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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Hohlkörpers, im Rahmen dessen eine Hohlkörperwand erstellt wird, die einen Hohlraum des Hohlkörpers begrenzt und die eine dem Hohlraum zugewandte Hohlraumseite sowie eine von dem Hohlraum abgewandte Außenseite aufweist, wobei die Hohlkörperwand unter Aufbauen von aneinander anschließenden Wandabschnitten abschnittweise erstellt wird.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Vorrichtung zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens.
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Zur Herstellung von Hohlkörpern sind derzeit unterschiedliche Verfahren und Vorrichtungen gebräuchlich.
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Beispielsweise werden Hohlkörper aus dem Vollen gefräst. Dabei wird an einem Hohlkörper-Rohling mittels eines Fräswerkzeuges ein Hohlraum erstellt. Durch Fräsen aus dem Vollen hergestellt werden insbesondere aus metallischen Werkstoffen bestehende Hohlkörper, von denen eine hohe Stabilität verlangt wird. Ein Anwendungsgebiet des Fräsens aus dem Vollen ist die Medizintechnik.
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Weitere bekannte Verfahren zur Herstellung von Hohlkörpern sind die Verfahren der generativen Fertigung („additive manufacturing”), beispielsweise das gattungsgemäße selektive Laserschmelzen („selektive laser melting”, abgekürzt „SLM”). Beim selektiven Laserschmelzen wird in einem Bauraum Werkstoff für den herzustellenden Hohlkörper beziehungsweise für die herzustellende Hohlkörperwand in Pulverform in einer dünnen Schicht auf einer Grundplatte aufgetragen. Der pulverförmige Werkstoff wird mittels eines Laserstrahls in dem Bereich, welcher die Hohlkörperwand ausbilden soll, aufgeschmolzen und verschweißt. Der pulverförmige Werkstoff in der Umgebung des aufgeschmolzenen und verschweißten Materials stützt die generierte Schicht der Hohlkörperwand. Nach dem Erstarren der Materialschicht wird die Grundplatte um den Betrag einer Schichtdicke abgesenkt und weiteres Werkstoffpulver wird auf die nunmehr vorliegende Wandschicht aufgebracht und in der vorstehenden Weise verarbeitet. Die beschriebenen Abläufe werden so oft wiederholt, bis der Hohlkörper bzw. die Hohlkörperwand vollständig aufgebaut ist.
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Eine Bearbeitung der Hohlraumseite der Hohlkörperwand wird im Falle des gattungsgemäßen Standes der Technik nach der Fertigstellung der Hohlkörperwand durchgeführt und ist folglich nur dann möglich, wenn der fertige Hohlkörper bzw. die fertige Hohlkörperwand eine Geometrie besitzt, aufgrund derer die Hohlraumseite der Hohlkörperwand für eine Bearbeitung zugänglich ist.
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Das bekannte Verfahren und die bekannte Vorrichtung dahingehend weiterzubilden, dass eine an der Hohlraumseite bearbeitete Hohlkörperwand unabhängig von der Geometrie der Hohlkörperwand beziehungsweise des Hohlkörpers bereitgestellt werden kann, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.
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Erfindungsgemäß gelöst wird diese Aufgabe durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 und durch die Vorrichtung gemäß Patentanspruch 12.
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Im Falle der Erfindung wird die Hohlkörperwand nicht nur abschnittweise aufgebaut sondern auch abschnittweise an der Hohlraumseite bearbeitet. Die Bearbeitung der Hohlraumseite der Hohlkörperwand schreitet dementsprechend mit dem Aufbau der Hohlkörperwand fort. Auch wenn die fertige Hohlkörperwand eine Geometrie besitzt, aufgrund derer ihre Hohlraumseite für eine Bearbeitung unzugänglich ist, kann die Hohlkörperwand an der Hohlraumseite bearbeitet werden, solange die Hohlkörperwand im Aufbau begriffen ist. Unabhängig von der Geometrie der Hohlkörperwand ergibt sich mit Abschluss des Fertigungsprozesses eine Hohlkörperwand, die an der Hohlraumseite zumindest weitestgehend bearbeitet ist.
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Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Fertigungsverfahrens umfasst eine Vorrichtung zum Aufbauen der aneinander anschließenden Wandabschnitte der Hohlkörperwand sowie eine Vorrichtung zum abschnittweisen Bearbeiten der Hohlkörperwand. Beide Vorrichtungen können herkömmlicher Bauart sein. Als Bearbeitungsvorrichtung kommt beispielsweise ein herkömmliches Bearbeitungszentrum in Frage. Sowohl das Aufbauen als auch das Bearbeiten der Hohlkörperwand erfolgt bevorzugtermaßen numerisch gesteuert.
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Die Anwendungs- und Einsatzbereiche des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind vielfältig. Hohlkörper, deren Hohlkörperwand einer Bearbeitung an der Hohlraumseite bedarf, finden sich beispielsweise an Schmuckstücken ebenso wie an medizintechnischen Produkten, Besondere Ausführungsarten des Verfahrens gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 und der Vorrichtung gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 12 ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen 2 bis 11 und 13.
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Die Bearbeitung der Hohlkörperwand an der Hohlraumseite kann erfindungsgemäß auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen (Patentanspruch 2). Denkbar ist beispielsweise das Abtragen von Werkstoff eines zuvor aufgebauten Wandabschnittes durch spanendes oder sonstiges Bearbeiten, etwa durch Bohren, Fräsen, Schleifen oder Erodieren. Möglich ist außerdem das Aufbringen eines Überzuges an der Hohlraumseite eines Wandabschnittes der Hohlkörperwand, etwa das Beschichten der Hohlkörperwand zum Korrosions- und/oder Verschleißschutz. Schließlich kommen auch Bearbeitungsprozesse in Frage, im Rahmen derer die Stoffeigenschaften des Werkstoffs des betreffenden Wandabschnittes der Hohlkörperwand verändert werden, etwa Bearbeitungsprozesse zum Härten, Vergüten, Glühen oder chemischen Behandeln der Hohlkörperwand.
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Die Erstellung einer Hohlkörperwand mit verhältnismäßig geringem Materialeinsatz ermöglicht die in Patentanspruch 3 beschriebene Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens. Ein geringer Materialeinsatz ist insbesondere in Fällen von Bedeutung, in denen teure Werkstoffe, beispielsweise Edelmetalle, verarbeitet werden.
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Der oder die Wandabschnitte werden aus einem bei der Verarbeitung plastischen Werkstoff aufgebaut, der aufgrund seiner Konsistenz eine Stützung der im Entstehen begriffenen Hohlkörperwand während des Aufbaus der Wandabschnitte verzichtbar macht. Insbesondere ist es anders als etwa beim selektiven Laserschmelzen nicht erforderlich, die Wandabschnitte der Hohlkörperwand während des Aufbaus durch pulverförmigen Werkstoff zu stützen. Folglich entfällt der mit der Bereitstellung von stützendem Werkstoff verbundene Aufwand. Werkstoffverluste, wie sie im Falle des selektiven Laserschmelzens beim Entfernen von stützendem Werkstoff von dem fertigen Hohlkörper auftreten können, werden vermieden.
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Es besteht erfindungsgemäß die Möglichkeit, den zu verarbeitenden Werkstoff zunächst in fester Form bereitzustellen und unmittelbar vor der Verarbeitung zu plastifizieren. Bevorzugt wird dabei eine Plastifizierung durch Erwärmen. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung einer derartigen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Patentanspruch 13 beschrieben.
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Anstelle von pulverförmigen Werkstoffen können beispielsweise aus dem betreffenden Werkstoff bestehende Drähte verwendet werden, die vor ihrer Verarbeitung durch Wärmezufuhr plastifiziert werden. Derartige Werkstoffdrähte ermöglichen insbesondere einen lagenweisen Aufbau der Wandabschnitte der Hohlkörperwand. Bei Verwendung von Werkstoffdrähten entfällt der in der Regel hohe Aufwand für die Herstellung eines Werkstoffpulvers. Zudem zeichnen sich Werkstoffdrähte generell durch eine gute Verarbeitbarkeit aus, während die Verarbeitbarkeit von Werkstoffpulver beispielsweise aufgrund uneinheitlicher Korngröße eingeschränkt sein kann. Schließlich erlaubt der Einsatz von Werkstoffdrähten die Verarbeitung von Werkstoffen, die in Pulverform nicht verfügbar sind.
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Sobald der plastifizierte Werkstoff eines aufgebauten Wandabschnittes ausgehärtet ist, wird der Wandabschnitt an der Hohlraumseite bearbeitet, ehe ein weiterer Wandabschnitt an den aufgebauten Wandabschnitt anschließend aufgebaut wird. In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung wird auch der weitere Wandabschnitt aus einem in einem Verarbeitungszustand plastischen und im Anschluss an den Verarbeitungszustand aushärtenden Werkstoff aufgebaut.
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Aus den dargelegten Gründen ist das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere in Anwendungsfällen von Vorteil, in denen eine Hohlkörperwand, welche den Hohlraum wenigstens annähernd vollständig umschließt, unter Aufbauen von aneinander anschließenden Wandabschnitten abschnittweise erstellt wird (Patentanspruch 4). Umschließt die Hohlkörperwand den Hohlraum des Hohlkörpers vollständig, so kann die Hohlkörperwand an der Hohlraumseite bearbeitet werden, bis der den Hohlraum endgültig verschließende Wandabschnitt aufgebaut wird. Lediglich die Hohlraumseite dieses letzten Wandabschnittes ist für eine Bearbeitung nicht zugänglich.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung dient das erfindungsgemäße Verfahren zum Erstellen einer Hohlkörperwand, die an der Hohlraumseite und/oder an der Außenseite eine Krümmung aufweist (Patentanspruch 5).
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Gemäß Patentanspruch 6 wird in weiterer bevorzugter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Wandabschnitt lagenweise aus mehreren übereinander und/oder nebeneinander angeordneten Werkstofflagen aufgebaut.
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Nach dem lagenweisen Aufbauen eines Wandabschnittes kann dieser an der Hohlraumseite über seine gesamte Fläche bearbeitet werden. Erfindungsgemäß bevorzugt wird ausweislich Patentanspruch 7 eine Bearbeitung der Hohlraumseite des lagenweise aufgebauten Wandabschnittes mit Ausnahme der beim Aufbauen letzten Werkstofflage. Die beim Aufbauen eines Wandabschnittes letzte Werkstofflage dient in diesem Fall im unbearbeiteten Zustand als Basis für den an den aufgebauten Wandabschnitt anschließenden Wandabschnitt. Etwa in Fällen, in denen bei der Bearbeitung eines aufgebauten Wandabschnittes Werkstoff abgetragen wird, stellt die Nutzung der beim Aufbauen des Wandabschnittes letzten Werkstofflage im unbearbeiteten Zustand sicher, dass für den nächsten Wandabschnitt eine hinreichend großflächige Basis zur Verfügung steht.
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Dieser Umstand ist insbesondere dann von Vorteil, wenn nach dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Hohlkörperwand erstellt wird, welche an der Hohlraumseite und/oder an der Außenseite eine Krümmung aufweist (Patentanspruch 5). Zur Erzeugung einer Krümmung der fertigen Hohlkörperwand wird bei deren Erstellung ein an einen aufgebauten Wandabschnitt anschließender weiterer Wandabschnitt mit einem Versatz gegenüber dem bereits aufgebauten Wandabschnitt aufgebaut. Nach dem Aufbauen der mit einem gegenseitigen Versatz aneinander anschließenden Wandabschnitte wird durch Abtragen von Material an den Wandabschnitten zwischen diesen ein der gewünschten Krümmung entsprechender Übergang geschaffen. Würde die letzte Werkstofflage des zunächst aufgebauten Wandabschnittes bereits vor dem Aufbauen des daran anschließenden Wandabschnittes bearbeitet, würde also an der letzten Werkstofflage des zunächst aufgebauten Wandabschnittes Material abgetragen, ehe mit dem Aufbau des nächsten Wandabschnittes begonnen wird, so würde die letzte Werkstofflage des zunächst aufgebauten Wandabschnittes für den nächsten Wandabschnitt nur noch eine verhältnismäßig kleinflächige Basis bieten.
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Um den Materialeinsatz bei der Erstellung einer gekrümmten Hohlkörperwand mit wenigstens einem lagenweise aufgebauten Wandabschnitt zu minimieren, wird der betreffende Wandabschnitt gemäß Patentanspruch 8 aus entlang der Krümmung aufeinanderfolgenden und unter Ausbildung der Krümmung gegeneinander versetzten Werkstofflagen aufgebaut. Bereits beim Aufbauen des Wandabschnittes kann auf diese Art und Weise eine Krümmung erzeugt werden. Es ist demnach nicht erforderlich, einen Wandabschnitt mit einer Dicke aufzubauen, die derart bemessen ist, dass nach dem Aufbauen des Wandabschnittes die gewünschte Krümmung allein durch Abtragen von Material an dem aufgebauten Wandabschnitt erzeugt werden kann.
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Insbesondere bei einem lagenweisen Aufbau eines Wandabschnittes besteht die Wahlmöglichkeit, einen Wandabschnitt aus einem einzigen Werkstoff aufzubauen (Patentanspruch 9) oder für ein und denselben Wandabschnitt verschiedene Werkstoffe zu verwenden. Werden verschiedene Werkstoffe eingesetzt, so sind beispielsweise Material-, Farb- und Qualitätswechsel durch entsprechende Werkstoffwahl ohne weiteres möglich. Von dieser Möglichkeit wird unter anderem bei der Herstellung von Schmuckstücken Gebrauch gemacht.
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In entsprechender Weise können im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens Wandabschnitte aufgebauten werden, die aus dem oder den gleichen Werkstoffen (Patentanspruch 10) oder die aus verschiedenen Werkstoffen bestehen.
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Zusätzlich zu einer Bearbeitung eines aufgebauten Wandabschnittes an dessen Hohlraumseite ist in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass nach dem Aufbauen eines Wandabschnittes dieser Wandabschnitt auch an der Außenseite bearbeitet wird (Patentanspruch 11). Die Bearbeitung des Wandabschnittes an der Außenseite kann erfolgen, ehe ein weiterer Wandabschnitt an den bereits aufgebauten Wandabschnitt anschließend aufgebaut wird. Denkbar Ist aber auch eine Bearbeitung der Außenseite der Hohlkörperwand, nachdem mehrere aneinander anschließende oder nachdem sämtliche Wandabschnitte der Hohlkörperwand erstellt worden sind.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand beispielhafter schematischer Darstellungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 bis 9 die Herstellung eines Hohlkörpers in Form einer Kugel mittels einer hierfür vorgesehenen Vorrichtung.
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Ausweislich der 1 und 2 wird in einer ersten Phase der Herstellung eines in 8 und in der Schnittdarstellung von 9 unmittelbar vor der Fertigstellung gezeigten und als Kugel 1 ausgebildeten Hohlkörpers ein erster Wandabschnitt 2 einer als Hohlkörperwand vorgesehenen Kugelschale 3 aufgebaut. Die Kugelschale 3 begrenzt einen Hohlraum 4 der Kugel 1 und besitzt eine dem Hohlraum 4 zugewandte Hohlraumseite 5 sowie eine von dem Hohlraum 4 abgewandte Außenseite 6 (9).
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Zum Aufbauen des Wandabschnittes 2 wird eine scheibenförmige untere Werkstofflage 7 des Werkstoffs der Kugelschale 3 auf einen stiftartigen Distanzhalter 8 aufgebracht. Mittels des Distanzhalters 8 wird die untere Werkstofflage 7 des Wandabschnittes 2 auf Abstand von einer Grundplatte 9 gehalten. An der Grundplatte 9 können mehrere Kugelschalen 3 nebeneinander in der dargestellten Weise gelagert werden.
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Auf der scheibenförmigen unteren Werkstofflage 7 des Wandabschnittes 2 werden nacheinander mehrere ringförmige Werkstofflagen 10 von Werkstoff der Kugelschale 3 aufgebracht.
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Zu diesem Zweck dient eine Aufbauvorrichtung 11, die unter anderem in 4 dargestellt ist.
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Die Aufbauvorrichtung 11 umfasst als Zufuhrvorrichtung einen Materialfeeder 12, der an einem nicht gezeigten Roboterarm der Aufbauvorrichtung 11 angebracht ist. Mittels des Materialfeeders 12 wird der Verarbeitungsstelle der Werkstoff der Kugelschale 3 als Werkstoffdraht 13 zugeführt. In seinem Aufbau und seiner Funktionsweise entspricht der Materialfeeder 12 bekannten Vorrichtungen für die Schweißdraht-Zufuhr beim Metallschutzgasschweißen.
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An der Verarbeitungsstelle wird der durch den Materialfeeder 12 zugeführte Werkstoffdraht 13 mittels eines als Erwärmungsvorrichtung dienenden Laserkopfes 14 und eines von dem Laserkopf 14 auf die Verarbeitungsstelle gerichteten Laserstrahls 15 durch Wärmezufuhr plastifiziert. Auch der Laserkopf 14 ist an einem nicht gezeigten Roboterarm der Aufbauvorrichtung 11 montiert. Numerisch gesteuert fahren der Roboterarm mit dem Materialfeeder 12 und der Roboterarm mit dem Laserkopf 14 die kreisförmige Bahn ab, längs derer die ringförmigen Werkstofflagen 10 des Wandabschnittes 2 aus dem plastifizierten Werkstoff des Werkstoffdrahtes 13 aufzubauen sind.
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Zur Ausbildung der Krümmung der Kugelschale 3 werden die ringförmigen Werkstofflagen 10 des Wandabschnittes 2 in radialer Richtung der Kugelschale 3 gegenüber der scheibenförmigen unteren Werkstofflage 7 und auch relativ zueinander versetzt. Dadurch ergibt sich sowohl an der Hohlraumseite 5 als auch an der Außenseite 6 ein aus den 1 und 2 ersichtlicher stufenförmiger Verlauf des Wandabschnittes 2 der Kugelschale 3.
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Nach dem Aushärten des plastifizierten Werkstoffes wird der aus der unteren Werkstofflage 7 und den weiteren Werkstofflagen 10 aufgebaute Wandabschnitt 2 zunächst an seiner Außenseite bearbeitet.
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Als Bearbeitungswerkzeug ist ein in 3 schematisch dargestelltes Fräswerkzeug 16 herkömmlicher Bauart vorgesehen, das an einem nicht gezeigten Roboterarm angebracht ist und das mit einer numerisch gesteuerten Bewegung an der Außenseite des Wandabschnittes 2 entlanggeführt wird und dabei aus der Stufenform an der Außenseite des Wandabschnittes 2 eine glatte kugelige Form erzeugt. In entsprechender Weise wird der Wandabschnitt 2 ausweislich 3 an der Hohlraumseite 5 bearbeitet. Das von dem Wandabschnitt 2 nach der Bearbeitung an der Hohlraumseite 5 und an der Außenseite 6 gebildete Kugelschalensegment ist im unteren Teil von 4 zu erkennen.
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Sowohl an der Hohlraumseite 5 als auch an der Außenseite 6 wird bei der Bearbeitung des Wandabschnittes 2 die beim Aufbauen des Wandabschnittes 2 zuletzt aufgebrachte Werkstofflage 10 ausgespart. Auf der letzten Werkstofflage 10 des Wandabschnittes 2 wird nach dessen Bearbeitung ein weiterer Wandabschnitt 17 der Kugelschale 3 an den zuvor aufgebauten Wandabschnitt 2 anschließend aufgebaut. Dabei werden in der vorstehend beschriebenen und in den 4 bis 6 veranschaulichten Art und Weise weitere Werkstofflagen 10 von Werkstoff der Kugelschale 3 aufgebracht. Auch der Wandabschnitt 17 wird nach dem Verfestigen des zum Verarbeiten plastifizierten Werkstoffs mittels des Fräswerkzeuges 16 an der Außenseite und an der Hohlraumseite 5 (7) bearbeitet. Bei der Bearbeitung des Wandabschnittes 17 wird die zuletzt aufgebrachte Werkstofflage 10 ebenfalls ausgespart.
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Auf der letzten Werkstofflage 10 des Wandabschnittes 17 wird ein weiterer Wandabschnitt 18 an den zuvor aufgebauten Wandabschnitt 17 anschließend aufgebaut. Nach dem Aufbauen des Wandabschnittes 18 und dem sich daran anschließenden Aushärten des zum Aufbauen des Wandabschnittes 18 eingesetzten Werkstoffes wird auch der Wandabschnitt 18 in der vorstehend beschriebenen Weise mittels des Fräswerkzeuges 16 an der Außenseite 6 und an der Hohlraumseite 5 (8, 9) bearbeitet. Auch an dem Wandabschnitt 18 wird die zuletzt aufgebrachte Werkstofflage 10 von der Bearbeitung ausgenommen.
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Die Kugelschale 3 der Kugel 1 ist nun bis auf eine Schalenöffnung 19 fertiggestellt. Die Schalenöffnung 19 wird benötigt, um das Fräswerkzeug 16 zum Bearbeiten der Hohlraumseite 5 des Wandabschnittes 18 in den Hohlraum 4 einführen zu können. Aufgrund der beengten räumlichen Verhältnisse wird dabei ein klein bauendes Fräswerkzeug 16 eingesetzt.
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Nach Abschluss der Bearbeitung des Wandabschnittes 18 wird das Fräswerkzeug 16 aus dem Hohlraum 4 der Kugelschale 3 entnommen und die Schalenöffnung 19 wird mittels der Fertigungsvorrichtung 11 verschlossen. Alternativ besteht die Möglichkeit, zum Verschließen der Schalenöffnung 19 eine der scheibenförmigen unteren Werkstofflage 7 des Wandabschnittes 2 entsprechende scheibenförmige obere Werkstofflage von Werkstoff der Kugelschale 3 auf die beim Aufbauen des Wandabschnittes 18 zuletzt erstellte Werkstofflage 10 aufzubringen.
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Der Verschluss der Schalenöffnung 19 wird mittels des Fräswerkzeuges 16 an der Außenseite 6 mit der gewünschten glatten Kugeloberfläche versehen. Abschließend wird die Kugelschale 3 von dem Distanzhalter 8 getrennt und erforderlichenfalls an der Ansatzstelle des Distanzhalters 8 zur Erzeugung einer glatten Kugeloberfläche bearbeitet.
