DE102014004870B4

DE102014004870B4 - Abstützvorrichtung und Fertigungsvorrichtung für ein generatives Fertigungsverfahren, sowie damit durchführbares generatives Fertigungsverfahren

Info

Publication number: DE102014004870B4
Application number: DE102014004870.5A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Silvanus; Andreas Nick
Original assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2014-04-04
Filing date: 2014-04-04
Publication date: 2022-06-02
Anticipated expiration: 2034-04-05
Also published as: DE102014004870A1

Abstract

Abstützvorrichtung (14) für ein generatives Fertigungsverfahren zum Abstützen eines Werkstückoberflächenbereichs (24) eines herzustellenden Werkstücks (22) während dessen Herstellung,
mit einer formveränderlichen Abstützoberfläche (28), die an wenigstens einer Haut (32) aus flexiblem und/oder elastischem Material ausgebildet ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass die andere Seite der wenigstens einen Haut (32) aus flexiblem und/oder elastischem Material auf einem Fluidreservoir (34) mit einem unter Druck zu setzenden Fluid (36) abgestützt ist,
und die formveränderliche Abstützoberfläche der wenigstens einen Haut (32) zum Anpassen an den abzustützenden Werkstückoberflächenbereich (24) ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abstützvorrichtung für ein generatives Fertigungsverfahren zum Abstützen eines Werkstückoberflächenbereichs eines herzustellenden Werkstücks während dessen Herstellung. Weiter betrifft die Erfindung eine Fertigungsvorrichtung für ein generatives Fertigungsverfahren mit einer solchen Abstützvorrichtung. Schließlich betrifft die Erfindung ein generatives Fertigungsverfahren, das vorzugsweise unter Verwendung einer solchen Abstützvorrichtung und/oder einer solchen Fertigungsvorrichtung durchführbar ist.
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet von generativen Fertigungsverfahren. Dazu gehört z.B. selektives Strahlschweißen in einer Pulverbettanlage. Generative Fertigungsverfahren sind auch unter dem Stichwort „Rapid Manufacturing“ bekannt.
Zum Stand der Technik zu generativen Fertigungsverfahren und/oder den beispielhaft damit herstellbaren Werkstücken wird auf die DE 10 2008 023 052 B4 , die DE 10 2008 044 759 B4 , die DE 10 2009 018 762 B4 , die DE 10 2009 034 566 A1 , die DE 2010 049 910 A1 , die DE 10 2010 055 201 A1 , die DE 10 2011 106 654 A1 , die DE 10 2011 111 365 A1 , die DE 10 2012 008 369 A1 , die DE 10 2012 008 371 A1 und die DE 10 2012 101 979 A1 verwiesen.
Wie in diesen Dokumenten beschrieben und gezeigt, können auch sehr komplizierte Formen von Werkstücken in generativen Fertigungsverfahren gefertigt werden.
Um hierbei das Verfahren prozesssicher durchführen zu können, sollten auskragende Bereiche der schichtweise herzustellenden Werkstücke ausreichend abgestützt werden.
Zum Beispiel wird beim selektiven Strahlschweißverfahren, welches ein Beispiel für ein derartiges generatives Fertigungsverfahren darstellt, derart vorgegangen, dass auf einer Grundplatte einer Pulverbettanlage Materialpulver als zu verfestigendes Material aufgetragen wird und dann mittels eines Laserstrahls oder Elektronenstrahls oder dergleichen selektiv zum Verfestigen zu dem Werkstück geschmolzen wird. 1 zeigt hierbei ein Beispiel eines Zwischenschritts in dem Verfahren, wo bereits ein Teil eines glockenartigen oder domartigen Werkstückes ausgebildet ist und noch weitere Materialschichten aufgebracht werden sollen. Hierzu ist unterhalb des entsprechend konkav ausgebildeten abzustützenden Werkstückbereichs eine Stützstruktur vorzusehen. Eine bekannte Vorgehensweise sieht daher vor, Stützstrukturen während des Pulverbettprozesses gemeinsam mit dem Bauteil aufzubauen, um auskragende Bereiche vor dem Kollabieren zu bewahren. Zum Beispiel wird hier Materialpulver zum Abstützen belassen. Es werden demnach Stützstrukturen während des selektiven Strahlschmelzens aufgebaut, die nach Prozessende wieder entfernt werden müssen. Damit wird teures Pulvermaterial vergeudet, und der Rückbau verlangt Zeit und damit Lohnkosten.
Aus der US 2011/0241947 A1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren für eine generative Fertigung bekannt, wobei das Werkstück auf einer entfernbaren metallischen Grundschicht aufgebaut wird, die in Form eines Gitternetzes, einer Folie, eines Blechs oder eines Films aufgebildet ist und auf einer Grundstruktur aufgespannt und fixiert wird. Während der Fertigung bleibt diese metallische Grundschicht in der anfangs gewählten Form.
US 2010/0090374 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Lasersintern mit einer deformierbaren Plattform zum Anpassen an die Form eines herzustellenden Objekts während des Sinterns, wobei Sinterpulver auf die deformierbare Plattform aufgebracht wird.
US 2003/0205334 A1 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen einer Kompositstruktur, bei dem eine flexible Schicht mit einer Arbeitsoberfläche zum Tragen und Aushärten der herzustellenden Kompositstruktur an eine Basis gekoppelt wird. Einstellbare Elemente werden an die Unterseite der flexiblen Schicht gekoppelt, um die Position der flexiblen Schicht einzustellen.
EP 2 502 730 A1 beschreibt eine Trägerstruktur für eine Vorrichtung zum Herstellen eines Bauteils in Schichtbauweise. Dabei ist die Trägerstruktur durch eine Mehrzahl einzelner Stempel in einer Hochrichtung verschiebbar gelagert.
Aufgabe der Erfindung ist es, bei generativen Fertigungsverfahren Kosten und Zeit einzusparen, eine schnellere Prozessführung mit geringerem Materialeinsatz zu ermöglichen und gleichzeitig das Qualitätsniveau gegenüber bekannten Verfahren zu erhalten.
Zum Lösen dieser Aufgabe schlägt die Erfindung eine Abstützvorrichtung nach Anspruch 1 sowie eine Fertigungsvorrichtung zum Durchführen eines generativen Fertigungsverfahren sowie ein damit durchführbares generatives Fertigungsverfahren nach den Nebenansprüchen vor.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung schafft eine Abstützvorrichtung für ein generatives Fertigungsverfahren zum Abstützen eines Werkstückoberflächenbereichs eines herzustellenden Werkstücks während dessen Herstellung, mit einer formveränderlichen Abstützoberfläche, die an wenigstens einer Haut aus flexiblem und/oder elastischem Material ausgebildet ist, wobei die andere Seite der wenigstens einen Haut aus flexiblem und/oder elastischem Material auf einem Fluidreservoir mit einem unter Druck zu setzenden Fluid abgestützt ist, und wobei die formveränderliche Abstützoberfläche der wenigstens einen Haut zum Anpassen an den abzustützenden Werkstückoberflächenbereich ausgebildet ist.
Es ist bevorzugt, dass die Abstützoberfläche zur Anpassung an einen konkaven oder konvexen abzustützenden Werkstückoberflächenbereich entsprechend konvex ausstülpbar bzw. konkav einstülpbar ist.
Es ist bevorzugt, dass das Fluidreservoir durch eine Ballonblase gebildet ist, die mit einem Gas mit einstellbarem Gasdruck befüllbar ist.
Es ist bevorzugt, dass die wenigstens eine flexible und/oder elastische Haut aus mehreren Hautlagen gebildet ist, von denen wenigstens eine weiter entfernt von der Abstützoberfläche angeordnete innere Hautlage fluiddicht und wenigstens eine näher an der Abstützoberfläche angeordnete oder die Abstützoberfläche bildende äußere Hautlage relativ zu der inneren Hautlage mit größerer Temperaturbeständigkeit ausgebildet ist.
Es ist bevorzugt, dass die innere Hautlage oder wenigstens eine von mehreren inneren Hautlagen aus Gummi und/oder die äußere Haut oder wenigstens eine von mehreren äußeren Hautlagen aus Metall, z.B. Metallgewebe, gebildet ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung eine Fertigungsvorrichtung zur Herstellung von Werkstücken mittels generativer Fertigungsverfahren mit einer Grundplattenanordnung zur Aufnahme von zu verfestigendem Material und zum Abstützen des zu einem Werkstück verfestigten Materials, einer Bestrahlungsanlage zum selektiven Verfestigen des Materials mittels eines Materialverfestigungsstrahls und einer Materialbeschickungsanlage zum Liefern von zu verfestigendem Material zu der Grundplattenanordnung, wobei die Grundplattenanordnung eine erfindungsgemäße Abstützvorrichtung zum Abstützen eines Werkstückoberflächenbereichs eines herzustellenden Werkstückes während dessen Herstellung aufweist, die eine zum Anpassen an den abzustützenden Werkstückoberflächenbereich formveränderliche Abstützoberfläche hat.
Es ist bevorzugt, dass die Materialbeschickungsanlage eine Pulverauftragseinrichtung zum Auftragen von Pulver für ein selektives Strahlschweißverfahren aufweist und dass die Strahlanlage zum selektiven Bestrahlen des Pulvers zwecks selektiven Strahlschweißens ausgebildet ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung ein generatives Fertigungsverfahren, umfassend die Schritte:

a) Aufbau einer oder mehrerer Schichten eines Werkstücks durch selektives Verfestigen des zu verfestigenden Materials in einer oder mehreren Schichten auf einer mit einer formveränderlichen Abstützoberfläche versehenen Abstützvorrichtung,
b) Anpassen der formveränderlichen Abstützoberfläche an einen abzustützenden Werkstückoberflächenbereich des in Schritt a) hergestellten Werkstückteils und Abstützen des Werkstückoberflächenbereichs durch die entsprechend angepasste Abstützoberfläche, und
c) weiterer Aufbau des durch die angepasste Abstützoberfläche abgestützten Werkstücks in einer oder mehreren weiteren Schichten,

Vorzugsweise wird dabei eine Abstützvorrichtung gemäß einer der zuvor erläuterten Ausgestaltungen und/oder eine Fertigungsvorrichtung gemäß einer der zuvor erläuterten Ausgestaltungen verwendet.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:

1 eine Pulverbettanlage als Beispiel für einen Teil einer Fertigungsvorrichtung zum Durchführen eines generativen Fertigungsverfahrens mit einer Grundplatte, einem hergestellten Werkstück mit konkavem unterem abzustützendem Werkstückoberflächenbereich und einer Stützstruktur zum Abstützen dieses Werkstückoberflächenbereichs nach der bisherigen Vorgehensweise;
2 eine Schnittdarstellung durch eine Pulverbettanlage mit einer Grundplattenanordnung als Ausführungsbeispiel für eine Abstützvorrichtung zum Abstützen des Werkstückoberflächenbereichs gemäß der Erfindung.

1 zeigt eine Pulverbettanlage 10 als Beispiel für einen Teil einer Fertigungsvorrichtung 12 zum Durchführen eines generativen Fertigungsverfahrens mit einer Abstützvorrichtung 14 in Form einer Grundplatte 16, die durch eine nicht dargestellte Materialbeschickungsanlage mit zu verfestigendem Material 18, wie insbesondere Pulver 20, zu versehen ist. Eine nicht dargestellte Bestrahlungsanlage erzeugt in bekannter Weise einen Strahl zum selektiven Verfestigen des Materials zum Aufbau eines Werkstückes 22, welches durch die Abstützvorrichtung 14 gestützt wird.
Das Werkstück 22 ist mit einer unebenen unteren Oberfläche versehen und kann auch sehr komplizierte Außenoberflächen aufweisen. Zur einfachen Verdeutlichung eines abzustützenden Werkstückoberflächenbereichs 24 ist ein etwa glockenartiges oder domartiges Werkstück 22 mit einem konkaven abzustützenden Werkstückoberflächenbereich 24 dargestellt. Zusammen mit dem schichtweisen Aufbau des Werkstückes 22 wird bei dem bekannten Verfahren eine Stützstruktur 26 aufgebaut, die z.B. in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel durch stehengelassenes Pulver 20 des zu verfestigenden Materials 18 aufgebaut ist, das auf der Abstützoberfläche 28 der Grundplatte 16 aufliegt.
Es ist in 1 deutlich, dass zum Auffüllen des konkaven Bereichs zum Abstützen des Werkstückoberflächenbereiches 24 eine sehr große Menge an Pulver 20 notwendig ist, welche die Menge an Pulver für die Herstellung des Werkstückes 22 übersteigt. Das Werkstück 22 muss nach der Fertigstellung von der Stützstruktur 26 befreit werden, dies verlangt Zeit und damit Lohnkosten.
Bei einigen Aufgaben mag es zum Aufbau der Stützstruktur 26 nicht ausreichend sein, lediglich das Pulver 20 stehen zu lassen, und es müssen noch gesonderte Stützstrukturen 26 im Verlauf des Aufbaus des Werkstückes 22 aufgebaut werden, die dann nachträglich wieder mühsam rückgebaut werden müssen.
Dagegen ist in 2 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Fertigungsvorrichtung 12 ebenfalls am Beispiel einer Pulverbettanlage 12 dargestellt. Anstelle der Grundplatte 16 ist als Abstützvorrichtung 14 eine Grundplattenanordnung 30 vorgesehen, deren Abstützoberfläche 28 zum Anpassen an den abzustützenden Werkstückoberflächenbereich 24 formveränderlich ausgebildet ist. Die Abstützoberfläche 28 ist an einer flexiblen und elastischen Haut 32 aus einem oder mehreren flexiblen und/oder elastischen Materialien ausgebildet, auf der der Aufbau des Werkstückes 22 mittels dem generativen Fertigungsverfahren erfolgt.
Insbesondere ist die Abstützoberfläche mit der flexiblen Haut 32 zur Anpassung an den konkaven Werkstückoberflächenbereich 24 entsprechend konvex ausstülpbar. Dies ist nur ein Beispiel; eine entsprechend flexible und elastische Haut 32 lässt sich auch an sehr komplizierte Oberflächenformen des abzustützenden Werkstückoberflächenbereichs 24 anpassen.
Zur Unterstützung der Haut kann die Abstützvorrichtung 14 unterschiedliche Mechanismen haben. Es ist grundsätzlich zum Beispiel denkbar, dass eine Anordnung von Stempeln vorgesehen ist, die unterschiedlich nach oben und nach unten verfahrbar sind, um so Abstützoberflächenmuster zur Anpassung an unterschiedliche Werkstückoberflächen bereitzustellen.
Besonders einfach lässt sich dies jedoch durch eine entsprechende fluidgestützte Unterstützung der Haut 32 erreichen.
Hierzu befindet sich unterhalb der Haut gemäß dem Ausführungsbeispiel von 2 ein Fluidreservoir 34, das mit einem unter Druck gesetzten Fluid 36 gefüllt ist. Das Fluid 36 kann eine Flüssigkeit höherer oder geringerer Viskosität - auch z.B. geleeartig - sein. Besonders bevorzugt ist das Fluid jedoch ein Gas 38, wie z.B. Luft, das mit einstellbarem Druck in das Fluidreservoir 34 zu leiten ist.
Durch Veränderung des Drucks innerhalb des Fluidreservoirs 34 wird die flexible Haut 32 mehr oder weniger an den abzustützenden Werkstückoberflächenbereich 24 angepasst.
In dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Fluidreservoir 34 und die flexible Haut 32 durch eine Ballonblase 40 gebildet, die entsprechend mit Gas 38 mit gewählt eingestelltem Druck zu befüllen ist.
Die flexible Haut 32 ist vorzugsweise aus mehreren Hautlagen 42, 44 gebildet, wobei die Hautlagen 42, 44 unterschiedliche Funktionen erfüllen können. Zum Beispiel ist eine innere Hautlage 42 fluiddicht für das Fluid 36 des Fluidreservoirs 34 ausgebildet, und eine äußere Hautlage 44 ist zum Schutz der Abstützoberfläche 28 gegenüber den Prozessbedingungen ausgebildet. Insbesondere ist eine äußere Hautlage 44 temperaturbeständiger als die innere Hautlage 42. Die innere Hautlage 42 kann z.B. aus Gummi 46 oder elastischem Silikon gebildet sein, während die äußere Hautlage z.B. aus einem thermisch stabilen Metallgewebe 48 gebildet ist.
2 zeigt damit ein Ausführungsbeispiel einer Abstützvorrichtung 14 zum Abstützen eines Werkstückoberflächenbereichs 24 eines mittels eines generativen Fertigungsverfahrens herzustellenden Werkstücks 22 unter Verwendung einer Ballonblase 40, die über einen einstellbaren Gasinnendruck sich der gewünschten Kontur der abzustützenden Werkstückoberfläche anpasst und die Funktion der Stützstrukturen 26 übernimmt. Der Ballon kann aus mehreren Häuten bzw. mehreren Hautlagen 42, 44 bestehen, wobei die innere Hautlage 42 z.B. gasdicht ist und die äußere Hautlage 44 aus einem thermisch stabilen Metallgewebe 48 besteht.
Während somit 1 den Status nach dem Stand der Technik darstellt, wo ein selektives Strahlschweißen mit einer Grundplatte 16 und dem Aufbau von Stützstrukturen 26 zeigt, ist in 2 die Durchführung eines selektiven Strahlschweißens ohne starre Grundplatte sondern mit einer flexiblen Grundplatte vorgesehen. Insbesondere wird eine adaptive Grundplatte für die Durchführung eines generativen Strahlschmelzens vorgeschlagen.
Statt starrer Stützstrukturen 26 dient ein Innendruck Pi des in dem Fluidreservoir 34 befindlichen Gases 38 oder sonstigen Fluids 36 zum Abstützen des Werkstücks 22 oder Bauteils. Es ist eine formbare flexible Hülle - z. B. Ballonblase 40 - vorgesehen.
Je nach gewählter Prozessart ist die dem Bauteil zugewandte Seite der Hülle entsprechend ausgebildet. Zum Beispiel ist eine warmfeste Option dadurch vorgesehen, dass die dem Bauteil zugewandte Seite der Hülle - flexible Haut 32 - metallisiert ist oder mit einem Metallgewebe 48 versehen ist.
Zum Stützen der flexiblen Haut 32 kann die Grundplattenanordnung 30 eine Rahmenstruktur oder sonstige Struktur, z.B. ein ringförmiges Grundplättchen 50, aufweisen.
Bezugszeichenliste

10: Pulverbettanlage
12: Fertigungsvorrichtung
14: Abstützvorrichtung
16: Grundplatte
18: zu verfestigendes Material
20: Pulver
22: Werkstück
24: Werkstückoberflächenbereich
26: Stützstruktur
28: Abstützoberfläche
30: Grundplattenanordnung
32: flexible Haut
34: Fluidreservoir
36: Fluid
38: Gas
40: Ballonblase
42: innere Hautlage
44: äußere Hautlage
46: Gummi
48: Metallgewebe
50: Grundplättchen

Claims

Abstützvorrichtung (14) für ein generatives Fertigungsverfahren zum Abstützen eines Werkstückoberflächenbereichs (24) eines herzustellenden Werkstücks (22) während dessen Herstellung, mit einer formveränderlichen Abstützoberfläche (28), die an wenigstens einer Haut (32) aus flexiblem und/oder elastischem Material ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die andere Seite der wenigstens einen Haut (32) aus flexiblem und/oder elastischem Material auf einem Fluidreservoir (34) mit einem unter Druck zu setzenden Fluid (36) abgestützt ist, und die formveränderliche Abstützoberfläche der wenigstens einen Haut (32) zum Anpassen an den abzustützenden Werkstückoberflächenbereich (24) ausgebildet ist.
Abstützvorrichtung (14) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstützoberfläche (28) zur Anpassung an einen konkaven oder konvexen abzustützenden Werkstückoberflächenbereich (24) entsprechend konvex ausstülpbar bzw. konkav einstülpbar ist.
Abstützvorrichtung (14) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluidreservoir (34) durch eine Ballonblase (40) gebildet ist, die mit einem Gas (38) mit einstellbarem Gasdruck befüllbar ist.
Abstützvorrichtung (14) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine flexible und/oder elastische Haut (32) aus mehreren Hautlagen (42, 44) gebildet ist, von denen wenigstens eine weiter entfernt von der Abstützoberfläche (28) angeordnete innere Hautlage (42) fluiddicht und wenigstens eine näher an der Abstützoberfläche (28) angeordnete oder die Abstützoberfläche (28) bildende äußere Hautlage (44) relativ zu der inneren Hautlage (42) mit größerer Temperaturbeständigkeit ausgebildet ist.
Abstützvorrichtung (14) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Hautlage (42) oder wenigstens eine von mehreren inneren Hautlagen (42) aus Gummi (46) und/oder die äußere Haut oder wenigstens eine von mehreren äußeren Hautlagen (44) aus Metall, z.B. Metallgewebe (48), gebildet ist.
Fertigungsvorrichtung (12) zur Herstellung von Werkstücken (22) mittels generativer Fertigungsverfahren mit einer Grundplattenanordnung (30) zur Aufnahme von zu verfestigendem Material (18) und zum Abstützen des zu einem Werkstück (22) verfestigten Materials, einer Bestrahlungsanlage zum selektiven Verfestigen des Materials mittels eines Materialverfestigungsstrahls und einer Materialbeschickungsanlage zum Liefern von zu verfestigendem Material (18) zu der Grundplattenanordnung (30), dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplattenanordnung (30) eine Abstützvorrichtung (14) nach einem der voranstehenden Ansprüche aufweist.
Fertigungsvorrichtung (12) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialbeschickungsanlage eine Pulverauftragseinrichtung zum Auftragen von Pulver (20) für ein selektives Strahlschweißverfahren aufweist und dass die Strahlanlage zum selektiven Bestrahlen des Pulvers (20) zwecks selektiven Strahlschweißens ausgebildet ist.
Generatives Fertigungsverfahren, umfassend die Schritte: a) Aufbau einer oder mehrerer Schichten eines Werkstücks (22) durch selektives Verfestigen des zu verfestigenden Materials (18) auf einer mit einer formveränderlichen Abstützoberfläche (28) versehenen Abstützvorrichtung (14), b) Anpassen der formveränderlichen Abstützoberfläche (28) an einen abzustützenden Werkstückoberflächenbereich (24) des in Schritt a) hergestellten Werkstückteils (22) und Abstützen des Werkstückoberflächenbereichs (24) durch die entsprechend angepasste Abstützoberfläche (28), und c) weiterer Aufbau des durch die angepasste Abstützoberfläche (28) abgestützten Werkstücks (22) in einer oder mehreren weiteren Schichten, wobei die Abstützoberfläche (28) an wenigstens einer Haut (32) aus flexiblem und/oder elastischem Material ausgebildet ist, und die andere Seite der wenigstens einen Haut (32) aus flexiblem und/oder elastischem Material auf einem Fluidreservoir (34) mit unter Druck zu setzenden Fluid (36) abgestützt wird.
Generatives Fertigungsverfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch Verwenden einer Abstützvorrichtung (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und/oder einer Fertigungsvorrichtung (12) nach einem der Ansprüche 6 oder 7.