DE102009028105A1

DE102009028105A1 - Generatives Verfahren zur Serienfertigung von metallischen Bauteilen

Info

Publication number: DE102009028105A1
Application number: DE102009028105A
Authority: DE
Inventors: Rolf Zeller; Wilhelm Hopf
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-07-30
Filing date: 2009-07-30
Publication date: 2011-02-03

Abstract

Die Erfindung betrifft ein generatives Verfahren zur Serienfertigung eines metallischen Bauteils, umfassend die Schritte: a) Einlesen mindestens eines 3D-CAD-Datensatzes, enthaltend die Geometrie und die Werkstoffverteilung des zu fertigenden Bauteils, b) Auswahl mindestens eines metallischen Grundkörpers, c) Aufbau und/oder Abbau mindestens einer lokalen Geometrie an den metallischen Grundkörper durch einen additiven Prozess und d) gegebenenfalls Feinbearbeitung, insbesondere Präzisionsbearbeitung, durch einen abtragenden Prozess, sowie eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens und ein metallisches Bauteil, bei dem die Werkstoffe des metallischen Grundkörpers und der lokalen Geometrie unterschiedlich sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein generatives Verfahren zur Serienfertigung eines metallischen Bauteils sowie eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens und ein metallisches Bauteil hergestellt nach dem generativen Verfahren.
Stand der Technik
Generative, das heißt aufbauende Verfahren, stellen aus digital erzeugten CAD-Datensätzen sowohl einfache als auch komplexe Bauteile her. Sie werden bisher hauptsächlich zur Musterherstellung verwendet. Aus den Bereichen Rapid Prototyping und Rapid Manufacturing sind insbesondere Stereolithografie, selektives Lasersintern, Lasergenerieren, Laser Cusing, Fused Depositon Modeling, Laminated Object Modelling, 3-D Printing, Contour Crafting, Multi Jet Modeling, Cold Gas Dynamic Manufacturing, Polyjet Verfahren und Space Puzzle Molding bekannte generierende Verfahren, insbesondere zur Herstellung von Einzel- oder Kleinserienmustern. Diese Verfahren werden häufig nach dem Ausgangsmaterial in Kunststoffverfahren und Metallverfahren unterteilt. Es ist jedoch festzustellen, dass nur wenige der vorgenannten Verfahren für die Erzeugung von Metallteilen geeignet sind. Neben dem 3-D-Printing wird vor allem das Lasersintern für die Prototypenfertigung von metallischen Bauteilen eingesetzt. Allerdings arbeiten diese generierenden Verfahren für viele Anwendungen zu ungenau und vor allem zu langsam. In den Verfahren wird das gesamte Volumen des Bauteils mit Metallen geringerer Festigkeit auf Basis von Pulverausgangssubstanzen generiert. Das gesamte Bauteil wird in einem zeit- und kostenaufwendigen Prozess schichtweise aufgebaut. Genauigkeit und Festigkeit der funktionsrelevanten Geometrieelemente im Bauteil sind daher vergleichsweise gering.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße generative Verfahren gemäß Anspruch 1, durch welches das ebenfalls erfindungsgemäße metallische Bauteil gemäß Anspruch 9 insbesondere hergestellt werden kann, hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass eine hochflexible Großserienfertigung für die Herstellung von metallischen Bauteilen aus unterschiedlichen Funktionswerkstoffen zur Verfügung gestellt werden kann.
Wegen der besonderen Kombination von aufbauenden und abtragenden sowie zustandsverändernden Verfahrensschritten mit der Einbeziehung von metallischen Grundkörpern ist eine Serienfertigung von metallischen Bauteilen möglich, ohne dass das gesamte Bauteil ausschließlich durch aufbauende Verfahrensschritte und die damit einhergehende Beschränkung der zu verwendenden Werkstoffe generiert wird. Zudem ist das Verfahren dadurch geeignet, auch einfach und in großen Stückzahlen mit klassischen Verfahren kostengünstig herzustellende Massivbauteile als Grundkörper derart einzubeziehen, dass eine Optimierung der Werkstoffeigenschaften wie beispielsweise der Festigkeit gleichzeitig mit einer deutlichen Zeitersparnis im Fertigungsprozess erzielt werden kann.
Weiterhin ist vorteilhaft, dass durch Variation beim Aufbringen von Pulverwerkstoffen, Pulverkorngrößen und Bindereigenschaften in dem aufbauenden Verfahrensschritt belastungsangepasste, maßgeschneiderte, hochfeste hybride Leichtbaustrukturen und/oder Massivbauteile generiert werden können. Zudem kann durch die hohe Flexibilität des Verfahrens eine ideale Auslastung der Maschinen ermöglicht werden. Da in vielen Fällen nur für eine Feinstbearbeitung Material abgetragen wird, ist außerdem eine optimale Werkstoffausnutzung gegeben.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Gegenstandes sind der Beschreibung, den Zeichnungen und den Patentansprüchen zu entnehmen.
Es wurde weiterhin gefunden, dass mit der erfindungsgemäßen Kombination von kostengünstigen Grundkörpern und daran an- bzw. aufbauenden generativen Verfahrensschritten nur der generativ herzustellende Anteil von komplexer Geometrie ist und solche Bauteile, die in flexiblen Variationen (Typenvielfalt) benötigt werden, auf ein und derselben Maschine aus den CAD Daten alle Bauteiltypen hergestellt werden können.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher ein generatives Verfahren zur Serienfertigung eines metallischen Bauteils umfassend die Schritte:

a) Einlesen mindestens eines 3-D-CAD-Datensatzes enthaltend die Geometrie und die Werkstoffverteilung des zu fertigenden Bauteils,
b) Auswahl mindestens eines metallischen Grundkörpers,
c) Aufbau und/oder Anbau mindestens einer lokalen Geometrie an den metallischen Grundkörper durch einen additiven Prozess, und
d) gegebenenfalls Feinbearbeitung, insbesondere Präzisionsbearbeitung durch einen abtragenden oder zerspanenden Prozess.

Unter dem Begriff metallsicher Grundkörper wird erfindungsgemäß ein metallischer Körper von einfacher Geometrie wie beispielsweise ein Kubus, ein Rohr oder ein Zylinder verstanden, der in großen Stückzahlen kostengünstig mit klassischen Verfahren hergestellt werden kann. Es sind auch Grundkörper beispielsweise mit Kolbenbohrungen und anderen einfachen Geometrieelementen darunter zusammengefasst. Daneben werden unter dem Begriff metallischer Grundkörper beispielsweise auch Einlegeteile verstanden, wie eine Kugel bei einem integrierten Rückschlagventil, zum Beispiel. Vom vorher generierten Kugelsitz wird lokal Pulver abgesaugt, der Kugelsitz wird beispielsweise mit einem Formhonwerkzeug nachbearbeitet, die Kugel eingelegt und dann wird der Aufbauprozess weitergeführt. Weitere Beispiele für derartige Einlegeteile sind Federn, Membranen oder Lagerhülsen.
Unter dem Begriff lokale Geometrie wird erfindungsgemäß ein Funktionsbestandteil des metallischen Bauteils verstanden, der verfahrensgemäß auf oder an den Grundkörper angebracht und mit diesem zusammengefügt wird. Beispiele für solche Funktionsbestandteile sind unter anderen Medienzuführung in Einspritz- und Steuerventilen, Speicherhohlräume und Kanäle in Hochdruckpumpen.
Mit anderen Worten wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren ein metallisches Bauteil dadurch aufgebaut und hergestellt, dass anhand von 3-D-CAD-Datensätzen ein oder mehrere Grundkörper ausgewählt werden, die als Basis für das Bauteil dienen und durch aufbauende Verfahren zusammengefügt werden, wobei zusätzlich die eher komplexen Funktionsgeometrien an diesen Grundkörpern aufgebaut werden. Durch Variation von Pulver und Bindereigenschaften können lokal gradierte Bauteileigenschaften eingestellt werden. So kann eine Werkstoffauswahl derart getroffen, dass beispielsweise hochfeste Werkstoffe an den Geometrien eingesetzt werden, die eine solche erhöhte Festigkeit benötigen. Auf diese Weise kann das Bauteil in kurzer Zeit mit den richtigen Werkstoffen an den jeweiligen Bestandteilen erstellt werden, die lokal benötigt werden. Es können dadurch hybride hochfeste Bauteile in kurzer Zeit erzeugt werden.
Im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform kann in einem Schritt e) eine lokale Wärmebehandlung durchgeführt werden.
Unter der Bezeichnung lokale Wärmebehandlung sind im sinne der vorliegenden Erfindung alle zustandsverändernden Temperierungen und Wärmebehandlungen zu verstehen, die entweder zur Festigung eines Teils oder des ganzen Bauteils oder auch zur Verbindungsherstellung zwischen verschiedenen Teilen eines Bauteils dienen können. Neben der Härtung der Bauteile sind hier insbesondere die Entbinderung eines durch einen aufbauenden Verfahrensschritt hergestellten Abschnitts oder ein Sinterschritt zu nennen.
Auf diese Weise können beispielsweise gehärtete Strukturen des metallischen Bauteils erzeugt werden. Noch offene Kavitäten oder andere Geometrieelemente können durch eine lokale Wärmebehandlung optimierte Werkstoffeigenschaften erhalten.
Alternativ kann durch eine Entbinderung oder Sinterung eine Festigung der lokal aufgebauten Geometrien und das Zusammenfügen mit dem Grundkörper derart gestaltet werden, dass ein massives Bauteil entsteht.
Im Rahmen einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann der additive Prozess selektives Lasersintern und/oder 3-D-Printing umfassen.
Beim selektiven Lasersintern wird ein metallisches Pulver wie beispielsweise hochfester Stahl, low cost Stahl, verschleißfester Werkzeugstahl oder ein Leichtmetall, Pulver mit magnetischen Eigenschaften, gute oder schlechte elektrischer Leiter, gute Wärmeleiter, gute Wärmeisolierer, temperaturbeständige oder chemisch beständige Werkstoffe gemäß den Vorgaben der CAD-Datensätze schichtweise auf beziehungsweise an den Grundkörper aufgebracht. Über die Korngröße des Pulvers kann ein Einfluss auf die Dichte der resultierenden lokalen Geometrie genommen werden. Eine Dosiervorrichtungsmatrix kann beispielsweise die Variation der Werkstoffpulver ermöglichen.
Das Aufbringen der Pulverschichten kann durch einen oder mehrere Abstreifer oder durch Pulversprühbeschichtung, Ultraschalldüsen, elektrostatisches Sprühen, Laserspritzen, Plasmaspritzen etc. erfolgen.
Beim 3-D-Printing wird ein Pulvervolumen zur Verfügung gestellt, auf das ein oder mehrere Binder auch mit verschiedenen Eigenschaften beispielsweise mit einer Binder-jet Matrixkartusche gedruckt werden. Die CAD Datensätze müssen dann die Geometrie, die dazugehörige Werkstoffpulververteilung und die, von den gewünschten Eigenschaften abhängigen, Binderdruckinformationen enthalten. Es können Binder mit verschiedenen Bindereigenschaften wie zum Beispiel verdichtend, aufschäumend oder gasbildend eingesetzt werden.
Der Binder kann auch eine Anreicherung von Zusatzstoffen wie zum Beispiel Kohlenstoff, Stickstoff, Schwefel oder Legierungselemente wie Cr, Mn, Mo enthalten, die beim Entbindern oder Sintern die Werkstoffeigenschaften lokal einstellen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Auswahl mindestens eines metallischen Grundkörpers aus einer Gruppe von standardisierten Basisgeometrien getroffen werden.
Weiterhin bevorzugt umfasst das erfindungsgemäße Verfahren, dass der metallische Grundkörper aus einem anderen Werkstoff besteht als der im additiven Prozess eingesetzte Werkstoff.
Im Gegensatz zu den bisher bekannten generierenden Verfahren, durch die Bauteile ausschließlich auf Basis des eingesetzten Pulverwerkstoffs hergestellt werden können, ist es erfindungsgemäß möglich, die Werkstoffe zu variieren. Dies wird insbesondere dann auf einfache und sehr kostengünstige Weise erzielt, wenn der Grundkörper aus einem anderen Werkstoff besteht als die lokale Geometrie, die durch den additiven Prozess erzeugt wird.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass im additiven Prozess verschiedene Werkstoffe und Binder eingesetzt werden.
Durch Auswahl und Dosierung können so vorteilhafterweise definierte Bauteileigenschaften gezielt eingestellt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass in einem Zwischenstadium des additiven Prozesses eine Präzisionsbearbeitung erfolgt.
Durch die Möglichkeit in einem Zwischenstadium der Generierung Präzisionsverfahren einzusetzen können auch Kavitäten und/oder Hinterschnitte hergestellt und mit höherer Präzision bearbeitet werden. Dies ergibt neue Möglichkeiten für die Konstruktion und Funktionalität für zukünftige Produkte.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur Serienfertigung eines metallischen Bauteils, gekennzeichnet durch

a) eine Steuereinrichtung zum Einlesen mindestens eines 3-D-CAD Datensatzes enthaltend die Geometrie und die Werkstoffverteilung des zu fertigenden Bauteils,
b) eine Einrichtung zur Bereitstellung und Positionierung eines metallischen Grundkörpers,
c) eine Einrichtung zum Aufbau und/oder Anbau mindestens einer lokalen Geometrie an den metallische Grundkörper durch einen additiven Prozess, und
d) gegebenenfalls eine Einrichtung zur Feinbearbeitung, insbesondere Präzisionsbearbeitung, durch einen abtragenden Prozess.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung kann die Einrichtung c) eine Einrichtung zum selektiven Lasersintern und/oder eine Einrichtung zum 3-D-Printing sein.
Außerdem umfasst die vorliegende Erfindung auch ein metallisches Bauteil, welches nach einem Verfahren der Ansprüche 1 bis 8 oder durch eine Vorrichtung der Ansprüche 9 oder 10 hergestellt ist, wobei das Bauteil aus mindestens einem metallischen Grundkörper und mindestens einer aufgebrachten oder angeformten lokalen Geometrie aufgebaut ist und die Werkstoffe des metallischen Grundkörpers und der lokalen Geometrie unterschiedlich sind.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren und/oder eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann bevorzugt zur Fertigung von Pumpen, Injektoren, Ventilen, insbesondere in der Kraftfahrzeugindustrie, oder beispielsweise zur Bohrerherstellung verwendet werden. Überall dort, wo insbesondere Hochleistungswerkstoffe an funktionalen Teilen eines Bauteils benötigt werden, kann das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung vorteilhaft eingesetzt werden.
Zeichnungen
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen:
1 zeigt schematisch in einer Querschnittsansicht die Fertigung eines Zylinderkopfes gemäß der vorliegenden Erfindung in einer speziellen Ausführungsform.
2 zeigt schematisch in einer Querschnittsansicht die Fertigung eines integrierten Ventils gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in vier Schritten A bis D.
In 1 wird schematisch auf ein einfaches Basisbauteil mit Kolbenbohrung als Grundkörper 1 eine komplexe Geometrie mit Bohrungen, Kanälen und typabhängigen Anschlusselementen generiert. Auf einem Schlitten 2 sind Einrichtungen zur Pulverdosierung 3, zwei Schieber 4 sowie Einrichtungen zum Aufbringen des Binders 5 vorgesehen. Der Aufbau von lokalen Geometrien durch den hier dargestellten additiven Verfahrensschritt erfolgt gemäß der vorliegenden Darstellung von rechts nach links oder mit entsprechender Schlittenbestückung auch in beiden Richtungen. Durch die geeignete Auswahl des Pulver- und Bindermaterials kann für jeden generierten Abschnitt der additiv erzeugten lokalen Geometrie des Bauteils ein definiertes und gegebenenfalls gradiertes Eigenschaftsprofil realisiert werden.
Um eine sichere Verbindung zwischen Grundkörper und lokaler Geometrie zu gewährleisten werden geeignete Oberflächenstrukturen aufgebracht. Wird als aufbauendes Verfahren das selektive Lasersintern (SLS) verwendet, ist beispielsweise eine Dichtsitzbearbeitung in einer danach geschlossenen Kavität denkbar.
In 2 wird schematisch die Fertigung eines integrierten Ventils mit einem erfindungsgemäßen Verfahren in vier Schritten A bis D gezeigt. In Schritt A wird durch einen ersten additiven Prozess ein Ventilsitz 12 in einer vorgegebenen Grundgeometrie 11 erzeugt. Anschließend wird der so erzeugte Ventilsitz durch ein abrasives Werkzeug 13 feinbearbeitet, nachdem das bisher im Ventilsitz befindliche Pulver abgesaugt wurde (Schritt B). In Schritt C wird in der vorliegenden Darstellung der Grundkörper 1 in Form einer Kugel als Einlegeteil hinzugefügt. Die Kugel 1 wird dazu in den Ventilsitz 12 eingelegt. Anschließend wird der additive Prozess wieder aufgenommen und oberhalb der lokalen Geometrie des Ventilsitzes wird das Bauteil mit der Kavität 14 wie in Schritt D gezeigt aufgebaut, so dass ein integriertes Ventil als Zielstruktur entsteht.

Claims

Generatives Verfahren zur Serienfertigung eines metallischen Bauteils umfassend die Schritte: a) Einlesen mindestens eines 3-D-CAD-Datensatzes enthaltend die Geometrie und die Werkstoffverteilung des zu fertigenden Bauteils, b) Auswahl mindestens eines metallischen Grundkörpers, c) Aufbau und/oder Anbau mindestens einer lokalen Geometrie an den metallische Grundkörper durch einen additiven Prozess, und d) gegebenenfalls Feinbearbeitung, insbesondere Präzisionsbearbeitung durch einen abtragenden Prozess.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass e) eine lokale Wärmebehandlung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der additive Prozess selektives Lasersintern und/oder 3-D-Printing umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswahl mindestens eines metallischen Grundkörpers aus einer Gruppe von standardisierten Basisgeometrien getroffen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Grundkörper aus einem anderen Werkstoff besteht als der im additiven Prozess eingesetzte Werkstoff.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im additiven Prozess verschiedene Werkstoffe und Binder eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Zwischenstadium des additiven Prozesses eine Präzisionsbearbeitung erfolgt.
Vorrichtung zur Serienfertigung eines metallischen Bauteils, gekennzeichnet durch a) eine Steuereinrichtung zum Einlesen mindestens eines 3-D-CAD Datensatzes enthaltend die Geometrie und die Werkstoffverteilung des zu fertigenden Bauteils, b) eine Einrichtung zur Bereitstellung und Positionierung eines metallischen Grundkörpers, c) eine Einrichtung zum Aufbau und/oder Anbau mindestens einer lokalen Geometrie an den metallische Grundkörper durch einen additiven Prozess, und d) gegebenenfalls eine Einrichtung zur Feinbearbeitung, insbesondere Präzisionsbearbeitung, durch einen abtragenden Prozess.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung c) eine Einrichtung zum selektiven Lasersintern und/oder eine Einrichtung zum 3-D-Printing ist.
Metallisches Bauteil hergestellt nach einem Verfahren der Ansprüche 1 bis 7 oder durch eine Vorrichtung der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil aus mindestens einem metallischen Grundkörper und mindestens einer aufgebrachten oder angeformten lokalen Geometrie aufgebaut ist und die Werkstoffe des metallischen Grundkörpers und der lokalen Geometrie unterschiedlich sind.
Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9 zur Fertigung von Pumpen, Injektoren, Ventilen, insbesondere in der Kraftfahrzeugindustrie.