DE102013002242A1

DE102013002242A1 - Verfahren zur Herstellung eines von einem Medium durch- oder umströmbaren Bauteils

Info

Publication number: DE102013002242A1
Application number: DE201310002242
Authority: DE
Inventors: Robert Britz
Original assignee: Sisto Armaturen SA
Current assignee: Sisto Armaturen SA
Priority date: 2013-02-08
Filing date: 2013-02-08
Publication date: 2014-08-14

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines von einem Medium durch- oder umströmbaren Bauteils, insbesondere eines Verfahren zur Herstellung eines Gehäusebauteils, insbesondere Verfahren zur Herstellung eines Ventilbauteils, wobei das Bauteil dreidimensional durch gezieltes Aufschmelzen eines pulverförmigen oder flüssigen Rohmaterials durch einen Laserstrahl hergestellt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines von einem Medium durch- oder umströmbaren Bauteils. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung dabei ein Verfahren zur Herstellung eines Gehäusebauteils, weiterhin zur Herstellung eines Ventilbauteils.
Bauteile im flüssigkeitsberührten Bereich und insbesondere Ventilgehäusebauteile haben oftmals komplizierte dreidimensionale Strukturen mit innen liegenden Passagen, welche mit materialabtragenden Verfahren wie z. B. Fräsen, Erodieren, etc. von außerhalb des Gehäusebauteils nicht mit den fertigungstechnisch bedingten Werkzeugen wie z. b. Fräser, Bohrer, Elektrode zugänglich sind. Für solche Bauteile werden daher heutzutage verschiedene Gußverfahren wie z. B. Sandguß oder Feinguß im Wachsausschmelzverfahren eingesetzt. Bei solchen Fertigungsverfahren muss jedoch zunächst ein Gußmodell mit Gußkernen als Negativ des zu erzeugenden Bauteils hergestellt werden, woraufhin durch Ausgießen des vorhandenen Hohlraums das Bauteil mit den innen liegenden Passagen hergestellt wird. Solche Fertigungsverfahren sind daher relativ aufwendig.
Abhängig von dem gewählten Gußverfahren weist die Oberfläche eines solchen Bauteils zudem verfahrensbedingt Gußporen auf, welche bei bestimmten Anwendungen wie z. B. in der sterilen Verfahrenstechnik äußerst problematisch sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen im medienberührten Bereich zur Verfügung zu stellen, welches qualitativ hochwertige Oberflächen bei gleichzeitig einfacher Fertigung garantiert.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die vorliegende Erfindung zeigt dabei ein Verfahren zur Herstellung eines von einem Medium durch- oder umströmbaren Bauteils, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass das Bauteil dreidimensional durch gezieltes Aufschmelzen eines pulverförmigen oder flüssigen Rohmaterials durch einen Laserstrahl hergestellt wird.
Ein solches auch als Lasercusing bezeichnetes Verfahren ist zwar grundsätzlich bereits bekannt. Jedoch wurde es bisher nicht zur Herstellung von Bauteilen im medienberührten Bereich eingesetzt und die mit diesem Verfahren verbundenen Vorteile in diesem Bereich nicht erkannt.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben dabei erkannt, dass durch das gezielte Aufschmelzen mittels Laserstrahl dreidimensional hergestellte Bauteile eine hervorragende Oberflächenqualität haben, welche durch ihre Porenfreiheit erhebliche Vorteile gegenüber gußtechnisch hergestellten Bauteilen aufweist und insbesondere ideale Voraussetzungen für den Einsatz im flüssigkeitsbenetzten Bereich, insbesondere in der sterilen Verfahrenstechnik bietet.
Vorteilhafterweise weisen die erfindungsgemäß hergestellten Oberflächen eine Rauhigkeit Ra von weniger als 1 μm auf.
Vorteilhafterweise wird das erfindungsgemäße Verfahren dabei zur Herstellung von Bauteilen eingesetzt, welche innen liegende Hinterschneidungen aufweisen, welche durch abspanende Fertigungsverfahren nicht herstellbar sind. Die Herstellung von solchen Bauteilen mit von außerhalb nicht von Werkzeugen zugänglichen innen liegenden Passagen gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung erlaubt die Herstellung solcher Bauteile ohne ein Gußmodell. Hierdurch wird die Fertigungszeit erheblich abgekürzt. Ebenfalls werden die Kosten der Herstellung bei Einzelteil- und Kleinserienproduktion erheblich reduziert.
Insbesondere können dabei auch die innen liegenden Passagen der Bauteile durch ihre Porenfreiheit zum Leiten eines Mediums eingesetzt werden, insbesondere in der sterilen Verfahrenstechnik.
Die vorliegende Erfindung wird dabei vorteilhafterweise zur Herstellung von Gehäusebauteilen, welche von einem Medium durchströmbar sind, eingesetzt. Insbesondere kommt die vorliegende Erfindung dabei zur Herstellung von Ventilbauteilen zum Einsatz.
Insbesondere kann es sich bei einem solchen Ventilbauteil um ein Ventilgehäuse handeln. Das erfindungsgemäße Verfahren kann dabei insbesondere dann zum Einsatz kommen, wenn das Ventilgehäuse ein Ventilinnenraum aufweist, welcher zerspanungstechnisch nicht herstellbar ist.
Beispielsweise kann das Ventilgehäuse dabei einen oder mehrere Ventilsitze aufweisen. Der zerspanungstechnisch nicht herstellbare Ventilinnenraum kann dabei zwischen zwei oder mehr Ventilsitzen des Ventilgehäuses angeordnet sein.
Das Ventilgehäuse kann weiterhin einen oder mehrere Anschlüsse, insbesondere Ports aufweisen. Der zerspanungstechnisch nicht herstellbare Ventilinnenraum kann dabei ohne einen direkten Anschluss, oder mit einem oder mehreren Anschlüssen ausgestattet sein.
Vorteilhafterweise wird dabei erfindungsgemäß die Geometrie des Bauteils durch lokales Aufschmelzen des pulverförmigen oder flüssigen Rohmaterials und Ablenken des Laserstrahls in einer Ebene bestimmt, so dass die Geometrie in dieser Ebene durch die Punkte definiert wird, auf welche der Laserstrahl gelenkt wird. Vorteilhafterweise kann das Ablenken dabei über eine Spiegelanordnung erfolgen, welche beispielsweise computergesteuert bewegt wird.
Weiterhin vorteilhafterweise wird die Geometrie des Bauteils schichtweise erzeugt, wobei nach der Herstellung einer Schicht neues Rohmaterial auf dieser Schicht verteilt und gezielt aufgeschmolzen wird. Hierdurch ergibt sich schichtweise ein dreidimensionales Bauteil.
Vorteilhafterweise wird erfindungsgemäß ein Faserlaser zum Aufschmelzen eingesetzt.
Die vorliegende Erfindung eignet sich dabei besonders gut zum Herstellen von Metallbauteilen, wobei vorteilhafterweise ein Metallpulver als Rohmaterial eingesetzt wird. Gegebenenfalls kann die vorliegende Erfindung jedoch auch zur Herstellung von Bauteilen aus Kunststoff eingesetzt werden, wenn ein entsprechendes Rohmaterial zum Einsatz kommt.
Bei dem Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung kann dabei auf eine Oberflächenbehandlung von innen liegenden Oberflächen des Bauteils, und dabei insbesondere von Oberflächen des Bauteils, welche mit dem Medium in Kontakt treten sollen, verzichtet werden. Durch das Aufschmelzen mit dem Laser sind die Oberflächen bereits von hervorragender Qualität, so dass eine aufwendige Nachbearbeitung unterbleiben kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann dabei insbesondere zur Herstellung einer Vielzahl identischer Bauteile eingesetzt werden. Insbesondere kommt die vorliegende Erfindung dabei zur Herstellung von Kleinserien und/oder zur Serienproduktion zum Einsatz. Beispielsweise können mit der vorliegenden Erfindung mehr als 100 identische Bauteile gefertigt werden. Anders als im Stand der Technik wird das Lasercusingverfahren daher nicht für das Prototyping eingesetzt, sondern zur Herstellung von fertigen Bauteilen.
Die vorliegende Erfindung umfasst dabei weiterhin die Verwendung eines nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Bauteils zum Leiten einer sterilen Flüssigkeit und insbesondere die Verwendung als Ventil in der sterilen Verfahrenstechnik.
Die vorliegende Erfindung soll nun anhand eines Ausführungsbeispiels und Zeichnungen näher dargestellt werden. Dabei zeigen:
1: zwei perspektivische Ansichten eines Ausführungsbeispiels eines durch ein erfindungsgemäßes Verfahren hergestellten Ventilbauteils,
2: eine Frontalansicht des in 1 gezeigten Ventilbauteils,
3: eine Schnittansicht durch das Ventilbauteil durch die in 2 angezeigte Schnittebene A-A, und
4: eine Schnittansicht durch das erfindungsgemäße Ventilbauteil durch die in 2 angezeigte Schnittebene B-B.
Die vorliegende Erfindung zeigt ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen, insbesondere von Ventilgehäusen, mit innen liegenden Passagen, die mit materialabtragenden Verfahren nicht mit den fertigungsbedingten Werkzeugen zugänglich sind.
In 1 bis 4 ist ein Ausführungsbeispiel für ein solches Ventilgehäuse gezeigt. Das Ventilgehäuse weist dabei drei Ports 1, 2 und 3 auf. Zur Steuerung der Fluidströme zwischen den Ports sind zwei Ventilsitze 4 und 5 vorgesehen.
Wie insbesondere in 3 ersichtlich, ist zwischen den Ventilsitzen 4 und 5 ein Ventilinnenraum 6 vorhanden, welcher zerspanungstechnisch nicht herstellbar ist. Insbesondere bilden die beiden Ventilsitze 4 und 5 dabei Hinterschnitte, durch welche nicht der gesamte Ventilinnenraum 6 durch spanabtragende Werkzeuge erreichbar ist.
Im Ausführungsbeispiel dient dabei der Ventilsitz 5 der Ansteuerung des Fluidstroms vom Port 2 zum Ventilinnenraum 6, der Ventilsitz 4 die Fluidsteuerung vom Port 1 zum Ventilinnenraum 6. Weiterhin ist im Ausführungsbeispiel der Ventilinnenraum 6 direkt mit dem Port 3 ausgestattet.
Wie das Ausführungsbeispiel zeigt, kann der Ventilinnenraum damit zwischen zwei oder mehreren Ventilsitzen angeordnet sein und/oder direkt mit einem oder mehreren Anschlüssen ausgestattet sein.
Die Erfindung kann jedoch auch auf Ventilgehäuse angewendet werden, bei welchen der Ventilinnenraum aus anderen Gründen nicht durch spanabtragende Verfahren herstellbar ist. Selbstverständlich kann die vorliegende Erfindung jedoch auch dann eingesetzt werden, wenn der Ventilinnenraum zwar im Prinzip auch durch spanabtragende Verfahren herstellbar wäre. Denn durch das erfindungsgemäße Verfahren lassen sich beliebige Geometrien äußerst einfach herstellen.
Zur Herstellung des Bauteils, insbesondere des Ventilgehäuses, wird im Ausführungsbeispiel feines pulverförmiges Metall oder Kunststoff durch einen Faserlaser lokal aufgeschmolzen. Nach dem Erkalten verfestigt sich das Material. Die Geometrie des Ventilgehäuses wird durch Ablenkung des Laserstrahls mittels einer Spiegelablenkeinheit erzeugt. Der Aufbau des Bauteils erfolgt Schicht für Schicht durch Absenkung der Trägerplattform sowie anschließendes Verteilen einer neuen dünnen Schicht von Pulver. Anschließend wird diese nächste Schicht des Ventilgehäuses wiederum durch gezieltes Aufschmelzen hergestellt.
Ein so hergestelltes Bauteil entspricht dabei dem per CAD erzeugten 3D-Modell. Vorteilhafterweise erfolgt die Herstellung dabei computergesteuert.
Die vorliegende Erfindung erlaubt so die Herstellung von Bauteilen, insbesondere von Ventilgehäusen, mit von außerhalb nicht von Werkzeugen zugänglichen innen hegenden Passagen in einem Verfahren ohne Gußmodell. Hierdurch wird die Fertigungszeit erheblich abgekürzt. Ebenfalls werden die Kosten der Herstellung bei Einzelteil- und Kleinserienproduktion erheblich reduziert.
Gleichzeitig ist die Oberflächenqualität der äußeren Oberflächen und der Oberflächen der innen liegenden Passagen durch die Porenfreiheit erheblich gegenüber gußtechnisch hergestellten Bauteilen verbessert und bietet damit ideale Voraussetzungen für den Einsatz in der sterilen Verfahrenstechnik.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines von einem Medium durch- oder umströmbaren Bauteils, insbesondere eines Verfahren zur Herstellung eines Gehäusebauteils, insbesondere Verfahren zur Herstellung eines Ventilbauteils, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil dreidimensional durch gezieltes Aufschmelzen eines pulverförmigen oder flüssigen Rohmaterials durch einen Laserstrahl hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bauteil innen liegende Hinterschneidungen aufweist, welche durch materialabtragende Fertigungsverfahren nicht herstellbar sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Geometrie des Bauteils durch lokales Aufschmelzen des pulverförmigen oder flüssigen Rohmaterials und Ablenken des Laserstrahls in einer Ebene bestimmt wird, wobei das Ablenken vorteilhafterweise über eine Spiegelanordnung erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Geometrie des Bauteils schichtweise erzeugt wird, wobei nach der Herstellung einer Schicht neues Rohmaterial auf dieser Schicht verteilt und gezielt aufgeschmolzen wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei ein Faserlaser eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei ein Metallpulver als Rohmaterial eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei auf eine Oberflächenbehandlung von innen liegenden Oberflächen des Bauteils, insbesondere von Oberflächen des Bauteils, welche mit dem Medium in Kontakt treten sollen, verzichtet wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche zur Herstellung einer Vielzahl identischer Bauteile, insbesondere zur Herstellung von Kleinserien und/oder zur Serienproduktion, vorteilhafterweise zur Herstellung von mehr als 100 identischen Bauteilen.
Verwendung eines nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 hergestellten Bauteils zum Leiten einer sterilen Flüssigkeit, insbesondere als Ventil in der sterilen Verfahrenstechnik.