiten Drehantrieb (136, 137) zum Drehen oder zum kreisförmigen Führen der Zuführeinrichtung (120) um eine zweite Drehachse (R2), die parallel zur vertikalen Richtung verläuft. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zuführeinrichtung (120) einen Niederhalter (125) umfasst, wobei der Niederhalter (125) ausgebildet ist, um das Material zur Energieübertragung (20) in vertikaler Richtung auf der heterogenen Struktur zu fixieren. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bewegungseinrichtung (130) eine Motoreinheit (133) umfasst, die ausgebildet ist, um über zumindest einen Zahnriemen die Düseneinrichtung (110) um die Zuführeinrichtung (120) herum zu bewegen oder um den Niederhalter (125) um die Zuführeinrichtung (120) herum zu bewegen. Verfahren zur additiven Fertigung einer heterogenen Struktur (50) mit folgenden Schritten:
Bereitstellen (S110) einer Kunststofffaser (10), durch eine Düseneinrichtung (110), für die additive Fertigung;
Bilden (S120) einer heterogenen Struktur (50) durch additive Fertigung unter Nutzung der Kunststofffaser (10) der heterogenen Struktur;
Zuführen (S130) eines Materials zur Energieübertragung (20) durch eine Zuführeinrichtung (120) in vertikaler Richtung (z); und
Bewegen (S140) der Zuführeinrichtung (120) und der Düseneinrichtung (110) durch eine Bewegungseinrichtung (130), wobei die Bewegungseinrichtung (130) ausgebildet ist, um die Zuführeinrichtung (120) und die Düseneinrichtung (110) bei der additiven Fertigung unabhängig voneinander in der horizontalen Ebene (x-y) zu bewegen. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die additive Fertigung folgende Phasen umfasst: Fertigen (410) eines ersten Bauteilabschnittes (51) mit einer Vertiefung (52) zur Aufnahme des Materials zur Energieübertragung (20);
Einbringen (420) des Materials zur Energieübertragung (20) in die Vertiefung (52) unter Nutzung eines Niederhalters (125); und
Verschließen (430) der Vertiefung (52) mit dem eingebrachten Material zur Energieübertragung (20) durch einen additiv gefertigten zweiten Bauteilabschnitt (53).
18
PCT/EP2021/074554 2020-09-25 2021-09-07 Vorrichtung und verfahren zur additiven fertigung einer heterogenen struktur WO2022063562A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US18/027,083 US20230330919A1 (en) 2020-09-25 2021-09-07 Apparatus and method for additive manufacturing of heterogeneous structure

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102020125109.2A DE102020125109A1 (de) 2020-09-25 2020-09-25 Vorrichtung und verfahren zur additiven fertigung einer heterogenen struktur
DE102020125109.2 2020-09-25

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2022063562A1 true WO2022063562A1 (de) 2022-03-31

Family

ID=77897603

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2021/074554 WO2022063562A1 (de) 2020-09-25 2021-09-07 Vorrichtung und verfahren zur additiven fertigung einer heterogenen struktur

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20230330919A1 (de)
DE (1) DE102020125109A1 (de)
WO (1) WO2022063562A1 (de)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016149181A1 (en) * 2015-03-19 2016-09-22 Board Of Regents, The University Of Texas System Structurally integrating metal objects into additive manufactured structures
US20180015674A1 (en) * 2014-06-19 2018-01-18 Autodesk, Inc. Automated systems for composite part fabrication
US20200016823A1 (en) * 2016-10-06 2020-01-16 University Of Maryland, College Park Metal fiber composite additive manufacturing (mfc-am) and composite structures formed by mfc-am
EP3656542A1 (de) * 2018-11-22 2020-05-27 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zum dreidimensionalen drucken

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10518490B2 (en) 2013-03-14 2019-12-31 Board Of Regents, The University Of Texas System Methods and systems for embedding filaments in 3D structures, structural components, and structural electronic, electromagnetic and electromechanical components/devices
BR112015032543A2 (pt) 2013-06-24 2017-08-22 President and Fellows of Harvad College Parte funcional tridimensional (3d) impressa, método de impressão de uma parte funcional tridimensional (3d) e impressora 3d
DE102016225837A1 (de) 2016-12-21 2018-06-21 Volkswagen Aktiengesellschaft Verfahren zur Herstellung eines körperstützenden Polsterungsteils und Kraftfahrzeug

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20180015674A1 (en) * 2014-06-19 2018-01-18 Autodesk, Inc. Automated systems for composite part fabrication
WO2016149181A1 (en) * 2015-03-19 2016-09-22 Board Of Regents, The University Of Texas System Structurally integrating metal objects into additive manufactured structures
US20200016823A1 (en) * 2016-10-06 2020-01-16 University Of Maryland, College Park Metal fiber composite additive manufacturing (mfc-am) and composite structures formed by mfc-am
EP3656542A1 (de) * 2018-11-22 2020-05-27 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zum dreidimensionalen drucken

Also Published As

Publication number Publication date
US20230330919A1 (en) 2023-10-19
DE102020125109A1 (de) 2022-03-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE3624632C2 (de)
EP0573791B1 (de) Verfahren zum Verdrahten von Anschlussstellen elektrischer Geräte oder Baugruppenelemente
DE102005003370A1 (de) Verfahren zur durchgehenden Verlegung eines Leitungsdrahtes auf einer Leiterplatte und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
DE3838706A1 (de) Kabelbaum sowie verfahren und einrichtung zur herstellung desselben
DE2111396A1 (de) Herstellung von elektrischen Schaltungen vermittels Drahtschriftverfahren
CH618115A5 (de)
EP2829338A2 (de) Laserauftragsvorrichtung sowie Verfahren zur Erzeugung eines Bauteils mittels direktem Laserauftrag
DE102007045279B4 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung von Kabelbäumen
EP3557592A1 (de) Vorrichtung und verfahren zum verdrillen einer ersten und zweiten elektrischen einzelleitung zu einem leitungspaar
EP3921885B1 (de) Herstellen eines niedervoltpfades eines zellkontaktiersystems
EP0924799B1 (de) Vorrichtung zum Verdrahten von Anschlussstellen von Komponenten elektrischer Geräte oder Anlagen
WO2022063562A1 (de) Vorrichtung und verfahren zur additiven fertigung einer heterogenen struktur
EP2147444B1 (de) Kabelbaummontage mit sammelringen
DE1465095C3 (de) Verfahren und Vorrichtung zum elek* trischen Verbinden zweier auf einer Schaltplatte befindlicher Anschlußzapfen
EP0236712B1 (de) Verfahren zum positionsgerechten Fügen von Lichtwellenleitern in Koppelstellen und Koppelelement für Lichtwellenleiter-Schalter
DE102019116230A1 (de) Verfahren und System zum Herstellen eines Strukturhalters
EP1381895A2 (de) Bearbeiten einer isolierten optischen faser
EP0917259B1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum automatischen Verdrahten von Anschlussstellen von Komponenten elektrischer Geräte
EP3631912B1 (de) Kontaktierverfahren für lackisolierte leiter
DE102018103669B3 (de) Abgreifvorrichtung zur Übertragung elektrischer Energie und Abgreifvorrichtungssystem
EP1251605A1 (de) Verfahren und Einrichtung zur Bestückung von Steckergehäusen mit konfektionierten Kabelenden eines Kabels
EP0444032B1 (de) Verfahren und vorrichtung zur herstellung von kabelbäumen
EP3089843B1 (de) Verfahren und vorrichtung zum verbinden eines drahtes
WO2018104242A1 (de) Vorrichtung, verfahren und system zum inverscrimpen
DE102022128250B3 (de) Herstellvorrichtung und Herstellverfahren für eine Induktionseinrichtung

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: 21773733

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: 21773733

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1