Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Imprägnieren mindestens eines Faserbün dels mit einem hochviskosen Kunststoffmaterial. Die Erfindung betrifft ebenso eine Vorrichtung hierzu. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung ei ner dreidimensionalen Struktur, die aus zwei oder mehr unterschiedlichen Werkstof fen gebildet wird. Ebenso betrifft die Erfindung eine Anlage zur Herstellung einer sol chen dreidimensionalen Struktur.

Aufgrund der besonderen gewichtsspezifischen Festigkeit und Steifigkeit sind Faser verbundwerkstoffe als moderne Werkstoffe kaum mehr wegzudenken. Aber auch die Kombination von Fasermaterial und Kunststoffmaterial beim 3D-Druck eröffnet neue Möglichkeiten bei der Herstellung komplexer Strukturen, ohne hierbei auf isotrope Werkstoffe zurückgreifen zu müssen. Sowohl bei der Herstellung von Faserverbund bauteile aus Faserverbundwerkstoffen sowie im 3D-Druck mit Faserverstärkung wer den sehr häufig Faserrovings verwendet, die eine Art Faserbündel darstellen und aus einer Vielzahl von Endlosfasern, auch Filamente genannt, gebildet sind.

So ist aus der DE 10 2017 124 352.6 eine Anlage zum Herstellen von 3-dimensiona- len Strukturen bekannt, die 2 oder mehr unterschiedlichen Werkstoffe aufweisen und dabei wird einem 3D-Druckkopf sowohl ein quasiendloses Fasermaterial, beispiels weise in Form von Rovings, sowie ein thermoplastisches Kunststoffmaterial zuge führt, die dann in einer Mischkammer münden, um dort das Fasermaterial mit dem thermoplastischen Kunststoffmaterial zu imprägnieren. Die so gebildete Materialmi schung wird dann über einen Auslass des 3D- Druckkopfes extrudiert, um so die dreidimensionale Struktur herzustellen. Die Imprägnierung von quasiendlosen Faserrovings mit thermoplastischem Material ist aufgrund der hohen Viskosität des thermoplastischen Materials sowie der gerin gen Permeabilität der Endlosfasern derzeit jedoch unbefriedigend, insbesondere dann, wenn das Fasermaterial kontinuierlich gefördert und extrudiert werden soll.

Es ist bekannt und in der Praxis weit verbreitet, die Faserrovings zunächst auf zu spreizen, also in der Breite auf zu fächern. Flierzu wird der Faserroving in der Regel über mehrere speziell geformte Rollen geführt, die so geformt sind, dass der Quer schnitt des Faserbündels vergrößert wird und somit der Abstand der einzelnen Fila mente erhöht wird. Auf diese Weise wird die erforderliche Eindringtiefe des aufge schmolzenen Kunststoffmaterials verringert und die Permeabilität der Fasern erhöht. Anschließend wird das aufgeschmolzene Kunststoffmaterial unter Druck an einer o- der mehreren Stellen mit der aufgespreizten Faser über längere Zeit in Kontakt ge bracht, um diese zu imprägnieren.

So ist beispielsweise aus der EP 0 712 716 A1 ein Verfahren zum Imprägnieren von Endlosfasern oder Faserbündel mit einem aufgeschmolzenen thermoplastischen Kunststoff bekannt, wobei die Fasern oder Rovings eine Imprägnierzone durchlau fen, die die Form einer gedämpften Schwingung aufweist.

Aus der US 2012/0040106 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Imprägnie ren eines Fasermaterials mit einem Matrixmaterial bekannt, bei dem das Fasermate rial in ein Formwerkzeug eingebracht und anschließend mit dem Matrixmaterial infun diert wird. Während des Infundierens des Fasermaterials mit dem Matrixmaterial wer den mithilfe von Lautsprechern oder Tongebern Vibrationen erzeugt, um so das Er gebnis des Imprägnierens zu verbessern.

Aus der DE 10 2016 107 956 A1 ist ein Verfahren zum Imprägnieren von Endlosfa sern zur Herstellung von faserverstärkten Halbzeugen bekannt, wobei zunächst meh rere Einzelfasern zu einem gemeinsamen Faserbündel zusammengeführt und mit dem Kunststoffmaterial imprägniert werden. Anschließend wird das mit dem Kunst stoffmaterial imprägnierte Fasermaterial auf eine gekühlte Walze extrudiert, wo es mit einer Sonotrode so in Wirkverbindung steht, dass mittels der Sonotrode das Fa sermaterial mit dem Matrixmaterial mit einer Ultraschallschwingung angeregt wird. Die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zum Imprägnieren von Faser material, insbesondere Faserbündeln, mit einem hochviskosen Kunststoffmaterial, wie beispielsweise einem thermoplastischen Kunststoffmaterial, weisen unterschiedli che Nachteile auf. So wird bei den Verfahren mit Faserspreizung relativ viel Bauraum benötigt, da die Fasern mehrfach umgelenkt werden müssen. Damit die Fasern nicht beschädigt werden, sind dabei maximal zulässige Biegeradien zu beachten. Eben falls bedingt die mehrfache Umlenkung eine Reibungserhöhung und somit eine ver stärkte notwendige Zugkraft an der Faser. Diese muss durch den Prozess sicherge stellt werden, damit eine kontinuierliche Faserführung möglich ist. Die aufgebrachte Zugkraft darf dabei einen maximal zulässigen Wert nicht überschreiten, um ein Rei ßen einzelner Filamente des Faserrovings auszuschließen. Verfahren, die ohne oder mit nur einer sehr geringen Faserspreizung arbeiten, reduzieren das Risiko der Be schädigung der Fasern, bedingen jedoch lange Prozesszeiten, um eine ausrei chende Faserimprägnierung zu erreichen.

Die Faserimprägnierung auf Grundlage von Schall- bzw. Schwingungsenergie ist bis her nur für niedrigviskose Medien bekannt. Bei hochviskosen Medien, wie beispiels weise aufgeschmolzenes thermoplastisches Kunststoffmaterial, ergeben sich beson dere Herausforderungen hinsichtlich der Einkopplung der Schall- bzw. Schwingungs energie in das Medium. Für Anwendungen, bei denen nur wenig Bauraum zur Verfü gung steht und Fasern mit hochviskosen Werkstoffen imprägniert werden müssen, ist somit kein geeignetes Verfahren verfügbar, dass prozesssicher eine tiefe Imprägnie rung der Faserrovings ermöglicht.

Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung anzugeben, mit dem insbesondere Fa serrovings prozesssicher mit einem hochviskosen Kunststoffmaterial imprägniert wer den können, ohne dass hierfür viel Bauraum zur Verfügung gestellt werden muss bzw. hohe Prozesszeiten zu erwarten sind. Es ist ebenfalls Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Anlage zur Herstellung von dreidimensionalen Strukturen anzugeben, mit denen kontinuierlich Faserrovings mit einem hochviskosen Kunststoffmaterial imprägniert werden können, um so insbe sondere bei generativen Verfahren eine Imprägnierung während des Drückens zu er möglichen.

Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie der Vorrichtung ge mäß Anspruch 1 1 zum Imprägnieren eines Faserbündels erfindungsgemäß gelöst. Die Aufgabe wird im Übrigen auch mit dem Verfahren gemäß Anspruch 10 sowie der Anlage gemäß Anspruch 17 zur Herstellung einer 3-dimensionalen Struktur erfin dungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den entsprechenden Unteransprüchen.

Gemäß Patentanspruch 1 wird ein Verfahren zum Imprägnieren mindestens eines Faserbündels mit einem hochviskosen Kunststoffmaterial vorgeschlagen, wobei hier für zunächst mindestens ein zu imprägnierendes Faserbündel, das aus einer Vielzahl von Endlosfasern (sogenannte Filamente) gebildet ist, sowie ein Kunststoffmaterial, das bei vorgegebener Prozesstemperatur aufgeschmolzen und hochviskos ist, be reitgestellt wird. Unter einem hochviskosen Kunststoffmaterial wird hierbei insbeson dere ein Kunststoffmaterial verstanden, welches bei einer vorgegebenen Prozess temperatur eine Viskosität von im Wesentlichen mehr als 8000 mPas (milli-Pascalse- kunden) hat. Hiervon zu unterscheiden sind niedrigviskose Kunststoffmaterialien, die eine Viskosität bis 300 mPas haben. Zwischen 300 mPas und 8000 mPas spricht man von einer mittleren Viskosität. Thermoplastische Kunststoffe, wie sie häufig im hybriden 3D-Druck anzutreffen sind, weisen oftmals eine Viskosität von 300 Pas bis 10.000 Pas. Je nachdem wie stark das Kunststoffmaterial beim in Kontakt bringen mit der Faser geschert wird, kann die Viskosität auch deutlich unterhalb der üblichen Nullviskosität (3000 - 10.000 Pas) liegen. Unter der vorgegebenen Prozesstempera tur wird dabei diejenige Temperatur des Kunststoffmaterials verstanden, bei der das Kunststoffmaterial zur Imprägnierung verwendet wird. Bei thermoplastischen Kunst stoffen ist dies insbesondere diejenige Temperatur, bei der das Kunststoffmaterial aufgeschmolzenen ist und so das Faserbündel entsprechend imprägnieren kann.

Das bereitgestellte Faserbündel wird nun mit dem Kunststoffmaterial imprägniert, in dem das zu imprägnierende Faserbündel, beispielsweise ein Roving, kontinuierlich durch eine Imprägnierkavität hindurchgeführt wird. In der Imprägnierkavität befindet sich dabei das temperierte, aufgeschmolzene und hochviskose Kunststoffmaterial, sodass beim Hindurchführen des Faserbündels durch die Imprägnierkavität das Fa serbündel vollständig von dem in der Imprägnierkavität befindlichen aufgeschmolze nen Kunststoffmaterial umschlossen wird. Die Imprägnierkavität kann dabei so mit dem Kunststoffmaterial gefüllt sein, dass sich während des Imprägniervorganges keine Luft in der Imprägnierkavität befindet. Dabei kann selbstverständlich vorgese hen sein, dass während des kontinuierlichen Hindurchführens des Faserbündels auch kontinuierlich neues Kunststoffmaterial der Imprägnierkavität bereitgestellt wird, um so einen kontinuierlichen Imprägniervorgang sicherstellen zu können. Des Weite ren kann selbstverständlich auch vorgesehen sein, dass die Imprägnierkavität eine Temperiereinrichtung aufweist, um so die Imprägnierkavität auf die vorgegebene Prozesstemperatur des hochviskosen Kunststoffmaterials zu erwärmen. Es ist dem zufolge vorteilhaft, wenn während des kontinuierlichen Hindurchführens des Faser bündels durch die Imprägnierkavität kontinuierlich neues Kunststoffmaterial der Im prägnierkavität hinzugefügt wird und/oder kontinuierlich das in der Imprägnierkavität befindliche Kunststoffmaterial temperiert wird, um es so insbesondere auf der ge wünschten Prozesstemperatur zu halten.

Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass während des Imprägnierens des Faser bündels das in der Imprägnierkavität befindliche aufgeschmolzene und hochviskose Kunststoffmaterial mit einer Oberfläche wenigstens eines Schwingungsgenerators derart in Kontakt steht, dass Schallenergie mittels des Schwingungsgenerators in das aufgeschmolzene und hochviskose Kunststoffmaterial der Imprägnierkavität ein gebracht wird.

Der mindestens eine Schwingungsgenerator weist hierfür eine Oberfläche auf, die di rekt im Kontakt mit dem aufgeschmolzenen und hochviskosen Kunststoffmaterial der Imprägnierkavität steht, wobei der Schwingungsgenerator ausgebildet ist, eine Schwingung bzw. Vibration zu erzeugen, die dann über die mit dem Kunststoffmate rial in Kontakt stehende Oberfläche an das Kunststoffmaterial in Form von Schalle nergie übertragen wird. Durch die Schwingungen bzw. Vibrationen des Schwin gungsgenerators werden somit Schallwellen bzw. Druckwellen innerhalb des aufge schmolzenen und hochviskosen Kunststoffmaterials erzeugt, die dann dazu führen, dass das hochviskose Kunststoffmaterial tief in das Faserbündel eindringt und dabei die einzelnen Filamente bzw. Endlosfasern benetzt. Dabei werden insbesondere die Zwischenräume zwischen den einzelnen Filamenten bzw. Endlosfasern des Faser bündels mit dem hochviskosen Kunststoffmaterial besetzt, sodass eine sehr hohe Imprägnierqualität erreicht werden kann, auch wenn das Faserbündel kontinuierlich durch die Imprägnierkavität hindurchgeführt wird.

Der Erfinder haben dabei erkannt, dass mithilfe eines Schwingungsgenerators, der mit seiner Oberfläche direkt im Kontakt mit dem hochviskosen und aufgeschmolze nen Kunststoffmaterial steht, Schallenergie so in das hochviskose Kunststoffmaterial eingebracht werden kann, dass hierdurch ein Faserbündel bzw. Roving mit hoher Qualität in einem kontinuierlichen Prozess imprägniert werden kann. Der hierfür be nötigte Bauraum ist dabei sehr klein, sodass sich das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere für den 3D-Druck sowie dem kontinuierlichen Ablegen von Endlosfa sern eignet. Durch die Verkleinerung des Bauraumes wird insbesondere bei Endef fektoren die zu bewegende Masse des Endeffektors verringert, wodurch die Präzi sion des gesamten Prozesses erhöht werden kann.

Der Erfinder hat des Weiteren auch erkannt, dass trotz der hohen Viskosität des auf geschmolzenen Kunststoffmaterials mithilfe eines mit dem Kunststoffmaterial in Kon takt stehenden Schwingungsgenerators dennoch Schallenergie so in das Kunststoff material eingebracht werden kann, dass das Faserbündel mit dem Kunststoffmaterial mit einer hohen Qualität imprägniert wird. Dies ist deshalb überraschend, da auf grund des viskoelastischen Effektes das aufgeschmolzene und hochviskose Kunst stoffmaterial eine deutlich längere Zeit benötigt, um sich nach einer mechanischen Verformung wieder zurück zu formen, als niedrigviskose Medien. Dennoch kann eine hohe Imprägnierleistung erreicht werden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform handelt es sich bei dem hochviskosen Kunststoffmaterial um ein thermoplastisches Kunststoffmaterial, welches bei der vor gegebenen Prozesstemperatur, bei der das Kunststoffmaterial aufgeschmolzen und in Form einer Schmelze vorliegt, hochviskos ist, d. h. eine Viskosität von mehr als 8000 mPas hat. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird durch den Schwingungs generator eine Schwingungsamplitude zwischen 1 pm bis 150 pm , vorzugsweise max. 40 pm, besonders vorzugsweise max. 35 pm, erzeugt und/oder eine Schwin gungsfrequenz zwischen 100 Hz und 100 kHz, vorzugsweise zwischen 15 kHz und 60 kHz, besonders vorzugsweise zwischen 19 kHz und 60 kHz, erzeugt. Hierdurch kann in das hochviskose Kunststoffmaterial eine Schallenergie eingebracht werden, die trotz der technischen Herausforderung des hochviskosen Mediums eine sehr hohe Imprägnierleistung gewährleistet. Bei einer besonderen Ausführungsform liegt die Schwingungsfrequenz nicht höher als 45 kHz. Bei einer besonderen Ausfüh rungsform lieg die Schwingungsfrequenz zwischen 19,2 kHz und 19,7 kHz.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform werden durch den Schwin gungsgenerator reelle und/oder komplexe Eigenmoden einer Struktur der Impräg nierkavität angeregt. Es hat sich gezeigt, dass hierdurch trotz des viskoelastischen Effektes des hochviskosen Kunststoffmaterials dennoch eine hinreichende Schallleis tung bzw. Schallenergie in das Kunststoffmaterial eingebracht werden kann, um eine hohe Imprägnierleistung zu erreichen. In dieser Ausführungsform wird zumindest ein Teil der Oberfläche des Schwingungsgenerators durch eine spezielle, vorzugsweise modal schwingende Struktur gebildet, wobei durch den Schwingungsgenerator reelle und/oder komplexe Eigenmoden dieser Struktur der Imprägnierkavität angeregt wer den können. Vorzugsweise ist eine solche Struktur bzw. sind solche Strukturen voll ständig von dem Kunststoffmaterial in der Imprägnierkavität bedeckt. Solche Struktu ren können beispielsweise modal schwingende Platten in der Imprägnierkavität sein. Denkbar ist aber auch, dass es sich bei solchen Strukturen um ein Rohr mit Eigenfor men handeln kann, durch das das zu imprägnierende Faserbündel hindurchgeführt wird. Hierdurch kann die Imprägnierleistung auch bei hochviskosen Kunststoffmate rial signifikant verbessert werden. Das Rohr kann dabei selbst die Imprägnierkavität bilden oder Teil dessen davon sein.

Die auftretenden Schwingungsmaxima und -minima der Struktur wirken dann als räumlich verteilte Generatoren für die Einkopplung der Schallenergie.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die mit dem aufgeschmolzenen Kunststoffmaterial in Kontakt befindliche Oberfläche des Schwingungsgenerators durch Mikrostrukturierung, Anrauung und/oder Plasma vor behandelt oder so bereitgestellt wird, um die Adhäsion bzw. die Benetzung der Ober fläche des Schwingungsgenerators mit dem aufgeschmolzenen Kunststoffmaterial zu verbessern. Es hat sich gezeigt, dass durch derartige Maßnahmen zur Vorbehand lung der Oberfläche des Schwingungsgenerators, die mit dem Kunststoffmaterial in Kontakt steht, die Adhäsion der Oberfläche bzw. die Benetzungsfähigkeit der Ober fläche mit dem aufgeschmolzenen Kunststoffmaterial derart verbessert werden kann, dass trotz des viskoelastischen Effektes des hochviskosen Kunststoffmaterials ent sprechende Schallwellen bzw. Druckwellen in das aufgeschmolzene Kunststoffmate rial eingebracht werden können, um so die notwendige Schallenergie für die Impräg nierung des Faserbündels zu erreichen. Durch die Erhöhung der Adhäsionsfähigkeit der mit dem Kunststoff in Kontakt stehenden Oberfläche des Schwingungsgenerators wird verhindert, dass auch bei hoher Frequenz und/oder hoher Amplitude des

Schwingungsgenerators keine Flohlräume zwischen der Oberfläche des Schwin gungsgenerators und dem aufgeschmolzenen Kunststoffmaterial entstehen, die eine Übertragung der notwendigen Schallleistung verhindern.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird das Kunststoffmaterial zum Flerabsetzen der Kohäsionskräfte stofflich modifiziert, wodurch die Benetzung der Oberfläche des Schwingungsgenerators verbessert werden kann und die Kohäsi onskräfte herabgesetzt werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Faserbündel in der Imprägnierkavität durch die das Faserbündel zumindest teilweise umschließende Oberfläche des Schwingungsgenerators geführt wird, während die Oberfläche des Schwingungsgenerators mit dem aufgeschmolzenen hochviskosen Kunststoffmate rial in Kontakt steht. Das Faserbündel wird hierbei durch eine Kavität des Schwin gungsgenerators in Art eines Nadelöhrs oder eines Bogens geführt, wobei in diesem Bereich der Schwingungsgenerator die Schallenergie in das hochviskose Kunststoff material abgibt. Das Faserbündel kann dabei stellenweise in Kontakt zu der Oberflä che des Schwingungsgenerators stehen. Die besondere Geometrie verhindert dabei ein wegfließen des Materials bzw. stellt durch Über- und Unterdruckzonen ein ver bessertes Einkoppeln der Schwingungsenergie bzw. Schallenergie sicher. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Imprägnieren des Faserbündels kann es unter anderem vorgesehen sein, das vor der Imprägnierkavität oder in der Impräg nierkavität das Faserbündel durch geeignete Maßnahmen aufgespreizt wird, um das Ergebnis zu verbessern, so wie es z.B. der zur Verfügung stehende Bauraum es er laubt. Grundsätzlich ist es jedoch nicht erforderlich, bei Anwendung des erfindungs gemäßen Verfahrens eine Aufspreizung der Fasern des Faserbündels zu bewirken.

Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das aufgeschmolzene Kunst stoffmaterial zusammen mit dem Faserbündel durch die Imprägnierkavität hindurch geführt wird oder hindurch fließt. Flierzu kann die Imprägnierkavität einen Eingang für das Faserbündel und einen Eingang für das aufgeschmolzene Kunststoffmaterial aufweisen, wobei in einer bevorzugten Ausführungsform das Faserbündel und das aufgeschmolzene Kunststoffmaterial durch ein und denselben Eingang in die Impräg nierkavität geführt wird. Demgemäß kann die Imprägnierkavität einen Ausgang für das Faserbündel und einen Ausgang für das aufgeschmolzene Kunststoffmaterial aufweisen, wobei in einer bevorzugten Ausführungsform das Faserbündel und das aufgeschmolzene Kunststoffmaterial durch einen denselben Ausgang aus der Im prägnierkavität geführt wird.

Hierdurch wird es beispielsweise möglich, ein Kunststofffaserhalbzeug (bspw. ein Thermoplastfaserhalbzeug) herzustellen, indem beispielsweise das Faserbündel und das aufgeschmolzene Kunststoffmaterial durch eine Düse oder einen Extruder als Ausgang geführt werden.

Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das aufgeschmolzene Kunst stoffmaterial in der Imprägnierkavität während des Imprägnierens des Faserbündels mit einem Druck beaufschlagt wird bzw bedruckt wird. Das aufgeschmolzene Kunst stoffmaterial kann dabei unter einem Druck stehen, der größer ist als ein Umge bungsdruck. So ist es denkbar, dass das aufgeschmolzene Kunststoffmaterial unter einem Schmelzedruck von 5 bar bis 100 bar, gegebenenfalls sogar bis 400 bar steht.

Bei dem Druck des aufgeschmolzenen Kunststoffmaterials handelt es sich um einen zusätzlichen, nicht im kHz Bereich oszillierenden Druck, welcher insbesondere durch die Fließkanalgeometrie sowie die Fördergeschwindigkeit bestimmt wird. Denn auch durch die Schalleinbringung in das aufgeschmolzene Kunststoffmaterial (Schmelze) wird auch eine Druckänderung erzeugt, die jedoch im kHz Bereich gemäß dem Schwingungsgenerator oszilliert. Der Druck, der hier gemeint ist, ist unabhängig von der Schalleinbringung und wird zusätzlich zu der Schalleinbringung eingebracht. Das aufgeschmolzene Kunststoffmaterial in der Imprägnierkavität wird somit mit einem von der Schalleinbringung bzw. eingebrachten Schallenergie unabhängigen, zusätzli chen Druck beaufschlaft. Das aufgeschmolzene Kunststoffmaterial wird somit zusätz lich zu der Einbringung der Schallenergie unter Druck gesetzt.

Das aufgeschmolzene Kunststoffmaterial kann dabei unter einem Druck stehen, der größer ist als der Ausgangsdruck am bzw. hinter dem Ausgang bzw. Düsenausgang. Hierdurch ist es möglich, die Düse nur mit einem sehr kleinen Spalt zu einem Drück bett zu positionieren. In diesem Fall wäre am Düsenaustritt bspw. ein Druck von 100 bar, da die Schmelze nicht an einem freien Ende austreten kann, dieser aber kleiner ist als der Druck in der Imprägnierkavität (bspw. 200 bar).

Das Bedrucken des aufgeschmolzenen Kunststoffmaterials kann beispielsweise in Zusammenhang mit der vorherigen Ausführungsform erreicht werden, bei der das aufgeschmolzene Kunststoffmaterial durch eine Düse oder einen Extruder zusam men mit dem Fasermaterial aus der Imprägnierkavität herausgeführt wird. Hierdurch kann ein Druckgradient zwischen dem Eingang des aufgeschmolzenen Kunststoff materials und dem Ausgang des aufgeschmolzenen Kunststoffmaterials erreicht wer den.

Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Schmelzedruck des Kunststoffmaterials kleiner ist als die Kavitationsschwelle. Dabei ist vorteilhaft, den Schmelzedruck nur so weit zu steigern, wie auch hinreichend Schallenergie zum Erreichen der Kavitationsschwelle in das aufgeschmolzene Kunststoffmaterial eingebracht werden kann. Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass sich in einem bedruckten, aufgeschmolzenen Kunststoffmaterial i.V.m. dem Einbringen von Schallenergie in das Kunststoffmaterial mittels des Schwingungsgenerators stärkere Kavitationseffekte bilden und auflösen, die zu einer verbesserten Imprägnierung des Fasermaterials durch das aufgeschmol zene Kunststoffmaterial führen. Die Aufgabe wird im Übrigen auch mit dem Verfahren zur Herstellung einer dreidi mensionalen Struktur, die aus zwei oder mehr unterschiedlichen Werkstoffen gebil det werden, erfindungsgemäß gelöst, wobei mittels eines 3D-Druckkopfes einer 3D- Druckanlage ein hieraus gemischter Werkstoff ausgegeben wird. Das Verfahren um fasst dabei die folgenden Schritte:

- Zuführen eines hochviskosen Kunststoffmaterials als einen ersten Werk stoff und eines quasiendlosen Faserbündels eines Fasermaterials als ei nen zweiten Werkstoff zu der 3D-Druckanlage,

- wobei beide Werkstoffe einer Imprägnierkavität der 3D-Druckanlage konti nuierlich zugeführt werden, um das quasiendlose Faserbündel mit dem hochviskosen, aufgeschmolzenen Kunststoffmaterial zu imprägnieren,

- Extrudieren des mit dem hochviskosen Kunststoffmaterial imprägnierten Faserbündels mittels des 3D-Druckkopfes,

- wobei während des Herstellens der dreidimensionalen Struktur kontinuier lich das quasiendlose Faserbündel mit dem hochviskosen, aufgeschmolze nen Kunststoffmaterial mit dem vorstehend beschriebenen Verfahren im prägniert wird.

Das hochviskose Kunststoffmaterial sowie das Fasermaterial werden dabei der Im prägnierkavität zugeführt, in der dann beide Werkstoffe zu einem Materialgemisch verbunden werden, indem das Fasermaterial in Form eines Faserbündels bzw. Ro- vings mit dem hochviskosen Kunststoffmaterial in der Imprägnierkavität imprägniert wird. Anschließend wird das so imprägnierte Faserbündel aus dem 3D-Druckkopf extrudiert, um so die dreidimensionale Struktur herzustellen.

Im Übrigen wird die Aufgabe auch mit der Vorrichtung zum Imprägnieren mindestens eines Faserbündels gelöst, wobei die Vorrichtung eine Imprägnierkavität hat, in die das hochviskose Kunststoffmaterial eingefüllt oder einfüllbar ist, wobei die Impräg nierkavität einen Einlass und einen Auslass derart aufweist, dass ein Faserbündel zum Imprägnieren durch das hochviskose, aufgeschmolzene Kunststoffmaterial der Imprägnierkavität hindurchführbar ist. Das Faserbündel wird somit mittels des Einlas ses in die Imprägnierkavität eingeführt und mittels des Auslasses wieder aus der Im prägnierkavität herausgeführt, wobei es nach dem herausführen aus dem Auslass der Imprägnierkavität mit dem Kunststoffmaterial imprägniert ist. Die Vorrichtung weist des Weiteren einen Schwingungsgenerator auf, der mit einer Oberfläche mit dem in der Imprägnierkavität befindlichen hochviskosen und aufgeschmolzenen Kunststoffmaterial in Kontakt steht oder bringbar ist und zum Einbringen von Schalle nergie in das hochviskose und aufgeschmolzene Kunststoffmaterial ausgebildet ist.

Vorteilhafterweise ist die Vorrichtung dabei so ausgebildet, dass sie das vorher be schriebene Verfahren zur Imprägnierung eines Faserbündels ausführen kann.

Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass die mit dem aufgeschmolzenen Kunststoffmaterial in Kontakt stehende oder bringbare Oberfläche eine Mikrostruktu rierung, Anrauung und/oder Plasmabehandlung aufweist, um die Adhäsion zwsichen der Oberfläche des Schwingungsgenerators und dem aufgeschmolzenen Kunststoff material zu verbessern.

Dabei kann es ebenfalls vorgesehen sein, dass die Oberfläche des Schwingungsge nerators eine Kavität aufweist, durch die das zu imprägnierende Faserbündel hin durchführbar ist, wenn das Faserbündel durch das hochviskose und aufgeschmol zene Kunststoffmaterial der Imprägnierkavität hindurchgeführt wird.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Kavität der Oberfläche des Schwingungsgenerators eine Röhre bildet, durch die das Faserbündel hindurchführbar ist, um mit dem hochviskosen und aufgeschmolze nen Kunststoffmaterial imprägniert zu werden, wobei die Röhre eine modal schwin gende Struktur und/oder eine schwingende Struktur mit Eigenformen ausbildet. Es hat sich gezeigt, dass durch die Verwendung einer modal schwingenden Struktur bzw. eine schwingende Struktur mit Eigenformen das Imprägnierergebnis trotz der hohen Viskosität des Mediums und des viskoelastischen Effektes deutlich verbessert werden kann. Eine solche Röhre kann aber auch selbst die Imprägnierkavität bilden, so dass im Inneren der Röhre der Roving geführt sowie das hochviskose Kunststoff material enthalten ist.

Die Aufgabe wird im Übrigen auch mit der Anlage zur Fierstellung einer dreidimensio nalen Struktur gelöst, wobei die Anlage einen Druckkopf aufweist, der eine erste Ma terialzuführung zum Zuführen eines quasiendlosen Faserbündels und wenigstens eine zweite Materialzuführung zum Zuführen eines Kunststoffmaterials hat, wobei die Materialzuführung in einer gemeinsamen Imprägnierkavität des Druckkopfes mün den, um das Faserbündel mit dem aufgeschmolzenen und hochviskosen Kunststoff material zu imprägnieren, dem Druckkopf wird dabei kontinuierlich sowohl das Faser- bündel als auch ein Kunststoffmaterial zugeführt, wobei die Zuführung des Kunst stoffmaterials im noch festen Aggregatzustand erfolgen kann. Durch eine Temperier einrichtung in dem Druckkopf kann dann erreicht werden, dass das zugeführte Kunststoffmaterial auf seine notwendige Prozesstemperatur gebracht wird und im aufgeschmolzenen Zustand vorliegt. Denkbar ist selbstverständlich auch, dass dem Druckkopf bereits das aufgeschmolzene und temperiert Kunststoffmaterial zugeführt wird. Mittels eines Auslasses des Druckkopfes kann dann das imprägnierte Faserbün del aus dem Druckkopf extrudiert werden.

Erfindungsgemäß weist der Druckkopf eine Vorrichtung zum Imprägnieren des Fa- serbündels auf, wobei hierfür ein Schwingungsgenerator vorgesehen ist, der mit ei ner Oberfläche mit dem in der Imprägnierkavität befindlichen hochviskosen und auf geschmolzenen Kunststoffmaterial in Kontakt steht oder bringbar ist und zum Ein bringen von Schallenergie in das hochviskose und aufgeschmolzene Kunststoffmate rial ausgebildet ist.

Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren beispielhaft erläutert. Es zeigen:

Figur 1 schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Im prägnieren;

Figur 2 schematische Darstellung der Vorrichtung in einer ersten Ausführungs form;

Figur 3 schematische Darstellung der Vorrichtung in einer zweiten Ausführungs form;

Figur 4 schematische Darstellung der Vorrichtung mit einer modal schwingenden

Struktur;

Figur 5 schematische Darstellung der Imprägnierkavität mit Eigenformen;

Figur 6 schematische Darstellung einer Imprägnierkavität mit Austrittsdüse.

Figur 1 zeigt in einer schematisch stark vereinfachten Darstellung eine Vorrichtung 10 zum Imprägnieren eines Faserbündels 11 , dass durch eine Imprägnierkavität 12 hindurchgeführt wird. Die Imprägnierkavität 12 ist dabei mit einem hochviskosen und aufgeschmolzenen Kunststoffmaterial 13 gefüllt, mit dem das Faserbündel 11 im prägniert werden soll.

Des Weiteren weist die Vorrichtung 10 einen Schwingungsgenerator 14 auf, der mit einer Oberfläche 15 mit dem aufgeschmolzenen und hochviskosen Kunststoffmate- rial 13 in Kontakt steht. Bei dem in Figur 1 gezeigten Schwingungsgenerators 14 handelt es sich um einen Longitudinalschwinger, der zum Einbringen der Schallener gie in das hochviskose Kunststoffmaterial 13 mit einer vorgegebenen Frequenz f eine Hubbewegung in Form einer Amplitude s ausführt. Die Richtung der Hubbewegung ist dabei im Ausführungsbeispiel der Figur 1 im Wesentlichen senkrecht zu dem Fa serbündel 11.

Aufgrund der Tatsache, dass der Schwingungsgenerator 14 mit seiner Oberfläche 15 direkt im Kontakt mit dem hochviskosen aufgeschmolzenen Kunststoffmaterial 13 steht, können die durch den Schwingungsgenerator 14 erzeugten Schwingungen bzw. Vibrationen in Form von Schallenergie in das Kunststoffmaterial 13 eingebracht werden, um so die Imprägnierleistung des Faserbündels 11 zu verbessern. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Oberfläche 15 des Schwingungsgenerators

13 durch Mikrostrukturierung, Anrauung und/oder Plasma vorbehandelt ist, um die Adhäsion zwischen der Oberfläche 15 des Schwingungsgenerators 14 mit dem auf geschmolzenen hochviskosen Kunststoffmaterial 13 zu verbessern. Hierdurch wird erreicht, dass zwischen der Oberfläche 15 des Schwingungsgenerators 14 und dem Kunststoffmaterial 13 während des Schwingens sich keine Hohlräume bilden, die eine Einkopplung der Schwingungen bzw. Vibrationen des Schwingungsgenerators

14 in das Kunststoffmaterial 13 erschweren oder gänzlich verhindern.

Figur 1 zeigt auf der rechten Seite verschiedene mögliche Querschnittsformen des Schwingungsgenerators 14, die als Oberfläche 15 die durch den Schwingungsgene rator 14 erzeugten Schwingungen in das hochviskose Kunststoffmaterial einkoppeln sollen.

Figur 2 zeigt schematisch die Vorrichtung 10, bei der der Schwingungsgenerator 14 im Bereich seiner Oberfläche 15, mit der der Schwingungsgenerator mit dem hoch viskosen Kunststoffmaterial in Kontakt steht, eine Ausnehmung aufweist, welche das durch die Imprägnierkavität hindurchgeführte Faserbündel teilweise oder vollständig umschließt, und zwar im vollständigen Kontakt mit dem hochviskosen Kunststoffma terial. Der Roving 11 wird demzufolge durch eine Art„Loch“ in dem Longitudinal schwinger mit einer besonderen Profil Geometrie hindurchgeführt, wobei die Fasern des Rovings dabei stellenweise in Kontakt mit der Oberfläche des Longitudinal schwingers 14 stehen können. Die besondere Geometrie verhindert ein Wegschlie ßen des Materials, bzw. stellt durch Über- und Unterdruckzonen ein verbessertes Einkoppeln der Schwingungsenergie sicher.

Figur 3 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung 10, bei der dem Schwingungsgenerator 14 ein Gegenstück bzw. ein Gegenelement 16 gegen überliegt derart, dass zwischen der Oberfläche 15 des Schwingungsgenerators 14 und dem Gegenstück 16 das Faserbündel 11 hindurchgeführt wird. Bei dem Gegenstück 16 kann es sich beispielsweise um ein in der Imprägnierkavität 12 angeordneten Reflexionselement handeln, welches die von dem Schwingungsge nerator 14 eingekoppelten Schallwellen reflektieren, wodurch das Einwirken bzw. die Wirkung der Schallwellen auf den Imprägnierprozess verbessert werden kann.

Denkbar ist selbstverständlich auch, dass es sich bei dem Gegenstück 16 ebenfalls um einen Schwingungsgenerator handelt, der aktiv Schallwellen in das hochviskose Kunststoffmaterial einbringen kann, wobei Frequenz und Amplitude beider Schwin gungsgeneratoren 14 und 16 so aufeinander abgestimmt sein können, dass ein größtmöglicher Effekt beim Imprägnieren des Rovings erreicht werden kann.

Figur 4 zeigt schematisch stark vereinfachten eine Ausführungsform, bei der ein leicht aufgespreizter Roving durch ein hochviskose Kunststoffmaterial durchgezogen wird, wobei sich in der Imprägnierkavität 12 eine modal schwingende Struktur 17 be findet, die als Schwingungsgenerator entsprechende Schallenergie in das hochvis kose Kunststoffmaterial einbringen soll. Die auftretenden Schwingungsmaxima und Schwingungsminima koppeln dabei räumlich verteilt die Schwingungsenergie in das hochviskose Kunststoffmaterial ein.

Figur 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer modal schwingenden Struktur 18 mit Eigenformen, die so ausgebildet ist, dass sie den Roving 11 vollständig um schließt. Die Oberfläche des Schwingungsgenerators wird dabei durch die modal schwingenden Strukturen 17 und 18 gebildet, wobei der Schwingungsgenerator der art ausgebildet ist, dass reelle und/oder komplexe Eigenmoden dieser Strukturen 17 und 18 angeregt werden können. Diese modal schwingenden Strukturen 17 und 18 befinden sich dabei innerhalb der Imprägnierkavität 12 und können dabei vorzugs weise vollständig von dem hochviskosen Kunststoffmaterial 12 umschlossen sein. Flierdurch kann sehr effektiv die notwendige Schallenergie zum Verbessern der Im prägnierleistung in das Kunststoffmaterial eingebracht werden. Darüber hinaus be darf eine derartige Ausführungsform einen nur sehr geringen Bauraum und eignet sich demzufolge besonders bei generativen Verfahren.

Denkbar ist aber auch, dass die in Figur 5 gezeigte modal schwingende Struktur 18 in Form einer Röhre die eigentliche Imprägnierkavität bildet, so dass die Röhre 18 die Imprägnierkavität ist. Hierfür hat die Röhre 18 einen Einlass 19a sowie einen Auslass 19b, so dass das Fasermaterial 1 1 durch den Einlass 19a in das Innere der Röhre geführt wird und durch den Auslass 19b wieder herausgeführt wird. Im Inneren der Röhre 18 befindet sich des Weiteren das aufgeschmolzene Kunststoffmaterial, wobei durch die Röhre 18 in Form einer modal schwingenden Struktur mit Eigenform die Schallenergie in das aufgeschmolzene Kunststoffmaterial eingebracht wird. Au ßerhalb der Röhre befindet sich in diesem Ausführungsbeispiel gewollt kein Kunst stoffmaterial, welches nur in der Röhre zusammen mit dem Fasermaterial enthalten ist.

Figur 6 zeigt in einer stark vereinfachten Darstellung die Vorrichtung 10 in einer wei teren Ausführungsform. Die Vorrichtung 10 weist eine Imprägnierkavität 12 auf, durch die das Faserbündel 1 1 und das hochviskose Kunststoffmaterial 13 hindurch geführt wird. In die Imprägnierkavität 12 ragt des Weiteren der Schwingungsgenera tor 14 in Form einer Sonotrode derart hinein, dass der Schwingungsgenerator 14 mit dem aufgeschmolzenen Kunststoffmaterial 13 in Kontakt steht, ohne das Faserbün del 1 1 in der Imprägnierkavität zu kontaktieren. Mithilfe des Schwingungsgenerators 14 kann so Schallenergie in das aufgeschmolzene Kunststoffmaterial 13 eingebracht werden.

Über einen Einlass bzw. Eingang 19a wird sowohl das Faserbündel 1 1 (nicht, nicht vollständig oder nicht hinreichend imprägniert) als auch das aufgeschmolzene Kunst stoffmaterial 13 in die Vorrichtung 10 eingeführt, sodass das Faserbündel 1 1 und das aufgeschmolzene Kunststoffmaterial 13 in die Imprägnierkavität 12 einführbar ist.

Aus einem Auslass bzw. Ausgang 19b wird dann das mit dem Kunststoffmaterial 13 imprägnierten Faserbündels 1 1 aus der Vorrichtung 10 herausgeführt.

Der Auslass bzw. Ausgang 19b ist dabei in Form eines Extruders bzw. einer Düse zur Formgebung und Konsolidierung des Kunststoffmaterials ausgebildet. Durch das Ausformen des Ausgangs 19b in Form einer Düse bzw. eines Extruders im Gegen satz zum Einlass bzw. Eingang kann ein Druckgradient in dem Kunststoffmaterial 13 zwischen dem Einlass 19a dem Auslass 19b erzeugt werden. Der Schmelzedruck kann dabei zwischen 15 bar und 100 bar, gegebenenfalls 400 bar liegen. Der Einlass 19a ist dabei zur druckdichten Zuführung des Faserbündels 1 1 und des aufgeschmolzenen Kunststoffmaterials 13 ausgebildet. Der Auslass 19b kann dabei insbesondere in Bezug auf das aufgeschmolzene Kunststoffmaterial Druck dicht aus gebildet sein.

Der Schwingungsgenerator 14 ist dabei ebenfalls Druck dicht in Bezug auf die Im prägnierkavität 12 an der Vorrichtung 10 angeordnet.

Durch das Bedrucken des aufgeschmolzenen Kunststoffmaterials 13 mit einem Druck bzw. Bildung eines Druckgradienten kann im Zusammenhang mit dem einbrin- gen der Schallenergie durch den Schwingungsgenerator 14 erreicht werden, dass sich in dem aufgeschmolzenen Kunststoffmaterial 13 Kavitationen bilden und auflö- sen, die zu einer deutlichen Verbesserung des Imprägnierergebnisses führen. Es hat sich gezeigt, dass die bei der Auflösung der Kavitationen entstehenden Mikrojets und/oder Schockwellen (Kavitationseffekte) zu einer Verbesserung der Imprägnie rung insbesondere bei der Anwendung von hochviskosen Kunststoffmaterialen füh ren.

Zwischen dem Einlass 19a sowie vor dem Auslass 19b befinden sich Führungsele mente 20, um das Fasermaterial 1 1 an der richtigen Position durch die Imprägnier kavität 12 hindurch zu führen. Zwischen den Führungselementen 20 ist dabei die So notrode 14 bzw. der Schwingungsgenerator angeordnet.

Der Schwingungsgenerator 14 ist dabei über eine druckdichte Anbindung 23 mit der Vorrichtung 10 verbunden. Über einen Sensor 22 im Bereich der Imprägnierkavität 12 kann kontinuierlich die Temperatur und der Druck überwacht werden.

Am Auslass 19b wird schließlich der imprägnierte Faserroving 21 herausgeführt. Bezuqszeichenliste

10 Vorrichtung

1 1 Faserbündel/Roving

12 Imprägnierkavität

13 hochviskoses Kunststoffmaterial

14 Schwingungsgenerator

15 Oberfläche des Schwingungsgenerators

16 Gegenstück/Gegenelement

17 modal schwingende Plattenstruktur

18 modal schwingendes Rohr mit Eigenformen

19a Einlass

19b Auslass

20 Führungselemente

21 Imprägnierter Faserroving

22 Sensor

23 Druckdichte Anbindung