DE10058748C1 - Verfahren zur Herstellung eines Bauteils sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines Bauteils sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (108, 200, 300) mit folgenden Schritten: DOLLAR A a) Aufbringen einer ersten aus einem Stützmaterial (102, 202, 302) bestehenden flächigen Schicht auf eine Bauplattform (101, 201, 301), DOLLAR A b) Einbringen mindestens einer Aussparung (103, 203, 303) in das Stützmaterial (102, 202, 302), DOLLAR A c) Ausfüllen der Aussparung (103, 203, 303) mit einem Baumaterial (104, 204, 304), DOLLAR A d) Aufbringen einer weiteren Schicht aus Stützmaterial (102, 202, 302), DOLLAR A e) Wiederholen der Schritte b) bis d) bis zur Fertigstellung des Bauteils (108, 200, 300) und DOLLAR A f) Entfernen des Stützmaterials (102, 202, 302). DOLLAR A Durch dieses Verfahren soll ein Verfahren zur Herstellung und eine Vorrichtung angegeben werden, welche die Vorteile des schichtweisen Aufbaus (Rapid Prototyping) mit den Vorteilen einer spanenden Bearbeitung (z. B. Hochgeschwindigkeitsfräsen) vereinen und insbesondere die Erzeugung scharfkantiger Konturen ermöglicht. DOLLAR A Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Druchführung des Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Insbesondere be­ trifft die Erfindung ein generatives Fertigungsverfahren zur Herstellung von metallischen oder Verbund-Bauteilen.
In den vergangenen Jahren wurden viele verschiedene generative Verfahren zur direkten oder indirekten Herstellung von meist nichtmetallischen Bauteilen entwickelt und teilweise kommer­ zialisiert.
Da bei der direkten Herstellung von metallischen Bauteilen bis jetzt noch nicht der nötige Fortschritt erzielt wurde, werden metallische Bauteile, insbesondere mit komplizierten Geometri­ en auch heute noch meist in schon lange bekannten indirekten Verfahren, wie z. B. Fein- oder Sandguss hergestellt.
Das am meisten verbreitete Verfahren zur direkten Fertigung von metallischen Bauteilen ist Fräsen. Durch die großen Ge­ schwindigkeitssteigerungen, die das Hochgeschwindigkeitsfräsen (HSC) brachte, wurde bereits versucht, diese Technologie mit anderen Verfahren zu kombinieren.
Aufgrund der häufig langen Prozessketten bei indirekten Ver­ fahren (z. B. Feinguss) besteht der Bedarf an Verfahren zur direkten Herstellung von Metallbauteilen. Ferner besteht ein großer Bedarf an flexiblen Verfahren zur schnellen, direkten Herstellung von Metallbauteilen in Serienmaterial. Dem stehen heute jedoch noch häufig Problematiken bei generativen Ferti­ gungsverfahren entgegen, z. B. störender Stufeneffekt, poröse Bauteile, kleiner Bauraum, schlechte Oberflächenqualität, un­ genügende Genauigkeit, Erfordernis einer mechanischen Nachbearbeitung, Spannungen und Verzug, eingeschränkte Verwendung von Serienmaterial, nur bedingte Erzeugung von Hinterschnei­ dungen, keine lokale Verwendung unterschiedlicher Baumateria­ lien, ungenügende Materialeigenschaften, nur bedingte Erzeu­ gung von Funktionsbauteilen, usw.
Bekannte direkte Verfahren zur Herstellung metallischer Gegen­ stände sind z. B.:
  • - Laser-Generieren mit Draht: Dabei erfolgt der Material­ auftrag durch Metalldrähte, die mittels eines Lasers ört­ lich aufgeschmolzen werden. Dieses Verfahren zählt zu den Verfahren des Auftragsschweißens. Das Bauteil wird dabei zeilen- und schichtweise aufgebaut, z. B. Controlled Me­ tal Build Up (CMB).
  • - Laser-Generieren mit Pulver: Dabei erfolgt der Material­ auftrag durch Metallpulver, das mittels eines Lasers ört­ lich aufgeschmolzen wird. Das Bauteil wird dabei zeilen- und schichtweise aufgebaut, z. B. Laser Engineering Net Shaping (LENS) oder Direkt Light Fabrication (DLF).
  • - Lasersintern im Pulverbett: Dabei werden dicht nebenein­ ander liegende Partikel mit Hilfe eines Laserstrahls ver­ schmolzen. Abhängig von der Art des Pulvers bzw. Pulver­ gemisches gibt es verschiedene Varianten. Das Versintern von Einkomponenten-Metallpulver wird z. B. als Direct Me­ tal Laser Sintering (DMLS) oder Laser Powder Remelting (SLPR) bezeichnet. Beim Versintern von Mehrkomponenten- Metallpolymerpulver wird ein polymerumhülltes Metallpul­ ver verwendet. Dabei werden die Polymerhüllen aufge­ schmolzen, um die Partikel zu einem Grünteil zu verbin­ den. In einem Folgeprozess muss der Polymeranteil ausge­ trieben und das Bauteil infiltriert werden. Beim Versintern von Mehrkomponenten-Metall-Metallpulver wird ein Ge­ misch aus niedrigschmelzendem und hochschmelzendem Me­ tallpulver verwendet.
  • - Schicht-Laminat-Verfahren: Dabei werden Folien als Bauma­ terial verwendet, die verklebt oder verlötet werden, z. B. DE 197 29 770 C1, Layer Milling Prozess (LMP), Lamina­ ted Objekt Manufactering (LOM).
  • - 3D-Druckverfahren: Dabei wird Metallpulver mit Binder be­ druckt. Das so hergestellte Bauteil muss anschließend entbindert und mit Metall infiltriert werden, z. B. Three-dimensional Printing (3DP).
  • - Micro-Casting Deposition: Dabei werden mit Hilfe von Mas­ ken Schichten durch thermisches Spritzen aufgebracht, z. B. Micro-Casting Deposition (MD).
Weiterhin sind Kombinationen von auftragenden und abtragenden Verfahren bekannt (vgl. z. B. EP 554 033 B1). Ein weiterer An­ satz besteht darin, die Bauteile zu segmentieren und konven­ tionell zu fräsen, z. B. Stratified Object Manufactering (SOM) oder DE 197 27 934 A1.
Bei (fast) allen bekannten Verfahren, insbesondere bei der Verwendung von rotierenden Werkzeugen, wirkt sich (je nach Geometrie) der Werkzeugdurchmesser auf die Bauteilgeometrie aus, indem nicht die gewünschte Geometrie, sondern eine Geome­ trie mit Radien entsteht. Selbst bei Verfahren, bei denen die Kontur mittels eines Lasers erzeugt wird, entsteht keine scharfe Kante, da meist der Laserstrahl Rotationssymmetrie aufweist und die Einflusszone (z. B. der Schmelzbereich) grö­ ßer ist als der Strahl. Selbst bei Verfahren wie z. B. dem 3D- Drucken muss der Tropfenradius in Kauf genommen werden.
Aus der Druckschrift DE 42 16 502 C1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteiles bekannt, bei welchem auf eine Bau­ plattform, eine erste, aus Stützmaterial bestehende flächige Schicht aufgebracht, mindestens eine Aussparung in das Stütz­ material eingebracht, die Aussparung mit einem Baumaterial ausgefüllt, eine weitere Schicht auf das Stützmaterial aufge­ bracht wird sowie diese Schritte bis zur Fertigstellung des Bauteils wiederholt werden und schließlich das Stützmaterial entfernt wird.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils und eine Vorrichtung anzugeben, welche die Vorteile des schichtweisen Aufbaus (Rapid Prototy­ ping) mit den Vorteilen einer spanenden Bearbeitung (z. B. Hochgeschwindigkeitsfräsen) vereinen und insbesondere die Er­ zeugung scharfkantiger Konturen ermöglichen.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch die Merk­ male des Anspruchs 1 und hinsichtlich der Vorrichtung durch die Merkmale des Anspruchs 11 gelöst. Die Unteransprüche bein­ halten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Das erfindungsgemäße Verfahren nach Anspruch 1 hat gegenüber den herkömmlichen Fertigungsmethoden eine Reihe von Vorteilen. Bei der Bearbeitung des Stützmaterials wird eine Art "Schicht­ form" geschaffen. Diese spanabhebende Bearbeitung des Stützma­ terials anstelle des Baumaterials lässt eine einfachere und schnellere Zerspanung zu. Der Werkzeugverschleiß ist geringer. Es lassen sich auch kleinere Werkzeugdurchmesser verwenden. Falls das Baumaterial z. B. aufgrund einer hohen Härte schwer oder nicht zerspanbar ist, kann das Problem durch eine Formge­ bung durch das Stützmaterial beseitigt werden. Durch eine Kom­ bination von Stützmaterial-Bearbeitung und Baumaterial- Bearbeitung sind scharfkantige Konturen realisierbar.
Da größere Fräsdurchmesser einsetzbar sind, ist auch eine Zei­ tersparnis möglich.
Bei Bauteilen mit konventionell hohem Zerspanungsgrad muss we­ niger Volumen zerspant werden.
Das Einebnen der Oberfläche kann vorzugsweise durch Fräsen mit Grobwerkzeugen erfolgen. Dies erlaubt eine schnelle Zerspanung. Das Einebnen ist wichtig, um eine definierte Ausgangs­ fläche für die nächste Schicht zu erzeugen oder um die Ober­ flächengüte und die Maßhaltigkeit zu gewährleisten, falls die­ se Fläche oder Teile davon die Oberfläche des herzustellenden Gegenstandes darstellt. Das Einebnen der Oberfläche kann auch durch andere mechanische Verfahren, chemische oder physikali­ sche Abtragung erfolgen.
Durch eine geringe Schichtdicke kann bevorzugt eine Trockenbe­ arbeitung mit gasförmigen Medien zur Spanentfernung, Reinigung und Kühlung erfolgen. Auf die Verwendung von flüssigen Kühl- und Schmierstoffen sollte verzichtet werden, so dass diese vor dem Auftragen der nächsten Schicht auch nicht wieder entfernt werden müssen.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt es, alle Arten von Me­ tallen, Legierungen, aber auch andere Stoffe (z. B. Keramiken) in beliebiger Reihenfolge mittels einer einzigen vorrichtungs­ gemäßen Anlage aufzutragen und damit unterschiedlichste Eigen­ schaften innerhalb eines Baukörpers zu erzeugen. Durch den Einsatz unterschiedlicher Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften lassen sich z. B. Lagerbuchsen mit beliebiger Geometrie form- oder stoffschlüssig in Gehäuse integrieren so­ wie z. B. durch intelligente Prozessführung poröse Bereiche z. B. für die Schmierstoffaufnahme ähnlich wie bei Sintermateria­ lien herstellen.
Dazu kann es notwendig sein, die Oberfläche, auf welche die nächste Schicht aufgebracht wird, zu aktivieren. Dies kann z. B. durch Strahlen, Laseraufrauhen oder chemische Verfahren in­ nerhalb einer einzigen vorrichtungsgemäßen Anlage geschehen. Das erfindungsgemäße Verfahren und die zugehörige Vorrichtung erlauben es, konstante oder variable Schichtstärken, abhängig von der Geometrie, dem Auftragsverfahren, dem Wärmeverhalten, den vorgegebenen Toleranzen usw. innerhalb eines Bauteils zu realisieren.
Auch lassen sich Aussparungen wie z. B. Taschen oder Bohrungen erzeugen, auch über mehrere Schichten, um Einbauteile oder Einlegeteile einbringen zu können, welche mit der Grundstruk­ tur fest oder lose verbunden sind.
Durch eine definierte Erwärmung und Abkühlung sind gezielt Ei­ genschaften wie z. B. Porosität, Materialgefüge, Härte auch lokal einstellbar.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die zugehörige Vorrichtung erlauben für Sonderanwendungen das Herstellen von Hohlkörpern oder doppelwandigen Körpern oder z. B. die Integration von Strukturen wie z. B. Kühlkanälen. Auch sind bewegliche Funkti­ onsteile erzeugbar z. B. durch einen dünnen Spalt bei der Her­ stellung oder durch Materialkombinationen, die sich nicht ver­ binden oder durch Spaltbildung aufgrund definiertem Schwund eines Materials.
Als Stützmaterial können bevorzugt sowohl Keramik (z. B. Poly­ merkeramik), Gips oder (niedrigschmelzende) Metalle und Legie­ rungen verwendet werden. Das Stützmaterial kann sowohl durch Spritzen oder Drucken aufgebracht werden. Natürlich sind auch andere Materialien und bekannte Verfahren möglich.
Bevorzugt werden Stützmaterialien, die (wasser)löslich und (dünn)flüssig sind. Sie sollten nach ihrer Verfestigung wieder (wasser)löslich sein. Vorteilhaft wären auch Materialien, die schnell abbindend bzw. erstarrend sind. Sie sollten auch wär­ mebeständig sein. Wünschenswert wäre auch ein möglichst gerin­ ger Schwund bzw. eine möglichst geringe Wärmeausdehnung. Die Löslichkeit kann z. B. auch durch Laugen oder andere Medien erfolgen.
Das Stützmaterial kann durch verschiedene Auftragsverfahren aufgebracht werden. Diese Auftragsverfahren können in ver­ schiedene Gruppen unterteilt werden:
  • 1. Flächig aufbringen und anschließender Herstellung der be­ nötigten Aussparungen z. B. a.) flächig aufspritzen und Aussparung(en) fräsen oder b.) Schicht, z. B. Keramikpar­ tikel, aufbringen, Binder an den Stellen aufbringen an denen keine Aussparung benötigt wird und anschließend un­ gebundene Partikel absaugen. (Die Kontur kann ggf. auch zusätzlich noch nacharbeitet werden).
  • 2. Bereiche aufbringen und anschließende Nachbearbeitung der benötigten Aussparungen, z. B. Bereiche aufspritzen und Aussparung(en) fräsen.
  • 3. Stützmaterial definiert aufbringen ohne Nachbearbeitung der benötigten Kontur/Aussparung, z. B. Schicht definiert mit Dosiersystemen, z. B. Drop-on-demand Druckkopf, auf­ bringen.
  • 4. Stützmaterial definiert aufbringen und Nachbearbeitung der benötigten Kontur/Aussparung, z. B. Schicht definiert mit Dosiersystemen, z. B. Drop-on-demand Druckkopf, auf­ bringen und durch Fräsen nacharbeiten.
Die Aussparungen können auf Fertigmaß hergestellt werden (falls kein Aufmaß gewünscht wird) oder entsprechend größer um ein Aufmaß für eine Nacharbeit vorzusehen. Dieses Fertigmaß oder das Maß mit dem Aufmaß ist hier jedoch unabhängig von der Geometrie der Wände bzw. Nacharbeit zu sehen.
In allen Fällen kann die Kontur so aufgebracht und/oder nach­ gearbeitet werden, dass entweder senkrechte Wände/Stufen ent­ stehen oder die Kontur (Wände) zur Minimierung des Stufenef­ fektes der gewünschten Kontur (Wände) angenähert wird oder ei­ ne andere Geometrie, die aufgrund des Auftrags- /Nacharbeitsverfahren entsteht oder leicht herzustellen ist. Eine Überarbeitung der Schichten in der Höhe kann bei allen Varianten bei Bedarf jederzeit durchgeführt werden.
Die Form und Anzahl der Aussparungen ist abhängig von der Geo­ metrie des Bauteils und kann natürlich auch z. B. Inseln ent­ halten. Falls mehrere Bauteile gleichzeitig (z. B. nebeneinan­ der) gefertigt werden, fallen diese Aussparungen analog für jedes Bauteil an.
Das als Substrat bezeichnete Teil kann auch Bestandteil des herzustellenden Gegenstandes sein. In diesem Fall wird dieses (zumindest vorerst nicht) vom schichtweise gebauten Bauteil getrennt. Auf die Zwischenschichten aus Stützmaterial kann ggf. in diesem Sonderfall verzichtet werden.
Das Baumaterial (Pulver) wird mit einer Vorrichtung in die hergestellten Aussparungen eingefüllt. Dazu sind verschiedene Auftragsverfahren verwendbar. Einige der möglichen Auftrags­ verfahren werden nun kurz dargestellt.
Ein Beispiel für ein Auftragsverfahren ist das seit langem be­ kannte Verfahren des thermischen Spritzens. Unter thermisches Spritzen fallen z. B. das Flamm- und Lichtbogenspritzen, das Plasmaspritzen, das Hochgeschwindigkeitsflammspritzen, das De­ tonationsspritzen und das Laserspritzen. Beim thermischen Spritzen wird der Spritzwerkstoff in einer Pistole durch eine Flamme, ein Plasma oder einen Lichtbogen vollständig oder teilweise aufgeschmolzen und mit hoher Geschwindigkeit aus der Pistole geschleudert. Die nacheinander auftreffenden Partikel bilden unter Einschluss von Poren eine lamellenartige Schicht. Die Haftung der Spritzpartikel beruht auf mechanischer Ver­ klammerung, auf Adhäsion sowie auf chemischen und metallurgi­ schen Wechselwirkungen. Mechanische Verklammerung leisten in der Regel den größten Beitrag zur Haftung. Durch eine an­ schließende Verschmelzung der neuen Schicht in sich und mit der darunter liegenden Schicht Baumaterial, z. B. mit Hilfe eines Lasers, kann das Problem der Haftung durch eine schmelz­ metallurgische Verbindung gelöst werden. Ein Problem beim thermischen Spritzen mit hohen Temperaturen stellt die Oxid­ bildung des Baumaterials dar. Da der Einsatz von Schutzgas (z. B. Argon) als Zerstäubergas in den benötigten Mengen meist un­ wirtschaftlich ist, muss ein gewisser Oxidgehalt im Baumateri­ al in Kauf genommen werden.
Eine Weiterentwicklung des Hochgeschwindigkeitsflammspritzen stellt das Kaltgasspritzen dar. Dieses Verfahren wird z. B. in EP 484 533 B1 beschrieben. Beim Kaltgasspritzen wird als Zu­ satzwerkstoff Pulver verwendet. Die Pulverpartikel werden beim Kaltgasspritzen jedoch nicht im Gasstrahl geschmolzen, da die Temperatur des Gasstrahls meist unter der Temperatur des Schmelzpunktes der Pulverpartikel liegt.
Ein weiteres Auftragsverfahren stellt die Gruppe des Auftrags­ schweißens dar. Da hierbei kein Zerstäubergas benötigt wird, kann unter einer Inertgasatmosphäre zur Vermeidung von Oxid­ bildung gearbeitet werden. Die Energie zum Schmelzen bzw. Schweißen kann z. B. durch einen Laser oder einen Lichtbogen eingebracht werden. Das Baumaterial kann z. B. in Form von Pulver, Stäben oder von der Rolle zugeführt werden.
Insbesondere in Verbindung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 ergibt sich ein Verfahren, das gegenüber bekannten Sinterver­ fahren eine Reihe von Vorteilen besitzt.
Beim konventionellen selektiven Lasersintern im Pulverbett be­ steht das Problem, dass benachbarte Partikel ungewollt mit aufgeschmolzen bzw. angeschmolzen werden. Dadurch wird die Oberflächengüte und Maßhaltigkeit mit in Leidenschaft gezogen. Bei dem neuen Verfahren existieren keine benachbarten Parti­ kel. Somit kann auch kein benachbartes Pulver mit angebacken werden. Ferner besteht die Möglichkeit, die Oberfläche am Bau­ material nachzuarbeiten. (Dadurch ergibt sich eine bessere Oberflächengüte und eine bessere Maßhaltigkeit).
Beim konventionellen selektiven Lasersintern im Pulverbett be­ steht weiterhin das Problem, dass die Schichtstärke und die Bauteilgeometrie den Stufeneffekt bestimmt. Bei dem neuen Ver­ fahren kann entweder das Stützmaterial an die ideale Geometrie des Bauteils angenähert werden oder das Bauteil durch Nachar­ beit der Oberfläche an die ideale Geometrie des Bauteils ange­ nähert werden. (Dadurch ergibt sich eine Minimierung des Stu­ feneffekts, eine besser Oberflächengüte und eine bessere Maß­ haltigkeit).
Beim konventionellen selektiven Lasersintern im Pulverbett be­ steht das Problem, dass der Energieeintrag exakt gesteuert werden muss, um das Anbacken der umliegenden Partikel mög­ lichst zu beschränken. Bei dem neuen Verfahren existieren kei­ ne benachbarten Partikel. Somit kann auch kein benachbartes Pulver mit angebacken werden. Der Prozess kann durch Erhöhung des Energieeintrags beschleunigt werden. (Dadurch besteht die Möglichkeit einer Erhöhung der Geschwindigkeit und eine unpro­ blematischere Steuerung des Energieeintrags).
Beim konventionellen selektiven Lasersintern im Pulverbett be­ steht auch das Problem, dass einerseits genug Energie einge­ bracht werden muss, um das Pulver aufzuschmelzen, andererseits darf nicht zuviel Energie eingebracht werden, um das An­ backen der umliegenden Partikel möglichst zu vermeiden. Häufig wird deshalb in Kauf genommen, dass das Pulver zumindest teil­ weise nur angeschmolzen wird. Bei dem neuen Verfahren existie­ ren keine benachbarten Partikel. Somit kann auch bei höherem Energieeintrag kein benachbartes Pulver mit angebacken werden. Durch das unproblematische Aufschmelzen der Partikel kann ein Bauteil mit der Dichte und den Eigenschaften, wie sie in den Werkstoffspezifikationen angegeben sind, hergestellt werden. (Dadurch besteht die Möglichkeit, 100% dichte Bauteile (keine Porosität) und Bauteile mit besseren Materialeigenschaften herzustellen).
Beim konventionellen selektiven Lasersintern im Pulverbett be­ steht das Problem, dass teilweise keine scharfen Kanten herge­ stellt werden können. Bei dem neuen Verfahren können die scharfen Kanten zumindest teilweise bereits im Stützmaterial vorgesehen werden oder durch eine mögliche Nacharbeit am Bau­ material realisiert werden. (Beim neuen Verfahren besteht die Möglichkeit scharfe Kanten zu realisieren).
Beim konventionellen selektiven Lasersintern im Pulverbett be­ steht das Problem, dass keine Einlegeteile realisierbar sind. (Beim neuen Verfahren besteht die Möglichkeit Einlegeteile zu integrieren).
Beim konventionellen selektiven Lasersintern im Pulverbett be­ steht das Problem, dass keine Kombination verschiedener Mate­ rialien realisierbar ist, ohne das Pulver mit dem anderen zu verunreinigen. (Beim neuen Verfahren besteht die Möglichkeit verschiedene Materialien auch innerhalb einer Schicht zu kom­ binieren).
Um Fehlstellen (z. B. durch Oxidation) im Bauteil zu vermei­ den, kann z. B. unter Schutzgasatmosphäre/Inertgas oder im Va­ kuum gearbeitet werden.
Das Aufschmelzen des Pulvers kann allgemein durch Energiezu­ fuhr, z. B. durch elektromagnetische Strahlung, erfolgen. Be­ vorzugt wird ein Laser eingesetzt.
Bestimmte Scanstrategien sind sinnvoll bzw. notwendig, um ge­ wünschte Bauteil- und Materialeigenschaften zu erzielen. (z. B. Überlappen der Spuren, um eine höhere Dichte (geringerer Po­ renanteil) zu erhalten).
Das erfindungsgemäße Fertigungsverfahren ist eine Kombination aus auftragenden mit abtragenden Fertigungsverfahren und um­ fasst folgende Prozessschritte:
  • 1. Bauteil am Computer mit einem 3D-CAD-System konstruieren oder digitalisieren
  • 2. 3D-Zeichnung/Daten numerisch in Schichten zerlegen (z. B. 0,25 mm)
  • 3. Aufbereitete Daten in die Maschine einlesen
Die Schritte 1 und 3 entsprechen dabei den heute üblichen Vor­ bereitungen für eine CNC-Fertigung bzw. Fertigung mit genera­ tiven Anlagen. Der Schritt 2 ist für einen schichtweisen Auf­ bau notwendig. Im Prinzip ist dies ebenfalls, allerdings in wesentlich gröberen Schritten, aus der segmentierten Fertigung mit konventionellem Fräsen (z. B. DE 197 27 934 A1) bekannt.
Wenn man die vorbereitenden Schritte berücksichtigt, so be­ ginnt das in seiner Gesamtheit dargestellte Verfahren eigent­ lich mit dem 4. Schritt.
  • 1. Stützmaterial (z. B. anorganische oder organische Sub­ stanzen, niedrigschmelzende Legierung) auf Bauplattform aufbringen (z. B. durch Spritzen). Bei Bedarf vorher die Oberfläche der Bauplattform aktivieren.
  • 2. Nachdem das Stützmaterial verfestigt ist (z. B. durch abbinden, abkühlen) nächste Schicht Stützmaterial auf­ bringen.
  • 3. Schritt 5 so oft wiederholen, bis eine ausreichende Höhe erhalten ist, um das Bauteil später von der Plattform entfernen zu können bzw. thermisch zu isolieren.
  • 4. Oberfläche einebnen (z. B. durch Fräsen).
  • 5. Schicht Stützmaterial falls möglich in einem Zug auf­ bringen (z. B. durch Spritzen oder Drucken).
  • 6. Nachdem das Stützmaterial verfestigt ist (z. B. durch abbinden, abkühlen) Aussparung im Stützmaterial für Bau­ material (z. B. durch Fräsen) herstellen. Falls aufgrund der Geometrie Hinterschneidungen im Stützmaterial erfor­ derlich wären, senkrechte Wände an diesen Stellen erzeu­ gen. Alle anderen Wände möglichst der Endgeometrie an­ passen (Minimierung des Stufeneffektes) oder ggf. ein Aufmaß zur Endgeometrie vorsehen. Falls scharfe Kanten am Baumaterial notwendig sind, Aussparung entsprechend der Bearbeitungszugabe größer herstellen.
  • 7. Bei Bedarf Oberfläche einebnen und/oder aktivieren.
  • 8. Baumaterial (Pulver) aufbringen (z. B. durch thermisches Spritzen, Kaltgasspritzen, Auftragsschweißverfahren).
  • 9. Falls bedingt durch das Auftragsverfahren z. B. keine schmelzmetallurgische Verbindung in sich und/oder zum Untergrund besteht oder die Schicht porös oder rissig ist, durch Energiequelle (z. B. elektromagnetische Strahlung, vorzugsweise Laserstrahl) neue Schicht in sich und gegebenenfalls mit der darunter liegenden Schicht verschmelzen bzw. verschweißen.
  • 10. Bei Bedarf Oberfläche der Schicht einebnen (z. B. durch Fräsen).
  • 11. Falls scharfe Kanten am Baumaterial erzeugt werden sol­ len oder zuvor ein Aufmaß berücksichtigt wurde, jetzt (z. B. durch Fräsen) herstellen bzw. fertig bearbeiten.
  • 12. Bei Bedarf die Hinterschneidungen, die je nach Geometrie im Stützmaterial entstanden wären, jetzt oder gleichzei­ tig mit Schritt 14 am Baumaterial (z. B. durch Fräsen) entfernen. (Durch die senkrechten Wände wurde mehr Mate­ rial aufgetragen als benötigt. Dieses wird jetzt ent­ fernt).
  • 13. Schritte 7 bis 15 wiederholen bis Bauteil Gesamthöhe er­ reicht hat. Wurden durch Bearbeitungen (z. B. Hinter­ schneidungen, scharfe Kanten, Aufmaß) Fehlstellen im Stützmaterial erzeugt, so werden mit dem Aufbringen des Stützmaterials für die nächste Schicht auch diese Fehl­ stellen mit gefüllt.
  • 14. Bauteil mit Stützmaterial von der Bauplattform trennen.
  • 15. Block aus der Maschine nehmen.
  • 16. Stützmaterial entfernen, um Bauteil freizulegen (z. B. durch Auflösen, Schmelzen, mechanisches Abtragen).
Falls zwei oder mehr verschiedene Baumaterialien je Schicht verwendet werden sollen, muss das zweite und jede folgende wie das erste Baumaterial in die Schicht eingebracht werden. Dazu muss gegebenenfalls ein Teil des bereits aufgetragenen Bauma­ terials oder Stützmaterials wieder entfernt werden, um Platz zu schaffen für das weitere Baumaterial.
Falls das Bauteil eine höhere Oberflächengüte aufweisen soll (als es mit der Trennung zum Stützmaterial herstellbar ist) oder auch aus anderen Gründen, so wird die Aussparung im Stützmaterial entsprechend einer Bearbeitungszugabe größer er­ stellt. Nach dem Erhärten des Baumaterials wird dann in einem weiteren Schritt das Endmaß und die endgültige Oberfläche des Bauteils im Bereich der Schicht erzeugt. Dazu wird es notwen­ dig sein, auch das Stützmaterial wieder teilweise zu entfer­ nen.
Das Stützmaterial kann auch definiert aufgebracht werden, um eine Nacharbeit minimieren bzw. vermeiden zu können.
Um Konturen zu erarbeiten, werden vorzugsweise Fräser oder Schleifwerkzeuge verwendet. Ob man Formfräser verwendet oder Schrägen z. B. durch Schrägstellen des Werkzeuges erreicht, ist gleichbedeutend. Die vorwiegende Bearbeitung eines einfa­ cher zu zerspanenden Stützmaterials anstelle von hochwertigem Baumaterial ergibt eine schnellere Zerspanbarkeit, einen ge­ ringeren Werkzeugverschleiß und die Möglichkeit, bei Bedarf kleinere Werkzeugdurchmesser zu verwenden. Durch die Kombination von Stützmaterial- und Baumaterialbearbeitung sind scharfkantige Konturen realisierbar. Verwendet man z. B. in diesem Fall größere Fräserdurchmesser, so ergeben sich Zeiteinsparungen bei jedem entsprechenden Vorgang.
Da die Zerspanung des Baumaterials auf ein Minimum reduziert werden kann, kann hochwertiges Baumaterial eingespart werden.
Abtragungsvorgänge können nicht nur mechanisch erfolgen, son­ dern sind auch mit chemischen oder physikalischen Methoden möglich.
Die Planbearbeitung jeder Schicht erfolgt vorzugsweise mit Grobwerkzeugen zur schnelleren Zerspanung. Wichtig dabei ist nur, eine definierte Schichtstärke und eine definierte Aus­ gangsfläche für den nächsten Schritt zu erhalten.
Zur automatischen Prozessüberwachung können bekannte Sensoren (z. B. optische oder thermische) verwendet werden. Sie müssen lediglich von solcher Art sein, dass sie die Prozesssicherheit und Toleranzeinhaltung gewährleisten.
Die Basis der Anlage besteht bevorzugt aus einer konventionel­ len 3-Achs-CNC-Fräsmaschine mit automatischem Werkzeugwechs­ ler. Die Maschine ist erweitert mit Geräten zum Aufbringen und gegebenenfalls zum Bearbeiten des Stützmaterials und des Bau­ materials. Zum Beispiel ist je nach Art der Baumaterialauf­ bringung ein Laser zum Verschmelzen der Schichten integriert. Alle wichtigen Zusatzeinrichtungen (außer Versorgungseinrich­ tungen) befinden sich innerhalb der voll verkapselten Verklei­ dung der Fräsmaschine.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispie­ len näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine Schnittansicht, bei der gerade das Baumaterial in Form von Pulver aufgebracht wird;
Fig. 2 eine Schnittansicht, bei der das Baumaterial aufge­ bracht wurde;
Fig. 3 eine Schnittansicht, bei der gerade das Baumaterial mit einem Laser verschmolzen wird;
Fig. 4 eine Schnittansicht, bei der das Baumaterial ver­ schmolzen wurde;
Fig. 5 eine Schnittansicht, bei der die oberste Schicht eingeebnet wurde;
Fig. 6 eine Schnittansicht eines herzustellenden Gegen­ stands;
Fig. 7 die Draufsicht des Substrates bzw. einer vorherigen Schicht;
Fig. 8 eine Schnittansicht von Fig. 7;
Fig. 9 die Draufsicht eines weiteren Schrittes des Verfah­ rens, bei dem Stützmaterial auf das Substrat aufge­ bracht wurde.
Fig. 10 eine Schnittansicht von Fig. 9;
Fig. 11 die Draufsicht eines weiteren Schrittes des Verfah­ rens, bei dem eine Aussparung im Stützmaterial er­ zeugt wurde;
Fig. 12 eine Schnittansicht von Fig. 11;
Fig. 13 die Draufsicht eines weiteren Schrittes des Verfah­ rens, bei dem die Aussparung im Stützmaterial mit Baumaterial gefüllt wurde;
Fig. 14 eine Schnittansicht von Fig. 13;
Fig. 15 die Draufsicht eines weiteren Schrittes des Verfah­ rens, bei dem eine scharfe Kante am Bauteil erzeugt wurde;
Fig. 16 eine Schnittansicht von Fig. 15;
Fig. 17 die Draufsicht eines weiteren Schrittes des Verfah­ rens, bei dem eine neue Lage Stützmaterial aufge­ bracht wurde;
Fig. 18 eine Schnittansicht von Fig. 17, bei der die neue Schicht Stützmaterial als eine schichtübergreifende Lage erkennbar ist;
Fig. 19 eine Schnittansicht eines herzustellenden Gegen­ stands;
Fig. 20 die Draufsicht des Substrates bzw. einer vorherigen Schicht;
Fig. 21 eine Schnittansicht von Fig. 20;
Fig. 22 die Draufsicht eines weiteren Schrittes des Verfah­ rens, bei dem Stützmaterial auf das Substrat aufge­ bracht wurde;
Fig. 23 eine Schnittansicht von Fig. 22;
Fig. 24 die Draufsicht eines weiteren Schrittes des Verfah­ rens, bei dem eine Aussparung im Stützmaterial er­ zeugt wurde;
Fig. 25 eine Schnittansicht von Fig. 24;
Fig. 26 die Draufsicht eines weiteren Schrittes des Verfah­ rens, bei dem die Aussparung im Stützmaterial mit Baumaterial gefüllt wurde;
Fig. 27 eine Schnittansicht von Fig. 26;
Fig. 26 die Draufsicht eines weiteren Schrittes des Verfah­ rens, bei dem das Aufmaß am Bauteil entfernt wurde;
Fig. 29 eine Schnittansicht von Fig. 28;
Fig. 30 die Draufsicht eines weiteren Schrittes des Verfah­ rens, bei dem eine neue Lage Stützmaterial aufge­ bracht wurde; und
Fig. 31 eine Schnittansicht von Fig. 30, bei der die neue Schicht Stützmaterial als eine schichtübergreifende Lage erkennbar ist.
In den Fig. 1 bis 5 wird die Herstellung eines Bauteils 108 gemäß eines ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrie­ ben. Auf ein Substrat 101 oder eine vorherige Schicht wird ein Stützmaterial 102 aufgebracht. Das Stützmaterial 102 kann ent­ sprechend der Kontur des gewünschten Bauteils 108 definiert aufgebracht werden oder flächig mit anschließender Herstellung der benötigten Aussparungen 103. Die Aussparung 103 kann größer als die Kontur des gewünschten Bauteils 108 sein, falls eine Nacharbeit der Schicht am Baumaterial 107 durchgeführt werden soll. In einem weiteren Schritt wird die Aussparung 103 mit einem Baumaterial 107 aufgefüllt. Dazu wird ein Vorratsbe­ hälter 105, der das Baumaterial 104 enthält, in Pfeilrichtung 106 über die im Stützmaterial 102 vorhandene Aussparung 103 geführt. In einem weiteren Schritt wird das Baumaterial 107 mit einem Laser 109, der sich z. B. in Pfeilrichtung 110 be­ wegt, in sich und ggf. mit der darunter liegenden Schicht ver­ schmolzen (schmelzmetallurgisch verbunden). Falls bei dem Bau­ teil 108 ein Aufmaß vorgesehen wurde, kann dieses nun entfernt werden. In einem weiteren Schritt wird die gesamte Oberfläche 111 der Schicht eingeebnet, um eine definierte Schichthöhe zu erhalten. Die Schritte werden nun so oft wiederholt, bis das gewünschte Bauteil 108 fertig ist. Anschließend wird das Stützmaterial 102 entfernt, um das Bauteil 108 freizulegen.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Herstellung eines Bauteils 200 mit einer Aussparung beschrie­ ben. In dieser Beschreibung wird insbesondere auf die Herstel­ lung von scharfen Kanten bzw. kleinen Radien eingegangen. Hierbei wird auf die Fig. 6 bis 18 Bezug genommen. Auf ein Substrat 201 oder eine vorherige Schicht wird ein Stützmateri­ al 202 in einem Zug auf der gesamten Fläche aufgebracht. In einem weiteren Schritt wird eine Aussparung 203 in der soeben aufgebrachten Schicht erzeugt. Diese Aussparung 203 hat in be­ stimmten Bereichen die Kontur des gewünschten Bauteils 200. In anderen Bereichen wird nicht sofort die endgültige Kontur des Bauteils 200 erzeugt, wie beispielsweise bei einem bekannten Verfahren, sondern eine größere Aussparung erzeugt, so dass das Bauteil 200 an bestimmten Stellen ein Aufmaß aufweist. Diese größere Aussparung 203 wird benötigt, wenn der Radius des Zerspanungswerkzeuges größer ist als der erlaubte Radius am späteren Bauteil 200 bzw. wenn eine scharfe Kante benötigt wird. In einem weiteren Schritt wird die Aussparung 203 mit einem Baumaterial 204 aufgefüllt. In einem weiteren Schritt wird das Aufmaß am Baumaterial 204 entfernt und die gesamte Oberfläche der Schicht eingeebnet, um eine definierte Schicht­ höhe zu erhalten. Bei der Konturbearbeitung wird sowohl ein Teil des Baumaterials 204 wie auch ein Teil des Stützmaterials 202 entfernt. Durch diese Entfernung entsteht eine neue Aus­ sparung 205 in der Schicht. In einem weiteren Schritt wird wieder Stützmaterial 206 aufgebracht. Bei der Aufbringung wer­ den 2 Schichten 206 gleichzeitig erzeugt, da die Schicht 206 das Auffüllen der Aussparungen 205 (Fehlstellen der vorherigen Schicht) und den darüber liegenden Bereich betrifft. Die Schritte werden nun so oft wiederholt, bis das gewünschte Bau­ teil 200 fertig ist. Danach wird der so gewonnene Block von der Bauplattform getrennt. Anschließend wird das Stützmaterial 202, 206 entfernt, um das Bauteil 200 freizulegen.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Herstellung eines Bauteils 300 mit einer Aussparung beschrie­ ben. Hierbei wird auf die Fig. 19 bis 31 Bezug genommen. Auf ein Substrat 301 oder eine vorherige Schicht wird ein Stützmaterial 302 in einem Zug auf der gesamten Fläche aufge­ bracht. In einem weiteren Schritt wird eine Aussparung 303 in der soeben aufgebrachten Schicht erzeugt. Diese Aussparung 303 ist großer als die Kontur des gewünschten Bauteils 300. Diese größere Aussparung 303 beinhaltet ein Aufmaß für Schlichten oder Feinbearbeiten der Kontur. Die Größe des Aufmaßes kann frei wählbar oder auch abhängig sein z. B. von der Zerspanung oder der Art der Auftragung, den benötigten Genauigkeiten oder der Geometrie. In einem weiteren Schritt wird die Aussparung 303 mit einem Baumaterial 304 aufgefüllt. In einem weiteren Schritt wird das Aufmaß am Baumaterial 304, soweit nicht für eine spätere Bearbeitung notwendig, entfernt und die gesamte Oberfläche der Schicht eingeebnet, um eine definierte Schichthöhe zu erhalten. Bei der Konturbearbeitung wird sowohl ein Teil des Baumaterials 304 wie auch ein Teil des Stützmaterials 302 entfernt. Durch diese Entfernung entsteht eine neue Aus­ sparung 305 in der Schicht. In einem weiteren Schritt wird wieder Stützmaterial 306 aufgebracht. Bei der Aufbringung wer­ den 2 Schichten 306 gleichzeitig erzeugt, da die Schicht 306 das Auffüllen der Aussparungen 305 (Fehlstellen der vorherigen Schicht) und den darüber liegenden Bereich betrifft. Die Schritte werden nun so oft wiederholt bis das gewünschte Bau­ teil 300 fertig ist. Danach wird der so gewonnene Block von der Bauplattform getrennt. Anschließend wird das Stützmaterial 302, 306 entfernt, um das Bauteil 300 freizulegen.
Alle in der Beschreibung und in den Ansprüchen enthaltenen Maßnahmen und Merkmale der Erfindung sind wesentliche Merkma­ le.

Claims (17)

1. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (108, 200, 300) mit folgenden Schritten:
  • a) Aufbringen einer ersten aus einem Stützmaterial (102, 202, 302) bestehenden flächigen Schicht auf eine Bauplattform (101, 201, 301),
  • b) Einbringen mindestens einer Aussparung (103, 203, 303) in das Stützmaterial (102, 202, 302),
  • c) Ausfüllen der Aussparung (103, 203, 303) mit einem Baumaterial (104, 204, 304),
  • d) Aufbringen einer weiteren Schicht aus Stützmaterial (102, 202, 302),
  • e) Wiederholen der Schritte b) bis d) bis zur Fertigstellung des Bauteils (108, 200, 300) und
  • f) Entfernen des Stützmaterials (102, 202, 302).
dadurch gekennzeichnet,
  • a) dass die in das Stützmaterial (102, 202, 302) eingebrachte Aussparung (103, 203, 303) zumindest bereichsweise größer ist als die Kontur des gewünschten Bauteils (108, 200, 300) und somit das Bauteil (108, 200, 300) mit Aufmaß umgibt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, mit folgenden Verfahrensschritten:
  • a) Entfernen des Aufmaßes derart, dass sowohl ein Teil des Baumaterials (104, 204, 304) als auch ein Teil des Stützmaterials (102, 202, 302) entfernt wird und somit mindestens eine neue Aussparung (105, 205, 305) entsteht und
  • b) Aufbringen einer weiteren Schicht von Stützmaterial (106, 206, 306), wobei die weitere Schicht sowohl die neue Aussparung (105, 205, 305) ausfüllt als auch eine darüber liegende weitere Schicht bildet.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bauplattform (101, 201, 301) wie folgt hergestellt wird:
  • a) Aufbringen einer ersten Schicht von Stützmaterial auf die gesamte benötigte Fläche einer Unterlage,
  • b) nach dem Verfestigen der ersten Schicht einebnen dieser Schicht und Aufbringen einer weiteren Schicht von Stützmaterial und
  • c) Wiederholen der Schritte a) und b) bis die Bauplattform (101, 201, 301) eine ausreichende Höhe erreicht hat, um das Bauteil (108, 200, 300) später von der Bauplattform (101, 201, 301) zu entfernen.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei vor dem Aufbringen einer neuen Schicht ein Einebnen der Oberfläche der darunter liegenden Schicht erfolgt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Oberfläche des Baumaterials (104, 204, 304) und/oder Stützmaterials (102, 202, 302) vor dem Aufbringen der nächsten Schicht oder nächsten Materials aktiviert wird, z. B. durch Strahlen, Laseraufrauhen oder chemische Verfahren.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Herstellung von Hinterschneidungen im Stützmaterial (102, 202, 302) an diesen Stellen vorerst senkrechte Wände erzeugt werden.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede neu aufgetragene Schicht in sich und mit der darunter liegenden Schicht durch Energiezufuhr verschmolzen wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim Einsatz von zwei oder mehr unterschiedlichen Baumaterialien für jedes Baumaterial (104, 204, 304) eine eigene Aussparung (103, 203, 303) hergestellt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei am Baumaterial (104, 204, 304) das zuviel aufgebrachte Material entfernt wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mehrere Bauteile (108, 200, 300) nebeneinander auf einer Bauplattform (101, 201, 301) erzeugt werden.
11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer materialabtragenden Maschine, an der Auftragsvorrichtungen zum Aufbringen von Stütz- und Baumaterial (101, 202, 302, 104, 204, 304) vorgesehen sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei an der Maschine mindestens ein Bearbeitungswerkzeug für das Baumaterial (104, 204, 304) und/oder Stützmaterial (102, 202, 204) vorgesehen ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 oder 12, wobei Sensoren zur Steuerung des Arbeitsablaufes vorgesehen sind.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Maschine eine CNC-Fräsmaschine ist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei die Maschine eine vollverkapselte Verkleidung aufweist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei an der Maschine vorgesehene Versorgungseinrichtungen außerhalb der Verkleidung angeordnet sind.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, wobei das Bearbeitungswerkzeug ein Lasergerät ist.
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