DE102013221385A1

DE102013221385A1 - Verfahren zur Herstellung eines geometrisch dreidimensional strukturierten Werkstücks und Werkstück

Info

Publication number: DE102013221385A1
Application number: DE201310221385
Authority: DE
Inventors: Dominik Rietzel
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2013-10-22
Filing date: 2013-10-22
Publication date: 2015-04-23

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines geometrisch dreidimensional strukturierten Werkstückes, wobei zumindest ein Basiselement zum Anordnen wenigstens einer Materialschicht an einer Aufnahmeplatte einer Herstellungsanlage zum Herstellen des Werkstückes mit einer Bearbeitungsoberfläche angeordnet wird, die Materialschicht zumindest abschnittsweise auf der Bearbeitungsoberfläche mittels einer Aufbringungseinheit wenigstens zum Aufbringen der Materialschicht während eines Schichtaufbauverfahrens aufgebracht wird, und wobei die Materialschicht zumindest abschnittsweise mit der Verarbeitungsoberfläche des Basiselementes stoffschlüssig verbunden wird. Ferner betrifft die Erfindung ein Werkstück mit einer geometrisch dreidimensionalen Struktur, welches mittels des vorbenannten Verfahrens hergestellt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines geometrisch dreidimensional strukturierten Werkstückes sowie ein Werkstück mit einer geometrisch dreidimensionalen Struktur, wobei das Werkstück zumindest ein Basiselement und eine auf dem Basiselement angeordnete Materialschicht aufweist, welche zumindest abschnittsweise mit dem Basiselement stoffschlüssig verbunden ist.
Grundlegend sind additive bzw. generative Fertigungsverfahren, wie beispielsweise das Laser-Sintern zur Herstellung von dreidimensionalen Werkstücken bekannt. Hierbei erfolgt der Aufbau des dreidimensionalen Werkstückes computergesteuert aus einem oder mehreren flüssigen, strang- oder pulverförmigen Werkstoffen nach vorgegebenen Maßen und Formen. Beim Aufbau des dreidimensionalen Werkstückes finden physikalische und chemische Härtungs- oder Schmelzprozesse von beispielsweise Kunststoffen, Kunstharzen, Keramiken oder auch Metallen statt. Insbesondere bei den additiven Fertigungsverfahren wird folglich ein einzelner Werkstoff in ein dreidimensionales Gebilde überführt. Jedoch ist auch bei der Verwendung eines derartigen additiven Fertigungsverfahrens, bei welchem insbesondere ein Strang aus amorphem Thermoplast, ein Pulver aus amorphem und teilkristallinem Thermoplast oder ein UV-härtendes Harz schichtweise in ein Bauteil überführt wird, die Herstellung hochbelastbarer Bauteile aufgrund einer maximalen Drapierfähigkeit des aufgebrachten Substrates bzw. Materials lediglich eingeschränkt bzw. begrenzt möglich, insbesondere, weil kurze Fasern oder Füllstoffe, welche eine versteifende Wirkung auf das Substrat bzw. Material haben, lediglich in geringem Maße bzw. Grade in dieses Substrat bzw. Material eingebracht werden können. Folglich weisen derartige dreidimensional aufgebaute Strukturen beispielsweise eine geringere Festigkeit auf als Spritzgussstrukturen, welche einen hohen Fasergehalt bzw. einen Fasergehalt mit längeren Fasern aufweisen.
Des Weiteren ist grundlegend bekannt, dass beispielsweise faserverstärkte Kunststoffe (CFK) auf thermoplastischer sowie duroplastischer Basis lediglich bis zu einem gewissen Grad umformbar sind. Mittels des Einsatzes der Umformtechnik lassen sich folglich aus faserverstärkten Kunststoffen ebenso keine dreidimensional komplexen Strukturen bzw. Geometrien eines Bauteils ermöglichen.
Um unterschiedliche Werkstoffe bzw. Werkstoffsysteme zu insbesondere einem sogenannten Hybridbauteil zusammenzufügen bzw. zu verbinden, um dadurch gegebenenfalls dreidimensional komplexe Strukturen oder Geometrien zu erzeugen, ist es bekannt, diese Werkstoffsysteme mittels Fügeverfahren, wie beispielsweise Klebeverfahren bzw. Klebeverbindungen aneinander anzuordnen. Hierbei ist im Vorfeld jedoch die Auswahl des entsprechenden Klebstoffes für die spätere Klebeverbindung relevant. Oftmals bedarf es vor dem Einsatz eines Klebemittels auch der Oberflächenbehandlung der miteinander zu verbindenden Werkstücke. Zudem unterliegt der Klebstoff der Alterung, wobei für die Alterung insbesondere mechanische, chemische, physikalische und/oder biologische Einflüsse verantwortlich sind. Des Weiteren sind viele Klebstoffe nicht nur Gefahrenstoffe, sondern auch temperaturabhängig, so dass beispielsweise bei niedrigen Temperaturen eine Versprödung des Klebstoffes auftreten kann, während beispielsweise bei hohen Temperaturen der Klebstoff erweicht.
Es ist folglich die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, mit welchem ein Werkstück bzw. das Bauteil mit einer geometrisch komplexen dreidimensionalen Geometrie bzw. Struktur hergestellt werden kann, wobei dieses Werkstück selbst ein sogenanntes Hybridbauteil ist, bei welchem unterschiedliche Werkstoffe bzw. Werkstoffsysteme miteinander verbunden bzw. miteinander verfügt wurden, ohne den Einsatz einer Klebeverbindung.
Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines geometrisch dreidimensionalen strukturierten Werkstückes mit den Merkmalen des Anspruches 1 sowie durch ein Werkstück mit einer geometrisch dreidimensionalen Struktur mit den Merkmalen gemäß Anspruch 10. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Werkstück und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann. Außerdem kann das erfindungsgemäße Werkstück mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines geometrisch dreidimensional strukturierten Werkstücks wird zumindest ein Basiselement zum Anordnen wenigstens einer Materialschicht an einer Aufnahmeplatte einer Herstellungsanlage zum Herstellen des Werkstücks mit wenigstens einer vorteilhaft zu einer Aufbringungseinheit ausgerichteten, insbesondere planar ausgerichteten, Bearbeitungsoberfläche in der Herstellungsanlage angeordnet. Vorteilhaft ist wenigstens eine Bearbeitungsoberfläche oder zumindest ein Bereich bzw. Abschnitt wenigstens einer Bearbeitungsoberfläche im Wesentlichen horizontal ausgerichtet. Des Weiteren wird erfindungsgemäß die Materialschicht zumindest abschnittsweise auf der Bearbeitungsoberfläche mittels einer Aufbringungseinheit wenigstens zum Aufbringen der Materialschicht während eines Schichtaufbauverfahrens aufgebracht, wobei die Materialschicht zumindest abschnittsweise mit der Bearbeitungsoberfläche des Basiselementes stoffflüssig verbunden wird. Das dreidimensional strukturierte bzw. aufgebaute Werkstück bzw. Bauteil weist folglich zumindest ein Basiselement sowie zumindest eine Materialschicht auf, so dass das Basiselement einen ersten Bestandteil des Werkstückes darstellt, während das Materialstück einen zweiten (weiteren) Bestandteil des Werkstückes darstellt. Das Basiselement selbst ist vorteilhaft derart an einer Aufnahmeplatte einer Herstellungsanlage zum Herstellen des Werkstückes angeordnet, dass zumindest ein Bereich einer Oberfläche und insbesondere einer Bearbeitungsoberfläche des Basiselementes eine planare Fläche insbesondere hinsichtlich der Anordnung und Ausrichtung der Aufbringungseinheit darstellt. Vorteilhaft erstreckt sich die Bearbeitungsoberfläche horizontal und insbesondere parallel zum Horizont ausgerichtet in einem Bereich der Herstellungsanlage. Die Bearbeitungsoberfläche des Basiselementes ist insbesondere die Oberfläche, auf welcher die Materialschicht aufgebracht bzw. zumindest teilweise auch eingebracht wird. Vorteilhaft ist es folglich möglich, auf insbesondere einer Oberfläche eines nicht weiter (um)formbaren Basiselementes eine geometrisch komplexe dreidimensional ausgestaltete Materialschicht aufzubringen, ohne dass die grundlegenden Eigenschaften des Basiselementes eingeschränkt oder verändert werden. Im Rahmen der Erfindung ist es folglich möglich, dass eine Materialschicht additiv und gegebenenfalls subtraktiv auf dem Basiselement, welches selbst ein Hybridbauteil bzw. ein Substrat sein kann, derart aufgebracht wird, dass eine stoffschlüssige und vorteilhaft auch formschlüssige Verbindung zwischen dem Basiselement und der Materialschicht entsteht. Die Aufnahmeplatte ist insbesondere eine Plattform bzw. ein Halteelement zum Halten, Arretieren, Zentrieren und/oder Ausrichten des Basiselementes innerhalb der Herstellungsanlage, insbesondere hinsichtlich der Ausrichtung der Aufbringungseinheit. Es ist des Weiteren denkbar, dass das Basiselement mehr als eine Bearbeitungsfläche aufweist und folglich je nach Ausgestaltung des Basiselementes zwei oder mehr Bearbeitungsoberflächen aufweisen kann. Folglich kann das Basiselement beispielsweise plattenartig bzw. kubusartig, scheibenartig oder prismenartig ausgestaltet sein oder jede mögliche andere Gestalt aufweisen. Die Aufbringungseinheit zum Aufbringen der Materialschicht ist vornehmlich eine Einrichtung bzw. Vorrichtung der Herstellungsanlage zum Herstellen des Werkstückes und kann je nach angewandtem Herstellungsverfahren bzw. Schichtaufbauverfahren beispielsweise ein Laser, ein Druckkopf, ein Extruder oder eine vergleichbare Einheit sein. Vorteilhaft werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren das Material bzw. der Werkstoff des Basiselementes und insbesondere der Bearbeitungsoberfläche des Basiselementes mit dem Werkstoff der aufzubringenden bzw. aufgebrachten Materialschicht insbesondere in einer Verbindungszone stoffflüssig miteinander verbunden, ohne dass weitere Verbindungs- bzw. Fügematerialien, wie beispielsweise ein Klebstoff, eingebracht werden müssen.
Im Rahmen der Erfindung ist es folglich denkbar, dass als Schichtaufbauverfahren beispielsweise ein Laser-Sinterverfahren, ein Schmelzschichtungsverfahren, auch Fused Deposition Modeling genannt, ein Stereolithographieverfahren, ein Polyjet-Druckverfahren und/oder ein vergleichbares Verfahren verwendet bzw. angewandt wird. Bei einem Laser-Sinterverfahren bzw. selektiven Laser-Sintern wird eine räumliche Struktur durch direktes Aufschmelzen aus einem pulverförmigen Ausgangsstoff hergestellt. D. h., dass bei diesem additiven Schichtaufbauverfahren das Werkstück selbst Schicht für Schicht aufgebaut wird. Hierbei wird beispielsweise ein Pulver auf einer Aufnahmeplatte mithilfe beispielsweise eines Rakels oder einer Walze vollflächig, vornehmlich in einer Dicke von 0,001 mm bis 0,2 mm aufgebracht. Die aufgebrachten Schichten werden dann mittels eines Laserstrahles eines beispielsweise CO₂-Lasers oder auch eines Faserlasers bearbeitet, so dass eine dreidimensionale Struktur schrittweise in das Pulverbett geschmolzen wird. Danach wird die Aufnahmeplatte geringfügig abgesenkt, so dass eine neue Pulverschicht aufgebracht werden kann. Diese neue Schicht wird wiederum mit dem Laserstrahl des Lasers bearbeitet, so dass Schicht für Schicht eine beliebige, insbesondere auch hinterschnittene Kontur erzeugt werden kann. Mittels der Energie des vom Laser zugeführten Lichtes, welches von dem aufgebrachten Pulver der einzelnen Schichten absorbiert wird, kommt es zu einem lokal begrenzten Sintern bzw. Verschmelzen von Partikeln unter Reduktion der Gesamtoberfläche. Im Rahmen der Erfindung ist es folglich denkbar, dass mittels des Laser-Sinterverfahrens auf einem Basiselement, welches insbesondere ein thermoplastisches Organoblech sein kann, eine haftungskompatible thermoplastische Schicht aufgebaut wird. Es ist folglich denkbar, dass das Basiselement ein faserverstärktes Organoblech mit einer Polyamid-12-Matrix (PA12-Matrix) ist, auf dessen Bearbeitungsoberfläche ein kurzfasergefülltes Polyamid-12-Pulver aufgebracht und mittels dem Laser-Sinterverfahren direkt aufgeschmolzen und mit dem Basiselement verbunden wird. Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, dass mittels eines Schmelzschichtungsverfahrens (Fused Deposition Modeling – FDM) insbesondere ein strangförmiges Filament bzw. eine strangförmige Struktur auf dem Basiselement, welches beispielsweise ein Organoblech sein kann, und/oder auf der auf dem Basiselement bereits angeordneten Materialschicht bzw. der haftungskompatiblen thermoplastischen Schicht aufgebaut wird. Das angewandte Schmelzschichtungsverfahren basiert vorteilhaft auf der Verflüssigung eines drahtförmigen Kunststoff- oder auch Wachsmaterials durch dessen Erwärmung. Beim anschließenden Abkühlen des Materials erstarrt dieses. Der Materialauftrag erfolgt insbesondere durch ein Extrudieren mit einer in der Fertigungsebene frei verfahrbaren Heizdüse, wobei die Schichtdicken je nach Anwendungsfall zwischen ca. 0,025 mm bis ca. 1,25 mm und die Wandstärken bei ca. 0,2 mm liegen können. Das Basiselement, welches vorteilhaft ein thermoplastische Organoblech ist, ist besonders vorteilhaft ein kohlenstofffaserverstärktes Kunststoffelement bzw. -blech, welches insbesondere auch als Carbon bezeichnet wird, und besonders bevorzugt ein Faserkunststoffverbundwerkstoff, bei welchem Kohlenstofffasern insbesondere in mehreren Lagen als Verstärkung in einer Kunststoffmatrix eingebettet sind. Diese Kunststoffmatrix besteht beispielsweise aus Duromeren wie Epoxidharz oder auch aus Thermoplasten. Es ist zudem auch denkbar, dass beispielsweise insbesondere für thermisch hochbelastete Bauteile die Kohlenstofffasern selbst in einer Keramikmatrix eingebunden sind. Es ist des Weiteren denkbar, dass ein Stereolithographieverfahren angewandt wird, bei welchem auf einem duroplastischen Basiselement eine insbesondere steife haftungskompatible Schicht aufgebaut wird. D. h., dass auf dem Basiselement selbst ein lichtaushärtender Kunststoff aufgebracht wird, welcher beispielsweise ein Epoxidharz ist und welcher von einem Laser ausgehärtet wird. Die Aufbringung des lichtaushärtenden Kunststoffes, wie beispielsweise Photopolymer, findet in einem entsprechenden Polymerbad statt, welches mit den Basismonomeren des lichtempfindlichen (photosensitiven) Kunststoffes gefüllt ist. D. h., dass das Werkstück nach jedem Bearbeitungsschritt einige Millimeter in das Bad aus lichtaushärtendem Kunststoff abgesenkt wird und danach auf eine Position zurückgefahren wird, die um den Betrag einer Schichtstärke unter der vorherigen liegt. Der verbliebene flüssige Kunststoff wird darauffolgend durch einen Wischer gleichmäßig verteilt, bevor der Laser die neue Schicht aus lichtaushärtendem Kunststoff härtet. Ein vergleichbares Verfahren, welches ebenfalls die Photopolymerisation zur Herstellung von physischen Objekten nutzt, ist das Solid Ground Curing (SGC). Hierbei wird jede Schicht durch UV-Licht ausgehärtet, wobei für jede Schicht eine Lichtmaske in einem Photoplotter ausgedruckt werden muss. Es ist des Weiteren denkbar, dass mittels eines Polyjet-Druckverfahrens auf dem Basiselement, welches hierbei insbesondere ein duroplastisches Basiselement und vorteilhaft ein duroplastisches faserverstärktes Organoblech ist, steife bis gummiartige Materialschichten aufzubauen. Beim Polyjet-Druckverfahren werden dünne Schichten, bestehend aus flüssigem Photopolymer, mit UV-Licht ausgehärtet, so dass Schritt für Schritt ein dreidimensional strukturiertes Bauteil entsteht, dessen Struktur im Bedarfsfall nachgearbeitet werden kann. Vorteilhaft ist es möglich, mittels des Polyjet-Druckverfahrens verschiedene gradierte mechanische Eigenschaften auf dem Basiselement zu generieren. D. h., dass sich unterschiedliche Kunststoffe mit unterschiedlichen Eigenschaften von steif bis elastisch und auch gummiartig auf einem einzelnen Basiselement anordnen lassen. Demzufolge ist es im Rahmen der Erfindung denkbar, dass alternativ oder auch zusätzlich Thermoplastmaterial mittels beispielsweise einer Extruderdüse und/oder Harze mittels beispielsweise einem Druckkopf und/oder in vornehmlich einer temperierten Kammer ein Pulvermaterial aus Thermoplasten auf das Basisteil aufgebracht bzw. aufgeschmolzen werden kann/können.
Vorteilhaft ist es möglich, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren geometrisch komplexe Strukturen bzw. geometrisch komplex strukturierte und dreidimensionale Werkstücke auf insbesondere planaren bzw. planar ausgerichteten Oberflächen von Basiselementen bzw. Platten aus thermoplastischen und/oder duroplastischen Bestandteilen aufzubauen. Vorteilhaft können die auf dem Basiselement aufgebrachten Materialschichten steif bis elastisch oder auch gummiartig sein, so dass es denkbar ist, dass die Materialschicht selbst auch aus mehreren Schichten besteht, wobei beispielsweise eine erste Schicht ein steifes Material aufweisen kann, während eine zweite Schicht ein elastisches bis gummiartiges Material aufweisen kann. Vorteilhaft kann dadurch in einfacher, kostengünstiger und prozesssicherer Art und Weise ein Hybridbauteil aus unterschiedlichen Werkstoffen hergestellt werden, welches zudem eine dreidimensionale komplexe Struktur aufweist.
Im Rahmen der Erfindung ist es denkbar, dass die Bearbeitungsoberfläche des Basiselementes wenigstens zeitweise und zumindest bereichsweise vor dem Aufbringen der Materialschicht erwärmt wird. Zur Erwärmung des Materials auf der Bearbeitungsoberfläche kann eine Erwärmungseinheit, wie beispielsweise ein Laser bzw. ein Laserelement oder eine UV-Licht ausstrahlende Einheit, verwendet werden. Vorteilhaft wird die Bearbeitungsoberfläche lediglich im Nanometerbereich und besonders bevorzugt im Mikrometerbereich erwärmt, um bei einem Aufbringen zumindest einer Materialschicht eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Werkstoff der Materialschicht und dem Werkstoff des Basiselementes im Bereich der Bearbeitungsoberfläche zu ermöglichen. Es ist des Weiteren denkbar, dass die Erwärmungseinheit zum Erwärmen der Bearbeitungsoberfläche des Basiselementes beispielsweise in der Aufbringungseinheit integriert ist oder auch eine separate Einheit bzw. Einrichtung darstellt, welche vor dem Aufbringen der Materialschicht auf die Bearbeitungsoberfläche Letztgenannte zumindest abschnittsweise erwärmt. Es ist des Weiteren denkbar, dass die Bearbeitungsoberfläche des Basiselementes beispielsweise mittels der Anwendung einer chemischen Vorreinigung, durch eine Beflammung und/oder eine Plasmabehandlung vor dem Auftrag der Materialschicht aktiviert bzw. vorbehandelt wird.
Es ist des Weiteren denkbar, dass das Basiselement wenigstens teilweise aus wenigstens einem Werkstoff bzw. Material aus einer der folgenden Gruppen: Thermoplast, Duroplast, amorpher Feststoff, wie beispielsweise Glas, Keramik, Metall oder einem vergleichbar starren bzw. steifen Werkstoff hergestellt wird und folglich wenigstens abschnittsweise starr bzw. unelastisch bzw. unbiegsam ist. Es ist jedoch auch denkbar, dass das Basiselement selbst ein (visko-)elastisches und insbesondere ein gummiartiges Element ist und einen Werkstoff aus der Gruppe: Polyethylenterephthalat, Polyethylen, Polypropylen, Polyvinylchlorid, Polystyrol, Polyurethan oder einen ähnlichen Werkstoff aufweist.
Es ist des Weiteren denkbar, dass die Materialschicht zumindest teilweise aus einem thermoplastischen und/oder duroplastischen Werkstoff hergestellt wird und zumindest bereichsweise starr und/oder flexibel ist. D. h., dass die Materialschicht beispielsweise einen Werkstoff aus der Gruppe Polyethylen, Polypropylen, Polyvinylchlorid, Polystyrol, Polyurethan, Polyethylenterephthalat oder aus einem vergleichbaren Werkstoff oder aus einem Kautschukwerkstoff oder einem vergleichbaren Werkstoff hergestellt ist. Vorteilhaft weist die Materialschicht selbst Werkstoffe unterschiedlicher Festigkeiten auf, so dass es denkbar ist, dass die Materialschicht zum einen aus einem flexiblen Werkstoff und zum anderen aus einem starren Werkstoff hergestellt ist, wobei diese Werkstoffe nebeneinander auf dem Basiselement angeordnet sein können oder auch in Form einer Schichtbauweise übereinander auf dem Basiselement aufgetragen werden können. Demnach kann die Materialschicht selbst aus einer Mehrzahl an Schichten bzw. Ebenen unterschiedlicher Werkstoffe bestehen. Insbesondere wenn das Basiselement selbst aus einem flexiblen bzw. gummiartigen Werkstoff besteht, weißt auch die Materialschicht vorteilhaft einen flexiblen bzw. gummiartigen Werkstoff auf, um ein insgesamt flexibles, geometrisch dreidimensional strukturiertes Werkstück zu erzeugen. Vorteilhaft können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beispielsweise Halteelemente oder Klippselemente sowie auch individuelle Elemente wie Embleme oder Schriftzüge hergestellt werden. Vorteilhaft sind die derart hergestellten Bauteile bzw. Werkstücke kostengünstig und weisen ein geringes Gewicht auf.
Des Weiteren ist es im Rahmen der Erfindung denkbar, dass zumindest Bereiche der Bearbeitungsoberfläche des Basiselementes aufgeschmolzen werden. Hierbei wird die Bearbeitungsoberfläche des Basiselementes nicht nur im Nanometerbereich, sondern vorteilhaft im Mikrometerbereich derart aufgeschmolzen, dass insbesondere Faserelemente des vornehmlich faserverstärkten Kunststoffes zumindest abschnittsweise freigelegt werden. Es ist folglich denkbar, dass die Bearbeitungsoberfläche in einer Tiefe von beispielsweise 0,001 mm bis 0,5 mm aufgeschmolzen wird.
Nach dem Aufschmelzen der Bearbeitungsoberfläche des Basiselementes können zumindest abschnittsweise die freigelegten Faserelemente innerhalb der aufgeschmolzenen Bereiche der Bearbeitungsoberfläche des wenigstens teilweise aus einem mit kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffmaterial bestehenden Basiselementes zumindest bereichsweise von der Materialschicht ummantelt werden. Das bedeutet, dass bei einem Aufbringen der Materialschicht mittels der Aufbringungseinheit die Materialschicht und zumindest Bereiche der Materialschicht derart in die aufgeschmolzenen Bereiche der Bearbeitungsoberfläche des Basiselementes eingebracht wird bzw. werden, dass die Materialschicht zumindest bereichsweise um die freigelegten Faserelemente anordnet wird und dass folglich die Materialschicht bzw. der Werkstoff der Materialschicht die Faserelemente innerhalb des aufgeschmolzenen Bereiches der Bearbeitungsoberfläche des Basiselementes derart umkrallt bzw. umgibt, dass die Materialschicht mit dem Basiselement vorteilhaft unlösbar verkrallt bzw. verbunden werden kann. Vorteilhaft können dadurch unterschiedliche Materialien bzw. Materialsysteme miteinander dauerhaft, kostengünstig, schnell und prozesssicher verbunden werden, ohne dass ein zusätzliches Fügeverfahren, wie beispielsweise ein Klebeverfahren, angewandt werden muss.
Es ist des Weiteren denkbar, dass die Materialschicht zumindest bereichsweise filamentartig und/oder zumindest abschnittsweise mit Aussparungen ausgestaltet ist. Demnach ist es weiterhin möglich, dass die Materialschicht aus einer ersten und/oder zweiten oder weiteren Ebene bzw. Schicht und folglich aus einer Mehrzahl an Schichten besteht, wobei beispielsweise eine erste oder auch eine weitere Schicht der Materialschicht selbst faserartig ausgestaltet sein kann bzw. ein faserartig ausgestaltetes Material, zum Beispiel aus synthetischen Polymeren, aufweisen kann. Das faserartig bzw. filamentartig aufgebrachte bzw. ausgestaltete Material kann dabei auf einer ersten oder auch weiteren Ebene der Materialschicht angeordnet sein. Es ist zudem auch möglich, dass die Materialschicht selbst lediglich aus einer Ebene besteht, welche Aussparungen bzw. Ausbuchtungen, Vertiefungen, Durchlässe, Nuten, Kerben usw. aufweist. Derartige Aussparungen können beispielsweise bereits während des Aufbringungsprozesses der Materialschicht auf dem Basiselement ausgestaltet werden. Es ist jedoch auch denkbar, dass diese Aussparungen nach dem Aufbringen der Materialschicht auf dem Basiselement mittels beispielsweise eines Laserelementes eingebracht bzw. erzeugt werden können.
Es ist des Weiteren denkbar, dass eine Mehrzahl an Basiselementen und eine Mehrzahl an Materialschichten in insbesondere Sandwichbauweise miteinander verbunden werden. Dem zufolge ist es denkbar, dass eine Mehrzahl an Basiselementen und Materialschichten, welche wiederum eine Mehrzahl an Ebenen aufweisen können in einer zweidimensionalen Ebene und/oder in einem dreidimensionalen Raum derart aneinander angeordnet sind, dass folglich dadurch ein dreidimensional strukturiertes, komplexes Gebilde bzw. Bauteil erzeugt werden kann. Vorteilhaft wird dadurch an jedem Basiselement und vorzugsweise an zumindest einer Mehrzahl an Bearbeitungsoberflächen jedes Basiselementes zumindest eine Ebene einer Materialschicht und vorteilhaft eine Mehrzahl an Ebenen einer Materialschicht angeordnet.
Des Weiteren wird ein Werkstück mit einer geometrisch dreidimensionalen Struktur, aufweisend zumindest ein Basiselement mit wenigstens einer Bearbeitungsoberfläche beansprucht, wobei auf der Bearbeitungsoberfläche wenigstens eine Materialschicht angeordnet ist, welche zumindest abschnittsweise mit der Bearbeitungsoberfläche des Basiselementes stoffschlüssig verbunden ist. Vorteilhaft ist das Werkstück mittels eines oben genannten Verfahrens hergestellt. Bei dem erfindungsgemäßen Werkstück ergeben sich sämtliche Vorteile, die bereits zu dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines geometrisch dreidimensional strukturierten Werkstückes beschrieben worden sind.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines geometrisch dreidimensional strukturierten Werkstückes sowie ein entsprechendes Werkstück werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
1 eine Anordnung einer Mehrzahl von alternativ oder kumulativ verwendbaren Einheiten innerhalb einer Ausführungsform einer Herstellungsanlage zum Herstellen eines erfindungsgemäßen dreidimensional strukturierten Werkstückes in einer Seitenansicht,
2 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen geometrisch dreidimensional strukturierten Werkstückes in einer seitlichen Schnittansicht,
3 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen geometrisch dreidimensional strukturierten Werkstückes in einer seitlichen Schnittansicht,
4 eine vergrößerte Darstellung des Ausschnittes A der 3,
5 eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen geometrisch dreidimensional strukturierten Werkstückes in einer schrägen Draufsicht,
6 eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen geometrisch dreidimensional strukturierten Werkstückes in einer schrägen Draufsicht, und
7 einen Bauteilkomplex, bestehend aus einer Mehrzahl an Basiselementen sowie einer Mehrzahl an Materialschichten.
Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den 1 bis 7 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
In der 1 ist eine Mehrzahl von in einer Ausführungsform einer Herstellungsanlage 20 zum Herstellen eines geometrisch dreidimensional strukturierten Werkstückes (hier nicht dargestellt) verwendbaren Einheiten gezeigt welche nachfolgend näher erläutert werden. Eine Aufnahmeplatte 21 kann beispielsweise auf einem bewegbaren Kolben 22, welcher sich vornehmlich in vertikaler Richtung V verschieben lässt, angeordnet sein. Es ist des Weiteren denkbar, dass die Aufnahmeplatte 21 in Führungsschienen 23, insbesondere in vertikaler Richtung V nach oben bzw. unten bewegbar, angeordnet ist. Die Führungsschienen 23 können einen Bestandteil einer Behältniswandung darstellen, welche die Aufnahmeplatte 21 vornehmlich vollständig zumindest in deren Umfangsrichtung umschließt. Es ist jedoch auch denkbar, dass lediglich eine Behältniswandung ohne Führungsschienen 23 innerhalb der Anlage 20 angeordnet ist. Die Behältniswandung kann beispielsweise zusätzlich oder alternativ zur Aufnahme eines Mediums verwendet werden, wie nachfolgend noch beschrieben.
In vertikaler Richtung betrachtet ist oberhalb der Aufnahmeplatte 21 das Basiselement 1 angeordnet und kann sich vorteilhaft über die gesamte Länge und/oder Breite der Aufnahmeplatte 21 erstrecken. In vertikaler Richtung betrachtet ist oberhalb des Basiselementes 1 eine Erwärmungseinheit 24 sowie eine Aufbringungseinheit 25 angeordnet, wobei die Erwärmungseinheit 24 und die Aufbringungseinheit 25 entweder separate Einheiten oder auch eine gemeinsame Einheit darstellen können. Die Erwärmungseinheit 24 ist derart ausgestaltet, dass diese beispielsweise UV-Licht oder auch ein Laserlicht oder ein vergleichbares Licht oder eine vergleichbare Strahlung 24.1 bzw. Welle, wie eine Infrarotwelle usw. auf einer Bearbeitungsoberfläche 1a des Basiselementes 1 aufbringen kann. Die Erwärmungseinheit 24 dient dabei vorteilhaft zum Erwärmen der Bearbeitungsoberfläche 1a bzw. zum Aufschmelzen der Bearbeitungsoberfläche 1a bis in eine definierte Tiefenzone bzw. Bearbeitungszone hinein. Die Aufbringungseinheit 25 selbst kann beispielsweise je nach verwendeten Verfahren ein Laserelement, ein Druckkopf, ein Extruder oder ein vergleichbares Element bzw. eine vergleichbare Einheit sein, um entweder eine Materialschicht mittels eines Materialstrahls 25.1 direkt von der Aufbringungseinheit 25 ausgehend auf die Bearbeitungsoberfläche 1a des Basiselementes 1 aufzubringen oder eine anderweitig auf die Bearbeitungsoberfläche 1a aufgebrachte Materialschicht mittels einer Wärmestrahlung 25.1 oder Lichtstrahlung 25.1 zu bearbeiten. Das bedeutet, dass beispielsweise bei der Verwendung eines Laser-Sinterverfahrens ein Pulver 31 über ein entsprechendes Auftragungsmittel 26, wie beispielsweise einen links in der 1 gezeigten Rakel oder alternativ eine rechts in der 1 gezeigte Kugel auf die Oberfläche bzw. die Bearbeitungsoberfläche 1a des Basiselementes aufgebracht wird und mittels der Aufbringungseinheit 25, welche hierbei insbesondere einen Laser darstellt, bearbeitet wird.
So ist es des Weiteren auch denkbar, dass beispielsweise bei der Verwendung eines Polyjet-Druckverfahrens die Aufbringungseinheit 25 selbst als Druckkopf bzw. als Extruderelement dient, um einen Werkstoff der Materialschicht, wie zum Beispiel ein Hartwachs oder spezielle wachsähnliche Thermoplaste, direkt auf die Bearbeitungsoberfläche 1a des Basiselementes 1 aufbringen zu können.
Insbesondere bei der Verwendung eines Stereolithographieverfahrens ist es möglich, dass der Bereich unterhalb der Aufnahmeplatte 21, in welchem sich der Kolben 22 bewegt, beispielsweise mit einem flüssigen photosensitiven Kunststoff 30, d. h. einem Basismonomerenbad 30, gefüllt ist. Folglich würde bei einer Bewegung des Kolbens 22 insbesondere in vertikaler Richtung V nach unten sich auch die Aufnahmeplatte 21 in vertikaler Richtung V nach unten bewegen, so dass das Basiselement 1 zumindest abschnittsweise mit dem photosensitiven Material 30 auf dessen Bearbeitungsoberfläche 1a benetzt wird. Das somit aufgebrachte photosensitive Material 30 kann dann mittels der Aufbringungseinheit 25, welche hierbei insbesondere ein Laser ist, zu einer definierten dreidimensionalen Struktur bearbeitet werden. Demzufolge kann das Basismonomerbad 30 ein Bestandteil der Aufbringungseinheit 25 sein, welches folglich gemeinsam mit der Aufbringungseinheit 25 dazu dient, die Materialschicht 2 auf dem Basiselement 1 aufzubringen und auszugestalten. Ein Auftrag einer Pulverschicht 31 könnte in einem weiteren nachfolgenden Schritt zusätzlich erfolgen, wobei folglich vorteilhaft eine Kombination unterschiedlicher Verfahren und insbesondere unterschiedlicher additiver Fertigungsverfahren denkbar ist.
Vorteilhaft ist die Aufbringungseinheit 25 und/oder die Erwärmungseinheit 24 entlang der Bearbeitungsoberfläche 1a des Basiselementes 1 bewegbar angeordnet. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Aufnahmeplatte 21 und/oder der bewegbare Kolben und/oder die als Behältniswandung bzw. die Führungsschienen 23 gegenüber der Aufbringungseinheit 25 und/oder der Erwärmungseinheit 24 bewegbar ausgestaltet sind. Vorteilhaft wird dadurch eine Bearbeitung der Bearbeitungsoberfläche 1a in unterschiedlichen Freiheitsgraden ermöglicht.
In der 2 ist insbesondere eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen geometrisch dreidimensionalen Werkstückes 10 in einer seitlichen Schnittansicht gezeigt, welches aus einem Basiselement 1 sowie einer auf der Bearbeitungsoberfläche 1a des Basiselementes 1 aufgebrachten Materialschicht 2 besteht. Das Basiselement 1 und insbesondere dessen Bearbeitungsoberfläche 1a ist in einer Verbindungszone 3 bzw. einem Verbindungsbereich 3 mit einem Bereich der Materialschicht 2 vorteilhaft stoffschlüssig verbunden. Zur Ermöglichung einer stoffschlüssigen Verbindung zweier, insbesondere haftungskompatibler Werkstoffe ist es vorteilhaft, dass die Bearbeitungsoberfläche 1a des Basiselementes 1 mittels einer entsprechenden Erwärmungseinheit 24 vorgewärmt wird, bevor die Materialschicht 2 und insbesondere eine erste Ebene der Materialschicht 2 auf die Bearbeitungsoberfläche 1a aufgebracht wird.
In der 3 ist schematisch eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen geometrisch dreidimensional strukturierten Werkstückes 10 in einer seitlichen Schnittansicht gezeigt, wobei das Werkstück 10 ein Basiselement 1 sowie eine Materialschicht 2 bzw. eine erste Ebene der Materialschicht 2 aufweist, welche sich mit dem Basiselement 1 im Bereich einer Bearbeitungszone 4 verbindet. Demzufolge wird hierbei vor dem Aufbringen der Materialschicht 2 insbesondere die Bearbeitungsoberfläche 1a des Basiselementes 1 zumindest bereichsweise derart tief aufgeschmolzen, weggebrannt oder abgetragen, dass Bereiche der Materialschicht 2 in diese veränderten Bereiche eingebracht werden können. Das Aufschmelzen bzw. Abtragen der Bearbeitungsoberfläche 1a erfolgt vorzugsweise mittels der in 1 gezeigten Erwärmungseinheit 24, welche hierbei vornehmlich in Gestalt eines Lasers ausgebildet ist.
In der 4 ist schematisch eine Vergrößerung des Abschnittes A der 3 gezeigt. In der 4 wird deutlich, dass zumindest Bereiche der Bearbeitungsoberfläche 1a des Basiselementes 1 derart aufgeschmolzen bzw. weggebrannt bzw. abgetragen werden, dass Faserelemente 5 bzw. Glas- oder Kohlenstofffasern 5 des vorteilhaft faserverstärkten Kunststoffbasiselementes 1 freigelegt werden. Nach dem Freilegen zumindest eines Faserelementes 5 wird folglich der Werkstoff der Materialschicht 2 in die Bearbeitungszone 4 bzw. in die aufgeschmolzenen bzw. abgetragenen Bereiche 4 des Basiselementes 1 eingebracht, wobei sich der Werkstoff der Materialschicht 2 um die Faserelemente 5 und insbesondere um Bereiche der Faserelemente 5 anordnet bzw. diese zumindest teilweise derart ummantelt, dass die Materialschicht 2 sich mit den Faserelementen 5 bzw. Kunststofffasern 5 verkrallt. Vorteilhaft wird dadurch eine prozesssichere, kostengünstige und feste bzw. dauerhafte Verbindung zwischen auch nicht haftungskompatiblen Werkstoffen des Basiselementes 1 und der Materialschicht 2 ermöglicht.
In der 5 ist schematisch eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen geometrisch dreidimensional strukturierten Werkstückes 10 in einer schrägen Draufsicht gezeigt. Das erfindungsgemäße Werkstück 10 weist ein Basiselement 1 mit einer Bearbeitungsoberfläche 1a auf, auf welcher eine Materialschicht 2 als komplexe dreidimensionale Struktur aufgebracht ist. Die auf der Bearbeitungsoberfläche 1a aufgebaute Materialschichtstruktur 2 kann dabei mittels eines des vorangegangen genannten Schichtaufbauverfahrens, wie beispielsweise eines Laser-Sinterverfahrens eines Schmelzbeschichtungsverfahrens, eines Stereolithographieverfahrens, eines Polyjet-Druckverfahrens und/oder eines vergleichbaren Verfahrens auf der Bearbeitungsoberfläche 1a des Basiselementes 1 aufgebracht worden sein und weist eine erste Ebene 2.1 und eine zweite Ebene 2.2 auf. So ist es denkbar, dass beispielsweise die erste Ebene 2.1 der Materialschicht 2 ein starres bzw. steifes Material und die zweite Ebene 2.2 beispielsweise ein flexibles bis gummiartiges Material aufweist, oder anders herum. Vorteilhaft ist das Basiselement 1 hierbei ein flächiges Substrat, welches ein faserverstärkter Kunststoff auf thermoplastischer oder duroplastischer Basis ist. Das Basiselement 1 wird folglich auch als Organoblech oder auch CFK-Blech bezeichnet. Das Basiselement 1 kann eine plattenförmige Ausgestaltung, beispielsweise auch in Form einer Scheibe aufweisen oder auch als Prisma oder in einer vergleichbaren Gestalt ausgeführt sein. Vorteilhaft weist das Basiselement 1 zumindest eine einzige Bearbeitungsoberfläche 1a und besonders bevorzugt eine Mehrzahl an Bearbeitungsoberflächen 1a auf, auf welcher entsprechende Materialschichten 2 bzw. eine Mehrzahl an Materialschichten 2 angeordnet werden können.
In der 6 ist schematisch eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen geometrisch dreidimensional strukturierten Werkstückes 10 in einer schrägen Draufsicht gezeigt, welches ebenfalls ein Basiselement 1 mit einer Bearbeitungsoberfläche 1a sowie eine auf der Bearbeitungsoberfläche 1a aufgebrachte Materialschicht 2 aufweist. Die Materialschicht 2 weist zudem Aussparungen 6 auf, welche schon während des Aufbringens der Materialschicht 2 ausgestaltet werden können. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Aussparungen 6 nach dem Aufbringen der Materialschicht 2 mittels beispielsweise eines Laserelementes oder eines vergleichbaren Elementes in die Materialschicht eingebracht werden.
Die 7 zeigt eine fünfte Ausführungsform des erfindungsgemäßen geometrisch dreidimensional strukturierten Werkstückes 10, welches eine Mehrzahl an Basiselementen 1 und eine Mehrzahl an Materialschichten 2 aufweist. Die Basiselemente 1 können hierbei eine oder auch mehrere Bearbeitungsoberflächen 1a aufweisen, an welchen jeweils eine Materialschicht 2 zumindest bestehend aus einer Materialschichtebene 2.1 oder auch aufweisend zwei oder mehr Materialschichtebenen 2.1, 2.2 angeordnet ist, die sich wiederum mit einer anderen Bearbeitungsoberfläche 1a eines anderen Basiselementes 1 verbindet. Durch die Anordnung einer Mehrzahl an Basiselementen 1 mit einer Mehrzahl an Materialschichten 2, vornehmlich in Sandwichbauweise, kann dadurch ein hochkomplexes geometrisch dreidimensional strukturiertes Werkstück 10 bzw. Bauteil hergestellt werden. Vorteilhaft ist es denkbar, dass die Basiselemente 1 und die Materialschichten 2 in Anordnung zueinander eine Gitterstruktur ausbilden. Die Materialschicht 2 kann dabei in einer Verbindungszone 3 bzw. in einem Verbindungsbereich 3 mit dem Basiselement 1 bzw. dessen Bearbeitungsoberfläche 1a verbunden sein. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Materialschicht 2 in einer Bearbeitungszone 4 bzw. einem Schmelzbereich 4 mit dem Basiselement 1 bzw. dessen Bearbeitungsoberfläche 1a verbunden ist.
Bezugszeichenliste

1: Basiselement
1a: Bearbeitungsoberfläche
2: Materialschicht
2.1: erste Ebene der Materialschicht 2
2.2: zweite Ebene der Materialschicht 2
3: Verbindungszone
4: Bearbeitungszone
5: Faserelement/Kunststofffaser
6: Aussparung
10: Werkstück
20: Herstellungsanlage
21: Aufnahmeplatte
22: Kolbenelement
23: Führungsschiene/Behältniswandung
24: Erwärmungseinheit
24.1: Strahlung/Wellen
25: Aufbringungseinheit
25.1: Materialstrahl/Strahlung
26: Auftragungsmittel
30: Basismonomerenbad/photosensitives Material, Kunststoff
31: Pulver
V: vertikale Richtung

Claims

Verfahren zur Herstellung eines geometrisch dreidimensional strukturierten Werkstückes (10), wobei – zumindest ein Basiselement (1) zum Anordnen wenigstens einer Materialschicht (2) an einer Aufnahmeplatte (21) einer Herstellungsanlage (20) zum Herstellen des Werkstückes (10) mit wenigstens einer Bearbeitungsoberfläche (1a) angeordnet wird, – die Materialschicht (2) zumindest abschnittsweise auf der Bearbeitungsoberfläche (1a) mittels einer Aufbringungseinheit (25) wenigstens zum Aufbringen einer Materialschicht (2) während eines Schichtaufbauverfahrens aufgebracht wird, und wobei – die Materialschicht (2) zumindest abschnittsweise mit der Bearbeitungsoberfläche (1a) des Basiselementes (1) stoffschlüssig verbunden wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Schichtaufbauverfahren ein Laser-Sinterverfahren, ein Schmelzschichtungsverfahren, ein Stereolithographieverfahren, ein Polyjet-Druckverfahren und/oder ein vergleichbares Verfahren verwendet wird.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungsoberfläche (1a) des Basiselementes (1) wenigstens zeitweise und zumindest bereichsweise vor dem Aufbringen der Materialschicht (2) erwärmt wird.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Basiselement (1) wenigstens teilweise aus einem Werkstoff aus wenigstens einer der Gruppen: Thermoplast, Duroplast, Keramik, amorpher Feststoff, Metall oder einem vergleichbaren Werkstoff hergestellt wird und wenigstens abschnittsweise starr ist.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialschicht (2) zumindest teilweise aus einem Werkstoff aus wenigstens einer der Gruppen: Thermoplast, Duroplast, Keramik, amorpher Feststoff, Metall oder einem vergleichbare Werkstoff hergestellt wird und zumindest bereichsweise starr und/oder flexibel ist.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest Bereiche der Bearbeitungsoberfläche (1a) des Basiselementes (1) aufgeschmolzen und/oder abgetragen werden.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens Bereiche der Materialschicht (2) zumindest abschnittsweise Faserelemente (5) innerhalb aufgeschmolzener Bereiche (4) der Bearbeitungsoberfläche (1a) des wenigstens teilweise aus einem kunststofffaserverstärkten Kunststoffmaterial bestehenden Basiselementes (1) ummanteln.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialschicht (2) zumindest bereichsweise filamentartig und/oder zumindest abschnittsweise mit Aussparungen (6) ausgestaltet wird.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl an Basiselementen (1) und eine Mehrzahl an Materialschichten (2) in Sandwichbauweise miteinander verbunden werden.
Werkstück (10) mit einer geometrisch dreidimensionalen Struktur, aufweisend zumindest ein Basiselement (1) mit wenigstens einer Bearbeitungsoberfläche (1a), wobei auf der Bearbeitungsoberfläche (1a) wenigstens eine Materialschicht (2) angeordnet ist, welche zumindest abschnittsweise mit der Bearbeitungsoberfläche (1a) des Basiselementes (1) stoffschlüssig verbunden ist, wobei das Werkstück (10) mittels eines Verfahrens gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 9 hergestellt ist.