DE102013009966B4 - Processes and installations for the production of 3D construction cells - Google Patents

Processes and installations for the production of 3D construction cells Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Bauteilen, wobei das dreidimensionale Bauteil in mindestens 3 Teilvolumen aufgeteilt wird, wobei die Teilvolumen in zwei Gruppen unterteilt werden, wobei die erste Gruppe der Teilvolumen aus Vollmaterial vorgefertigt wird, wobei die zweite Gruppe der Teilvolumen durch Auftragen auf das Teilvolumen der ersten Gruppe erzeugt wird, wobei das Teilvolumen der ersten Gruppe mit dem benachbarten Teilvolumen der zweiten Gruppe verbunden wird.A method for producing three-dimensional components, wherein the three-dimensional component is divided into at least three partial volumes, wherein the partial volumes are divided into two groups, wherein the first group of partial volumes is prefabricated from solid material, wherein the second group of partial volumes by applying to the partial volume of first group is generated, wherein the partial volume of the first group is connected to the adjacent partial volume of the second group.

Description

Die Anmeldung betrifft ein Verfahren und Anlagen zur Herstellung von 3D BautellenThe application relates to a method and equipment for the production of 3D construction cells

Rapid Prototyping und 3D-Printing sind Begriffe die in den letzten Jahren immer häufiger gefallen sind und mittlerweile vierlerlei Anwendungen gefunden haben. So gibt es heute verschiedene generative Fertigungsverfahren zur Herstellung von Bauteilen komplexer Geometrie, wie etwa SLM (Selective Laser Melting) und Auftragschweißen, alle mit ihren eigenen Stärken und Schwächen. SLM und Auftragschweißen sind sehr flexibel was die Geometrie der zu fertigenden Bauteile betrifft, werden jedoch in ihrer Einsetzbarkeit und Wirtschaftlichkeit beschränkt durch die Größe der zu erzeugenden Bauteile und der damit verbundenen Prozessdauer. Des Weiteren ist es nicht bzw. nur begrenzt möglich auskragende Strukturen ohne Stützstrukturen zu fertigen. Bis heute werden deswegen Kühlelemente wie in durch Ätzen und anschließendes Bonding der Einzelschichten erzeugt. Doch auch hier wird die Größe der Bauteile durch die Prozessparameter beschränkt die zum Bonding nötig sind.Rapid prototyping and 3D printing are terms that have fallen in recent years more frequently and have now found four different applications. Today, there are various generative manufacturing processes for producing complex geometry components, such as SLM (Selective Laser Melting) and cladding, all with their own strengths and weaknesses. SLM and cladding are very flexible in terms of the geometry of the components to be manufactured, but are limited in their applicability and cost-effectiveness by the size of the components to be produced and the associated process duration. Furthermore, it is not or only possible to produce cantilevered structures without support structures. So far, cooling elements like in produced by etching and subsequent bonding of the individual layers. But even here, the size of the components is limited by the process parameters required for bonding.

Aus der Druckschrift DE 100 58 748 C1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils bekannt. Eine Stützmaterialschicht mit mindestens einer Aussparung wird auf eine bestehende Bauplattform aufgetragen. Die Aussparung wird mit Baumaterial ausgefüllt. Eine Stützmaterialschicht wird auf die erste Schicht aufgebracht und mit Baumaterial befüllt. Diese Schritte werden bis zur Fertigstellung des Bauteils wiederholt. Nach Fertigestellung wird das Stützmaterial entfernt.From the publication DE 100 58 748 C1 a method for producing a component is known. A support material layer having at least one recess is applied to an existing build platform. The recess is filled with building material. A support material layer is applied to the first layer and filled with building material. These steps are repeated until the component is completed. After completion of the support material is removed.

Ausgehend vom vorstehend angeführten Stand der Technik und oder beschriebenen Problematik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde Verfahren und darauf aufbauende Anlagen zur schnellen und wirtschaftlichen Fertigung von Bauteilen komplexer Geometrie anzugeben.Based on the above-mentioned prior art and or problems described, the present invention has for its object to provide methods and systems based thereon for the fast and economic production of components of complex geometry.

Um sowohl den Aspekt der Schnelligkeit sowie Wirtschaftlichkeit zu erfüllen wird das zu fertigende Bauteil in beliebig viele, aber mindestens drei Teilvolumen aufgeteilt. Diese Teilvolumen können zwei Gruppen zugeordnet werden. Die drei Teilvolumen setzen sich zusammen aus einem ersten Teilvolumen (11) der ersten Gruppen, einem ernsten Teilvolumen (21) der zweiten Gruppe und einem zweiten Teilvolumen (12) der ersten Gruppen. Die Teilvolumen (11, 12, 13) der ersten Gruppe werden aus Vollmaterialien vorgefertigt. Das erste Teilvolumen (21) der zweiten Gruppe wird durch generative Fertigungsverfahren wie SLM, Plasma-Beschichtungsverfahren und/oder Auftragsschweißen auf dem ersten Teilvolumen (11) der ersten Gruppe erzeugt. Das zweite Teilvolumen (12) der ersten Gruppe wird mit dem ersten Teilvolumen (21) der zweiten Gruppe verbunden. Begonnen wird dabei mit dem Teilvolumen (11) der ersten Gruppe auf das das Teilvolumen (21) der ersten Gruppe aufgetragen wird. Bevor das vorgefertigte zweite Teilvolumen (12) der ersten Gruppe an das generierte Teilvolumen (21) der zweiten Gruppe miteinander verbunden werden, wird das Teilvolumen (21) der zweiten Gruppe mechanisch bearbeitet und gesäubert, z. B. durch Fräsen, Schleifen und/oder Polieren. Die Teilvolumen (12) und (21) werden anschließend durch ein Plasma-Prozess oder Laserschweißen miteinander verbunden.In order to fulfill both the aspect of speed and economy, the component to be manufactured is divided into any number but at least three partial volumes. These partial volumes can be assigned to two groups. The three partial volumes are composed of a first partial volume ( 11 ) of the first groups, a serious subvolume ( 21 ) of the second group and a second partial volume ( 12 ) of the first groups. The partial volumes ( 11 . 12 . 13 ) of the first group are prefabricated from solid materials. The first partial volume ( 21 ) of the second group is produced by additive manufacturing processes such as SLM, plasma coating and / or build-up welding on the first sub-volume ( 11 ) of the first group. The second partial volume ( 12 ) of the first group is compared to the first partial volume ( 21 ) of the second group. It starts with the partial volume ( 11 ) of the first group to which the partial volume ( 21 ) of the first group is applied. Before the prefabricated second partial volume ( 12 ) of the first group to the generated partial volume ( 21 ) of the second group, the partial volume ( 21 ) of the second group mechanically processed and cleaned, z. B. by milling, grinding and / or polishing. The partial volumes ( 12 ) and ( 21 ) are then connected together by a plasma process or laser welding.

Weiter kann ein zweites Teilvolumen (22) der zweiten Gruppe durch Auftragen auf das zweite Teilvolumen (12) der ersten Gruppe generiert. Das zu fertigende Bauteil wird nun abwechselnd aus Teilvolumen der ersten und zweiten Gruppe aufgebaut.Furthermore, a second partial volume ( 22 ) of the second group by applying to the second partial volume ( 12 ) of the first group. The component to be manufactured is now constructed alternately from partial volumes of the first and second groups.

Ein etabilierter und effizienter Prozess zum Auftragen kann mittels Plasma-Beschichtungsverfahren realisiert werden. Allerdings ist die Qualität nicht sehr hoch und gleichzeitig wird das Werkstück aufgrund der Plasma-Aufheizung thermisch belastet. Das Problem kann durch Verwendung von Laserauftragschweißen und Laser-Selektives Schmelzen vermieden werden. Dabei können zum einen die Auflösung der Struktur erhöht und zum anderen die thermischen Einflüsse minimiert werden.An established and efficient process for application can be realized by means of plasma coating processes. However, the quality is not very high and at the same time the workpiece is thermally stressed due to the plasma heating. The problem can be avoided by using laser cladding and laser selective melting. On the one hand the resolution of the structure can be increased and on the other hand the thermal influences can be minimized.

Die Teilvolumen der zweiten Gruppe (21, 22), die mittels generativer Verfahren erzeugt werden, sind teilweise zu rau und/oder weisen eine zu große Toleranz auf. Sie werden zuerst mechanisch bearbeitet und gesäubert, bevor die folgenden Teilvolumen der ersten Gruppe (12, 13) mit ihnen (21, 22) verbunden werden. Zur mechanischen Bearbeitung kann eine Fräsemachine und/oder eine Schleifmachine und/oder eine Poliermaschine verwendet werden.The partial volumes of the second group ( 21 . 22 ), which are generated by means of generative methods, are partly too rough and / or have too large a tolerance. They are first mechanically processed and cleaned before the following sub-volumes of the first group ( 12 . 13 ) with you ( 21 . 22 ) get connected. For mechanical processing, a milling machine and / or a grinding machine and / or a polishing machine can be used.

Das Verbinden von Teilvolumen der ersten Gruppe (11, 12) an die Teilvolumen der zweiten Gruppe (21, 22) kann vorzugsweise durch das Schweißen mittels eines Laserstrahls ausgeführt werden.Connecting partial volumes of the first group ( 11 . 12 ) to the sub-volumes of the second group ( 21 . 22 ) may preferably be performed by welding by means of a laser beam.

Hinsichtliche der Herstellung ist es vorteilhaft, dreidimenisonale Bauteile in Schichten aufzuteilen. Die schichtförmigen Teilvolumen weisen eine entsprechenden Strukturen und Dicke auf. Die Schichten können vorzugsweise eben oder zylinderisch sein.In terms of production, it is advantageous to divide three-dimensional components into layers. The layer-shaped partial volumes have corresponding structures and thickness. The layers may preferably be flat or cylindrical.

Als schichtförmigen Teilvolumen der ersten Gruppe können Bleche verwendet werden. Die Vorfertigung kann vorzugsweise mittels Laserschneiden ausgeführt werden.As a layer-shaped partial volume of the first group sheets can be used. The prefabrication can preferably be carried out by means of laser cutting.

Basierend auf im oben erläuterten Verfahren können Anlagen zur Herstellung von 3D-Bauteilen konzipiert werden. Um das Verfahren in Produktion umzusetzetn, besteht die mindestens aus einer abtragenden Bearbeitungsstation, einer generierenden Bearbeitungsstation, einer zusammenfügenden Bearbeitungsstation.Based on the procedure described above, systems for the production of 3D components can be designed. In order to implement the method in production, there is at least one abrading processing station, one generating processing station, one merging processing station.

Bei der abtragenden Bearbeitungsstation kann es sich um eine Fräsmaschine oder eine Laserschneidenstation handeln.The abrading processing station may be a milling machine or a laser cutting station.

In der auftragenden Bearbeitungsstation kann eine Laser-Auftragstation oder eine Laser selektive Schmelzstation verwendet werden.In the applying processing station, a laser application station or a laser selective melting station can be used.

Eine Laserschweißstation stellt bevorzugte Lösung für die zusammenfügende Bearbeitungsstation dar.A laser welding station is the preferred solution for the assembling processing station.

Des Weiteren kann eine gemeinsame Laserstrahlquelle für alle Bearbeitungsstationen genutzt werden, etwa ein Faserlaser oder fasergekoppelter Diodenlaser.Furthermore, a common laser beam source can be used for all processing stations, such as a fiber laser or fiber-coupled diode laser.

: Ein dreidimensionaler Kühlkörper, die schichweise aufgebaut wird. : A three-dimensional heat sink that is built up in layers.

Die Schichten (11, 12, 13) bilden die Teilvolumen der ersten Gruppe und die Schichten (21, 22) die Teilvolumen der zweiten Gruppe.The layers ( 11 . 12 . 13 ) form the partial volumes of the first group and the layers ( 21 . 22 ) the partial volumes of the second group.

Claims (12)

Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Bauteilen, wobei das dreidimensionale Bauteil in mindestens 3 Teilvolumen aufgeteilt wird, wobei die Teilvolumen in zwei Gruppen unterteilt werden, wobei die erste Gruppe der Teilvolumen aus Vollmaterial vorgefertigt wird, wobei die zweite Gruppe der Teilvolumen durch Auftragen auf das Teilvolumen der ersten Gruppe erzeugt wird, wobei das Teilvolumen der ersten Gruppe mit dem benachbarten Teilvolumen der zweiten Gruppe verbunden wird.A method for producing three-dimensional components, wherein the three-dimensional component is divided into at least three partial volumes, wherein the partial volumes are divided into two groups, wherein the first group of partial volumes is prefabricated from solid material, wherein the second group of partial volumes by applying to the partial volume of first group is generated, wherein the partial volume of the first group is connected to the adjacent partial volume of the second group. Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Bauteilen nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilvolumen jeweils aus einer Schicht mit entsprechenden Strukturen bestehen, welche eine gleichmäßige Dicke bzw. Höhe aufweisen.Process for the production of three-dimensional components according to claim 1, characterized in that the partial volumes each consist of a layer with corresponding structures which have a uniform thickness or height. Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Bauteilen nach dem Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Teilvolumen der ersten Gruppe durch ein Blech mit entsprechendem Ausschnitt gebildet.Method for the production of three-dimensional components according to claim 1 or 2, characterized in that the partial volume of the first group is formed by a metal sheet with a corresponding cutout. Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Bauteilen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auftragung der Teilvolumen der zweiten Gruppe durch Plasma-Beschichtungsverfahren, Laser-Auftragschweißen und/oder selektives Laser-Melting erfolgt.Method for the production of three-dimensional components according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the partial volume of the second group is applied by plasma coating methods, laser cladding and / or selective laser melting. Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Bauteilen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilvolumen der zweiten Gruppe mechanisch wie durch Fräsen, Schleifen und/oder Polieren bearbeitet und gesäubert werden, bevor das darauf folgende Teilvolumen der ersten Gruppe mit dem Teilvolumen der zweiten Gruppe verbunden wird.Method for the production of three-dimensional components according to one of claims 1 to 4, characterized in that the partial volumes of the second group are machined and cleaned mechanically, such as by milling, grinding and / or polishing, before the subsequent partial volume of the first group with the partial volume of second group is connected. Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Bauteilen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbinden von Teilvolumen der ersten Gruppe an das Teilvolumen der zweiten Gruppe mittels Laserschweißen erfolgt.Method for producing three-dimensional components according to one of claims 1 to 5, characterized in that the partial volume of the first group is connected to the partial volume of the second group by means of laser welding. Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Bauteilen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgefertigten Teilvolumen der ersten Gruppe aus Blechen mit Strukturen bestehen, die mit Laser geschnitten sind.Method for the production of three-dimensional components according to one of claims 1 to 5, characterized in that the prefabricated partial volumes of the first group consist of sheets with structures which are cut by laser. Anlage zur Herstellung von dreidimensionalen Bauteilen nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens eine abtragende Bearbeitungsstation, eine generierende Bearbeitungsstation, eine zusammenfügende Bearbeitungsstation enthält.Plant for the production of three-dimensional components according to one of claims 1 to 7, characterized in that it comprises at least one erosive processing station, a generating processing station, an assembling processing station. Anlage zur Herstellung von dreidimensionalen Bauteilen nach dem Anspuch 8, dadurch gekennzeichtnet, dass die abtragende Bearbeitungsstation eine mechanische Fräsmaschine oder eine Laserschneidenstation ist.Plant for the production of three-dimensional components according to claim 8, characterized in that the abrading processing station is a mechanical milling machine or a laser cutting station. Anlage zur Herstellung von dreidimensionalen Bauteilen nach dem Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die generierende Bearbeitungsstation eine Laser-Auftragschweißenstation oder eine Laser selektive Schmelzstation ist.Plant for the production of three-dimensional components according to claim 8 or 9, characterized in that the generating processing station is a laser cladding station or a laser selective melting station. Anlage zur Herstellung von dreidimensionalen Bauteilen nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zusammenfügende Bearbeitungsstation eine Laserschweißstation ist.Plant for the production of three-dimensional components according to one of claims 8 to 10, characterized in that the assembling processing station is a laser welding station. Anlage zur Herstellung von dreidimensionalen Bauteilen nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine gemeinsame Laserstrahlquelle für die Laserschneidestation, Laserschweißstation, Laserauftragsschweißenstation und für die selektive Laserschmelzstation genutzt wird.Plant for the production of three-dimensional components according to one of Claims 10 or 11, characterized in that a common laser beam source is used for the laser cutting station, laser welding station, laser deposition welding station and for the selective laser melting station.
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