DE102010049195B4

DE102010049195B4 - Verfahren zur generativen Erzeugung eines Bauteils sowie Fertigungseinrichtungen

Info

Publication number: DE102010049195B4
Application number: DE102010049195A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Strasser Gerhard; M.Sc. Dipl.-Ing. Ehinger Claudia; Dipl.-Ing. Kadegge Gunter
Original assignee: Kl Technik & Co KG GmbH; Technische Universitaet Muenchen
Current assignee: Kl Technik & Co Kg De GmbH; Kumovis GmbH
Priority date: 2010-10-21
Filing date: 2010-10-21
Publication date: 2012-11-15
Anticipated expiration: 2030-10-22
Also published as: DE102010049195A1

Abstract

Verfahren zur generativen Erzeugung eines Bauteils (3, 4), wobei in einer Fertigungsrichtung (z) ein verfestigbares Material schichtweise auf eine Bauplattform (7) aufgebracht und entsprechend einer vorgegebenen Bauteilgeometrie verfestigt wird, und wobei sich die einzelnen Schichten im Verfestigungsbereich zu dem fertigen Bauteil (3, 4) verbinden, dadurch gekennzeichnet, dass Langfasern (22) mit ihren Festenden (24) bauteilseitig befestigt werden, dass die freien Abschnitte (25) der Langfasern (22) Schicht für Schicht jeweils räumlich positioniert und hierdurch die Langfasern (22) für die in Fertigungsrichtung (z) folgende Materialschicht ausgerichtet werden, und dass die ausgerichteten Langfasern (22) anschließend beim Verfestigen der folgenden Materialschicht im Bauteil (3, 4) fixiert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur generativen Erzeugung eines Bauteils, wobei in einer Fertigungsrichtung ein verfestigbares Material schichtweise auf eine Bauplattform aufgebracht und entsprechend einer vorgegebenen Bauteilgeometrie verfestigt wird, und wobei sich die einzelnen Schichten im Verfestigungsbereich zu dem fertigen Bauteil verbinden. Die Erfindung betrifft weiter eine Fertigungseinrichtung zur generativen Erzeugung eines Bauteils, die einen Materialraum, eine im Materialraum gegebenenfalls heb- und senkbar angeordnete Bauplattform, eine Befüllungseinrichtung zur schichtweisen Einbringung von Material in den Materialraum und eine Verfestigungseinrichtung zu einer selektiven ortsaufgelösten Verfestigung des eingebrachten Materials umfasst.
Ein Verfahren zur generativen Erzeugung eines Bauteils sowie eine entsprechende Fertigungseinrichtung der vorgenannten Art sind beispielsweise aus der DE 196 49 865 C1 bekannt. Dementsprechend wird die Bauplattform schichtweise im Materialraum abgesenkt, anschließend wird mittels einer Nivelliereinrichtung ein pulverförmiges Material eben aufgebracht und abschließend entsprechend der gewünschten Bauteilgeometrie mittels eines Laserstrahls zu einer Bauteilschicht verfestigt. Dabei schmilzt das Material lokal auf und verbindet sich mit dem Material der darunterliegenden bzw. vorherigen Schicht. Das Bauteil baut sich generativ Schicht für Schicht aus dem Werkstoff des Pulvermaterials auf.
Mittels der generativen Fertigungstechnik können komplexe Bauteile vergleichsweise einfach durch einen schichtweisen Aufbau aus dem eingesetzten, verfestigbaren Material hergestellt werden. Dazu kann die selektive Verfestigung in jeder Schicht des aufgetragenen Materials beispielsweise entsprechend dreidimensionaler CAD-Daten vorgenommen werden. Insbesondere können mit der generativen Fertigungstechnik rasch Prototypen eines neuen Werkstücks hergestellt werden. Das Verfahren ist dann unter dem Begriff „Rapid Prototyping” bekannt.
Darüber hinaus eignet sich die generative Fertigungstechnik aber auch für eine Serienfertigung von Bauteilen, insbesondere falls andere Fertigungsverfahren ungeeignet sind. Das ist beispielsweise der Fall, wenn die Bauteilkomplexität hoch oder die Seriengröße gering ist. Limitierend wirken sich hierbei jedoch die einsetzbaren Werkstoffe aus, da deren Eignung für eine generative Fertigung gegebenenfalls nicht zu den gewünschten Materialeigenschaften des fertigen Bauteils korreliert.
Aktuelle Überlegungen zielen deshalb darauf ab, die generative Fertigungstechnik weiter zur Erzeugung von einsatzfähigen Endprodukten zu ertüchtigen. Insbesondere richtet sich dabei das Augenmerk auf die generative Erzeugung von Bauteilen aus einem Faserverbundwerkstoff. Die Verwendung eines Faserverbundwerkstoffs ermöglicht insbesondere ein belastungsgerechtes und leichtbauoptimiertes Design der Bauteile. So können unter Verwendung eines Faserverbundwerkstoffs hochbelastete und komplexe Bauteile wie beispielsweise Kolben, Gelenke oder Achsträger aus der Fahrzeugindustrie kraftfluss- und leichtbauoptimiert konstruiert oder beispielsweise bionische Strukturen nachgebildet werden. Auch eignen sich belastungsoptimierte Bauteile aus einem Faserverbundwerkstoff als medizinische Implantate und insofern als „Ersatzteile” des menschlichen Körpers. Bauteile aus Faserverbundwerkstoffen finden darüber hinaus in der Fahrzeugindustrie auch Verwendung als Stoßfänger, Sitzstrukturen oder Karosserieteilen.
Zu einer belastungs- und leichtbauoptimierten Konstruktion eines Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff wird generell eine gezielte lokale Anpassung des Faserverlaufs notwendig. Durch eine gezielte Faserführung werden auftretende Kräfte optimal vom Bauteil aufgenommen und je nach Bauteildesign ab- bzw. weitergeleitet.
Zur Herstellung eines Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff mit gezielter Faserausrichtung ist es aus der EP 0 285 982 A2 bekannt, eine faserhaltige, duroplastische Formmasse als Strang auf dem Boden eines Formhohlraumes gerichtet abzulegen. Die Achsrichtung des Stranges und damit der enthaltenen Fasern wird beim Ablegen jeweils auf die örtlichen Festigkeitserfordernisse des herzustellenden Bauteils abgestimmt. Die hierdurch gezielte Orientierung der Fasern ist abgestimmt auf die zu erwartenden Belastungen.
Entsprechend der DE 10 2004 007 313 A1 werden zur Herstellung eines Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff mit einem plastifizierten Polymer imprägnierte Endlosfasern derart auf einer Hilfsform angeordnet, dass die Orientierung der Endlosfasern im Wesentlichen der in dem Bauteil später vorgesehenen Orientierung entspricht. Die orientierten Endlosfasern werden mittels der Hilfsform anschließend in ein Formwerkzeug überführt und dort abgelegt, wonach das Formwerkzeug geschlossen und die orientierten Endlosfasern gegebenenfalls unter Zugabe eines weiteren Polymermaterials zu dem endlosfaserverstärkten Bauteil verpresst werden.
Auch die EP 0 429 929 B1 betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff mit orientierten Fasern. Zur Ausrichtung der Fasern wird eine relative Bewegung zwischen den Fasern und der Netzstruktur einer gelartigen Matrix-Substanz in Richtung der gewünschten Faserausrichtung erzeugt. Anschließend wird die gelartige Matrix ausgehärtet.
Schließlich schlägt die US 5 196 212 A zur Ausrichtung von Fasern in einem Bauteil aus einem Faserverbundwerkstoff vor, ein elektrisches Feld anzuwenden. Dazu wird eine dielektrische Flüssigkeit eingesetzt. Die Fasern werden gezielt einer späteren Belastungsrichtung des Bauteils entsprechend ausgerichtet.
Nachteiligerweise eignet sich keines der bekannten Verfahren des Standes der Technik dazu, ein Bauteil aus einem Faserverbundwerkstoff mit gezielt ausgerichteten Fasern mittels generativer Fertigung herzustellen.
Es ist demnach eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur generativen Erzeugung eines Bauteils anzugeben, womit sich insbesondere Bauteile aus einem Faserverbundwerkstoff mit gezielter Faserausrichtung erzeugen lassen. Weiter ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine hierfür geeignete Fertigungseinrichtung anzugeben.
Die erstgenannte Aufgabe wird für ein Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass Langfasern mit ihren Festenden bauteilseitig befestigt werden, dass die freien Abschnitte der Langfasern Schicht für Schicht jeweils räumlich positioniert und hierdurch die Langfasern für die in Fertigungsrichtung folgende Materialschicht ausgerichtet werden, und dass die ausgerichteten Langfasern anschließend beim Verfestigen der folgenden Materialschicht im Bauteil fixiert werden.
Mit anderen Worten werden bei dem generativen schichtweisen Erzeugen des Bauteils Langfasern mit einem Ende zunächst bauteilseitig fixiert, so dass in Fertigungsrichtung frei bewegliche Abschnitte der Fasern inklusive ihrer Enden resultieren. Durch eine räumliche Positionierung dieser freien, emporragenden Abschnitte werden die Langfasern bauteilseitig ausgerichtet und beim Verfestigungsvorgang der nächsten Materialschicht mit dieser im Bauteil fixiert. Dabei wird die Befestigung der Enden der Langfasern an der Bauplattform selbst oder durch Einbetten und Verfestigen in einer der aufgebauten Materialschichten des Bauteils vorgenommen. Im ersteren Fall durchdringen die Langfasern das Bauteil in Fertigungsrichtung. Im letzteren Fall können in Fertigungsrichtung frühere Schichten des Bauteils auch ohne eine Faserverstärkung generiert werden.
Der Begriff „Langfasern” ist im Sinne der vorliegenden Erfindung so zu verstehen, dass die Fasern eine Länge aufweisen, die größer als die Bauteilausdehnung oder zumindest größenordnungsmäßig der Bauteilausdehnung entspricht. Dadurch können die freien Abschnitte der Langfasern in Fertigungsrichtung über oder vor dem Bauteil ergriffen und entsprechend der gewünschten Ausrichtung positioniert werden.
Schicht für Schicht wird es mit der Erfindung insofern möglich, die Langfasern entsprechend einer später zu erwartenden Belastung des Bauteils auszurichten. Durch das Verfestigen jeder Materialschicht bleiben die Langfasern in der gewünschten und eingestellten Ausrichtung fixiert. In Fertigungsrichtung ist somit eine schichtweise grundsätzlich beliebige Ausrichtung des Faserverlaufs möglich. Dies geschieht insbesondere ohne ein Durchtrennen der Langfasern, was eine unerwünschte Unterbrechung des Kraftflusses zur Folge hätte. Für Aussparungen oder Öffnungen des Bauteils wie zum Beispiel für Bohrungen oder spätere Einsätze, werden die Langfasern entsprechend um das Artefakt herumgeführt.
Da die Faserorientierung und Faserfixierung in einem gemeinsamen Fertigungsschritt geschieht, verringert sich die Prozesszeit im Vergleich zu herkömmlichen Herstellverfahren. Eine aufwändige Anlagentechnik mit einem Autoklaven, einem Formwerkzeug, einem Vakuumaufbau, einer Presse oder einem Aushärtungsofen, wie sie für die übliche Erzeugung eines Bauteils aus einem Faserverbundwerkstoff benötigt wird, kann entfallen.
Die Verfestigung des schichtweise aufgebrachten Materials, aus dem das spätere Bauteil besteht, geschieht durch eine gezielte lokale Energieeinbringung oder durch einen gezielt lokal ausgelösten chemischen Prozess. Zur Energieeinbringung wird elektromagnetische Strahlung wie Laserstrahlung, Infrarotstrahlung, oder UV-Licht verwendet. Alternativ wird ein Elektronenstrahl eingesetzt. Die räumlich selektive Einbringung der Strahlung auf das Bauteil erfolgt mittels geeigneter Strahlführungs- und Fokussiersysteme. Für elektromagnetische Strahlung sind dies Optiken wie Linsen, Spiegel, Prismen oder dergleichen, aber auch Faserführungen etc. Der Elektronenstrahl wird beispielsweise mittels elektromagnetischer Felder geführt. Alternativ wird in der Materialschicht zur Bauteilgeneration lokal ein chemischer Prozess in Gang gebracht, wozu beispielsweise lokal Bindemittel, Härter oder dergleichen aufgebracht werden.
Die Erfindung umfasst sowohl die Positionierung der freien Abschnitte der Langfasern als Ganzes als auch eine selektive Positionierung und Ausrichtung einzelner Langfasern oder Gruppen von Langfasern. Bevorzugt werden die freien Abschnitte der Langfasern jeweils unterschiedlich räumlich positioniert. Auf diese Weise ist nicht nur schichtweise eine spezifische Faserausrichtung ermöglicht, sondern es können in jeder Schicht des Materialaufbaus Fasern oder Gruppen von Fasern verschieden ausgerichtet und fixiert werden. Somit wird ein Bauteil aus einem Faserverbundwerkstoff geschaffen, wobei in allen drei Dimensionen lokal unterschiedliche Faserausrichtungen entsprechend einem vorgegebenen und gewünschten Belastungsprofil vorliegen.
Bevorzugt erfolgt die Ausrichtung der Langfasern auf der Bauteilseite durch eine mechanische Positionierung der freien Abschnitte. Dazu können beispielsweise die Enden der Langfasern in bewegbaren Spulen aufgerollt sein, wobei die Spulen in drei Raumrichtungen positionierbar geführt werden. Eine faserselektive Ausrichtung wird dadurch erreicht, dass einzelne Langfasern oder Gruppen von Langfasern jeweils in einer einzeln positionierbaren Spule enden.
Bevorzugt sind die freien Abschnitte der Langfasern in Klöppeln geführt, die wiederrum einzeln dreidimensional positionierbar sind. Alternativ können auch Führungselemente wie Ringe oder Röhren oder dergleichen vorgesehen sein, durch die die freien Abschnitte der Langfasern geführt sind. Durch ein Verschieben der Führungselemente generell werden die Langfasern gespannt und/oder ausgerichtet, so dass in der jeweils zu verfestigenden Materialschicht die gewünschte Faserausrichtung gegeben ist.
Eine mechanische faserselektive Positionerbarkeit der freien Abschnitte der Langfasern ermöglicht vorteilhaft auch die Erzeugung eines Fasergewebes auf der Bauteilseite, insbesondere ein Verhäkeln oder ein Verstricken der Langfasern.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die freien Abschnitte der Langfasern gespannt durch einen durchmesservariablen Ring geführt. Die Ausrichtung der Langfasern erfolgt dann durch eine Variation des Durchmessers, wobei die am Innendurchmesser gespannten Langfasern ihre Lage verändern. Wird ein derartiges Führungsmittel herangezogen, so ermöglicht dies die Herstellung eines Hohlkörpers mit wechselnder Faserausrichtung in den Wandungen.
In einer anderen oder kombinierten Ausgestaltung werden die freien Abschnitte der Langfasern elektromagnetisch positioniert. Hierzu werden die Langfasern mit einem elektrisch leitfähigen Material beschichtet oder selbst als elektrisch leitfähig gewählt. Bei Stromfluss durch die Langfasern können diese mittels elektromagnetischer Ablenkmittel in ihrer Position verändert werden. Als Ablenkmittel sind hierzu beispielsweise Kondensatorplatten oder Magnete, insbesondere Elektromagnete, eingesetzt, so dass eine steuerbare Positionierung der freien Abschnitte der Langfasern gegeben ist.
Da die Langfasern in Fertigungsrichtung aus dem herzustellenden Bauteil emporragen, ist die für eine generative Fertigung üblicherweise eingesetzte Rakeltechnik nur begrenzt einsetzbar. Bei der Rakeltechnik schiebt eine Rakel nach Absenkung der Bauplattform pulverförmiges Material eben über den gefüllten Materialraum. Eine solche durchgängige Bewegung ist aufgrund der emporragenden Langfasern nicht mehr möglich. Selbstverständlich ist jedoch die Rakeltechnik bis auf den Ort der Langfasern grundsätzlich einsetzbar. Gegebenenfalls kann das aufgetragene Material durch ein Vibrieren oder Schütteln des Materialraums oder der Bauplattform eben zwischen die Langfasern eingebracht werden.
Um einen ungestörten ebenen und schichtweisen Materialauftrag zu erzeugen, wird die Bauplattform in einer zweckmäßigen Ausgestaltung schichtweise in den Materialraum abgesenkt, wobei das Material in den Materialraum entweder flüssig eingefüllt oder pulverförmig eingerieselt wird. Wird der Materialraum mit einem flüssigen oder zumindest zähfließendem Material befüllt, so umfließt dieses bei Absenken der Bauplattform auch die emporragenden Langfasern, bis wieder eine ebene Oberfläche erreicht ist. Anschließend kann die lokale Verfestigung des flüssigen Materials beispielsweise durch Energieeintragung mittels eines Laserstrahls entsprechend der gewünschten Bauteilgeometrie erfolgen. Als Materialien hierfür eignen sich Kunststoffe oder Harzsysteme.
In einer anderen Ausgestaltung wird pulverförmiges Material verwendet, wie es grundsätzlich aus der generativen Fertigungstechnik bekannt ist. Das pulverförmige Material wird jedoch nicht mittels einer Rakel eben über den Materialraum geschoben. Vielmehr wird das pulverförmige Material von oben auf den Materialraum aufgerieselt. Durch das Aufrieseln mittels einer verfahrbaren und nur lokal auslassenden Rieselungseinrichtung wird mittels der Schwerkraft ebenfalls erreicht, dass ein ebener schichtweiser Materialauftrag erfolgt. Dabei umrieselt das aufgebrachte pulverförmige Material gleichfalls die emporragenden Langfasern. Gegebenenfalls kann das Aufrieseln wiederum durch ein Aufschütteln oder Vibrieren des Materialraums oder der Bauplattform ergänzt werden, so dass auf jeden Fall ein ebener Materialauftrag gewährleistet ist.
Als verfestigbares Material eignet sich insbesondere ein aushärtbarer und/oder aufschmelzbarer Kunststoff, ein Metall, eine Metalllegierung und/oder ein Harz. Grundsätzlich ist auch Keramik vorstellbar. Dabei sind die Feststoffmaterialien in Pulverform gewählt. Für flüssige Materialien eignen sich Kunststoffe oder Harzsysteme, die anschließend chemisch oder durch Energieeintrag lokal ausgehärtet oder polymerisiert werden.
Als Langfasern eignen sich synthetische Fasern und natürliche Fasern. Als synthetische Fasern werden bevorzugt Kohle-, Glas-, Aramid-, Metall- oder Kunststofffasern verwendet. Als natürliche Fasern werden Zellulose-, Hanf- oder Baumwollfasern eingesetzt. Kohlefasern werden gewöhnlich auch als Carbonfasern bezeichnet.
Die zweitgenannte Aufgabe wird für eine Fertigungseinrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Führungseinrichtung für bauteilseitig befestigte Langfasern vorgesehen ist, die mittels einer räumlichen Positionierung der Feinabschnitte der Langfasern umfasst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den jeweils auf eine Fertigungseinrichtung gerichteten Unteransprüchen. Dabei lassen sich die für das Fertigungsverfahren genannten Vorteile sinngemäß auf die Fertigungseinrichtung übertragen.
Ausführungsbeispiele werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur schematisch eine Fertigungseinrichtung zur generativen Erzeugung eines Bauteils, wobei Führungseinrichtungen zum Positionieren von freien Abschnitten zugeführter Langfasern vorgesehen sind.
1 zeigt in einer teilweise aufgeschnittenen und schematischen Darstellung eine Fertigungseinrichtung 1 zur generativen Erzeugung eines Bauteils 3, 4 aus einem Faserverbundwerkstoff. Dazu umfasst die Fertigungseinrichtung 1 einen befüllbaren Materialraum 5, dessen Boden durch eine heb- und senkbare Bauplattform 7 gebildet ist. Der Materialraum 5 ist dabei seitlich durch die Wandungen eines Gehäuses 8 begrenzt. In dem Gehäuse 8 ist auch die bewegliche Bauplattform 7 geführt.
Zum Befüllen des Materialraums 5 umfasst die Fertigungseinrichtung 1 weiter eine Befüllungseinrichtung 10, über die ein flüssiges Harzsystem zugeführt wird. Alternativ ist eine Befüllungseinrichtung 11 vorgesehen, die in einem Vorratsbehälter aufbewahrtes pulverförmiges Material umfasst, das mittels einer betätigbaren Ausbringöffnung lokal dem Materialraum 5 aufgerieselt werden kann. Dazu ist die Befüllungseinrichtung 11 in den drei Raumrichtungen x, y und z wie dargestellt oberhalb des Materialraums 5 verschiebbar.
Zu einer lokalen Verfestigung des in den Materialraum 5 eingebrachten Materials entsprechend einer gewünschten Bauteilgeometrie ist eine Verfestigungseinrichtung 13 vorgesehen, die einen gerichteten Laserstrahl 14 geeigneter Wellenlänge erzeugt. Der Laserstrahl 14 wird mittels einer Umlenkeinrichtung 16 entsprechend einer gewünschten Bauteilgeometrie der jeweiligen Oberflächenschicht des im Materialraum 5 befindlichen Materials entlanggeführt.
Zur Erzeugung der generativen Bauteile 3, 4, die vorliegend als Hohlstrukturen ausgebildet sind, wird die Bauplattform 7 ausgehend von einer mit dem Gehäuse 8 fluchtenden oberen Ausgangslage Schicht für Schicht abgesenkt. Eine typische Schichttiefe liegt dabei zwischen 30 und 100 μm. Nach Absenken wird der Materialraum 5 eben mit dem gewählten Material des Bauteils aufgefüllt. Eingezeichnet ist hierbei eine Befüllung mit einem flüssigen Harzsystem.
In der ersten Schicht werden die Enden von Langfasern 22, vorliegend Carbonfasern, entsprechend der späteren Bauteilgeometrie eingebracht und die Schicht durch Lasereinstrahlung lokal verfestigt. Danach sind die Langfasern 22 mit ihrem jeweiligen Festende 24 bauteilseitig befestigt. Die aus den aufzubauenden Bauteilen 3, 4 emporragenden freien Abschnitte 25 der Langfasern 22 sind mittels geeigneter Führungseinrichtungen 20 in den drei Raumrichtungen x, y und z positionierbar. Für jede einzelne Schicht werden die freien Abschnitte 25 der Langfasern 22 mittels den Führungseinrichtungen 20 selektiv positioniert, so dass die Langfasern 22 an ihrer Bauteilseite und somit in der nächsten zu generierenden Schicht gewünscht ausgerichtet sind. Anschließend wird das Material wiederum entsprechend der Bauteilgeometrie durch selektive Lasereinstrahlung verfestigt, wobei die Faserausrichtung fixiert bleibt.
Somit wird Schicht für Schicht in Fertigungsrichtung z generativ ein Bauteil 3, 4 aus einem Faserverbundwerkstoff erzeugt, wobei die Langfasern 22 ohne Unterbrechung schichtselektiv entsprechend einem gegebenen Belastungsprofil ausgerichtet sind. Wirken die Führungseinrichtungen 20 faserselektiv, so erlaubt dies in jeder Bauteilschicht zusätzlich eine in der x,y-Ebene lokal unterschiedliche Faserausrichtung. Somit werden Bauteile 3, 4 aus einem Faserverbundwerkstoff geschaffen, die entsprechend einem gewünschten späteren Belastungsprofil in drei Raumrichtungen lokal unterschiedliche Faserausrichtungen aufweisen.
Als Führungseinrichtungen 20 sind Klöppel 30 dargestellt, in denen die Freienden der Langfasern 22 geführt und gegebenenfalls in Spulen aufgewickelt sind. Die Klöppel 30 sind in allen drei Raumrichtungen x, y, z positionierbar. Zur Generation eines Hohlkörpers ist als Führungseinrichtung 20 weiter ein Ring 31 mit einem variablen Durchmesser dargestellt. Durch diesen Ring 31 sind Langfasern 22 hindurch geführt. Durch eine Variation des Durchmessers Δd des Rings 31 wird eine schichtweise selektive Ausrichtung der Langfasern 22 ermöglicht. Zusätzlich ist der Ring 31 in allen drei Raumrichtungen x, y, z verfahrbar. Schließlich ist als eine Führungseinrichtung 20 eine elektromagnetische Ablenkung 32 symbolisch dargestellt. Dabei sind die Langfasern 22 entweder selbst elektrisch leitfähig ausgeführt oder mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung versehen. Bei der Fertigung der Bauteile 3, 4 wird Strom durch die Langfasern 22 geführt. Wird eine Spannung an die elektromagnetische Ablenkung 32 angelegt, so erfahren die freien Abschnitte 25 der Langfasern 22 eine selektive räumliche Ablenkung.
Zu einer generativen Fertigung eines Bauteils 3, 4 mit einer hochkomplexen Geometrie wird es gegebenenfalls nötig, eine Stützkonstruktion 35 mit zu generieren. Über diese Stützkonstruktion wird beispielsweise der Aufbau von Überhängen oder Hinterschneidungen ermöglicht. Die Stützkonstruktion 35 wird nach der generativen Fertigung vom Bauteil 3, 4 wieder entfernt.
Zur Ansteuerung der Verfestigungseinrichtung 13, der Befüllungseinrichtung 10, 11, der Umlenkeinrichtung 16, der Führungseinrichtungen 20 und der Bauplattform 7 ist eine Steuereinrichtung 36 vorgesehen.
Bezugszeichenliste

1: Fertigungseinrichtung
3: generatives Bauteil
4: generatives Bauteil
5: Materialraum
7: Bauplattform
8: Gehäuse
10: Befüllungseinrichtung
11: Befüllungseinrichtung
13: Verfestigungseinrichtung
14: Laserstrahl
16: Umlenkeinrichtung
20: Führungseinrichtung
22: Langfasern
24: Festende, bauteilseitig
25: freie Abschnitte
30: Klöppel
31: Ring
32: elektromagnetische Ablenkung
35: Stützkonstruktion
36: Steuereinrichtung
z: Fertigungsrichtung

Claims

Verfahren zur generativen Erzeugung eines Bauteils (3, 4), wobei in einer Fertigungsrichtung (z) ein verfestigbares Material schichtweise auf eine Bauplattform (7) aufgebracht und entsprechend einer vorgegebenen Bauteilgeometrie verfestigt wird, und wobei sich die einzelnen Schichten im Verfestigungsbereich zu dem fertigen Bauteil (3, 4) verbinden, dadurch gekennzeichnet, dass Langfasern (22) mit ihren Festenden (24) bauteilseitig befestigt werden, dass die freien Abschnitte (25) der Langfasern (22) Schicht für Schicht jeweils räumlich positioniert und hierdurch die Langfasern (22) für die in Fertigungsrichtung (z) folgende Materialschicht ausgerichtet werden, und dass die ausgerichteten Langfasern (22) anschließend beim Verfestigen der folgenden Materialschicht im Bauteil (3, 4) fixiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die freien Abschnitte (25) der Langfasern (22) jeweils unterschiedlich räumlich positioniert werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die freien Abschnitte (25) der Langfasern (22) mechanisch positioniert werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die freien Enden der Langfasern (22) in Klöppeln (30) geführt und die Klöppel (30) räumlich positioniert werden.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die freien Abschnitte (25) der Langfasern (22) gespannt durch einen durchmesservariablen Ring (31) geführt sind und durch Variation des Durchmessers räumlich positioniert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die freien Abschnitte (25) der Langfasern (22) elektromagnetisch positioniert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauplattform (7) schichtweise in einem Materialraum (5) abgesenkt und das Material in den Materialraum (5) jeweils unter Ausbildung einer ebenen Oberfläche flüssig eingefüllt oder pulverförmig eingerieselt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als verfestigbares Material ein aushärtbarer und/oder aufschmelzbarer Kunststoff, ein Harz, ein Metall, eine Metalllegierung und/oder eine Keramik verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Langfasern (22) aus Kohlenstoff, Glas, Aramid, Metall, Kunststoff oder aus Naturmaterialien verwendet werden.
Fertigungseinrichtung (1) zur generativen Erzeugung eines Bauteils (3, 4), umfassend einen Materialraum (5), eine im Materialraum (5) gegebenenfalls heb- und senkbar angeordnete Bauplattform (7), eine Befüllungseinrichtung (10, 11) zur schichtweisen Einbringung von Material in den Materialraum (5), und eine Verfestigungseinrichtung (13) zu einer selektiven ortsaufgelösten Verfestigung des eingebrachten Materials, dadurch gekennzeichnet, dass eine Führungseinrichtung (20) für bauteilseitig befestigte Langfasern (22) vorgesehen ist, die Mittel (30, 31, 32) zu einer räumlichen Positionierung der freien Abschnitte der Langfasern (22) umfasst.
Fertigungseinrichtung (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuervorrichtung (36) zu einer schichtweisen Ansteuerung der Führungseinrichtung (20) und einer anschließenden Ansteuerung der Verfestigungseinrichtung (13) vorgesehen ist.
Fertigungseinrichtung (1) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (30, 31, 32) zur räumlichen Positionierung faserselektiv oder fasergruppenselektiv ausgebildet sind.
Fertigungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (30, 31, 32) zur räumlichen Positionierung mechanische Führungselemente umfassen.
Fertigungseinrichtung (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass positionierbare Klöppel (30) vorgesehen sind, in denen die freien Abschnitte (25) der Langfasern (22) führbar sind.
Fertigungseinrichtung (1) nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass zur Führung der freien Abschnitte (25) der Langfasern (22) ein durchmesservariabler Ring (31) vorgesehen ist.
Fertigungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (30, 31, 32) zur räumlichen Positionierung elektromagnetische Führungselemente umfassen.
Fertigungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Befüllungseinrichtung (10, 11) zu einer schichtweisen Flüssigkeitsbefüllung oder schichtweisen Pulverberieselung des Materialraums (5) ausgebildet ist.