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DE102018126704A1 - Method and device for producing a fiber composite component by means of a 3D printing method - Google Patents

Method and device for producing a fiber composite component by means of a 3D printing method Download PDF

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DE102018126704A1
DE102018126704A1 DE102018126704.5A DE102018126704A DE102018126704A1 DE 102018126704 A1 DE102018126704 A1 DE 102018126704A1 DE 102018126704 A DE102018126704 A DE 102018126704A DE 102018126704 A1 DE102018126704 A1 DE 102018126704A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
fiber
fiber composite
composite material
fiber material
compacting
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Pending
Application number
DE102018126704.5A
Other languages
German (de)
Inventor
Hanno Pfitzer
Reni Hofmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bayerische Motoren Werke AG
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke AG
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 Bayerische Motoren Werke AG filed Critical Bayerische Motoren Werke AG
Priority to DE102018126704.5A priority Critical patent/DE102018126704A1/en
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Pending legal-status Critical Current

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils mittels eines 3D-Druckverfahrens mit den Schritten:- Fördern eines Fasermaterials (3) mit einer Vielzahl von Einzelfilamenten,- Spreizen, Erhitzen und mehrfaches Kompaktieren des Fasermaterials (3) quer zur Faserrichtung,- Zugeben eines härtbaren Harzes (5) zum kompaktierten Fasermaterial zur Erzeugung eines Faserverbundmaterials (6),- teilweises Aushärten des Faserverbundmaterials (6) und- Ablegen und Andrücken des Faserverbundmaterials (6) auf eine Substratoberfläche (2) sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method for producing a fiber composite component by means of a 3D printing method, comprising the following steps: conveying a fiber material (3) with a large number of individual filaments, spreading, heating and compacting the fiber material (3) transversely to the fiber direction, adding one curable resin (5) for compacted fiber material to produce a fiber composite material (6), - partial curing of the fiber composite material (6) and - depositing and pressing the fiber composite material (6) onto a substrate surface (2) and a device for carrying out the method.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Faserverbundbauteils mittels eines 3D-Druckverfahrens.The invention relates to a method and a device for producing a fiber composite component by means of a 3D printing method.

3D-Druckverfahren sind zur Herstellung von Kunststoffbauteilen bekannt. Hierbei wird ein ungehärtetes Kunststoffmaterial auf ein Substrat abgelegt und aufgedruckt. Durch schichtweises Auftragen des Kunststoffmaterials aufeinander können dreidimensionale Bauteile erzeugt werden.3D printing processes are known for the production of plastic components. Here, an uncured plastic material is placed on a substrate and printed on. Three-dimensional components can be produced by applying the plastic material in layers.

Faserverbundbauteile weisen neben einem Kunststoffmaterial noch eine Faserverstärkung auf, welche in das Kunststoffmaterial eingebunden ist. Die Faserverstärkung wird üblicherweise mit härtbarem Kunststoffmaterial getränkt und dann unter Druck und Temperatur zu dem gewünschten Bauteil geformt und ausgehärtet. Zur industriellen Umsetzung sind hierzu Presswerkzeuge notwendig. Die Anschaffung der Werkzeuge ist sehr kostenintensiv.In addition to a plastic material, fiber composite components also have a fiber reinforcement which is integrated into the plastic material. The fiber reinforcement is usually impregnated with curable plastic material and then shaped and cured under pressure and temperature to form the desired component. Press tools are required for industrial implementation. The purchase of the tools is very expensive.

Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein alternatives Verfahren anzugeben, wie Faserverbundbauteile hergestellt werden können.Against this background, it is the object of the present invention to provide an alternative method of how fiber composite components can be produced.

Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1 und eine Vorrichtung nach Patentanspruch 9. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.The object is achieved by a method according to patent claim 1 and a device according to patent claim 9. Further advantageous configurations result from the subclaims and the following description.

Es wird ein Verfahren angegeben zur Herstellung eines Faserverbundbauteils mittels eines 3D-Druckverfahrens mit den Schritten:

  • - Fördern eines Fasermaterials mit einer Vielzahl von Einzelfilamenten,
  • - Spreizen, Erhitzen und mehrfaches Kompaktieren des Fasermaterials quer zur Faserrichtung,
  • - Zugeben eines härtbaren Harzes zum kompaktierten Fasermaterial zur Erzeugung eines Faserverbundmaterials,
  • - teilweises Aushärten des Faserverbundmaterials und
  • - Ablegen und Andrücken des Faserverbundmaterials auf eine Substratoberfläche.
A method is specified for producing a fiber composite component by means of a 3D printing method with the steps:
  • Conveying a fiber material with a large number of individual filaments,
  • - Spreading, heating and multiple compacting of the fiber material transverse to the fiber direction,
  • Adding a curable resin to the compacted fiber material to produce a fiber composite material,
  • - partial curing of the fiber composite material and
  • - Placing and pressing the fiber composite material onto a substrate surface.

Durch das mehrmalige Kompaktieren und Spreizen der erhitzten Fasern wird nicht nur eine Parallelisierung und eine Verdichtung der Faseranordnung innerhalb des Rovings erzielt. Üblicherweise zeigen Rovings die Tendenz, sich nach einer Kompaktierung, wenn die Presskraft auf Null gesunken ist, wieder in die ursprüngliche Anordnung zurückzubewegen und quasi aufzubauschen. Es hat sich nun gezeigt, dass eine Rückstellung und Wiederaufspreizung der Fasern drastisch reduziert werden kann, wenn die Fasern erhitzt und mehrfach hintereinander kompaktiert und gespreizt werden.The repeated compacting and spreading of the heated fibers not only achieves parallelization and compression of the fiber arrangement within the roving. Usually, rovings show the tendency to move back into the original arrangement after a compacting, when the pressing force has dropped to zero, and to exaggerate. It has now been shown that the provision and re-spreading of the fibers can be drastically reduced if the fibers are heated and compacted and spread several times in succession.

In einer Ausgestaltung kann diese Aufspreizung und Kompaktierung durch mehrmaliges Umlenken der erhitzten Fasern an Umlenkrollen erfolgt. Eine derartige Kompaktierung lässt sich mit geringem Platzbedarf ausführen und einfach realisieren.In one embodiment, this spreading and compacting can be done by repeatedly deflecting the heated fibers on deflection rollers. Such compacting can be carried out in a small space and can be easily implemented.

Zur Erzielung einer dauerhaften Kompaktierung hat es sich darüber hinaus als vorteilhaft herausgestellt, wenn das mehrmalige Kompaktieren weiterhin durch Verpressen der Fasern in einer Durchlaufpresse erfolgt. Das Fasermaterial wird hierzu z.B. zwischen zwei Rollen durchgeführt, die eine vorgegebene Presskraft auf das Fasermaterial ausüben. Die Kombination der Durchlaufpresse mit den Umlenkrollen ergibt eine äußerst kompakte und wirkungsvolle Kompaktiervorrichtung.In order to achieve permanent compacting, it has also proven to be advantageous if the multiple compacting continues to be carried out by pressing the fibers in a continuous press. The fiber material is e.g. performed between two rollers that exert a predetermined pressing force on the fiber material. The combination of the continuous press with the deflection rollers results in an extremely compact and effective compacting device.

Die Anzahl an erforderlichen Kompaktierungen ist stark vom verwendeten Fasermaterial und den Anforderungen an das Bauteil abhängig und kann variiert werden. Es hat sich jedoch als vorteilhaft erwiesen, wenn das mehrmalige Kompaktieren mindestens fünf Kompaktierungen umfasst. Durch eine solche oder größere Anzahl von Kompaktierungen kann das Rückstellverhalten der Fasern unabhängig vom Fasermaterial nahezu vollständig unterbunden werden.The number of compactings required is highly dependent on the fiber material used and the requirements placed on the component and can be varied. However, it has proven to be advantageous if the repeated compacting comprises at least five compactings. With such or a larger number of compactings, the resetting behavior of the fibers can be almost completely prevented, regardless of the fiber material.

Das Erhitzen des Fasermaterials ist nicht auf eine bestimmte Art festgelegt, z.B. ist eine Strahlungserhitzung denkbar. Wird als Fasermaterial ein elektrisch leitfähiges Material verwendet, wie z.B. Kohlenstofffasern, so ist es in einer Ausgestaltung besonders vorteilhaft, wenn das Erhitzen des Fasermaterials durch Stromerhitzung erfolgt. Diese kann direkt in die Rollen der Kompaktiereinrichtung integriert werden, wodurch die Vorrichtung noch kompakter gestaltet werden kann.The heating of the fiber material is not limited in any particular way, e.g. radiant heating is conceivable. If an electrically conductive material is used as the fiber material, e.g. Carbon fibers, it is particularly advantageous in one embodiment if the fiber material is heated by current heating. This can be integrated directly into the roles of the compacting device, whereby the device can be made even more compact.

Das Fasermaterial ist im Einzelnen nicht beschränkt und kann je nach Anwendungsfall ausgewählt werden. Es können vorzugsweise Rovings oder Fasertapes zum Einsatz kommen. Als Fasermaterial sind z.B. Glasfasern, Aramidfasern oder Kohlenstofffasern geeignet, wobei letztere aufgrund ihres geringen Eigengewichts bei hoher Festigkeit bevorzugt werden.The fiber material is not specifically limited and can be selected depending on the application. Preferably rovings or fiber tapes can be used. As fiber material e.g. Glass fibers, aramid fibers or carbon fibers are suitable, the latter being preferred because of their low weight and high strength.

Zur Erhöhung der Festigkeit des Faserverbundbauteils umfasst das Fasermaterial vorteilhafter Weise Kohlenstofffasern.To increase the strength of the fiber composite component, the fiber material advantageously comprises carbon fibers.

Hohe Festigkeiten und eine gute Steifigkeit des Bauteils werden ferner in einer Ausgestaltung erzielt, in der das Fasermaterial Endlosfasern umfasst oder aus Endlosfasern besteht.High strengths and good rigidity of the component are also achieved in an embodiment in which the fiber material comprises continuous fibers or consists of continuous fibers.

Dem kompaktierten Fasermaterial wird ein härtbares Harz zugegeben. Dies kann in bekannter Weise durch eine Applikationsvorrichtung erfolgen. Auch das härtbare Harz ist im Einzelnen nicht beschränkt und kann alle gängigen Reinharze oder Harzgemische umfassen. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Harz um ein Harzsystem, das durch Einstrahlen von Licht aushärtet, also vernetzt. Beispielsweise geeignet sind ungesättigte Verbindungen, wie z.B. Acrylate, Styrole, Polyethylen, Polypropylen oder Epoxidbasierte Harzsysteme, wobei letztere besonders geeignet sind. A curable resin is added to the compacted fiber material. This can be done in a known manner by an application device. The curable resin is also not specifically limited and can include all common pure resins or resin mixtures. The resin is preferably a resin system which cures, ie cross-links, by irradiation with light. For example, unsaturated compounds such as acrylates, styrenes, polyethylene, polypropylene or epoxy-based resin systems are suitable, the latter being particularly suitable.

Das Faserverbundmaterial kann neben dem Harz und dem Fasermaterial weitere funktionale oder nicht funktionale Komponenten enthalten, wie z.B. Härter, Farbsubstanzen oder Füllstoffe.In addition to the resin and the fiber material, the fiber composite material can contain further functional or non-functional components, such as e.g. Hardener, color substances or fillers.

Nach dem Zugeben des Harzes wird das Faserverbundmaterial teilweise ausgehärtet. Dies kann je nach verwendetem Harzmaterial z.B. thermisch erfolgen durch Erhitzung des Faserverbundmaterials.After adding the resin, the fiber composite material is partially cured. Depending on the resin material used, this can e.g. thermally by heating the fiber composite material.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Harz jedoch ein lichthärtbares Harz und das teilweise Aushärten des Faserverbundmaterials erfolgt durch Belichten mit UV-Licht oder Licht einer anderen Wellenlänge. Das Belichten kann mittels einer oder mehrerer Leuchtvorrichtungen erfolgen.In a preferred embodiment, however, the resin is a light-curable resin, and the fiber composite material is partially cured by exposure to UV light or light of a different wavelength. The exposure can take place by means of one or more lighting devices.

Das Belichten erfolgt derart, dass das Harz nicht vollständig aushärtet, sondern nur bis zu einem vorgegebenen Härtegrad aushärtet. Der vorgegebene Härtegrad wird derart gewählt, dass das Faserverbundmaterial noch ausreichend an angrenzenden Faserverbundmaterialschichten anhaften kann und zugleich über eine ausreichende Festigkeit verfügt, dass es sich beim Ablege- und Druckprozess nicht unerwünscht verformt. Der Härtegrad des Faserverbundmaterials kann z.B. über die dielektrische Eigenschaft des Faserverbundmaterials bestimmt werden. Die Bestimmung des Härtegrads und ein Verfahren zum Einstellen des gewünschten Härtegrads ist in der Druckschrift DE 10 2016 216 955 A1 offenbart und soll durch Verweis mit in diese Anmeldung aufgenommen werden.The exposure takes place in such a way that the resin does not cure completely, but only cures to a predetermined degree of hardness. The specified degree of hardness is selected such that the fiber composite material can still adhere sufficiently to adjacent fiber composite material layers and at the same time has sufficient strength that it does not deform undesirably during the laying down and printing process. The degree of hardness of the fiber composite material can be determined, for example, via the dielectric property of the fiber composite material. The determination of the degree of hardness and a method for setting the desired degree of hardness is in the document DE 10 2016 216 955 A1 disclosed and is to be incorporated into this application by reference.

Weiterhin wird eine Vorrichtung zur Herstellung eines Faserverbundbauteils mittels eines 3D-Druckverfahrens angegeben. Die Vorrichtung beinhaltet eine Fördervorrichtung, die ausgebildet ist zur Förderung des Fasermaterials. Die Fördervorrichtung kann z.B. eine oder mehrere angetriebene Rollenförderer aufweisen, mit denen das Fasermaterial von einer vorratsrolle abgezogen wird. Weiterhin beinhaltet die Vorrichtung eine Spreiz- und Kompaktiervorrichtung. Diese ist ausgebildet zur Spreizung und Kompaktierung des Fasermaterials. Die Spreiz- und Kompaktiervorrichtung kann z.B. durch eine Vielzahl von Umlenkrollen gebildet sein, über die das Fasermaterial gelenkt werden kann, wobei die Umlenkrollen so angeordnet sind, dass an ihnen die Laufrichtung des Fasermaterials geändert wird. Weiterhin kann die Spreiz- und Kompaktiervorrichtung eine Durchlaufpresse aufweisen, die z.B. durch eine Walzenpresse mit zwei gegenläufigen Walzen gebildet ist, zwischen denen das Fasermaterial durchgeführt und dabei kompaktiert wird.Furthermore, a device for producing a fiber composite component by means of a 3D printing process is specified. The device includes a conveying device which is designed to convey the fiber material. The conveyor can e.g. have one or more driven roller conveyors with which the fiber material is drawn off from a supply roll. The device also includes a spreading and compacting device. This is designed to spread and compact the fiber material. The spreading and compacting device can e.g. be formed by a plurality of deflection rollers over which the fiber material can be directed, the deflection rollers being arranged in such a way that the direction of travel of the fiber material is changed on them. Furthermore, the spreading and compacting device can have a continuous press which e.g. is formed by a roller press with two counter-rotating rollers, between which the fiber material is carried out and compacted.

Weiterhin beinhaltet die Vorrichtung eine Heizvorrichtung, die ausgebildet ist zur Erhitzung des Fasermaterials vor oder während der Kompaktierung. Die Heizvorrichtung kann z.B. durch einen Wärmestrahler gebildet sein, der in der Nähe der Spreiz- und Kompaktiervorrichtung angeordnet ist und das vorbeilaufende Fasermaterial erhitzt. Erfolgt die Erhitzung des Fasermaterials durch direkte Widerstandserhitzung so kann die Heizvorrichtung auch durch eine Spannungsquelle gebildet sein, deren Pole mit je einer Umlenkrolle der Kompaktiervorrichtung elektrisch verbunden sind. Läuft das Fasermaterial über die Umlenkrollen, so fließt zwischen den beiden Polen ein Strom durch das Fasermaterial und bewirkt eine Erhitzung desselben.Furthermore, the device includes a heating device which is designed to heat the fiber material before or during the compacting. The heater can e.g. be formed by a heat radiator, which is arranged in the vicinity of the spreading and compacting device and heats the passing fiber material. If the fiber material is heated by direct resistance heating, the heating device can also be formed by a voltage source, the poles of which are electrically connected to a deflection roller of the compacting device. If the fiber material runs over the deflection rollers, a current flows through the fiber material between the two poles and heats the same.

Ferner umfasst die Vorrichtung eine Applikationsvorrichtung, die ausgebildet ist zur Applikation eines härtbaren Harzes auf das Fasermaterial zur Erzeugung eines Faserverbundmaterials. Hierzu kann z.B. eine Pumpe Harz aus einem Vorratsbehälter zu einer Düse und von dieser auf das Fasermaterial befördern.Furthermore, the device comprises an application device which is designed to apply a curable resin to the fiber material in order to produce a fiber composite material. For this, e.g. a pump resin from a reservoir to a nozzle and from there to the fiber material.

Zum teilweisen Härten des Faserverbundmaterials ist weiterhin eine Härtungssvorrichtung vorgesehen. Hierbei kann es sich um eine thermische Härtevorrichtung handeln, z.B. eine Wärmestrahlungsquelle, mit der das Faserverbundmaterial erwärmt und so eine Aushärtung gestartet wird. Die Härtungsvorrichtung kann jedoch ebenso eine Belichtungsvorrichtung sein, die z.B. eine oder mehrere Lampen, wie z.B. UV-Lampen umfasst, wenn das Harz ein lichthärtbares Harz ist.A curing device is also provided for partially curing the fiber composite material. This can be a thermal hardening device, e.g. a heat radiation source, with which the fiber composite material is heated and thus curing is started. However, the curing device may also be an exposure device, e.g. one or more lamps, e.g. UV lamps include when the resin is a photo-curable resin.

Ferner umfasst die Vorrichtung eine Ablegevorrichtung zur Ablage und zum Andrücken des teilgehärteten Faserverbundmaterials auf einer Substratoberfläche. So können dreidimensionale Faserverbundbauteile mit guten mechanischen Eigenschaften, hohem Lagenverbund und gleichbleibend guter Qualität erzeugt werden. Die Vorrichtung eignet sich zur kontinuierlichen Herstellung von Faserverbundbauteilen mit hoher Taktung.Furthermore, the device comprises a depositing device for depositing and pressing the partially hardened fiber composite material onto a substrate surface. In this way, three-dimensional fiber composite components with good mechanical properties, high layer bonding and consistently good quality can be produced. The device is suitable for the continuous production of fiber composite components with high clocking.

Optional kann die Vorrichtung weiterhin eine Schneideinheit zum Durchtrennen des Faserverbundmaterials beinhalten. Z.B. kann das Faserverbundmaterial in mehreren Reihen nebeneinander und/ oder übereinander abgelegt werden, wobei jeweils am Ende einer Reihe das Faserverbundmaterial mit der Schneideinheit durchtrennt wirdOptionally, the device can also include a cutting unit for severing the fiber composite material. For example, the fiber composite material can be placed in several rows next to one another and / or one above the other, whereby the fiber composite material is cut with the cutting unit at the end of each row

Die Vorrichtung ist geeignet zur Durchführung des voranstehend beschriebenen Verfahrens und erzielt als solche dieselben zum Verfahren beschriebenen technischen Vorteile und Wirkungen.The device is suitable for carrying out the method described above and as such achieves the same technical advantages and effects described for the method.

Das teilausgehärtete Faserverbundmaterial wird auf einer Substratoberfläche abgelegt. Dabei kann es sich z.B. um eine Bauplattform handeln, die ggf. bereits einer Kontur des herzustellenden Bauteils nachgebildet ist. Das Faserverbundmaterial kann in mehreren Lagen neben- und übereinander abgelegt werden zur Erzeugung des Faserverbundbauteils.The partially cured fiber composite material is placed on a substrate surface. It can e.g. are a construction platform that may already be modeled on a contour of the component to be manufactured. The fiber composite material can be placed next to and on top of each other in several layers to produce the fiber composite component.

Im Anschluss an das Ablegen des Faserverbundmaterials kann eine Nachhärtung zur Lagenkonsolidierung erfolgen. Das mit dem Druckverfahren hergestellte Bauteil kann entformt, also von der Substratoberfläche entnommen werden. Gegebenenfalls kann sich eine Temperung zur endgültigen Aushärtung des Faserverbundbauteils anschließenAfter the fiber composite material has been deposited, it can be post-hardened for layer consolidation. The component produced using the printing process can be removed from the mold, ie removed from the substrate surface. If necessary, annealing can follow for the final curing of the fiber composite component

Durch die Kombination aus Kompaktierung und Aufspreizen des Fasermaterials sowie der Teilaushärtung des mit Harz infiltrierten Faserverbundmaterials kann auf ein nachfolgendes Verpressen des Faserverbundmaterials verzichtet werden. Erfindungsgemäß kann ein Faserverbundbauteil nun ohne Presswerkzeuge hergestellt werden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren lassen sich mehrere Prozesschritte, wie z.B. das Preformen, das Stacken und das Verpressen im Presswerkzeug einsparen. Hierdurch können nicht nur Werkzeugkosten, sondern auch Prozesszeit eingespart werden. Die Herstellung des Faserverbundbauteils wird gegenüber herkömmlichen Prozessen wesentlich günstiger. Das Verfahren eignet sich insbesondere für Serien mit kleinen und mittleren Stückzahlen.The combination of compacting and spreading of the fiber material and partial curing of the fiber composite material infiltrated with resin means that subsequent pressing of the fiber composite material can be dispensed with. According to the invention, a fiber composite component can now be produced without pressing tools. The process according to the invention allows several process steps, such as e.g. save preforming, stacking and pressing in the pressing tool. This not only saves tool costs, but also process time. The production of the fiber composite component is much cheaper compared to conventional processes. The process is particularly suitable for series with small and medium quantities.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Sofern in dieser Anmeldung der Begriff „kann“ verwendet wird, handelt es sich sowohl um die technische Möglichkeit als auch um die tatsächliche technische Umsetzung.Further advantages, features and details of the invention emerge from the following description, in which exemplary embodiments of the invention are described in detail with reference to the drawings. The features mentioned in the claims and in the description can each be essential to the invention individually or in any combination. If the term "can" is used in this application, it is both the technical possibility and the actual technical implementation.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele an Hand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Darin zeigen:

  • 1 eine schematische Ansicht einer beispielhaften Vorrichtung zur Herstellung eines Faserverbundbauteils mittels 3D-Druckverfahren und
  • 2 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Spreiz- und Kompaktiervorrichtung.
Exemplary embodiments are explained below with reference to the accompanying drawings. In it show:
  • 1 a schematic view of an exemplary device for producing a fiber composite component by means of 3D printing methods and
  • 2nd is a schematic representation of an exemplary spreading and compacting device.

1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Herstellung eines Faserverbundbauteils mittels 3D-Druckverfahren. Die Vorrichtung 1 ist eingerichtet, das Faserverbundbauteil mittels eines 3D-Druckverfahrens auszubilden, wozu ein Faserverbundmaterial in mehreren Schichten übereinander auf einer Substratoberfläche 2 abgelegt wird. 1 shows a device 1 for the production of a fiber composite component using 3D printing. The device 1 is set up to form the fiber composite component by means of a 3D printing process, for which purpose a fiber composite material in several layers one above the other on a substrate surface 2nd is filed.

Die Vorrichtung 1 beinhaltet eine Fördervorrichtung 10 zur Förderung eines Fasermaterials 3. Das Fasermaterial wird z.B. auf einer Spule 4 bereitgestellt, mittels der Fördervorrichtung 10 von dieser abgezogen und durch die Vorrichtung bis zum Ort der Ablage transportiert. Das Fasermaterial 3 ist nicht beschränkt und kann z.B. ein Kohlenstofffaserroving sein.The device 1 includes a conveyor 10th to promote a fiber material 3rd . The fiber material is, for example, on a spool 4th provided by means of the conveyor 10th deducted from this and transported through the device to the place of storage. The fiber material 3rd is not limited and can be, for example, carbon fiber roving.

Weiter umfasst die Vorrichtung 1 eine Spreiz- und Kompaktiervorrichtung 20. Diese ist eingerichtet zur Spreizung und Kompaktierung des Fasermaterials 3. Hierzu wird das Fasermaterial 3 von der Spule 4 kommend durch die Spreiz- und Kompaktiervorrichtung 20 geführt.The device further comprises 1 a spreading and compacting device 20th . This is set up for spreading and compacting the fiber material 3rd . For this, the fiber material 3rd from the coil 4th coming through the spreading and compacting device 20th guided.

2 zeigt eine Detailansicht der Spreiz- und Kompaktiervorrichtung 20. Das Fasermaterial wird über eine Vielzahl von Umlenkrollen 21, 22, 23, 24 geführt, wobei die Laufrichtung (dargestellt durch den Pfeil L) des Fasermaterials 3 an jeder Umlenkrolle 21, 22, 23, 24 eine Richtungsänderung erfährt. Die auf das Fasermaterial 3 einwirkenden Umlenkkräfte bewirken eine Stauchung und Kompaktierung des Rovings in Richtung radial zur Achse der Umlenkrolle und eine Spreizung des Fasermaterials längs der Achse der Umlenkrolle. Zusätzlich weist die Spreiz- und Kompaktiervorrichtung 20 eine Walzenpresse 25 auf, die eine weitere Kompaktierung und Spreizung des Fasermaterials bewirkt. Die Walzenpresse kompaktiert das durchlaufende Fasermaterial 3 zwischen zwei Walzen und ist aufgrund der von zwei Seiten einwirkenden Kraft besonders effektiv. 2nd shows a detailed view of the spreading and compacting device 20th . The fiber material is fed through a variety of pulleys 21 , 22 , 23 , 24th guided, the direction of travel (represented by the arrow L ) of the fiber material 3rd on each pulley 21 , 22 , 23 , 24th undergoes a change of direction. The on the fiber material 3rd acting deflection forces cause compression and compaction of the roving in the direction radial to the axis of the deflection roller and spreading of the fiber material along the axis of the deflection roller. In addition, the spreading and compacting device 20th a roller press 25th on, which causes a further compacting and spreading of the fiber material. The roller press compactes the continuous fiber material 3rd between two rollers and is particularly effective due to the force acting from two sides.

Weiterhin weist die Vorrichtung 1 eine Heizvorrichtung 30 zur Erhitzung des Fasermaterials 3 vor oder während der Kompaktierung auf. Beispielhaft gezeigt ist in 2 eine Heizvorrichtung 30 in Form einer Widerstandheizvorrichtung. Hierzu ist eine Spannungsquelle 31 mit ihren Polen an zwei der Umlenkrollen 21, 23 angeschlossen. Wird das Fasermaterial 3 über die Umlenkrollen 21, 23 geführt, so fließt zwischen diesen ein Strom durch das Fasermaterial 3, der eine Erwärmung desselben bewirkt. Alternative Heizvorrichtungen, wie z.B. in der Nähe der Spreiz- und Kompaktiervorrichtung angeordnete Wärmestrahler sind ebenso denkbar, insbesondere wenn es sich bei dem Fasermaterial um elektrisch nicht leitfähige Materialien handelt.Furthermore, the device 1 a heater 30th for heating the fiber material 3rd before or during compaction. An example is shown in 2nd a heater 30th in the form of a resistance heater. This is a voltage source 31 with their poles on two of the pulleys 21 , 23 connected. Will the fiber material 3rd over the pulleys 21 , 23 led, a current flows between them through the fiber material 3rd which causes it to heat up. Alternative heating devices such as those located near the spreading and compacting device Radiant heaters are also conceivable, especially if the fiber material is electrically non-conductive materials.

Nach dem Durchlaufen der Spreiz- und Kompaktiervorrichtung 20 wird das Fasermaterial mit einem härtbaren Harz 5 getränkt. Hierzu weist die Vorrichtung eine Applikationsvorrichtung 40 auf, die eingerichtet ist zur Applikation des härtbaren Harzes 5 auf das Fasermaterial 3, wodurch das Faserverbundmaterial 6 erzeugt wird. Die Applikationsvorrichtung 40 kann z.B. eine nicht dargestellte Düse zum Auftragen des Harzes sowie eine nicht dargestellte Pumpe beinhalten, die das Harz über Leitungen 7 aus einem Vorratsbehälter 8 zur Düse transportiert.After passing through the spreading and compacting device 20th the fiber material with a curable resin 5 soaked. For this purpose, the device has an application device 40 which is set up for application of the hardenable resin 5 on the fiber material 3rd , whereby the fiber composite material 6 is produced. The application device 40 may include, for example, a nozzle, not shown, for applying the resin and a pump, not shown, which feed the resin via lines 7 from a storage container 8th transported to the nozzle.

Im Anschluss an die Applikationsvorrichtung 40 - in Laufrichtung des Fasermaterials 3 betrachtet - weist die Vorrichtung 1 eine Härtungssvorrichtung 50 zum teilweisen Härten des Faserverbundmaterials auf, wie z.B. eine Belichtungsvorrichtung mit UV-Licht, wenn das Harz lichthärtbar ist oder eine thermische Härtungsvorrichtung zum Erwärmen des Harzes zur Initiierung des Härtungsvorgangs.Following the application device 40 - in the direction of the fiber material 3rd considered - points the device 1 a curing device 50 for partially curing the fiber composite material, such as an exposure device with UV light if the resin is light-curable or a thermal curing device for heating the resin to initiate the curing process.

Das so teilgehärtete Faserverbundmaterial wird auf der Substratoberfläche 2 abgelegt. Hierzu weist die Vorrichtung eine Ablegevorrichtung 60 auf, die zur Ablage des teilgehärteten Faserverbundmaterials auf der Substratoberfläche eingerichtet ist. Die Ablagevorrichtung 60 kann z.B. ein an einem Industrieroboter 61 befestigter und von diesem geführter Tapelegekopf 62 sein.The partially hardened fiber composite material is on the substrate surface 2nd filed. For this purpose, the device has a storage device 60 on, which is set up for depositing the partially hardened fiber composite material on the substrate surface. The filing device 60 can, for example, on an industrial robot 61 attached and guided by this tape laying head 62 be.

Das Faserverbundmaterial 6 wird in mehreren Reihen nebeneinander und in mehreren Schichten übereinander auf der Substratoberfläche 2 abgelegt zur Erzeugung des Faserverbundbauteils. Optional beinhaltet die Vorrichtung eine Schneideinrichtung 70, mit der das Faserverbundmaterial 6 z.B. am Ende einer Reihe abgetrennt werden kann.The fiber composite material 6 is placed in several rows next to each other and in several layers one above the other on the substrate surface 2nd filed to produce the fiber composite component. The device optionally includes a cutting device 70 with which the fiber composite material 6 eg can be separated at the end of a row.

Das derart in mehreren Schichten ausgebildete Faserverbundbauteil kann anschließend von der Substratoberfläche 2 entnommen, also entformt werden und z.B. durch Tempern final ausgehärtet werden. Durch die mehrfache Spreizkompaktierung in Kombination mit der Erwärmung des Fasermaterials 3 ist es nicht notwendig, dass dies unter Druck erfolgt. Hierdurch kann auf teures Presswerkzeug und die entsprechenden Verfahrensschritte verzichtet werden.The fiber composite component formed in this way in several layers can then be removed from the substrate surface 2nd removed, i.e. removed from the mold and finally hardened, for example by tempering. Thanks to the multiple spread compacting in combination with the heating of the fiber material 3rd it is not necessary that this be done under pressure. This means that expensive pressing tools and the corresponding process steps can be dispensed with.

BezugszeichenlisteReference list

11
Vorrichtungcontraption
22nd
SunbstratoberflächeSunbstrat surface
33rd
FasermaterialFiber material
44th
SpuleKitchen sink
55
härtbares Harzcurable resin
66
FaserverbundmaterialFiber composite material
77
Leitungmanagement
88th
VorratsbehälterStorage container
1010th
FördervorrichtungConveyor
2020th
Spreiz- und KompaktiervorrichtungSpreading and compacting device
21, 22, 23, 2421, 22, 23, 24
UmlenkrollenPulleys
2525th
WalzenpresseRoller press
3030th
HeizvorrichtungHeater
4040
ApplikationsvorrichtungApplication device
5050
HärtungsvorrichtungHardening device
6060
AblegevorrichtungDeposit device
6161
IndustrieroboterIndustrial robots
6262
TapelegekopfTape laying head
7070
SchneidvorrichtungCutting device
LL
Laufrichtung FasermaterialDirection of fiber material

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • DE 102016216955 A1 [0019]DE 102016216955 A1 [0019]

Claims (10)

Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils mittels eines 3D-Druckverfahrens mit den Schritten: - Fördern eines Fasermaterials (3) mit einer Vielzahl von Einzelfilamenten, - Spreizen, Erhitzen und mehrfaches Kompaktieren des Fasermaterials (3) quer zur Faserrichtung, - Zugeben eines härtbaren Harzes (5) zum kompaktierten Fasermaterial zur Erzeugung eines Faserverbundmaterials (6), - teilweises Aushärten des Faserverbundmaterials (6) und - Ablegen und Andrücken des Faserverbundmaterials (6) auf eine Substratoberfläche (2).Process for producing a fiber composite component by means of a 3D printing process, with the steps: Conveying a fiber material (3) with a large number of individual filaments, - Spreading, heating and multiple compacting of the fiber material (3) transverse to the fiber direction, Adding a curable resin (5) to the compacted fiber material to produce a fiber composite material (6), - Partial curing of the fiber composite material (6) and - Placing and pressing the fiber composite material (6) onto a substrate surface (2). Verfahren nach Patentanspruch 1, wobei das mehrmalige Kompaktieren durch mehrmaliges Umlenken der erhitzten Fasern erfolgt.Procedure according to Claim 1 , the multiple compacting being carried out by repeatedly deflecting the heated fibers. Verfahren nach Patentanspruch 2, wobei das mehrmalige Kompaktieren weiterhin durch Verpressen der Fasern in einer Durchlaufpresse (25) erfolgt.Procedure according to Claim 2 , wherein the multiple compacting continues by pressing the fibers in a continuous press (25). Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem das mehrmalige Kompaktieren mindestens fünf Kompaktierungen umfasst.Method according to one of the preceding claims, in which the multiple compacting comprises at least five compactings. Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem das Fasermaterial (3) aus Endlosfasern besteht.Method according to one of the preceding claims, in which the fiber material (3) consists of continuous fibers. Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem als Fasermaterial (3) Kohlenstofffasern verwendet werden.Method according to one of the preceding claims, in which carbon fibers are used as the fiber material (3). Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem das Erhitzen des Fasermaterials (3) durch Widerstandserhitzung erfolgt.Method according to one of the preceding claims, in which the heating of the fiber material (3) is carried out by resistance heating. Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem das teilweise Aushärten des Faserverbundmaterials (6) durch Belichten mit UV-Licht erfolgt.Method according to one of the preceding claims, in which the partial curing of the fiber composite material (6) is carried out by exposure to UV light. Vorrichtung zur Herstellung eines Faserverbundbauteils mittels eines 3D-Druckverfahrens mit: einer Fördervorrichtung (10) zur Förderung eines Fasermaterials (3), einer Spreiz- und Kompaktiervorrichtung (20) zur Spreizung und Kompaktierung des Fasermaterials (3), einer Heizvorrichtung (30) zur Erhitzung des Fasermaterials (3) vor und/oder während der Kompaktierung, eine Applikationsvorrichtung (40) zur Applikation eines härtbaren Harzes (5) auf das Fasermaterial (3) zur Erzeugung eines Faserverbundmaterials (6), eine Härtungssvorrichtung (50) zum teilweisen Härten des Faserverbundmaterials (6), eine Ablegevorrichtung (60) zur Ablage des teilgehärteten Faserverbundmaterials (6) auf einer Substratoberfläche (2).Device for producing a fiber composite component by means of a 3D printing process with: a conveying device (10) for conveying a fiber material (3), a spreading and compacting device (20) for spreading and compacting the fiber material (3), a heating device (30) for heating the fiber material (3) before and / or during the compaction, an application device (40) for applying a curable resin (5) to the fiber material (3) to produce a fiber composite material (6), a curing device (50) for partially curing the fiber composite material (6), a depositing device (60) for depositing the partially hardened fiber composite material (6) on a substrate surface (2). Vorrichtung nach Patentanspruch 9, die weiterhin eine Schneideinheit (70) zum Durchtrennen des Faserverbundmaterials (6) beinhaltet.Device after Claim 9 , which further includes a cutting unit (70) for severing the fiber composite material (6).
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