DE102015119746A1

DE102015119746A1 - Verfahren zur Herstellung einer Stützstruktur zur Stützung eines generativ auszubildenden dreidimensionalen Objekts

Info

Publication number: DE102015119746A1
Application number: DE102015119746.4A
Authority: DE
Inventors: Frank Herzog; Florian Bechmann
Original assignee: CL Schutzrechtsverwaltung GmbH
Current assignee: CL Schutzrechtsverwaltung GmbH
Priority date: 2015-11-16
Filing date: 2015-11-16
Publication date: 2017-05-18
Also published as: JP6811808B2; JP2019177698A; JP2018523008A; WO2017084956A1; US20180311734A1; EP3377261A1; CN107405709A; CN107405709B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer wenigstens ein Stützelement (11) umfassenden Stützstruktur (2) zur zumindest abschnittsweisen Stützung eines auf der Stützstruktur (2) durch sukzessive selektive Verfestigung von Baumaterialschichten aus einem verfestigbaren Baumaterial (4) vermittels eines Energiestrahls (6) generativ auszubildenden dreidimensionalen Objekts (3), wobei an wenigstens einem Stützelement (11) wenigstens eine Angriffsstruktur (12), an welcher ein elektrochemischer Materialabtrag initiierbar ist oder initiiert wird, ausgebildet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer wenigstens ein Stützelement umfassenden Stützstruktur zur zumindest abschnittsweisen Stützung eines auf der Stützstruktur durch sukzessive selektive Verfestigung von Baumaterialschichten aus einem verfestigbaren Baumaterial vermittels eines Energiestrahls generativ auszubildenden dreidimensionalen Objekts.
Die Verwendung entsprechender Stützstrukturen – mitunter auch als Supportstrukturen bezeichnet – zur Stützung von auf diesen generativ auszubildenden dreidimensionalen Objekten im Rahmen der generativen Ausbildung jeweiliger dreidimensionaler Objekte ist bekannt.
Entsprechende Stützstrukturen stellen keine Bestandteile der jeweils generativ auszubildenden dreidimensionalen Objekte dar und werden nach vollendeter Ausbildung der generativ ausgebildeten dreidimensionalen Objekte entfernt.
Die Entfernung der Stützstrukturen erfolgt bis dato rein mechanisch und erfordert typischerweise mehrere maschinell bzw. gegebenenfalls sogar manuell durchzuführende Arbeitsschritte. Aufgrund der individuellen bzw. vergleichsweise komplexen geometrisch-konstruktiven Ausgestaltung entsprechender Stützstrukturen ist eine automatisierbare Entfernung in prozesstechnischer Hinsicht kaum wirtschaftlich zu realisieren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein demgegenüber, insbesondere im Hinblick auf eine einfache, gegebenenfalls automatisierbare Entfernung einer hergestellten Stützstruktur, verbessertes Verfahren zur Herstellung einer entsprechenden Stützstruktur anzugeben.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Die hierzu abhängigen Ansprüche betreffen besondere Ausführungsformen des Verfahrens. Die Aufgabe wird ferner durch eine Stützstruktur gemäß Anspruch 7 gelöst.
Das hierin (zunächst) beschriebene Verfahren dient im Allgemeinen der Herstellung einer Stützstruktur (Supportstruktur) zur zumindest abschnittsweisen Stützung, d. h. zur Stützung wenigstens eines Teilbereichs, eines auf der Stützstruktur generativ auszubildenden dreidimensionalen Objekts. Die Stützstruktur umfasst hierzu wenigstens ein, typischerweise mehrere Stützelement(e). Die Stützstruktur bzw. entsprechende Stützelemente können grundsätzlich eine beliebige geometrische Gestalt aufweisen. Einzelne, mehrere oder sämtliche Stützelemente können sich in ihrer jeweiligen geometrischen Gestalt gleichen, ähneln oder unterscheiden. Beispielsweise können entsprechende Stützelemente eine längliche, d. h. z. B. stäbchen- oder stangenförmige, Gestalt oder eine flächige, d. h. z. B. plättchenförmige, Gestalt aufweisen.
Im Allgemeinen ist die geometrische Gestalt der Stützstruktur bzw. der Stützelemente zumindest abschnittsweise im Hinblick auf die geometrisch-konstruktive Ausgestaltung der durch diese zu stützenden Objektabschnitte des auf der Stützstruktur generativ auszubildenden dreidimensionalen Objekts (im Weiteren kurz als „Objekt“ bezeichnet) gewählt.
Wenngleich im Weiteren vornehmlich die bevorzugte generative Ausbildung der Stützstruktur beschrieben wird, kann die verfahrensgemäß herzustellende Stützstruktur prinzipiell jedoch auch über nicht generative Herstellungsprozesse, wie z. B. Gießprozesse, hergestellt werden.
Die verfahrensgemäß herzustellende Stützstruktur wird sonach bevorzugt – analog dem zumindest abschnittsweise durch die Stützstruktur zu stützenden Objekt – durch sukzessive selektive Verfestigung von Baumaterialschichten aus einem verfestigbaren Baumaterial vermittels eines Energiestrahls generativ ausgebildet.
Die sukzessive selektive Verfestigung der zu verfestigenden Baumaterialschichten erfolgt auf Grundlage von Baudaten. Entsprechende Baudaten beschreiben im Allgemeinen die geometrische bzw. geometrisch-konstruktive Gestalt der jeweils generativ herzustellenden Stützstruktur bzw. des durch diese zumindest abschnittsweise zu stützenden bzw. zumindest abschnittsweise auf der Stützstruktur generativ auszubildenden Objekts. Entsprechende Baudaten können beispielsweise CAD-Daten der herzustellenden Stützstruktur bzw. des durch diese zumindest abschnittsweise zu stützenden Objekts sein bzw. solche CAD-Daten beinhalten.
Die generative Herstellung der Stützstruktur erfolgt vermittels einer Vorrichtung zur generativen Herstellung wenigstens eines dreidimensionalen Objekts durch sukzessives selektives Verfestigen einzelner Baumaterialschichten aus einem verfestigbaren Baumaterial vermittels wenigstens eines von wenigstens einer Strahlungserzeugungseinrichtung erzeugten Energiestrahls. Die Vorrichtung umfasst die typischen erforderlichen Funktionskomponenten zur Durchführung generativer Bauprozesse, d. h. insbesondere eine Strahlungserzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines Energiestrahls, insbesondere eines Laser- oder Elektronenstrahls, zur selektiven Verfestigung einzelner Baumaterialschichten aus einem Baumaterial, insbesondere einem Metall-, Kunststoff- oder Keramikpulver, und eine Beschichtereinrichtung zur Ausbildung zu verfestigender Baumaterialschichten in einer Bauebene. Bei einer Bauebene kann es sich um eine Oberfläche eines, typischerweise (in vertikaler Richtung) bewegbar gelagerten, Tragelements einer Trageinrichtung oder eine bereits verfestigte Baumaterialschicht handeln.
Grundsätzlich unabhängig von der Art der Herstellung der Stützstruktur wird verfahrensgemäß an wenigstens einem Stützelement eine Angriffsstruktur, an welcher ein elektrochemischer oder elektrischer Materialabtrag von der Stützstruktur initiierbar ist bzw. initiiert wird, ausgebildet. Ein elektrochemischer bzw. elektrischer Materialabtrag von der Stützstruktur kann im Rahmen der Durchführung wenigstens einer Maßnahme zu einem elektrochemischen oder elektrischen Materialabtrag von der Stützstruktur erfolgen. Die Durchführung wenigstens einer Maßnahme zu einem elektrochemischen oder elektrischen Materialabtrag von der Stützstruktur kann im Rahmen eines Verfahrens zur Entfernung einer verfahrensgemäß hergestellten Stützstruktur von einem generativ ausgebildeten bzw. hergestellten Objekt erfolgen.
Ein elektrochemischer Materialabtrag (engl. electro chemical machining, kurz ECM) und somit eine Maßnahme zu einem elektrochemischen Materialabtrag basiert auf dem Prinzip, an dem abzutragenden bzw. zu entfernenden Element, vorliegend der Stützstruktur bzw. entsprechenden Stützelementen der Stützstruktur, vermittels einer elektrischen Spannungsquelle eine elektrische Spannung anzulegen. Das abzutragende Element kann insbesondere als erste Elektrode, z. B. als Anode, und ein Abtragwerkzeug als Gegenelektrode, z. B. als Kathode, geschaltet werden. Das abzutragende Element und das Abtragwerkzeug werden in einem elektrisch leitfähigen Elektrolyten, z. B. einer Kochsalzlösung, gelagert. Zwischen abzutragendem Element und Abtragwerkzeug wird typischerweise ein Spalt, z. B. von 0,01 bis 1 mm, eingestellt. Durch den bei entsprechend hoher elektrischer Spannung entstehenden Stromfluss zwischen abzutragendem Element und Abtragwerkzeug werden ionische Bestandteile aus dem abzutragenden Element gelöst, wodurch ein Materialabtrag von diesem entsteht.
Ein elektrischer Materialabtrag und somit eine Maßnahme zu einem elektrischen Materialabtrag basiert auf einem ähnlichen Prinzip, wobei das abzutragende Element und das Abtragwerkzeug jedoch nicht in einem elektrisch leitfähigen Elektrolyten, sondern in einem elektrisch nicht (oder kaum) leitfähigen Dielektrikum, z. B. Öl, gelagert werden. Durch die durch elektrische Entladungen zwischen dem abzutragenden Element und dem Abtragwerkzeug entstehenden Funken erfolgt ein Materialabtrag von dem abzutragenden Element.
In beiden Fällen weist das abzutragende Element eine gewisse elektrische Leitfähigkeit auf. Das abzutragende Element ist daher typischerweise aus einem metallischen Baumaterial gebildet. Entsprechend wird die Stützstruktur zweckmäßig aus einem metallischen Baumaterial, d. h. z. B. basierend auf Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung oder Eisen bzw. einer Eisenlegierung, insbesondere Stahl, hergestellt.
Durch die Ausbildung entsprechender Angriffstrukturen an entsprechenden Stützelementen, welche Angriffsstrukturen typischerweise an einer freiliegenden Außenseite eines jeweiligen Stützelements ausgebildet werden, wird ein elektrochemischer bzw. elektrischer Materialabtrag („elektrochemischer bzw. elektrischer Angriff“) (bevorzugt) an den Stützelementen der Stützstruktur initiiert; mithin erfolgt ein elektrochemischer bzw. elektrischer Materialabtrag bevorzugt an der Stützstruktur, wodurch diese auf vergleichsweise einfache, automatisierbare Weise, welche sich auch für eine Serienfertigung eignet, entfernt werden kann. Ein auf der Stützstruktur generativ ausgebildetes Objekt wird durch seine typischerweise geschlossene und/oder vergleichsweise kleine Oberfläche nicht oder kaum beeinträchtigt.
Es liegt daher ein, insbesondere im Hinblick auf eine einfache, gegebenenfalls automatisierbare Entfernung einer hergestellten Stützstruktur, verbessertes Verfahren zur Herstellung einer entsprechenden Stützstruktur anzugeben.
Wie erwähnt, wird die Stützstruktur vorzugsweise durch sukzessive selektive Verfestigung von Baumaterialschichten aus dem oder einem verfestigbaren Baumaterial vermittels eines Energiestrahls generativ ausgebildet. Eine besonders effiziente Ausführungsform sieht vor, dass entsprechende Angriffsstrukturen simultan mit der generativen Ausbildung der Stützstruktur generativ ausgebildet werden. Die generative Ausbildung entsprechender Angriffsstrukturen eröffnet zudem ein Höchstmaß an geometrischer Gestaltungsfreiheit der Angriffsstrukturen.
Als Angriffsstrukturen kommen grundsätzlich jedwede geometrischen Gestaltungselemente in Frage, an welchen ein elektrochemischer bzw. elektrischer Materialabtrag im Rahmen der Durchführung einer entsprechenden Maßnahme zu einem elektrochemischen bzw. elektrischen Materialabtrag (bevorzugt) initiierbar ist.
Angriffsstrukturen können im Allgemeinen durch eine gezielte Schwächung oder Verstärkung des Querschnitts jeweiliger Stützelemente ausgebildet werden, da an entsprechenden „Unregelmäßigkeiten“ der Oberfläche der Stützelemente eine Konzentration des jeweiligen elektrischen Feldes auftritt, welche eine Initiierung eines elektrochemischen bzw. elektrischen Angriffs bedingt und einen elektrochemischen bzw. elektrischen Materialabtrag begünstigt. Die Stützelemente gewährleisten ihre originäre Stützfunktion, weisen jedoch zusätzlich eine geometrische Gestalt auf, welche eine größtmögliche Angriffsfläche für einen elektrochemischen bzw. elektrischen Angriff bietet.
Als Angriffsstrukturen können beispielsweise Öffnungen, Vertiefungen, Erhöhungen, Vorsprünge (Spitzen) bzw. Öffnungen, Vertiefungen, Erhöhungen, Vorsprünge (Spitzen) begrenzende Bereiche, insbesondere Kanten, an oder in entsprechenden Stützelementen ausgebildet werden. Als Angriffsstruktur kann auch eine bestimmte Rauigkeit der Stützelemente ausgebildet werden. Eine Angriffsstruktur kann sonach durch eine bestimmte regelmäßige oder unregelmäßige dreidimensionale Oberflächenstrukturierung eines Stützelements ausgebildet werden. Selbstverständlich können an einem Stützelement mehrere geometrisch unterschiedliche Angriffsstrukturen ausgebildet werden.
Denkbar ist es auch, dass als Angriffsstruktur eine, insbesondere offenporige, zellulare Struktur (Zellstruktur) ausgebildet wird. Eine Stützstruktur bzw. ein Stützelement kann sonach zumindest abschnittsweise mit einer, insbesondere offenporigen, zellularen Struktur (Schaumstruktur) hergestellt werden, welche von einem fluiden Arbeitsmedium, d. h. z. B. einem Elektrolyten bzw. einem Dielektrikum, benetzbar bzw. durchströmbar ist. Die Stützelemente bzw. jeweilige Angriffsstrukturen liegen hier insbesondere durch die die zellulare Struktur bildenden Wandungselemente vor.
Die Erfindung betrifft ferner eine gemäß dem vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellte Stützstruktur zur zumindest abschnittsweisen Stützung eines auf dieser generativ auszubildenden dreidimensionalen Objekts. Sämtliche Ausführungen im Zusammenhang mit dem Verfahren zur Herstellung der Stützstruktur gelten analog für die Stützstruktur.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur generativen Herstellung wenigstens eines dreidimensionalen Objekts durch sukzessive selektive Verfestigung von Baumaterialschichten aus einem verfestigbaren Baumaterial vermittels eines Energiestrahls. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass in einem ersten Schritt ein generatives Ausbilden einer wenigstens ein Stützelement umfassenden Stützstruktur zur zumindest abschnittsweisen Stützung eines auf dieser generativ auszubildenden dreidimensionalen Objekts, insbesondere gemäß dem vorstehend beschriebenen Verfahren erfolgt, wobei die Stützstruktur durch sukzessive selektive Verfestigung von Baumaterialschichten aus einem verfestigbaren Baumaterial vermittels eines Energiestrahls generativ ausgebildet wird, wobei an wenigstens einem Stützelement eine Angriffsstruktur, an welcher ein elektrochemischer Materialabtrag initiierbar ist bzw. initiiert wird, ausgebildet wird. In einem gegebenenfalls simultan mit dem ersten Schritt durchführbaren bzw. durchgeführten weiteren Schritt erfolgt ein generatives Ausbilden des herzustellenden Objekts, wobei wenigstens ein Teilbereich des Objekts auf der Stützstruktur ausgebildet wird.
Da auch im Rahmen des Verfahrens zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts eine entsprechende Stützstruktur ausgebildet bzw. hergestellt wird, gelten sämtliche, insbesondere die generative Ausbildung bzw. Herstellung von dreidimensionalen Objekten betreffende, Ausführungen im Zusammenhang mit dem Verfahren zur Herstellung der Stützstruktur analog.
Die Stützstruktur und das Objekt werden zweckmäßig zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig, aus dem gleichen, insbesondere metallischen, verfestigbaren Baumaterial ausgebildet bzw. hergestellt. Die zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständige, Ausbildung der Stützstruktur und des Objekts aus dem gleichen Baumaterial erleichtert den generativen Bauprozess bzw. damit im Zusammenhang stehende vor- oder nachbereitende Prozesse, etwa die Zuführung des zu verfestigenden Baumaterials in eine Bau- bzw. Prozesskammer bzw. die Abführung bzw. Wiederaufbereitung bzw. -verwendung nicht verfestigten Baumaterials aus einer Bau- bzw. Prozesskammer, erheblich. Entsprechende metallische Baumaterialien sind, wie erwähnt, z. B. Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen oder Eisen bzw. Eisenlegierungen, insbesondere Stahl.
Sofern das herzustellende Objekt mehrere gesonderte Objektabschnitte umfassen soll, kann die Stützstruktur zumindest abschnittsweise zwischen einem ersten Objektabschnitt und wenigstens einem weiteren Objektabschnitt ausgebildet werden. Die wenigstens zwei Objektabschnitte können z. B. bezüglich einer beliebigen Raumachse benachbart zueinander angeordnet sein, d. h. z. B. bezüglich einer Vertikalachse übereinander angeordnet sein.
Der erste Objektabschnitt kann mit wenigstens einem ersten Formschlusselement, z. B. einem Vorsprung, ausgebildet werden und ein weiterer Objektabschnitt mit wenigstens einem zu dem ersten Formschlusselement korrespondierenden Formschlusselement (Gegenformschlusselement), z. B. einer Ausnehmung, ausgebildet werden, wobei die Stützstruktur zwischen dem ersten und dem weiteren Objektabschnitt ausgebildet werden kann, sodass die jeweiligen Formschlusselemente nach Entfernen der Stützstruktur unter Ausbildung einer formschlüssigen Verbindung miteinander wechselwirken, d. h. z. B. ineinander greifen. Eine entsprechende formschlüssige Verbindung kann eine gewisse Bewegbarkeit jeweiliger Objektabschnitte relativ zueinander ermöglichen.
Die Erfindung betrifft ferner ein gemäß dem vorstehend beschriebenen Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts hergestelltes dreidimensionales Objekt. Sämtliche Ausführungen im Zusammenhang mit dem vorstehend beschriebenen Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts gelten analog für das dreidimensionale Objekt.
Überdies betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Entfernung einer gemäß dem Verfahren zur Herstellung einer Stützstruktur hergestellten Stützstruktur von einem gemäß dem Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts hergestellten dreidimensionalen Objekt. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens eine Maßnahme für einen elektrochemischen oder elektrischen Materialabtrag von der Stützstruktur durchgeführt wird, wobei ein elektrochemischer oder elektrischer Materialabtrag (bevorzugt) an wenigstens einer Angriffsstruktur initiierbar ist bzw. initiiert wird.
Da das Verfahren zur Entfernung einer entsprechend hergestellten Stützstruktur dient, gelten sämtliche Ausführungen im Zusammenhang mit dem Verfahren zur Herstellung der Stützstruktur analog.
Bei der Maßnahme für einen elektrochemischen Materialabtag kann es sich insbesondere um einen, insbesondere automatisierbaren bzw. automatisierten, elektrochemischen Abtragsprozess handeln. Die hierfür eingesetzten Stromstärken (pro Fläche) können z. B. in einem Bereich zwischen 0,1 und 5 A/mm² liegen. Bei der Maßnahme für einen elektrischen Materialabtrag kann es sich insbesondere um einen, insbesondere automatisierbaren bzw. automatisierten, elektrischen Abtragsprozess, insbesondere einen Funkenerosionsprozess, handeln. Die hierfür eingesetzten Stromstärken (pro Fläche) können ebenfalls z. B. in einem Bereich zwischen 0,1 und 5 A/mm² liegen.
Die Stützstruktur kann durch die Maßnahme für einen elektrochemischen oder elektrischen Materialabtrag entweder vollständig entfernt werden oder nur teilweise entfernt werden. In letzterem Fall kann ein nach der teilweisen Entfernung, worunter auch eine Schwächung der Stützstruktur zu verstehen ist, verbleibender Teil der Stützstruktur durch einen gesonderten, z. B. mechanischen und/oder strahlungsbasierten, Materialabtrag entfernt werden.
Derart kann, z. B. durch eine zeitlich und/oder in ihrer, z. B. über die in jeweiligen Maßnahmen gewählte elektrische Spannung steuerbare, Abtragsintensität reduzierte Durchführung der Maßnahme für den elektrochemischen oder elektrischen Materialabtrag, welche eine nur teilweise Entfernung der Stützstruktur bedingt, verhindert werden, dass durch die Maßnahme auch ein Materialabtag von dem Objekt erfolgt.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungsfiguren näher erläutert. Dabei zeigen:
1–3 je eine Prinzipdarstellung einer Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur Herstellung einer Stützstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
4, 5 je eine Prinzipdarstellung einer Stützstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel.
1 zeigt eine Prinzipdarstellung einer Vorrichtung 1 zur Durchführung eines Verfahrens zur Herstellung einer Stützstruktur 2 zur zumindest abschnittsweisen Stützung, d. h. zur Stützung wenigstens eines Teilbereichs, eines auf der Stützstruktur 2 generativ auszubildenden dreidimensionalen Objekts 3 (vgl. 2, 3).
Die Vorrichtung 1 dient sowohl der generativen Herstellung der Stützstruktur 2 durch selektives Verfestigen von Baumaterialschichten aus einem verfestigbaren Baumaterial 4 vermittels eines von einer Strahlungserzeugungseinrichtung 5 erzeugten Energiestrahls 6 als auch der generativen Herstellung eines durch die Stützstruktur 2 zumindest abschnittsweise zu stützenden Objekts 3, d. h. typischerweise eines technischen Bauteils bzw. einer technischen Bauteilgruppe, durch selektives Verfestigen von Baumaterialschichten aus dem oder einem verfestigbaren Baumaterial 4 vermittels eines von der Strahlungserzeugungseinrichtung 5 erzeugten Energiestrahls 6.
Die sukzessive selektive Verfestigung der jeweils zu verfestigenden Baumaterialschichten erfolgt auf Grundlage von Baudaten. Entsprechende Baudaten beschreiben im Allgemeinen die geometrische bzw. geometrisch-konstruktive Gestalt der generativ auszubildenden Stützstruktur 2 bzw. des zumindest abschnittsweise auf der Stützstruktur 2 generativ auszubildenden Objekts 3. Entsprechende Baudaten können beispielsweise CAD-Daten der herzustellenden Stützstruktur 2 bzw. des Objekts 3 sein bzw. solche CAD-Daten beinhalten.
Die selektive Verfestigung einer vermittels einer, wie durch den horizontal ausgerichteten Pfeil angedeutet, bewegbar gelagerten Beschichtereinrichtung 7 gebildeten, zu verfestigenden Baumaterialschicht erfolgt derart, dass der von der Strahlungserzeugungseinrichtung 5 erzeugte Energiestrahl 6, gegebenenfalls über eine Strahlablenk- bzw. Scannereinrichtung (nicht gezeigt) selektiv auf bestimmte zu verfestigende, jeweiligen schichtbezogenen Querschnittsgeometrien der generativ herzustellenden Stützstruktur 2 bzw. des generativ herzustellenden Objekts 3 entsprechende Bereiche der Baumaterialschicht in einer Bauebene gelenkt wird. Bei einer Bauebene kann es sich um eine bereits verfestigte Baumaterialschicht oder um die Oberfläche bzw. -seite eines, typischerweise (in vertikaler Richtung) bewegbar gelagerten, Tragelements 9 einer Trageinrichtung 10 handeln.
Die Ausbildung und selektive Verfestigung von Baumaterialschichten erfolgt in einer Baukammer 8 der Vorrichtung 1. In der Baukammer 8 herrscht typischerweise eine Schutzgasatmosphäre, d. h. z. B. eine Argon- oder Stickstoffatmosphäre.
Bei dem von der Strahlungserzeugungseinrichtung 5 erzeugten Energiestrahl 6 handelt es sich um elektromagnetische Strahlung, d. h. um einen Laserstrahl, kurz einen Laser. Bei der Strahlungserzeugungseinrichtung 5 handelt es sich sonach um eine Lasererzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines Laserstrahls. Die Vorrichtung 1 kann sonach eine selektive Lasersintervorrichtung, kurz SLS-Vorrichtung, zur Durchführung selektiver Lasersinterprozesse zur generativen Herstellung dreidimensionaler Objekte oder eine selektive Laserschmelzvorrichtung, kurz SLM-Vorrichtung, zur Durchführung selektiver Laserschmelzprozesse zur generativen Herstellung dreidimensionaler Objekte sein.
Bei dem verfestigbaren Baumaterial 3 handelt es sich um ein vermittels des Energiestrahls 6 verfestigbares Metallpulver, d. h. z. B. um ein Aluminiumpulver oder ein Stahlpulver.
Die vermittels der Vorrichtung 1 herstellbare bzw. hergestellte Stützstruktur 2 umfasst mehrere Stützelemente 11 bestimmter geometrischer Gestalt. Einzelne, mehrere oder sämtliche Stützelemente 11 können sich in ihrer jeweiligen geometrischen Gestalt gleichen, ähneln oder unterscheiden. In den in den 1–4 gezeigten Ausführungsbeispielen weisen die Stützelemente 11 eine längliche, d. h. stäbchen- oder stangenförmige, geometrische Gestalt auf. In dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel weisen die Stützelemente 11 eine flächige, d. h. plättchenförmige, Gestalt auf.
Im Allgemeinen ist die geometrische Gestalt der Stützstruktur 2 bzw. der Stützelemente 11 im Hinblick auf die geometrisch-konstruktive Ausgestaltung der durch diese zu stützenden Objektabschnitte des auf der Stützstruktur 2 generativ auszubildenden Objekts 3 gewählt (vgl. 2). Die Stützstruktur 2 bildet einen Teil der Außenkontur des Objekts 3 ab.
Im Rahmen der generativen Ausbildung der Stützstruktur 2 wird an einzelnen, mehreren oder sämtlichen Stützelementen 11 eine Angriffsstruktur 12, an welcher ein elektrochemischer oder elektrischer Materialabtrag von der Stützstruktur 2 initiierbar ist bzw. initiiert wird, ausgebildet. Ein elektrochemischer bzw. elektrischer Materialabtrag von der Stützstruktur 2 erfolgt im Rahmen der Durchführung wenigstens einer Maßnahme zu einem elektrochemischen oder elektrischen Materialabtrag von der Stützstruktur 2. Die Durchführung wenigstens einer Maßnahme zu einem elektrochemischen oder elektrischen Materialabtrag von der Stützstruktur 2 kann im Rahmen eines Verfahrens zur Entfernung einer Stützstruktur 2 von einem Objekt 3 erfolgen.
Ein elektrochemischer Materialabtrag und somit eine Maßnahme zu einem elektrochemischen Materialabtrag basiert auf dem Prinzip, an der abzutragenden bzw. zu entfernenden Stützstruktur 2 bzw. entsprechenden Stützelementen 11 der Stützstruktur 2, vermittels einer elektrischen Spannungsquelle eine elektrische Spannung anzulegen. Die Stützstruktur 2 kann insbesondere als erste Elektrode, z. B. als Anode, und ein Abtragwerkzeug als Gegenelektrode, z. B. als Kathode, geschaltet werden. Die Stützstruktur 2 und das Abtragwerkzeug werden in einem elektrisch leitfähigen Elektrolyten, z. B. einer Kochsalzlösung, gelagert. Zwischen der Stützstruktur 2 und dem Abtragwerkzeug wird ein Spalt, z. B. von 0,01 bis 1 mm, eingestellt. Durch den bei entsprechend hoher elektrischer Spannung entstehenden Stromfluss, beispielsweise in einem Bereich zwischen 0,1 und 5 A/mm², zwischen Stützstruktur 2 und Abtragwerkzeug werden ionische Bestandteile aus der Stützstruktur 2 gelöst, wodurch ein Materialabtrag von Stützstruktur 2 entsteht.
Ein elektrischer Materialabtrag und somit eine Maßnahme zu einem elektrischen Materialabtrag basiert auf einem ähnlichen Prinzip, wobei die Stützstruktur 2 und das Abtragwerkzeug jedoch nicht in einem elektrisch leitfähigen Elektrolyten, sondern in einem elektrisch nicht (oder kaum) leitfähigen Dielektrikum, z. B. Öl, gelagert werden. Durch die durch elektrische Entladungen zwischen der Stützstruktur 2 und dem Abtragwerkzeug entstehenden Funken erfolgt ein Materialabtrag von der Stützstruktur 2.
Für beide Fälle ist eine gewisse elektrische Leitfähigkeit der Stützstruktur 2 erforderlich, weshalb die Stützstruktur 2, wie erwähnt, aus einem metallischen Baumaterial gebildet ist.
Durch die Ausbildung entsprechender Angriffsstrukturen 12 an den Stützelementen 11, welche Angriffsstrukturen 12 typischerweise an einer freiliegenden Außenseite jeweiliger Stützelemente 11 ausgebildet werden, wird ein elektrochemischer bzw. elektrischer Materialabtrag („elektrochemischer bzw. elektrischer Angriff“) an den Stützelementen 11 der Stützstruktur 2 initiiert; mithin erfolgt ein elektrochemischer bzw. elektrischer Materialabtrag bevorzugt an der Stützstruktur 2, wodurch diese auf vergleichsweise einfache, automatisierbare Weise, welche sich auch für eine Serienfertigung eignet, entfernt werden kann. Ein auf der Stützstruktur 2 generativ ausgebildetes Objekt 3 wird durch seine typischerweise geschlossene und/oder vergleichsweise kleine Oberfläche nicht oder kaum beeinträchtigt.
Entsprechende Angriffsstrukturen 12 werden typischerweise simultan mit der Stützstruktur 2 generativ ausgebildet. Die generative Ausbildung entsprechender Angriffsstrukturen 12 eröffnet ein Höchstmaß an geometrischer Gestaltungsfreiheit der Angriffsstrukturen 12.
Als Angriffsstrukturen 12 kommen jedwede geometrischen Gestaltungselemente in Frage, an welchen ein elektrochemischer bzw. elektrischer Materialabtrag im Rahmen der Durchführung einer entsprechenden Maßnahme zu einem elektrochemischen bzw. elektrischen Materialabtrag (bevorzugt) initiierbar ist.
Anhand der 4, 5 ist ersichtlich, dass Angriffsstrukturen 12 durch gezielte Schwächungen oder Verstärkungen, insbesondere des Querschnitts, jeweiliger Stützelemente 11 ausgebildet werden können, da an entsprechenden „Unregelmäßigkeiten“ der Oberfläche der Stützelemente 11 eine Konzentration des jeweiligen elektrischen Feldes auftritt, welche eine Initiierung eines elektrochemischen bzw. elektrischen Angriffs bedingt bzw. einen elektrochemischen bzw. elektrischen Materialabtrag begünstigt. Die Stützelemente 11 gewährleisten ihre originäre Stützfunktion, weisen jedoch zusätzlich eine geometrische Gestalt auf, welche eine größtmögliche Angriffsfläche für einen elektrochemischen bzw. elektrischen Angriff bietet.
Anhand von 4 ist weiter ersichtlich, dass als entsprechende Angriffsstrukturen 12 Öffnungen, Vertiefungen, Erhöhungen, Vorsprünge (Spitzen) bzw. Öffnungen, Vertiefungen, Erhöhungen, Vorsprünge (Spitzen) begrenzende Bereiche, insbesondere Kanten, an oder in den Stützelementen 11 ausgebildet werden können. Eine Angriffsstruktur 12 kann sonach durch eine bestimmte regelmäßige oder unregelmäßige dreidimensionale Oberflächenstrukturierung eines Stützelements 11 ausgebildet werden.
Anhand von 5 ist ersichtlich, dass bei einer flächigen Stützstruktur 2 als entsprechende Angriffsstrukturen 12 auch Verbindungsbereiche bzw. Verbindungsstege zwischen einzelnen hier plättchenförmigen Stützelementen 11 ausgebildet werden können.
Wenngleich in den Fig. nicht gezeigt, ist es auch denkbar, eine Stützstruktur 2 bzw. Stützelemente 11 mit einer, insbesondere offenporigen, zellularen Struktur (Schaumstruktur) herzustellen, welche von einem fluiden Arbeitsmedium, d. h. z. B. einem Elektrolyten bzw. einem Dielektrikum, benetzbar bzw. durchströmbar ist. Die Stützelemente 11 bzw. jeweilige Angriffsstrukturen 12 lägen hier insbesondere durch die die zellulare Struktur bildenden Wandungselemente vor.
In dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die generative Ausbildung bzw. Herstellung eines Objekts 3 auf einer Stützstruktur 2 gezeigt. Im Allgemeinen ist durch das in 2 gezeigte Ausführungsbeispiel ein Verfahren zur generativen Herstellung eines Objekts 3 durch sukzessive selektive Verfestigung von Baumaterialschichten aus einem verfestigbaren Baumaterial 4 vermittels eines Energiestrahls 6 veranschaulicht. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass in einem ersten Schritt ein generatives Ausbilden einer wenigstens ein Stützelement 11 umfassenden Stützstruktur 2 zur zumindest abschnittsweisen Stützung des auf dieser generativ auszubildenden Objekts 3, wobei die Stützstruktur 2 durch sukzessive selektive Verfestigung von Baumaterialschichten aus einem verfestigbaren Baumaterial 4 vermittels eines Energiestrahls 6 generativ ausgebildet wird, wobei an wenigstens einem Stützelement 11 eine Angriffsstruktur 12, an welcher ein elektrochemischer Materialabtrag initiierbar ist bzw. initiiert wird, ausgebildet wird. In einem gegebenenfalls simultan mit dem ersten Schritt durchführbaren bzw. durchgeführten weiteren Schritt erfolgt ein generatives Ausbilden des herzustellenden Objekts 3, wobei wenigstens ein Teilbereich des Objekts 3 auf der Stützstruktur 2 ausgebildet wird.
Die Stützstruktur 2 und das Objekt 3 werden zweckmäßig vollständig aus dem gleichen verfestigbaren Baumaterial 4 ausgebildet bzw. hergestellt. Eine vollständige Ausbildung der Stützstruktur 2 und des Objekts 3 aus dem gleichen Baumaterial 4 erleichtert den generativen Bauprozess bzw. damit im Zusammenhang stehende vor- oder nachbereitende Prozesse, etwa die Zuführung des zu verfestigenden Baumaterials 4 in eine Baukammer 8 bzw. die Abführung bzw. Wiederaufbereitung bzw. -verwendung nicht verfestigten Baumaterials 4 aus der Baukammer 8, erheblich.
Anhand des in 3 gezeigten Ausführungsbeispiels ist ersichtlich, dass ein herzustellendes Objekt 3 mehrere gesonderte Objektabschnitte 3a, 3b umfassen kann. In diesem Fall kann die Stützstruktur 2 zumindest abschnittsweise zwischen einem ersten Objektabschnitt 3a und einem weiteren Objektabschnitt 3b ausgebildet werden. In dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Objektabschnitte 3a, 3b bezüglich einer Raumachse, hier einer Vertikalachse, benachbart zueinander bzw. übereinander angeordnet.
Der in 3 untere erste Objektabschnitt 3a ist mit einem Formschlusselement 13 in Form eines in dem Ausführungsbeispiel hinterschnittenen Vorsprungs ausgebildet, der in der Fig. obere weitere Objektabschnitt 3b ist mit einem zu dem Formschlusselement 13 korrespondierenden Formschlusselement 14 (Gegenformschlusselement) in Form einer in dem Ausführungsbeispiel hinterschnittenen Ausnehmung ausgebildet. Die Stützstruktur 2 ist zwischen dem ersten Objektabschnitt 3a und dem weiteren Objektabschnitt 3b ausgebildet, sodass die jeweiligen Formschlusselemente 13, 14 nach Entfernen der Stützstruktur 2 unter Ausbildung einer formschlüssigen Verbindung miteinander wechselwirken, d. h. ineinander greifen. Die derart gebildete formschlüssige Verbindung kann eine gewisse Bewegbarkeit jeweiliger Objektabschnitte 3a, 3b relativ zueinander ermöglichen.
Für alle Ausführungsbeispiele gilt, dass zur Entfernung der Stützstruktur 2 ein Verfahren zur Entfernung einer Stützstruktur 2 von einem Objekt 3 implementiert wird. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens eine Maßnahme für einen elektrochemischen oder elektrischen Materialabtrag von der Stützstruktur 2 durchgeführt wird, wobei ein elektrochemischer oder elektrischer Materialabtrag (bevorzugt) an wenigstens einer Angriffsstruktur 12 initiierbar ist bzw. initiiert wird.
Bei der Maßnahme für einen elektrochemischen Materialabtag kann es sich insbesondere um einen, insbesondere automatisierbaren bzw. automatisierten, elektrochemischen Abtragsprozess handeln. Die hierfür eingesetzten Stromstärken (pro Fläche) können z. B. in einem Bereich zwischen 0,1 und 5 A/mm² liegen. Bei der Maßnahme für einen elektrischen Materialabtrag kann es sich insbesondere um einen, insbesondere automatisierbaren bzw. automatisierten, elektrischen Abtragsprozess, insbesondere einen Funkenerosionsprozess, handeln. Die hierfür eingesetzten Stromstärken (pro Fläche) können ebenfalls z. B. in einem Bereich zwischen 0,1 und 5 A/mm² liegen.
Die Stützstruktur 2 kann durch die Maßnahme für einen elektrochemischen oder elektrischen Materialabtrag entweder vollständig entfernt werden oder nur teilweise entfernt werden. In letzterem Fall kann ein nach der teilweisen Entfernung, worunter auch eine Schwächung der Stützstruktur 2 zu verstehen ist, verbleibender Teil der Stützstruktur 2 durch einen gesonderten, z. B. mechanischen und/oder strahlungsbasierten, Materialabtrag entfernt werden. Derart kann, z. B. durch eine zeitlich und/oder in ihrer, z. B. über die erwähnte elektrische Spannung steuerbare, Abtragsintensität reduzierte Durchführung der Maßnahme für den elektrochemischen oder elektrischen Materialabtrag, welche eine nur teilweise Entfernung der Stützstruktur 2 bedingt, verhindert werden, dass durch die Maßnahme auch ein Materialabtag von dem Objekt 3 erfolgt.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Stützstruktur
3: Objekt
3a, 3b: Objektabschnitt
4: Baumaterial
5: Strahlungserzeugungseinrichtung
6: Energiestrahl
7: Beschichtereinrichtung
8: Baukammer
9: Tragelement
10: Trageinrichtung
11: Stützelement
12: Angriffsstruktur
13: Formschlusselement
14: Formschlusselement

Claims

Verfahren zur Herstellung einer wenigstens ein Stützelement (11) umfassenden Stützstruktur (2) zur zumindest abschnittsweisen Stützung eines auf der Stützstruktur (2) durch sukzessive selektive Verfestigung von Baumaterialschichten aus einem verfestigbaren Baumaterial (4) vermittels eines Energiestrahls (6) generativ auszubildenden dreidimensionalen Objekts (3), dadurch gekennzeichnet, dass an wenigstens einem Stützelement (11) wenigstens eine Angriffsstruktur (12), an welcher ein elektrochemischer Materialabtrag initiierbar ist oder initiiert wird, ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstruktur (2) durch sukzessive selektive Verfestigung von Baumaterialschichten aus einem verfestigbaren Baumaterial (4) vermittels eines Energiestrahls (6) generativ ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Angriffsstruktur (12), insbesondere simultan mit der generativen Herstellung der Stützstruktur (2), generativ ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Angriffsstruktur (12) wenigstens eine Öffnung und/oder wenigstens eine Vertiefung und/oder wenigstens ein Vorsprung an oder in einem Stützelement (11) ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Angriffsstruktur (12) eine, insbesondere offenporige, Zellstruktur ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstruktur (2) aus einem metallischen Material ausgebildet wird.
Stützstruktur (2) zur zumindest abschnittsweisen Stützung eines auf dieser generativ auszubildenden dreidimensionalen Objekts (3), dadurch gekennzeichnet, dass sie gemäß einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist.
Verfahren zur generativen Herstellung wenigstens eines dreidimensionalen Objekts (3) durch sukzessive selektive Verfestigung von Baumaterialschichten aus einem verfestigbaren Baumaterial (4) vermittels eines Energiestrahls (6), gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: – Ausbilden einer wenigstens ein Stützelement (11) umfassenden Stützstruktur (2) zur zumindest abschnittsweisen Stützung des auf dieser generativ auszubildenden dreidimensionalen Objekts (3), insbesondere gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei die Stützstruktur (2) durch sukzessive selektive Verfestigung von Baumaterialschichten aus einem verfestigbaren Baumaterial (4) vermittels eines Energiestrahls (6) generativ ausgebildet wird, wobei an wenigstens einem Stützelement (11) eine Angriffsstruktur (12), an welcher ein elektrochemischer Materialabtrag initiierbar ist oder initiiert wird, ausgebildet wird, – generatives Ausbilden des herzustellenden dreidimensionalen Objekts (3), wobei wenigstens ein Teilbereich des dreidimensionalen Objekts (3) auf der Stützstruktur (2) ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstruktur (2) und das dreidimensionale Objekt (3) zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig, aus demselben, insbesondere metallischen, verfestigbaren Baumaterial (4) hergestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstruktur (2) zumindest abschnittsweise zwischen einem ersten Objektabschnitt (3a) und wenigstens einem weiteren Objektabschnitt (3b) ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Objektabschnitt (3a) mit wenigstens einem ersten Formschlusselement (13) ausgebildet wird und ein weiterer Objektabschnitt (3b) mit wenigstens einem zu dem ersten Formschlusselement (13) korrespondierenden Formschlusselement (14) ausgebildet wird, wobei die Stützstruktur (2) zwischen dem ersten und dem weiteren Objektabschnitt (3a, 3b) ausgebildet wird, sodass die jeweiligen Formschlusselemente (13, 14) nach Entfernen der Stützstruktur (2) unter Ausbildung einer formschlüssigen Verbindung miteinander wechselwirken.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Angriffsstruktur (12), insbesondere simultan mit der generativen Herstellung der Stützstruktur (2), generativ ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Angriffsstruktur (12) wenigstens eine Öffnung und/oder wenigstens eine Vertiefung und/oder wenigstens ein, insbesondere spitzer, Vorsprung an oder in einem Stützelement (11) ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass als Angriffsstruktur (12) eine, insbesondere offenporige, Zellstruktur ausgebildet wird.
Dreidimensionales Objekt (3), dadurch gekennzeichnet, dass es gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14 hergestellt ist.
Verfahren zur Entfernung einer gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 hergestellten Stützstruktur (2) von einem gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14 hergestellten dreidimensionalen Objekt (3), dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Maßnahme für einen elektrochemischen oder elektrischen Materialabtrag von der Stützstruktur (2) durchgeführt wird, wobei ein elektrochemischer oder elektrischer Materialabtrag an wenigstens einer Angriffsstruktur (12) initiierbar ist oder initiiert wird.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Maßnahme für einen elektrochemischen Materialabtag einen, insbesondere automatisierten, elektrochemischen Abtragsprozess umfasst und die Maßnahme für einen elektrischen Materialabtrag einen, insbesondere automatisierten, elektrischen Abtragsprozess, insbesondere einen Funkenerosionsprozess, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstruktur (2) durch die Maßnahme für einen elektrochemischen oder elektrischen Materialabtrag vollständig entfernt wird oder die Stützstruktur (2) durch die Maßnahme für einen elektrochemischen oder elektrischen Materialabtrag nur teilweise entfernt wird und ein nach der teilweisen Entfernung verbleibender Teil der Stützstruktur (2) durch einen mechanischen und/oder strahlungsbasierten Materialabtrag entfernt wird.