DE102016207283A1

DE102016207283A1 - Verfahren und System zum additiven Erzeugen eines Bauteils

Info

Publication number: DE102016207283A1
Application number: DE102016207283.8A
Authority: DE
Inventors: Dominik Rietzel
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2016-04-28
Filing date: 2016-04-28
Publication date: 2017-11-02

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum additiven Erzeugen eines Bauteils (1), insbesondere für ein Kraftfahrzeug. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: – Erzeugen eines Formkörpers (2) aus einer Mehrzahl von übereinander angeordneten Formkörperschichten (3) aus mindestens einem ersten Schichtmaterial (4) und mindestens einem zweiten Schichtmaterial (5), wobei eine Anordnung des ersten Schichtmaterials (4) einer Form des zu erzeugenden Bauteils (1) entspricht oder im Wesentlichen entspricht, – Erwärmen des Formkörpers (2) mittels einer Heizvorrichtung (6) derart, dass das erste Schichtmaterial (4) aufgeschmolzen wird, wobei benachbarte erste Schichtmaterialelemente (4a) miteinander verschmolzen werden, und das zweite Schichtmaterial (5) nicht aufgeschmolzen wird, – Abkühlen des Formkörpers (2) derart, dass das erste Schichtmaterial (4) verfestigt wird, und – Entfernen des überschüssigen zweiten Schichtmaterials (5) vom Formkörper (2) zum Erzeugen des Bauteils (1). Ferner betrifft die Erfindung ein System, das zur Durchführung des Verfahrens ausgebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie ein System zum additiven Erzeugen eines Bauteils, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, aus mindestens einem ersten Schichtmaterial.
Es ist eine Vielzahl unterschiedlicher additiver Fertigungsverfahren bekannt, bei denen ein Bauteil auf einer Bauplattform mittels einer Fertigungsstation schichtweise additiv erzeugt wird. Verbreitete additive Verfahren sind beispielsweise das selektive Strahlschmelzen, das auch als „Selective Laser Melting“ bzw. „SLM-Verfahren“ bezeichnet wird und das selektive Lasersintern, das auch als SLS-Verfahren bekannt ist. Bei SLS-Verfahren wird eine Schicht aus einem Pulver eines schmelzbaren Schichtwerkstoffs auf eine Bauplattform in einer Werkstoffschicht gleichmäßig aufgebracht. Mittels eines Hochleistungslasers wird zumindest ein definierter Teilbereich der Werkstoffschicht derart erhitzt, dass der Bauteilwerkstoff in diesem Teilbereich aufgeschmolzen wird. Der Teilbereich entspricht einer Bauteilschicht des zu erzeugenden Bauteils. Das Pulver bzw. Granulat in diesem Teilbereich bildet durch das Aufschmelzen einen Verbund, der sich nach der Erhitzung durch den Laser abkühlt und erstarrt.
Bei Bauteilen, die aus mehreren Werkstoffschichten erzeugt werden müssen, werden diese Prozesse wiederholt durchgeführt, bis das zu erzeugende Bauteil fertiggestellt ist. Dabei wird in bekannten Verfahren die Bauplattform um eine Schichtdicke der zuletzt erzeugten Bauteilschicht relativ zu einer Belichtungs- bzw. Energiequelle für die Formgebung, wie z.B. einem Hochleistungslaser, abgesenkt, damit eine Oberfläche der erzeugten Bauteilschicht für die Erzeugung einer weiteren Bauteilschicht auf der Oberfläche in Abhängigkeit einer Fokussierung des Hochleistungslasers optimal zu diesem angeordnet ist. Anschließend wird eine neue Werkstoffschicht bzw. Pulver- oder Granulatschicht auf die bereits erzeugte Bauteilschicht sowie die Bauplattform aufgetragen und eine weitere Bauteilschicht durch gezieltes Aufschmelzen des Bauteilwerkstoffs mittels des Laserstrahls erzeugt. Auf diese Weise sind sehr komplexe Bauteile, die beispielsweise Kavitäten oder Hinterschneidungen aufweisen, erzeugbar. Zur Erhöhung der Prozesssicherheit, insbesondere zur Gewährleistung eines gleichmäßigen Aufschmelzens sowie einer genauen Randabgrenzung der definierten Teilbereiche, werden derartige additive Fertigungsverfahren oftmals innerhalb einer Schutzatmosphäre, vorzugsweise unter Ausschluss von Sauerstoff und Feuchtigkeit, durchgeführt.
Derartige additive Fertigungsverfahren, bei denen ein Bauteil schichtweise aus mehreren Werkstoffschichten erzeugt wird, weisen einen besonders hohen Energieverbrauch sowie hohe Materialkosten auf. Der hohe Energieverbrauch liegt insbesondere an einem hohen Energiebedarf der Hochleistungslaser zum Aufschmelzen der Werkstoffschichten. Die hohen Materialkosten sind zum einen der Tatsache geschuldet, dass das Schichtmaterial oftmals im Vergleich zu herkömmlichen Sinterwerkstoffen sehr teuer ist, wobei der Preis für das Schichtmaterial üblicher Weise das 10 bis 200-fache des Preises für herkömmliche Spritzgussgranulate beträgt. Überdies liegt ein Materialnutzungsgrad bei SLS-Verfahren teilweise unter 50% des eingesetzten Schichtmaterials, wobei der Materialnutzungsgrad bei bauplattformbasierten additiven Herstellungsverfahren besonders gering ist. Ein weiterer Nachteil sind hohe Investitionskosten für Anlagen zur Durchführung von SLS-Verfahren, insbesondere wegen teurer Laser- und Scannersysteme. Ein weiterer Faktor, der die Kosten von SLM-Verfahren antreibt ist, dass die Bauplattformen zur Vermeidung von Prozessproblemen sowie zur Gewährleistung einer bestimmten Prozessqualität über einen längeren Zeitraum präzise temperiert werden müssen. Ferner weisen SLS-Systeme neben hohen Investitions- sowie Betriebskosten eine lange Prozessführung auf. Ein wirtschaftlicher Einsatz von SLS-Systemen ist daher bislang meist nur im Prototypenbau möglich.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile bei einem Verfahren sowie einem System zum additiven Erzeugen eines Bauteils, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, zu beheben oder zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren sowie ein System zum additiven Erzeugen eines Bauteils, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, zu schaffen, die auf eine einfache und kostengünstige Art und Weise Herstellungszeit sowie Herstellungskosten des Bauteils reduzieren und somit eine bessere Eignung für eine Serienfertigung aufweisen.
Voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Demnach wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum additiven Erzeugen eines Bauteils, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein System zum additiven Erzeugen eines Bauteils, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit den Merkmalen gemäß Anspruch 13 gelöst. 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 erfindungsgemäßen Verfahren zum additiven Erzeugen eines Bauteils, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen System zum additiven Erzeugen eines Bauteils, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.
Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum additiven Erzeugen eines Bauteils, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, gelöst. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:

– Erzeugen eines Formkörpers aus einer Mehrzahl von übereinander angeordneten Formkörperschichten aus mindestens einem ersten Schichtmaterial und mindestens einem zweiten Schichtmaterial, wobei eine Anordnung des ersten Schichtmaterials einer Form des zu erzeugenden Bauteils entspricht oder im Wesentlichen entspricht,
– Erwärmen des Formkörpers mittels einer Heizvorrichtung derart, dass das erste Schichtmaterial aufgeschmolzen wird, wobei benachbarte erste Schichtmaterialelemente miteinander verschmolzen werden, und das zweite Schichtmaterial nicht aufgeschmolzen wird,
– Abkühlen des Formkörpers derart, dass das erste Schichtmaterial verfestigt wird, und
– Entfernen des überschüssigen zweiten Schichtmaterials vom Formkörper zum Erzeugen des Bauteils.

Als Grundlage zum Erzeugen kann beispielsweise eine Bauplattform, eine Bauwanne oder dergleichen verwendet werden. Eine Bauwanne hat den Vorteil, dass diese dem Formkörper eine seitliche Begrenzungswand bietet und somit ein seitliches Wegbrechen bzw. Abrutschen des Formkörpers formschlüssig verhindert.
In einem ersten Verfahrensschritt wird der Formkörper schichtweise aus einer Mehrzahl von Formkörperschichten erzeugt, wobei die Formkörperschichten, mindestens ein erstes Schichtmaterial und mindestens ein zweites Schichtmaterial aufweisen. Der Formkörper ist ein dreidimensionaler Körper, der ein Hüllvolumen des zu erzeugenden Bauteils beschreibt, wobei das zu erzeugende Bauteil komplett innerhalb des Hüllvolumens anordenbar ist. Vorzugsweise ist der Formkörper quaderförmig ausgebildet. Die einzelnen Formkörperschichten sind vorzugsweise derart ausgebildet, dass diese keine Freiräume bzw. Kavitäten aufweisen, sondern komplett mit Schichtmaterial ausgefüllt sind. Das erste Schichtmaterial und das zweite Schichtmaterial werden dabei vorzugsweise derart über den Formkörper verteilt, dass das zweite Schichtmaterial nicht vom ersten Schichtmaterial eingeschlossen ist, damit ein Entfernen des zweiten Schichtmaterials vom erstarrten Formkörper immer möglich ist. Durch ein derartiges, schichtweises Erzeugen des Formkörpers sind Bauteile mit nahezu beliebiger Geometrie flexibel sowie kostengünstig und schnell erzeugbar. Es sind hierfür keine aufwendigen sowie kostenintensiven Formen oder Kerne erforderlich.
Ein erstes Schichtmaterial ist ein aufschmelzbares Schichtmaterial, das zum Bilden von zumindest Teilen des Bauteils, wie z.B. von Wänden, Streben oder dergleichen, ausgebildet ist. Das erste Schichtmaterial kann beispielsweise pulverförmig oder flüssig, insbesondere zähflüssig ausgebildet sein. Bei einem zähflüssigen ersten Schichtmaterial erfolgt durch das Erwärmen ggf. ein weiteres Verflüssigen und beim Abkühlen ein Verfestigen. Das zweite Schichtmaterial kann auch als Stützmaterial bezeichnet werden und hat die Aufgabe, das erste Schichtmaterial seitlich derart zu begrenzen, dass der Formkörper bzw. die einzelnen Formkörperschichten vor sowie bei dem Erwärmen nicht kollabieren. Vorzugsweise ist das zweite Schichtmaterial nur bei wesentlich höheren Temperaturen als das erste Schichtmaterial aufschmelzbar. Weiter bevorzugt weist das zweite Schichtmaterial eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit auf, um ein vollständiges Aufschmelzen des ersten Schichtmaterials zu begünstigen. Die Anordnung des ersten Schichtmaterials im Formkörper entspricht somit dem zu erzeugenden Bauteil zumindest im Wesentlichen, z.B. aufgrund von Formkörperschichtschrumpfungen durch das Erwärmen und Abkühlen. Die Anordnung des zweiten Schichtmaterials im Formkörper entspricht demnach Freiräumen des zu erzeugenden Bauteils. Durch das zweite Schichtmaterial wird gemäß eines Formkerns ein Einsacken bzw. Eindringen des ersten Schichtmaterials in Kavitäten des Bauteils verhindert, da das zweite Schichtmaterial diese Kavitäten ausfüllt. Bei herkömmlichen SLS-Verfahren ist ein zweites Schichtmaterial nicht erforderlich, da eine neue Materialschicht stets auf einer bereits fertig erzeugten Bauteilschicht aufgebracht wird.
In einem zweiten Verfahrensschritt wird der Formkörper, der vorzugsweise in der Bauwanne angeordnet ist, mittels einer Heizvorrichtung derart erwärmt, dass das erste Schichtmaterial aufgeschmolzen wird. Vorzugsweise erfolgt dies nachdem sämtliche zur Erzeugung des Formkörpers erforderlichen Schichten erzeugt worden sind. Das erste Schichtmaterial wird dabei vorzugsweise derart aufgeschmolzen, dass einander benachbarte Schichtelemente des ersten Schichtmaterials eine gemeinsame Bindung eingehen und miteinander verschmelzen. Somit bildet das erste Schichtmaterial des Formkörpers eine zusammenhängende Masse, die vorzugsweise, abgesehen von etwaig durch das zweite Schichtmaterial gebildeten Kavitäten, keine Poren aufweist. Das Erwärmen erfolgt derart, dass das zweite Schichtmaterial nicht aufgeschmolzen wird bzw. formstabil bleibt und somit vorzugsweise keine zusammenhängende Masse aus zweitem Schichtmaterial bildet. Das Erwärmen erfolgt vorzugsweise im Vakuum oder unter einer Schutzgasatmosphäre, ob unbeabsichtigte chemische Reaktionen am Formkörper zu vermeiden.
In einem dritten Verfahrensschritt wird der Formkörper derart abgekühlt, dass das verflüssigte erste Schichtmaterial wieder erstarrt bzw. verfestigt wird. Das Abkühlen kann aktiv mittels einer Kühlvorrichtung oder passiv durch Aussetzen des Formkörpers einer Umgebungsatmosphäre mit einer Umgebungstemperatur von beispielsweise 25 °C. Das erstarrte erste Schichtmaterial entspricht nunmehr dem fertigen Bauteil bzw. zumindest einem Teil des fertigen Bauteils. Das zweite Schichtmaterial ist komplett bzw. im Wesentlichen nicht mit dem ersten Schichtmaterial verbunden und wird somit in einem vierten Verfahrensschritt vom Formkörper entfernt. Auf diese Weise wird das fertige Bauteil erzeugt. Das Entfernen des zweiten Schichtmaterials kann beispielsweise mittels einer Absaugvorrichtung zum Absaugen des zweiten Schichtmaterials, durch Entfernen des fertigen Bauteils aus einer Bauwanne oder dergleichen erfolgen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Erzeugen eines Bauteils eines Kraftfahrzeugs hat gegenüber herkömmlichen additiven Fertigungsverfahren den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie kostengünstig und mit einem reduzierten Zeitbedarf komplexe Bauteile additiv erzeugbar sind. Das Erwärmen des kompletten Formkörpers hat gegenüber dem einzelnen Aufschmelzen einzelner Formkörperschichten den Vorteil, dass hierfür weniger Energie bereitgestellt werden muss. Das komplette Erzeugen des Formkörpers und das Erwärmen des kompletten Formkörpers haben den Vorteil, dass das Verfahren einen geringeren Zeitbedarf aufweist und demnach schneller durchführbar ist. Ferner ist das Verfahren auf wesentlich kostengünstigeren Vorrichtungen bzw. Systemen sowie unter Verwendung eines kostengünstigeren ersten Schichtmaterials als ein SLS-Verfahren durchführbar, insbesondere da das Erzeugen der Schichten des Formkörpers von dem Aufschmelzen des ersten Schichtmaterials zeitlich entkoppelt ist und keine quasi-isotherme Prozessführung bei Temperaturen knapp unter dem Schmelzpunkt des Schichtmaterials vorliegen muss. Dies führt dazu, dass unter Raumtemperatur schlechter rieselfähige Pulver mit größerer Korngrößenverteilung einsetzbar sind. Demzufolge weist das erfindungsgemäße Verfahren eine verbesserte Eignung für eine Serienfertigung von Bauteilen auf. Ferner können auf diese Weise weitere Schichtmaterialien verwendet werden, die mit dem ersten Schichtmaterial aufgeschmolzen werden, wie z.B. Elastomere und/oder steife schmelzbare Thermoplaste.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass der Formkörper und/oder die Formkörperschichten mittels einer Kompressionsvorrichtung verdichtet werden. Eine Kompressionsvorrichtung weist beispielsweise einen Druckstempel auf, der zum Verdichten des Formkörpers an einer Seite des Formkörpers anordenbar ist. Die Bauplattform bzw. Bauwanne bildet zum Verdichten des Formkörpers vorzugsweise ein Widerlager. Ferner weist die Kompressionsvorrichtung vorzugsweise eine Druckerzeugungsvorrichtung, wie z.B. einen Druckzylinder, zum Erzeugen des zum Verdichten des Formkörpers erforderlichen Drucks auf. Ein Verdichten hat den Vorteil, dass eine Maßhaltigkeit und Dichte des zu erzeugenden Bauteils verbessert wird.
Vorzugsweise erfolgt das Erzeugen des Formkörpers mittels einer Schichtaufbauvorrichtung, wobei mittels der Schichtaufbauvorrichtung die Formkörperschichten nacheinander sowie übereinander erzeugt werden. Die Schichtaufbauvorrichtung weist beispielsweise eine Abgabevorrichtung auf, die beispielsweise wie ein Druckkopf sowie zur wahlweisen Abgabe des mindestens ersten Schichtmaterials sowie des mindestens zweiten Schichtmaterials ausgebildet sein kann. Hierfür weist die Schichtaufbauvorrichtung vorzugsweise für jedes unterschiedliche Schichtaufbaumaterial eine separate Schichtmaterialleitung auf, die zum Leiten des Schichtmaterials zur Abgabevorrichtung ausgebildet sind. Die Schichtaufbauvorrichtung bzw. zumindest die Abgabevorrichtung ist vorzugsweise derart auf einer Ebene verfahrbar, dass eine lückenlose Formkörperschicht erzeugbar ist. Dabei ist es bevorzugt, wenn die Abgabevorrichtung nah oberhalb der erzeugten Formkörperschicht angeordnet wird, um ein genaues Positionieren des Schichtmaterials sicherzustellen. Nach dem Erzeugen einer Formkörperschicht wird die Abgabevorrichtung vorzugsweise auf eine neue Ebene zum Erzeugen einer weiteren Formkörperschicht zugestellt bzw. verfahren. Alternativ oder zusätzlich kann die Bauplattform bzw. die Bauwanne relativ zur Schichtaufbauvorrichtung in der Höhe verstellt werden. Die Verwendung einer Schichtaufbauvorrichtung hat den Vorteil, dass lückenlose Formkörperschichten mit hoher Genauigkeit erzeugbar sind. Somit sind Bauteile mit nahezu jeder beliebigen komplexen Geometrie erzeugbar.
Weiter bevorzugt werden die Formkörperschichten derart erzeugt, dass die Formkörperschichten wahlweise das mindestens eine erste Schichtmaterial oder das mindestens eine erste Schichtmaterial sowie das mindestens eine zweite Schichtmaterial aufweisen. Die Ausbildung der Formkörperschichten, insbesondere die Anordnung des mindestens einen ersten Schichtmaterials innerhalb der Formkörperschichten, hängt von einer Ausbildung des zu erzeugenden Bauteils ab. Somit ist durch gezielte Anordnungen des ersten Schichtmaterials und des zweiten Schichtmaterials in den Formkörperschichten eine Vielzahl unterschiedlicher Bauteile erzeugbar.
Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass das mindestens eine erste Schichtmaterial und/oder das mindestens eine zweite Schichtmaterial als granulatartiges Material ausgebildet sind. Ein granulatartiges Material ist erfindungsgemäß ein Material, das eine Vielzahl von rieselfähigen bzw. streufähigen Grundelementen aufweist. Je kleiner die Grundelemente ausgebildet sind, desto genauere Bauteilkonturen sind damit erzeugbar. Daher ist es bevorzugt, dass zumindest das zweite Schichtmaterial eine besonders feine Körnung aufweist, da das zweite Schichtmaterial des Formkörpers Begrenzungskonturen des zu erzeugenden Bauteils definiert und das aufgeschmolzene erste Schichtmaterial an diese Begrenzungskontur anpassbar ist. Vorzugsweise weist das erste Schichtmaterial ebenfalls eine feine Körnung auf, um das Risiko einer Bildung von Lufteinschlüssen im Bauteil zu verhindern. Eine bevorzugte Korngröße für das erste Schichtmaterial und/oder das zweite Schichtmaterial beträgt weniger als 0,4 mm, vorzugsweise weniger als 0,2 mm.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist das mindestens eine erste Schichtmaterial einen Kunststoff, insbesondere einen amorphen und/oder teilkristallinen Thermoplasten, auf. Kunststoffe, insbesondere amorphe oder teilkristalline Thermoplaste, sind verhältnismäßig kostengünstig verfügbar und leicht sowie bei moderaten Temperaturen aufschmelzbar. Durch die Verwendung von Kunststoffen können die Herstellungskosten der Bauteile gegenüber konventionellen additiven Fertigungsverfahren reduziert werden.
Vorzugsweise weist das mindestens eine zweite Schichtmaterial ein Füllmaterial, insbesondere Glashohlkugeln, auf. Das Füllmaterial weist vorzugsweise einen Schmelzpunkt auf, der höher als der Schmelzpunkt des ersten Schichtmaterials, vorzugsweise mindestens so hoch wie der Schmelzpunkt des zweiten Schichtmaterials ist. Ferner ist es bevorzugt, wenn das Füllmaterial eine Dichte aufweist, die einer Dichte des zweiten Schichtmaterials entspricht bzw. zumindest im Wesentlichen entspricht. Glashohlkugeln weisen im Verhältnis zu ihrem Volumen ein geringes Gewicht auf, sind leicht sowie kostengünstig herstellbar und weisen eine hohe Formstabilität auf. Ferner sind Glashohlkugeln bei Kunststoffen gut verwendbar. Durch ihre verhältnismäßig glatte Oberfläche ist ein Anbinden des ersten Schichtmaterials an den Glashohlkugeln vermeidbar. Ferner weisen Glashohlkugeln einen verhältnismäßig hohen Schmelzpunkt auf. Daher sind Glashohlkugeln als Stützmaterial besonders geeignet.
Es ist bevorzugt, dass das mindestens eine erste Schichtmaterial und das mindestens eine zweite Schichtmaterial eine gleiche Dichte oder eine im Wesentlichen gleiche Dichte aufweisen. Weiter bevorzugt weisen das mindestens eine erste Schichtmaterial und das mindestens eine zweite Schichtmaterial eine gleiche Korngröße bzw. Packungsdichte auf. Derartiges Schichtmaterial hat den Vorteil, dass eine ungewollte Durchmischung des mindestens einen ersten Schichtmaterials mit dem mindestens einen zweiten Schichtmaterial besser vermieden wird. Ferner ist derartiges Schichtmaterial besser von einer Schichtaufbauvorrichtung auf einer Bauplattform bzw. in einer Bauwanne zu einem Formkörper anordenbar.
Es ist bevorzugt, dass das Erwärmen des Formkörpers in einem Ofen erfolgt, wobei das Erwärmen des Formkörpers unter Einfluss eines Inertgases oder im Vakuum durchgeführt wird. Ein Ofen hat den Vorteil, dass dieser nach außen leicht verschließbar und somit eine Atmosphäre im Inneren des Ofens leicht gegenüber einer Atmosphäre außerhalb des Ofens abschirmbar ist. Ferner weist der Ofen vorzugsweise eine thermische Isolierung auf, so dass ein Energieaufwand zum Erwärmen des Formkörpers bzw. zum Aufschmelzen des mindestens einen ersten Schichtmaterials reduziert ist. Eine Schutzgasatmosphäre und ein Vakuum haben den Vorteil, dass ungewollte chemische und/oder physikalische Reaktionen am Formkörper vermeidbar sind. Somit kann insbesondere eine nicht beabsichtigte Porenbildung innerhalb des mindestens einen ersten Schichtmaterials vermieden werden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann bei einem Verfahren vorgesehen sein, dass der Formkörper derart erwärmt und/oder dass ein derartiges zweites Schichtmaterial verwendet wird, dass mit dem zweiten Schichtmaterial in Kontakt stehende Randflächen des ersten Schichtmaterials mit dem zweiten Schichtmaterial eine Bindung eingehen, so dass die Randflächen nach dem Abkühlen des Formkörpers vom zweiten Schichtmaterial benetzt oder beschichtet sind. Das fertige Bauteil weist somit einen Grundkörper aus dem mindestens einen ersten Schichtmaterial auf, wobei der Grundkörper mit dem mindestens einen zweiten Schichtmaterial zumindest teilweise beschichtet ist. Dies kann von Vorteil sein, wenn der Grundkörper durch das mindestens eine zweite Schichtmaterial gegen Abrasion oder sonstige äußere Einflüsse, wie z.B. Strahlung, geschützt wird. Ferner kann eine optische und/oder haptische Erscheinung des Grundkörpers somit auf einfache Weise sowie kostengünstig verbessert bzw. verändert werden.
Vorzugsweise wird als das mindestens eine zweite Schichtmaterial ein überschüssiges zweites Schichtmaterial aus einem erfindungsgemäßen Verfahren zum additiven Erzeugen eines Bauteils verwendet. Die Verwendung von Recyclingmaterial als das mindestens eine zweite Schichtmaterial hat den Vorteil, dass weniger Abfälle bei der additiven Erzeugung des Bauteils entstehen. Überdies ist ein Verbrauch des mindestens einen zweiten Schichtmaterials somit deutlich reduziert, da das überschüssige zweite Schichtmaterial mehrfach verwendet wird. Somit können die Herstellungskosten des Bauteils deutlich reduziert werden.
Es ist bevorzugt, dass beim Erzeugen des Formkörpers aus einer Mehrzahl von übereinander angeordneten Formkörperschichten mindestens eine Formkörperschicht erzeugt wird, die ein drittes Schichtmaterial aufweist, wobei das dritte Schichtmaterial einen Schmelzpunkt aufweist, der niedriger als der Schmelzpunkt des ersten Schichtmaterials ist. Das bedeutet, dass beim Erwärmen sowohl das mindestens eine erste Schichtmaterial als auch das mindestens eine zweite Schichtmaterial aufgeschmolzen wird. Vorzugsweise weisen das mindestens eine erste Schichtmaterial und das mindestens eine dritte Schichtmaterial einen etwa gleichen Schmelzpunkt auf, um eine übermäßige thermische Belastung des mindestens einen dritten Schichtmaterials beim Erwärmen zu verhindern. Auf diese Weise sind komplexe Bauteile aus unterschiedlichen Materialien kostengünstig sowie mit einfachen Mitteln erzeugbar.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein System zum additiven Erzeugen eines Bauteils, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, gelöst. Das System weist eine Schichtaufbauvorrichtung und eine Heizvorrichtung auf. Die Schichtaufbauvorrichtung ist zum Erzeugen eines Formkörpers aus Formkörperschichten aus mindestens einem ersten Schichtmaterial und mindestens einem zweiten Schichtmaterial ausgebildet. Die Heizvorrichtung ist zum derartigen Erwärmen des Formkörpers ausgebildet, dass das erste Schichtmaterial aufgeschmolzen und das zweite Schichtmaterial nicht aufgeschmolzen wird. Das erfindungsgemäße System ist zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche ausgebildet.
Die Schichtaufbauvorrichtung weist beispielsweise eine Abgabevorrichtung auf, die etwa gemäß einem Druckkopf sowie zur wahlweisen Abgabe des mindestens ersten Schichtmaterials sowie des mindestens zweiten Schichtmaterials ausgebildet sein kann. Hierfür weist die Schichtaufbauvorrichtung vorzugsweise für jedes unterschiedliche Schichtaufbaumaterial eine separate Schichtmaterialleitung auf, die zum Leiten des Schichtmaterials zur Abgabevorrichtung ausgebildet sind. Die Schichtaufbauvorrichtung bzw. zumindest die Abgabevorrichtung ist vorzugsweise derart auf einer Ebene verfahrbar, dass eine lückenlose Formkörperschicht erzeugbar ist. Dabei ist es bevorzugt, wenn die Abgabevorrichtung nah oberhalb der erzeugten Formkörperschicht verfahrbar ist, um ein genaues Positionieren des Schichtmaterials sicherzustellen, z.B. durch Ablegen des Schichtmaterials. Nach dem Erzeugen einer Formkörperschicht ist die Abgabevorrichtung vorzugsweise auf eine neue Ebene zum Erzeugen einer weiteren Formkörperschicht zustellbar. Alternativ oder zusätzlich kann die Bauplattform bzw. die Bauwanne höhenverstellbar ausgebildet sein. Die Verwendung einer Schichtaufbauvorrichtung hat den Vorteil, dass lückenlose Formkörperschichten aus Schichtmaterial mit hoher Genauigkeit erzeugbar sind. Somit sind Bauteile mit nahezu jeder beliebigen komplexen Geometrie erzeugbar.
Die Heizvorrichtung ist zum Bereitstellen von Wärme ausgebildet. Die Heizvorrichtung ist vorzugsweise ausgebildet, den Formkörper derart zu erwärmen, dass das erste Schichtmaterial aufgeschmolzen wird. Das erste Schichtmaterial ist dabei vorzugsweise derart aufschmelzbar, dass einander benachbarte Schichtelemente des ersten Schichtmaterials eine gemeinsame Bindung eingehen und miteinander verschmelzen. Somit bildet das erste Schichtmaterial des Formkörpers eine zusammenhängende Masse, die vorzugsweise, abgesehen von etwaig durch das zweite Schichtmaterial gebildeten Kavitäten, keine Poren aufweist. Ferner ist die Heizvorrichtung ausgebildet, den Formkörper derart zu erwärmen, dass das zweite Schichtmaterial nicht aufgeschmolzen wird bzw. formstabil bleibt und somit vorzugsweise keine zusammenhängende Masse aus zweitem Schichtmaterial bildet. Vorzugsweise weist das System eine Vorrichtung auf, die zum Bereitstellen bzw. Erzeugen eines Vakuums und/oder einer Schutzatmosphäre im Bereich des Formkörpers ausgebildet ist. Ein Vakuum oder einer Schutzgasatmosphäre haben den Vorteil, dass hierdurch unbeabsichtigte chemische Reaktionen am Formkörper vermeidbar sind.
Das erfindungsgemäße System zum Erzeugen eines Bauteils, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, weist dieselben Vorteile auf, wie bereits voranstehend im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Erzeugen eines Bauteils eines Kraftfahrzeugs beschrieben worden sind. Das erfindungsgemäße System hat gegenüber herkömmlichen Vorrichtungen zum additiven Erzeugen von Bauteilen, wie z.B. SLS-Vorrichtungen, den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie kostengünstig und mit einem reduzierten Zeitbedarf komplexe Bauteile additiv erzeugbar sind. Das Erwärmen des kompletten Formkörpers hat gegenüber dem einzelnen Aufschmelzen einzelner Formkörperschichten den Vorteil, dass hierfür weniger Energie bereitgestellt werden muss. Das komplette Erzeugen des Formkörpers und das Erwärmen des kompletten Formkörpers haben den Vorteil, dass zum Herstellen eines Bauteils weniger Zeit benötigt wird. Demzufolge weist das erfindungsgemäße System eine verbesserte Eignung für eine Serienfertigung von Bauteilen auf.
Vorzugsweise weist das System einen Ofen auf, der mittels der Heizvorrichtung beheizbar ist. Das System ist weiter ausgebildet, ein Vakuum und/oder eine ein Inertgas aufweisende Atmosphäre innerhalb des Ofens zu erzeugen. Ein Ofen hat den Vorteil, dass dieser nach außen leicht verschließbar und somit eine Atmosphäre im Inneren des Ofens leicht gegenüber einer Atmosphäre außerhalb des Ofens abschirmbar ist. Ferner weist der Ofen vorzugsweise eine thermische Isolierung auf, so dass ein Energieaufwand zum Erwärmen des Formkörpers bzw. zum Aufschmelzen des mindestens einen ersten Schichtmaterials reduziert ist. Eine Schutzgasatmosphäre und ein Vakuum haben den Vorteil, dass ungewollte chemische und/oder physikalische Reaktionen am Formkörper vermeidbar sind. Somit kann insbesondere eine nicht beabsichtigte Porenbildung innerhalb des mindestens einen ersten Schichtmaterials vermieden werden.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist ein erfindungsgemäßes System eine Kompressionsvorrichtung zum Verdichten des Formkörpers und/oder der einzelnen Formkörperschichten auf. Die Kompressionsvorrichtung weist beispielsweise einen Druckstempel auf, der zum Verdichten des Formkörpers an einer Seite des Formkörpers anordenbar ist. Die Bauplattform bzw. Bauwanne bildet zum Verdichten des Formkörpers vorzugsweise ein Widerlager. Ferner weist die Kompressionsvorrichtung vorzugsweise eine Druckerzeugungsvorrichtung, wie z.B. einen Druckzylinder, zum Erzeugen des zum Verdichten des Formkörpers erforderlichen Drucks auf. Ein Verdichten hat den Vorteil, dass eine Genauigkeit des zu erzeugenden Bauteils verbesserbar ist.
Ein erfindungsgemäßes System sowie ein erfindungsgemäßes Verfahren zum additiven Erzeugen eines Bauteils für ein Kraftfahrzeug werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
1 in einer Seitenansicht die Durchführung eines ersten Verfahrensschritts mittels einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems,
2 in einer Seitenansicht einen im ersten Verfahrensschritt erzeugten Formkörper,
3 in einer Seitenansicht einen mittels des Systems aus 1 durchgeführten zweiten Verfahrensschritt,
4 in einer Seitenansicht den Formkörper während eines dritten Verfahrensschritts mittels des Systems aus 1, und
5 in einer Seitenansicht ein erzeugtes Bauteil nach einem vierten Verfahrensschritt.
Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den 1 bis 5 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
In 1 ist die Durchführung eines ersten Verfahrensschritts des erfindungsgemäßen Verfahrens mittels einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems zur Herstellung eines Bauteils 1 (vgl. 5) schematisch in einer Seitenansicht dargestellt. Eine Abgabevorrichtung 12 einer Schichterzeugungsvorrichtung 8 des erfindungsgemäßen Systems wird über eine komplette Grundfläche einer Bauwanne 11 des Systems verfahren. Die Schichterzeugungsvorrichtung 8 weist zwei Schichtmaterialleitungen 13 auf, wobei eine Schichtmaterialleitung 13 zum Versorgen der Abgabevorrichtung 12 mit einem ersten Schichtmaterial 4 und eine Schichtmaterialleitung 13 zum Versorgen der Abgabevorrichtung 12 mit einem zweiten Schichtmaterial 5 ausgebildet ist. Während des Verfahrens legt die Abgabevorrichtung 12 wahlweise erste Schichtmaterialelemente 4a aus dem ersten Schichtmaterial 4 und zweite Schichtmaterialelemente 5a aus dem zweiten Schichtmaterial 5 in der Bauwanne 11 ab. Auf diese Weise werden eine Vielzahl von übereinander angeordneten Formkörperschichten 3 sukzessive erzeugt. Durch eine dichte bzw. lückenlose Anordnung der ersten Schichtmaterialelemente 4a und der zweiten Schichtmaterialelemente sowie durch eine seitliche Begrenzung der Bauwanne 11 wird eine Positionsveränderung der einzelnen ersten Schichtmaterialelemente 4a sowie der zweiten Schichtmaterialelemente 5a verhindert.
In 2 ist ein im ersten Verfahrensschritt aus einer Vielzahl von Formkörperschichten 3 erzeugter Formkörper 2 in einer Seitenansicht schematisch dargestellt. Der Formkörper 2 ist innerhalb der Bauwanne 11 angeordnet. Durch die Anordnung der ersten Schichtmaterialelemente 4a ist bereits eine Form des zu erzeugenden Bauteils 1 (vgl. 5) erkennbar. Die Anordnung der zweiten Schichtmaterialelemente 5a bildet demnach ein invertiertes Bauteil 1 bzw. eine Form des Bauteils 1. An einer offenen Oberseite der Bauwanne 11 sowie über dem Formkörper 2 ist eine einen Druckstempel aufweisende Kompressionsvorrichtung 7 angeordnet. Mittels der Kompressionsvorrichtung 7 ist der Formkörper 2 in einem optionalen Verfahrensschritt komprimierbar.
3 zeigt den in der Bauwanne 11 angeordneten Formkörper 2 während eines zweiten Verfahrensschritts schematisch in einer Seitenansicht. Die Bauwanne 11 ist innerhalb eines Ofens 9 des erfindungsgemäßen Systems angeordnet, der mittels einer Heizvorrichtung 6 des Systems derart erwärmt wird, dass das erste Schichtmaterial 4 aufgeschmolzen und das zweite Schichtmaterial 5 nicht aufgeschmolzen wird. In 3 ist ein Zustand zum Anfang des zweiten Verfahrensschritts abgebildet, da das erste Schichtmaterial 4 in diesem Zustand noch nicht angeschmolzen bzw. aufgeschmolzen ist.
In 4 ist der Formkörper 2 während eines dritten Verfahrensschritts in einer Seitenansicht schematisch dargestellt. Der Formkörper 2 ist noch in der Bauwanne 11 angeordnet. Wie aus der Abbildung deutlich erkennbar, ist das erste Schichtmaterial 4 zu dem zu erzeugenden Bauteil 1 zusammengeschmolzen und bereits wieder durch Abkühlen erstarrt. Das zweite Schichtmaterial 5 liegt weiterhin als Granulat aus einer Vielzahl von zweiten Schichtmaterialelementen 5a vor.
5 zeigt schematisch in einer Seitenansicht ein mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugtes Bauteil 1 nach einem vierten Verfahrensschritt. Bei dem vierten Verfahrensschritt ist das zweite Schichtmaterial 5 vom Formkörper entfernt worden, z.B. durch Absaugen, Ausschütten, Entnehmen des Bauteils 1 aus der Bauwanne 11 oder dergleichen. Das Bauteil 1 weist eine Randfläche 10 auf, die die Bauteiloberfläche bildet. In einer alternativen Ausführungsform kann an der Randfläche 10 eine Schicht des zweiten Schichtmaterials 5 angeordnet sein. In diesem Fall bildet die Schicht des zweiten Schichtmaterials 5 die Bauteiloberfläche. Das gezeigte Bauteil 1 ist lediglich ein Beispiel, mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens und des erfindungsgemäßen Systems sind eine Vielzahl unterschiedlicher Bauteile mit komplexen Bauteilgeometrien erzeugbar.
Bezugszeichenliste

1: Bauteil
2: Formkörper
3: Formkörperschicht
4: erstes Schichtmaterial
4a: erste Schichtmaterialelemente
5: zweites Schichtmaterial
5a: zweite Schichtmaterialelemente
6: Heizvorrichtung
7: Kompressionsvorrichtung
8: Schichtaufbauvorrichtung
9: Ofen
10: Randfläche
11: Bauwanne
12: Abgabevorrichtung
13: Schichtmaterialleitung

Claims

Verfahren zum additiven Erzeugen eines Bauteils (1), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, aufweisend die Schritte: – Erzeugen eines Formkörpers (2) aus einer Mehrzahl von übereinander angeordneten Formkörperschichten (3) aus mindestens einem ersten Schichtmaterial (4) und mindestens einem zweiten Schichtmaterial (5), wobei eine Anordnung des ersten Schichtmaterials (4) einer Form des zu erzeugenden Bauteils (1) entspricht oder im Wesentlichen entspricht, – Erwärmen des Formkörpers (2) mittels einer Heizvorrichtung (6) derart, dass das erste Schichtmaterial (4) aufgeschmolzen wird, wobei benachbarte erste Schichtmaterialelemente (4a) miteinander verschmolzen werden, und das zweite Schichtmaterial (5) nicht aufgeschmolzen wird, – Abkühlen des Formkörpers (2) derart, dass das erste Schichtmaterial (4) verfestigt wird, und – Entfernen des überschüssigen zweiten Schichtmaterials (5) vom Formkörper (2) zum Erzeugen des Bauteils (1).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper (2) und/oder die Formkörperschichten (3) mittels einer Kompressionsvorrichtung (7) verdichtet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Erzeugen des Formkörpers (2) mittels einer Schichtaufbauvorrichtung (8) erfolgt, wobei die Schichtaufbauvorrichtung (8) die Formkörperschichten (3) nacheinander sowie übereinander erzeugt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Formkörperschichten (3) derart erzeugt werden, dass die Formkörperschichten (3) wahlweise das mindestens eine erste Schichtmaterial (4) oder das mindestens eine erste Schichtmaterial (4) sowie das mindestens eine zweite Schichtmaterial (5) aufweisen.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine erste Schichtmaterial (4) und/oder das mindestens eine zweite Schichtmaterial (5) als granulatartiges Material ausgebildet sind.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine erste Schichtmaterial (4) einen Kunststoff, insbesondere einen amorphen und/oder teilkristallinen Thermoplasten, aufweist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine zweite Schichtmaterial (5) ein Füllmaterial, insbesondere Glashohlkugeln, aufweist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine erste Schichtmaterial (4) und das mindestens eine zweite Schichtmaterial (5) eine gleiche Dichte oder eine im Wesentlichen gleiche Dichte aufweisen.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Erwärmen innerhalb eines Ofens (9) erfolgt, wobei das Erwärmen des Formkörpers (2) unter Einfluss eines Inertgases oder im Vakuum durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper (2) derart erwärmt und/oder dass ein derartiges zweites Schichtmaterial (5) verwendet wird, dass mit dem zweiten Schichtmaterial (5) in Kontakt stehende Randflächen (10) des ersten Schichtmaterials (4) mit dem zweiten Schichtmaterial (5) eine Bindung eingehen, so dass die Randflächen (10) nach dem Abkühlen des Formkörpers (2) vom zweiten Schichtmaterial (5) benetzt oder beschichtet sind.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als das mindestens eine zweite Schichtmaterial (5) ein überschüssiges zweites Schichtmaterial (5) aus einem erfindungsgemäßen Verfahren zum additiven Erzeugen eines Bauteils (1) verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Erzeugen des Formkörpers (2) aus einer Mehrzahl von übereinander angeordneten Formkörperschichten (3) mindestens eine Formkörperschicht (3) erzeugt wird, die ein drittes Schichtmaterial aufweist, wobei das dritte Schichtmaterial einen Schmelzpunkt aufweist, der niedriger als der Schmelzpunkt des ersten Schichtmaterials (4) ist.
System zum additiven Erzeugen eines Bauteils (1), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, aufweisend eine Schichtaufbauvorrichtung (8) zum Erzeugen eines Formkörpers (2) aus Formkörperschichten (3) aus mindestens einem ersten Schichtmaterial (4) und mindestens einem zweiten Schichtmaterial (5) und eine Heizvorrichtung (6) zum Erwärmen des Formkörpers (2) derart, dass das erste Schichtmaterial (4) aufgeschmolzen und das zweite Schichtmaterial (5) nicht aufgeschmolzen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das System zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche ausgebildet ist.
System nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das System einen Ofen (9) aufweist, der mittels der Heizvorrichtung (6) beheizbar ist, wobei das System ausgebildet ist, ein Vakuum und/oder eine ein Inertgas aufweisende Atmosphäre innerhalb des Ofens (9) zu erzeugen.
System nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das System eine Kompressionsvorrichtung (7) zum Verdichten des Formkörpers (2) und/oder der einzelnen Formkörperschichten (3) aufweist.