DE102016209094A1

DE102016209094A1 - Schichtweise erzeugter Formkörper

Info

Publication number: DE102016209094A1
Application number: DE102016209094.1A
Authority: DE
Inventors: Florian Fischer; Kai von Garnier
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-05-25
Filing date: 2016-05-25
Publication date: 2017-11-30

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Formkörper. Der Formkörper ist in aufeinanderfolgenden Schichten, mittels additiver Fertigung erzeugt. Erfindungsgemäß sind wenigstens ein Teil der Schichten oder alle Schichten des Formkörpers, an einer Schichtoberfläche mittels eines Plasmagases miteinander verbunden.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Formkörper. Der Formkörper ist in aufeinanderfolgenden Schichten insbesondere mittels additiver Fertigung erzeugt.
Bei Formkörpern, insbesondere Kunststoffformkörpern, welche mittels Additiver Fertigung, insbesondere 3D-Druck oder Selektivem Lasersintern erzeugt sind, besteht das Problem, dass aufeinanderfolgende Schichten delaminieren können und so zu einem Zerreißen oder Zerbrechen des Formkörpers führen können.
Beispielsweise sind die Schichten aus einem aus einer Düse schichtweise extrudierten Spritzmaterial, oder aus einem schichtweise verfestigten, pulverförmigen Sintermaterial erzeugt. Die Herstellungsmöglichkeiten eines Formkörpers sind im Wesentlichen beschränkt auf ein sequentielles Auftragen von Einzelschichten, wobei die aufgetragenen Einzelschichten vor dem Auftrag einer Folgeschicht physikalisch oder chemisch verfestigt werden.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß sind wenigstens ein Teil der Schichten oder alle Schichten des Formkörpers, wenigstens oder nur an einer Oberfläche der Schicht mittels eines Plasmagases insbesondere stoffschlüssig miteinander verbunden. Die stoffschlüssige Verbindung ist bevorzugt durch eine durch insbesondere chemische Reaktion der Schichten miteinander erzeugte Inter-Molekularbindung, beispielsweise zur Verkettung von Molekülen, bevorzugt Polymeren, durch eine Atombindung oder durch eine Ionenbindung gekennzeichnet. Dazu kann jeweils vor dem Auftrag einer weiteren Folgeschicht die Oberfläche der mittels der Folgeschicht abzudeckenden Schicht mittels eines Plasmagases behandelt, insbesondere aktiviert, unter Dipolausbildung polarisiert oder ionisiert werden.
Die dadurch eingeleitete Addition an eine Doppelbindung, an ein anderes Molekül, insbesondere an ein an einer Polymerkette erzeugtes Radikal, oder die Ausbildung einer Ionenbindung erzeugt vorteilhaft eine feste Verbindung der Schichten untereinander.
Die Plasma-Aktivierung innerhalb einer mittels additiver Fertigung erzeugten Schicht, insbesondere aufextrudierten Schicht, oder einer Sinterschicht welche beispielsweise mittels Lasersintern verfestigt worden ist, bewirkt vorteilhaft die Ausbildung von Radikalen, Ionen, oder Oligomeren an einer Oberfläche der mittels des Plasmagases aktivierten Schicht. Bevorzugt zeigt sich daher im Querschnitt derart aufeinander folgenden, stoffschlüssig verbundenen Schichten das Grundmaterial jeweils einer Einzelschicht bereichsweise unterschiedlich. Dabei liegt zumindest ein Bereich vor, insbesondere der von dem Verbindungsbereich nach innen gerichtete mittlere Bereich einer jeweiligen Einzelschicht, bei welchem das Grundmaterial unverändert ist. In diesem Bereich entspricht die Zusammensetzung des Grundmaterials daher noch der, wie sie auch bei einer nach dem bekannten Stand der Technik erzeugten Schichtfolge für eine Einzelschicht vorliegt. Hingegen ist zumindest in einem weiteren Bereich das Grundmaterial aufgrund der Plasmabehandlung verändert, insbesondere im Verbindungsbereich von zwei Folgeschichten. Die Veränderung ist gekennzeichnet durch Vorliegen von zumindest einer Art der zuvor genannten Reaktionsprodukte infolge der durchgeführten Plasmabehandlung.
Dadurch sind die Schichten – im Vergleich zu keiner Plasmabehandlung nicht nur durch teilweises Zusammenschmelzen oder bloßes Aufeinanderliegen oder mechanisches Verzahnen miteinander verbunden, sondern weisen eine stoffschlüssige, durch Atom- oder Ionenbindungen gekennzeichnete festhaltende Verbindung untereinander auf.
Weiter vorteilhaft können zeitgleich mittels des Plasmagases Verunreinigungen, Additive, Kohlenwasserstoffe, Formtrennmittel oder Weichmacher an einer Oberfläche der Schicht entfernt werden.
Es wurde auch erkannt, dass bei Sauerstoff als Plasmagas eine Schicht aus Kunststoff mit Polymerketten der Kunststoffschicht reagieren kann und so eine polare oder hydrophile Oberfläche der Schicht erzeugt werden kann.
Vorteilhaft können mittels des Plasmas – abhängig von der Art des Plasmagases – Atome, Ionen oder Oligomere zwischen den Polymerketten der Kunststoffschicht eingelagert werden.
Dadurch wird vorteilhaft eine Anbindung einer Folgeschicht und so eine Ausbildung von interatomaren Bindungen, insbesondere kovalenten Bindungen oder Dipol-Bindungen, zwischen der aktivierten Schicht und der im schichtweisen Verfahren aufgebrachten Folgeschicht bewirkt. Vorteilhaft ist so eine Anbindung einer additiv aufgebrachten Folgeschicht im Vergleich zu keiner Plasmabehandlung verbessert. Insbesondere ergibt sich in einem auf diese Weise erzeugten additiven Schichtverbund eine deutliche Erhöhung der Delaminationsfestigkeit zweier Folgeschichten. Mittels der so aktivierten Schichten kann demnach vorteilhaft eine hohe Festigkeit des Formkörpers in einer Richtung orthogonal zu einer flachen Erstreckung der Schichten bewirkt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Schichten mittels additiver Fertigung jeweils mittels Sintern, insbesondere Lasersintern, erzeugt. So kann vorteilhaft ein gezielter und genauer geometrischer Aufbau des Formkörpers erfolgen. Der Laser ist beispielsweise ein CO₂-Laser, ein YAG-Laser oder ein Halbleiterlaser. Das Sintermaterial ist beispielsweise ein Kunststoff, insbesondere Polyamid, ein Metallpulver oder ein Ausgangsmaterial umfassend ein Matrixmaterial, beispielsweise Wachs oder ein Polymer, und Metallpulver oder Keramikpulver.
Die Aktivierung mittels des Plasmagases kann beispielsweise mittels einer Plasmadüse erfolgen, welche nach einem Aufwalzen oder Aufrakeln einer Pulverschicht aus dem Sintermaterial und dem Sintern mittels einem Laser über die versinterte Pulverschicht fährt und in einem vorbestimmten zeitlichen Abstand nach dem Lasern über die zu aktivierenden Teilgebiete der Sinterschicht fährt und die Teilgebiete so aktivieren kann. Bevorzugt erfolgt die Plasmabehandlung der Schichtoberfläche zeitlich unmittelbar vor dem Auftrag einer Folgeschicht. Dazu kann eine Plasmadüse einer Vorrichtung zur Additiven Fertigung ausgebildet sein, in einem vorbestimmten räumlichen und/oder zeitlichen Abstand vor dem Aufbringen der Folgeschicht durch eine Walze, Rakel oder eine Extrusionsdüse über die zu behandelnde Schicht zu fahren und die Oberfläche der Schicht mittels des Plasma zu behandeln.
In einer anderen Ausführungsform sind die Schichten mittels Extrudieren, beispielsweise FDM (FDM = Fused Deposition Melting) erzeugt. Dazu kann beispielsweise eine Extrusionsdüse zum Extrudieren von Kunststoff, insbesondere ein Thermoplast, beispielsweise Polyamid, oder Polypropylen, den Formkörper schichtweise erzeugen, wobei vor einem Auftragen einer Folgeschicht der Auftragungsort, an dem die Extrusionsdüse den neuen Kunststoff aufträgt, mittels eines Plasmas, insbesondere einer Plasmadüse, beaufschlagt und so aktiviert wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Schichten jeweils aus einem Kunststoff gebildet. Der Kunststoff ist bevorzugt ein Thermoplast, in einer anderen Ausführungsform ein Duroplast oder ein Elastomer. Der Thermoplast ist beispielsweise PPS (PPS = PolyPropylensulfid), PEI (PEI =, PEAK ABS, Polyamid, Polyimid, Polylactat, Polymethylmethacrylat, Polycarbonat, PBT (PBT = Polybutylenterephthalat), PET (PET = Polyetherimid), Polyethylenterephthalat), Polyethylen, Polypropylen, Polystyrol, PEK (PEK = Polyetherketon), PEEK (PEEK = Poly-Ether-Ether-Keton), PAEK (PAEK = Poly-Aryl-Ether-Keton) oder Polyvinylchlorid. Der Duroplast ist beispielsweise ein Phenoplast, ein Aminoplast, ein Epoxidharz oder ein Polyacrylat. In einer anderen Ausführungsform ist der Duroplast ein Polyurethan oder ein Melaminharz.
Das Elastomer ist beispielsweise ein Vulkanisat, insbesondere ein Naturkautschuk, ein Silikonkautschuk oder ein thermoplastisches Elastomer. Das thermoplastische Elastomer ist beispielsweise ein thermoplastisches Copolyamid, ein thermoplastisches Polyesterelastomer, insbesondere Copolyester, ein thermoplastisches Elastomer, insbesondere umfassend Polypropylen und EPDM, ein Styrol-Block Copolymer, ein thermoplastisches Elastomer umfassend Polyurethan oder ein vernetztes thermoplastisches Elastomer umfassend ein Olefin.
Der Formkörper kann in einer bevorzugten Ausführungsform ein Einlegeteil, insbesondere Metallteil, Kunststoffteil, Keramikteil, oder ein elektronisches Bauteil, insbesondere einen Sensor, oder eine Mehrzahl von elektronischen Bauteilen wenigstens teilweise oder vollständig umschließen. Bevorzugt kann die Oberfläche des Einlegeteils mittels der Plasmabehandlung gereinigt und/oder aktiviert werden. Dies verbessert die Anbindung zwischen Einlegeteil und der Folgeschicht des Formkörpers.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Schichten jeweils aus einem Metall gebildet. So kann ein Metallformkörper vorteilhaft besonders stabil erzeugt werden. Es wurde nämlich gefunden, dass eine Bindung zwischen den Metallschichten unter Aktivierung der Einzelschichten mittels eines Plasmas und anschließendem Versintern, insbesondere Lasersintern, besonders stabil ausgebildet ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Schichten jeweils aus einem keramischen Ausgangsmaterial oder einem Metall aufweisenden Ausgangsmaterial gebildet. Das Ausgangsmaterial weist bevorzugt ein Matrixmaterial, insbesondere einen Kunststoff-Matrixmaterial, und ein Keramik- oder Metallpulver auf. Die Keramik ist beispielsweise Aluminiumoxid, ein Silikat, insbesondere Alumosilikat, ein Oxid, insbesondere Berylliumoxid, Zirkoniumoxid, Titanoxid, eine Karbidkeramik, insbesondere Siliciumkarbid, eine Nitridkeramik, insbesondere Bornitrid oder Aluminiumnitrid. Das Metallpulver ist beispielsweise Aluminiumpulver. Das Kunststoff-Matrixmaterial ist bevorzugt ein Thermoplast.
Bevorzugt sind die Schichten des Formkörpers jeweils wenigstens teilweise zur Ausbildung des Formkörpers mittels eines Laserstrahls, insbesondere mittels SLS (SLS = Selektives Laser Sintern) versintert. Dazu können einzelne Schichten aus Sintermaterial aufeinander aufgebracht und versintert werden.
Der Formkörper ist in einer anderen Ausführungsform mittels Extrusion, insbesondere FDM erzeugt. Dadurch lässt sich der Formkörper vorteilhaft detailgenau erzeugen, weiter vorteilhaft kann der Formkörper Hinterschneidungen aufweisen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist wenigstens eine Schicht der Schichten, insbesondere eine Oberflächenschicht, mittels eines Atmosphärenplasmas, insbesondere mittels Plasmaspritzen, erzeugt. Dazu kann dem Plasma, insbesondere der Plasmadüse, während der Plasmabehandlung einer zuvor erzeugten Schicht ein Beschichtungspulver, eine Beschichtungsflüssigkeit oder ein Beschichtungsgas für die Schicht, insbesondere Oberflächenschicht, hinzugefügt werden. Das Beschichtungspulver kann beispielsweise ein Metallpulver zum Erzeugen einer Metallschicht oder ein Keramikpulver zum Erzeugen einer Keramikschicht sein. So kann vorteilhaft mittels einer Plasmadüse sowohl ein Aktivieren einer mittels Lasersintern erzeugten Schicht, als auch ein Auftragen einer Folgeschicht, insbesondere einer Endschicht, erfolgen.
Das Plasmagas ist beispielsweise Sauerstoff oder ein Edelgas, insbesondere Argon, Neon, Helium, Krypton oder Xenon. Das Plasmagas ist in einer anderen Ausführungsform Stickstoff oder Sauerstoff. In einer anderen Ausführungsform ist das Plasmagas ein Ätzgas zum Plasmaätzen, insbesondere ein fluorierter Kohlenwasserstoff, beispielsweise Tetrafluormethan, Hexafluormethan, Perfluorpropan oder Schwefelhexafluorid. Weitere Ausführungsbeispiele für ein Ätzgas sind ein Halogen oder ein halogenhaltiges Gas, insbesondere Chlor, Chlor- oder Bromwasserstoff oder Bornitridchlorid.
Mittels des ätzfähigen Plasmagases kann vorteilhaft eine raue Oberfläche erzeugt werden, insoweit mittels der Plasmavorrichtung die Schicht, insbesondere Sinterschicht oder gespritzte Schicht, zusätzlich zur Aktivierung auch mechanisch angeraut werden kann. So kann vorteilhaft eine Schichthaftung einer Folgeschicht und so eine Stabilität des Formkörpers vorteilhaft verbessert werden.
In einer anderen Ausführungsform ist das Plasmagas mit Precursor-Monomeren angereichert (Plasmapolymerisation), beispielsweise Thiophen, Acrylonitril oder Styren. Mittels Precursor-Monomeren kann insbesondere die Oberfläche von Einlegeteilen behandelt werden. Dadurch kann eine bessere Anbindung zur Folgeschicht bewirkt werden. Weiter vorteilhaft kann die Oberfläche einer Endschicht an eine gewünschte Eigenschaft, beispielsweise optische oder haptische Eigenschaft angepasst werden.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Erzeugen eines Formkörpers mittels Additiver Fertigung, insbesondere 3D-Druck oder Selektivem Lasersintern. Bei dem Verfahren wird der Formkörper in aufeinanderfolgenden Einzelschichten erzeugt. Bevorzugt werden bei dem Verfahren die Oberfläche der mittels der Folgeschicht abzudeckenden Schicht, wenigstens ein Teil der Einzelschichten, nur ein Teil der Einzelschichten oder alle Einzelschichten jeweils mittels eines Plasmagases behandelt, insbesondere aktiviert, polarisiert oder ionisiert. Dazu kann der Plasmaerzeuger derart nah an die Oberfläche der Schicht herangefahren werden, dass das Plasmagas mit der Oberfläche in Berührung gerät.
Bevorzugt erfolgt bei dem Verfahren die Plasmabehandlung der Oberfläche der Schicht unmittelbar vor dem Auftrag der weiteren Folgeschicht. Dadurch sind die mittels des Plasmas erzeugten Radikale oder Ionen noch reaktionsfreudig, und können durch Moleküle der aufzutragenden Folgeschicht abgesättigt werden. Bevorzugt wird im Querschnitt derart aufeinander folgenden stoffschlüssig verbundenen Schichten das Grundmaterial jeweils einer Einzelschicht infolge der Plasmabehandlung bereichsweise unterschiedlich ausgebildet. Dabei wird zumindest in einem Bereich, insbesondere in dem von dem Verbindungsbereich nach innen gerichteten mittleren Bereich einer jeweiligen Einzelschicht, das Grundmaterial nicht verändert. Hingegen wird zumindest in einem weiteren Bereich das Grundmaterial aufgrund der Plasmabehandlung verändert, insbesondere im Verbindungsbereich von zwei Folgeschichten. Die Veränderung ist gekennzeichnet durch Vorliegen von Reaktionsprodukte infolge der durchgeführten Plasmabehandlung.
Bevorzugt unabhängig davon oder zusätzlich dazu kann die Einzelschicht abrasiv behandelt werden, beispielsweise mittels Plasmaätzen.
Bevorzugt wird bei dem Verfahren wenigstens eine Schicht mittels Plasmaätzen angeraut, ausgeformt oder geglättet. Vorteilhaft können so Strukturen in der Schicht ausgeformt werden, welche kleiner sind als solche die mit der additiven Fertigung erzeugt werden können.
Räumliche Strukturen in der Schicht können so vorteilhaft mittels Plasmaätzen korrigiert werden, beispielsweise können so Löcher oder Spalte in der Schicht erzeugt werden.
Vorteilhaft kann durch ein Aufrauen der Schichtoberfläche eine Anbindung eines weiteren Bauteils durch Fügen oder Kleben verbessert werden.
Erfindungsgemäß ist daher nicht nur ausschließlich auf einen sequenziell ablaufenden additiven Schichtaufbau abgezielt, sondern der Schichtaufbau bzw. die zuletzt aufgetragene Schicht wird vor dem jeweiligen Auftragen von Folgeschichten weiteren Schichtveränderungen unterzogen. Die Schichtveränderungen ergeben sich dabei insbesondere durch ein Aktivieren/Polarisieren/Ionisieren, ein Abtragen, ein Verdichten, ein Glätten, ein Aufrauen, ein Füllen bzw. Beschichten, und/oder ein Anschmelzen der zuletzt aufgetragen Schicht durch ein Plasmagas. Dies kann ganzflächig oder lokal begrenzt auf eine oder mehrere Bereiche einer Schicht erfolgen. Für das Auffüllen bzw. Beschichten sind im Plasmagas zusätzliche feste Partikel beigemengt. Bevorzugt erfolgt die Anpassung der Plasmabehandlung dynamisch in Abhängigkeit von lokal an einer der mit einer Folgeschicht abzudeckenden Schicht, wodurch innerhalb einer abzudeckenden Schicht und/oder in mehreren aufgetragenen Einzelschichten zumindest zwei unterschiedliche Schichtveränderungen bewirkt werden. Die Anpassung erfolgt ferner beispielsweise in Bezug auf die Auswahl des Plasmagases, der Intensität des Plasmastrahles, der Zeitdauer einer Plasmabehandlung und anderer Fertigungsparameter, welche die beabsichtigte Veränderung maßgeblich beeinflussen. Weiter bevorzugt werden die Veränderungen durch ein gleichbleibendes Plasmagas erwirkt.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zum Additiven Fertigen, insbesondere Lasersintern, beispielsweise mittels SLS, oder Extrudieren, beispielsweise mittels FDM, eines Formkörpers (21, 26), insbesondere eines Formkörpers gemäß der vorbeschriebenen Art.
Die Vorrichtung weist ein Werkzeug zum Additiven Fertigen durch aufeinander Auftragen von Schichten zur Ausbildung des Formkörpers auf. Das Werkzeug umfasst bevorzugt eine Vorrichtung zum Auftragen von Schichten zur Ausbildung des Formkörpers. Die Vorrichtung weist bevorzugt einen Plasmaerzeuger auf, welcher ausgebildet ist, ein Plasmagas zu erzeugen. Die Vorrichtung, insbesondere der Plasmaerzeuger ist ausgebildet, mittels des Plasmagases eine Oberfläche der Schicht – insbesondere unmittelbar – vor dem Auftrag einer weiteren Folgeschicht mittels eines Plasmagases zu behandeln, insbesondere zu begasen. Dadurch kann die Oberfläche der Schicht besonders reaktiv ausgebildet werden, so dass beim Auftrag einer Folgeschicht die reaktive Oberfläche der behandelten Schicht mit dem Material der Folgeschicht eine feste Verbindung eingehend – bevorzugt unter Ausbildung von Atombindungen oder Ionenbindungen -reagieren kann und so ein fester, Schichtverbund als Formkörper erzeugt werden kann. Darüber hinaus ist die Vorrichtung in Bezug auf die Plasmabehandlung ferner ausgerichtet und ausgebildet, mittels dem Plasmagas neben einem Aktivieren/Polarisieren/Ionisieren zeitgleich oder davon unabhängig weitere Schichtveränderungen an einer zuvor additiv aufgetragenen Schicht zu ermöglichen, insbesondere in Form eines Abtragens, eines Verdichtens, eines Glättens, eines Aufrauens, eines Füllens bzw. Beschichtens, und/oder eines Anschmelzens in Vorbereitung einer dann additiv aufgetragenen Folgeschicht. Hierzu weist die Vorrichtung bevorzugt eine Ansteuereinheit auf, welche die Anpassung der Plasmabehandlung hinsichtlich notwendiger Fertigungsparameter zur Erzielung zumindest einer der zuvor genannten Schichtveränderungen vornimmt. Eine dynamische Anpassung der Plasmabehandlung während einer Schichtbehandlung ermöglicht zumindest zwei der zuvor genannten Schichtveränderungen an einer gleichen zu behandelnden Schicht auszuführen. Ebenso können die Schichtveränderungen innerhalb mehrerer den Schichtverbund bildenden aufgetragenen Einzelschichten bewirkt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Plasmaerzeuger eine Mehrzahl von in einer Reihe angeordneten Plasmaquellen auf. Die Vorrichtung ist ausgebildet, den Plasmaerzeuger über die Schicht zu fahren und dabei wenigstens einen Teil der Quellen ein- und auszuschalten. Dadurch können vorteilhaft zu verfestigende Stellen der Schicht, insbesondere Sinterpulverschicht mit nur einem Überfahren der Schicht mit Plasmagas behandelt werden.
Beispielsweise kann die so als Array ausgebildete Plasmadüse beim Plasmaätzen auf einfache und schnelle Weise räumliche Strukturen in dem Formkörper erzeugen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Vorrichtung derart ausgebildet, während des additiven Schichtaufbauprozesses entlang eines Abfahrweges über einer mit dem Plasmagas zu behandelnden Schicht eine in Abhängigkeit von lokal an dieser Schicht vorzusehenden Schichtveränderung ein dynamisches Aktivierungsmuster des Düsenarrays anzusteuern und/oder eine Anpassung der Plasmabehandlung vorzunehmen. Auf diese Weise können Fertigungsmöglichkeiten erweitert sowie Fertigungsqualitäten für additive Schichtaufbauten weiter verbessert werden.
Die Erfindung wird nun im Folgenden anhand von Figuren und weiteren Ausführungsbeispielen erläutert. Weitere vorteilhafte Ausführungsvarianten ergeben sich aus einer Kombination der in den Figuren und in den abhängigen Ansprüchen beschriebenen Merkmalen.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Formkörpers mittels additiver Fertigung, welcher Hinterschnitte aufweist und welche ausgebildet ist, die Einzelschichten mittels eines Plasmagases miteinander fest zu verbinden;
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Plasmavorrichtung, welche eine Mehrzahl von in einer Reihe angeordneten Plasmaquellen aufweist und welche ausgebildet ist, wenigstens einen Teil der Quellen zu aktivieren und dazu ein- und auszuschalten;
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zum Erzeugen eines Formkörpers in drei räumlichen Dimensionen, welcher in einer Dimension quer zu einer Schichtebene der Einzelschichten eine hohe Verbindungsfestigkeit der Schichten untereinander aufweist.
In der 1 ist ein Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung 1 zum Erzeugen eines Formkörpers 21 gezeigt. Der Formkörper repräsentiert ein Objekt in drei Dimensionen. Die Vorrichtung 1 ist ausgebildet, einen Formkörper 21 in aufeinanderfolgenden Schichten durch ein additives Fertigungsverfahren zu erzeugen.
Die Vorrichtung 1 umfasst eine Kammer, in welcher ein Pulvervorrat 2 vorgehalten wird, eine Walze 3 und eine Formvorrichtung 4. Die Formvorrichtung 4 umfasst eine Stellvorrichtung 5, welche mit einem Schlitten 6 verbunden ist. Die Stellvorrichtung 5 ist ausgebildet, den Schlitten 6 entlang einer Achse 35, insbesondere Translationsachse, zu bewegen. Die Stellvorrichtung 5 ist in diesem Ausführungsbeispiel zusätzlich ausgebildet, den Schlitten 6 entlang einer weiteren Translationsachse 36, welche quer zur Achse 35 verläuft, zu bewegen. Die Stellvorrichtung 5 ist somit ausgebildet, den Schlitten 6 in zwei translatorischen Freiheitsgraden, und so in einer Ebene, zu bewegen und an wenigstens einem Ort in der Ebene festzustellen.
Die Vorrichtung 1 umfasst auch einen Plasmaerzeuger 7, welcher mit dem Schlitten 6 verbunden ist. Der Plasmaerzeuger 7 kann somit durch die Stellvorrichtung 5 an einen vorbestimmten Ort bewegt werden.
Der Plasmaerzeuger 7 weist in diesem Ausführungsbeispiel einen Gaszufuhrkanal 8 für ein zu ionisierendes Gas, beispielsweise ein Edelgas, auf. Der Plasmaerzeuger 7 weist auch eine Hochspannungsquelle 9 auf, welche ausgebildet ist, eine Hochspannung zum Erzeugen eines Lichtbogens 13 zu erzeugen. Die Hochspannungsquelle 9 ist ausgangsseitig über eine Verbindungsleitung 10 mit einer Elektrode 11 elektrisch verbunden. Die Elektrode 11 ist in einem Bereich eines Längsabschnitts des Gaszufuhrkanals 8, in diesem Ausführungsbeispiel im Bereich einer Ausgangsöffnung des Gaszufuhrkanals 8, gegenüber einer Gegenelektrode 12 angeordnet. Die Gegenelektrode 12 ist in diesem Ausführungsbeispiel durch einen Endabschnitt eines den Gaszufuhrkanal umgebenden Rohrs gebildet, das mit der Hochspannungsquelle 9 elektrisch verbunden ist. Die von der Hochspannungsquelle erzeugte Ladung kann über die Verbindungsleitung 10 zur Elektrode 11 fließen, und unter Ionisierung des Gases und Erzeugung des Lichtbogens 13 zur Gegenelektrode 12 fließen. Mittels des Lichtbogens 13 kann so in den Gaszufuhrkanal 8 strömendes Gas ionisiert werden und an der Ausgangsöffnung als Plasmagas 14 austreten.
Die Vorrichtung 1 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel auch einen Laser 15, welcher ausgebildet ist, einen Laserstrahl 16 zu erzeugen und mittels des Laserstrahls 16 ein zu einer von der Walze 3 geformten Pulverschicht 20 aufgetragenes Pulver 2‘ zu verschmelzen und so als Teil des Formkörpers 21 auszuformen. Der Laserstrahl 16 kann zum Versintern der Pulverschicht 20 mittels einer – nicht dargestellten – optischen Strahllenkvorrichtung, beispielsweise einem schwenkbaren Spiegel an einen Ort der Pulverschicht gelenkt werden, um das Pulver dort zu versintern.
Die Vorrichtung 1 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel auch einen weiteren Hubkolben 18, welcher ausgebildet ist, durch Zurückfahren einen Hohlraum zu erzeugen, in dem durch die Walze 3 Pulverschichten aufeinander aufgetragen werden können. Der Formkörper 21 ist somit – als Teil des mittels des Laserstrahls 16 verschmolzenen Pulvers 2‘ – aus den mittels der Walze 3 aufgetragenen Schichten, von denen die Schichten 19 und 20 beispielhaft bezeichnet sind, erzeugt und ist so in nicht durch den Laserstrahl 16 verschmolzenes Pulver 2‘ eingebettet.
Die Schicht 19 ist vor einem Auftrag des Pulvers 2‘ zum Erzeugen der Schicht 20 mittels des Plasmagases 14 im Bereich des zu erzeugenden Formkörpers 21 aktiviert worden, sodass die Teile der Schicht 20, welche einen Teil des Formkörpers 21 ausbilden, beim Verschmelzen durch den Laserstrahl 16 mit der darunter liegenden Schicht 19 Bindungen, insbesondere interatomare Bindungen, eingehen können, sodass zwischen den Schichten 19 und 20 eine besondere Festigkeit quer zu einer flachen Erstreckung der Schichten 19 und 20, in diesem Ausführungsbeispiel entlang einer Hochachse 36 erzeugt ist.
Nach dem Auftragen der Schicht 20 durch die Walze 3 und einem Versintern mittels des Laserstrahls 16 kann eine Oberfläche 22 der Schicht 20 durch das Plasmagas 14 aktiviert werden.
Die Vorrichtung 1 umfasst auch einen Hubkolben 17, welcher ausgebildet ist, insbesondere schrittweise das den Pulvervorrat 2 vorrätig haltende Volumen zu verkleinern, sodass das aus dem Hohlraum austretende Pulver 2‘ von der Walze 3 als weitere Schicht – wie beispielsweise die Schichten 19 oder 20 – auf den Bereich des weiteren Hubkolbens 18 aufgetragen werden können.
Der Plasmaerzeuger 7 in der Vorrichtung 1 kann dazu ausgebildet sein, eine Oberfläche zu aktivieren. Der Plasmaerzeuger 7 ist ausgebildet, zum Aktivieren der Schicht ein bereits beschriebenes Plasmagas 14 zu erzeugen und auf die Schicht zu leiten und die Oberfläche der Schicht so zu modifizieren. Neben einem Aktivieren/Polarisieren/Ionisieren ist durch den Plasmaerzeuger 7 und dem erzeugten Plasmagas 14 zeitgleich oder davon unabhängig ermöglicht, weitere Schichtveränderungen an einer zuvor additiv aufgetragenen Schicht zu bewirken. Weitere Schichtveränderungen können dabei insbesondere in Form eines Abtragens, eines Verdichtens, eines Glättens, eines Aufrauens, eines Füllens bzw. Beschichtens, und/oder eines Anschmelzens der Schicht in Vorbereitung einer dann additiv aufgetragenen Folgeschicht vorgenommen werden. Hierzu weist die Vorrichtung bevorzugt eine Ansteuereinheit auf (nicht dargestellt), welche die Anpassung der Plasmabehandlung hinsichtlich notwendiger Fertigungsparameter zur Erzielung zumindest einer der zuvor genannten Schichtveränderungen vornimmt. Eine dynamische Anpassung der Plasmabehandlung während einer Schichtbehandlung ermöglicht zumindest zwei der zuvor genannten Schichtveränderungen an einer gleichen zu behandelnden Schicht und/oder mehrerer aufgetragenen Schichten auszuführen.
Um auf eine bereits aufgetragen Schicht eine Beschichtung oder Befüllung als Schichtveränderung auszuführen, kann die Vorrichtung 1 ausgebildet sein, in den Plasmagasstrom ein Pulvermaterial einzubringen und so die Oberfläche der Schicht mit einer weiteren Schicht aus dem im Plasma aufgeschmolzenen Pulvermaterial zu beschichten.
2 zeigt ein ähnliches Ausführungsbeispiel wie in 1. Der Unterschied besteht darin, dass eine andere Variante eines Plasmaerzeugers vorgesehen ist, welcher anstelle des Plasmaerzeugers 7 in 1 Bestandteil der Vorrichtung 1 sein kann.
Der in 2 gezeigte Plasmaerzeuger weist eine Plasmagasquelle 28 auf, welche ausgebildet ist, Plasmagas bereitzustellen und an eine Plasmavorrichtung 27 abzugeben. Die Plasmavorrichtung 27 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Plasmaarray ausgebildet, in dem eine Mehrzahl von Plasmaerzeugern entlang einer Längsachse 37 angeordnet sind. Von den Plasmaerzeugern sind die Plasmaerzeuger 29, 30 und 31 beispielhaft bezeichnet. Die Plasmavorrichtung 27 erstreckt sich entlang der Längsachse 37 über eine Längserstreckung der von der Walze 3 in 1 aufgetragenen Pulverschichten. Eine Pulverschicht 24 ist beispielhaft als oberste Pulverschicht bezeichnet. Die Plasmavorrichtung 27 kann angetrieben durch die Stellvorrichtung 5 – quer zur Längsachse 37 über die Pulverschicht 24 bewegt werden und – unter Aktivierung der Plasmaerzeuger 29, 30 und 31 – Plasmagasströme oder Plasmaflammen 32, 33 und 34 erzeugen. Die Plasmaflamme 32 ist von dem Plasmaerzeuger 29 erzeugt, die Plasmaflamme 33 vom Plasmaerzeuger 30 und die Plasmaflamme 34 vom Plasmaerzeuger 31.
Die Plasmaflammen 32, 33 und 34 weisen in diesem Ausführungsbeispiel eine Temperatur auf, welche ausgebildet ist, das Pulver 24 zu aktivieren, das heißt durch ionisiertes Plasmagas in der Flamme Atombindungen aufzubrechen und so freie Radikale zu erzeugen oder den mittels des in 1 dargestellten Laserstrahls 16 in der Pulverschicht 24 erzeugten Formkörper 26 an dessen Oberfläche 25 zu polarisieren. Darüber hinaus sind die zuvor genannten weiteren Schichtveränderungen durch eine Anpassung der Plasmabehandlung ermöglicht.
Je nach Geometrie des zu erzeugenden Formkörpers, wie den in 2 teilweise dargestellten Formkörper 26, können beim Überfahren der Pulverschicht 24 quer zur Längsachse 37 diejenigen Plasmaerzeuger wie die Plasmaerzeuger 29, 30 oder 31 aktiviert werden, welche einem durch den Laserstrahl 16 erzeugten Formkörper wie dem Formkörper 26 gegenüberliegen. Grundsätzlich erfolgt das Ansteuern von entsprechenden Plasmaerzeugern innerhalb des Plasmaarrays in Form eines dynamischen Aktivierungsmusters fahrwegsabhängig und in Abhängigkeit von lokal an dieser Schicht vorzusehenden Schichtveränderungen. Je nach vorzusehender Schichtveränderung ist es daher auch an jedem Plasmaerzeuger innerhalb des Plasmaarrays erforderlich, entsprechende Fertigungsparameter zur Anpassung der dann notwendigen Plasmabehandlung einzustellen.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zum Erzeugen eines Formkörpers, beispielsweise des in 1 dargestellten Formkörpers 21 oder des in 2 dargestellten Formkörpers 26.
In einem Schritt 40 wird – beispielsweise mittels einer wie in 1 dargestellten Walze 3 – oder mittels einer Rakel eine Pulverschicht aufgetragen. In einem darauffolgenden Schritt 41 wird wenigstens ein Teil der Pulverschicht mittels elektromagnetischer Strahlen, beispielsweise eines Laserstrahls, zu einem Teil eines Formkörpers verfestigt, insbesondere verschmolzen.
In einem weiteren Schritt 42 wird eine Oberfläche des Teils des Formkörpers mittels eines Plasmagases behandelt und eine Schichtveränderung bewirkt. Die Schichtveränderung umfasst hierbei ein Aktivieren/Polarisieren/Ionisieren, ein Abtragen, ein Verdichten, ein Glätten, ein Aufrauen, ein Füllen bzw. Beschichten, und/oder ein Anschmelzen der zuletzt aufgetragen Schicht.
In einem weiteren Schritt 43 wird eine erneute Pulverschicht aufgetragen und unter Ausbildung eines weiteren Teils des Formkörpers ein Teil der Pulverschicht mittels elektromagnetischer Strahlen verschmolzen.

Claims

Formkörper (21, 26), wobei der Formkörper (21, 26) mittels additiver Fertigung in aufeinanderfolgenden Schichten (19, 20) insbesondere aus einem Spritzmaterial oder einem Sintermaterial erzeugt ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der Schichten (19, 20) oder alle Schichten (19, 20) wenigstens an einer Oberfläche der Schicht (19, 20) mittels eines Plasmagases (14, 32, 33, 34) insbesondere stoffschlüssig miteinander verbunden sind.
Formkörper (21, 26) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten (19, 20) jeweils mittels Sintern, insbesondere Lasersintern erzeugt sind.
Formkörper (21, 26) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten (19, 20) jeweils mittels Extrudieren erzeugt sind.
Formkörper (21, 26) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten (19, 20) jeweils aus einem Kunststoff gebildet sind.
Formkörper (21, 26) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten (19, 20) jeweils einen mit Keramikmaterial gefüllten Kunststoff aufweisen.
Formkörper (21, 26) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasmagas (14, 32, 33, 34) ein Atmosphären-Plasma ist.
Formkörper (21, 26) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten (19, 20) wenigstens teilweise zur Erzeugung des Formkörpers (21, 26) jeweils mittels eines Laserstrahls (16) versintert sind.
Formkörper (21, 26) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Schicht der Schichten, insbesondere eine Oberflächenschicht, mittels eines Atmosphärenplasmas, insbesondere mittels Plasmaspritzen, erzeugt ist.
Verfahren zum Erzeugen eines Formkörpers (21, 26) mittels Additiver Fertigung, bei dem der Formkörper (21, 26) in aufeinanderfolgenden Einzelschichten erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei wenigstens ein Teil der Einzelschichten (19, 20) jeweils insbesondere unmittelbar vor dem Auftrag einer weiteren Folgeschicht (19, 20) die Oberfläche der mittels der Folgeschicht abzudeckenden Schicht mittels eines Plasmagases (14) behandelt wird, um durch die Plasmabehandlung eine Schichtveränderung zu bewirken, insbesondere in Form eines Aktivierens/Polarisierens/Ionisierens, eines Abtragens, eines Verdichtens, eines Glättens, eines Aufrauens, eines Füllens bzw. Beschichtens und/oder eines Anschmelzen der abzudeckenden Schicht.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Schichtveränderung durch eine Anpassung der Plasmabehandlung bewirkt wird, insbesondere durch die Auswahl des Plasmagases, der Intensität des Plasmastrahles und/oder der Zeitdauer einer Plasmabehandlung.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung der Plasmabehandlung dynamisch in Abhängigkeit von lokal an einer der abzudeckenden Schichten vorzusehenden Schichtveränderung erfolgt, wodurch innerhalb einer abzudeckenden Schicht und/oder in mehreren der aufgetragenen Einzelschichten zumindest zwei unterschiedliche Schichtveränderungen bewirkt werden.
Vorrichtung (1) zum Additiven Fertigen, insbesondere Lasersintern oder Extrudieren eines Formkörpers (21, 26), insbesondere eines Formkörpers gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) ein Werkzeug (4, 15) zum Additiven Fertigen durch aufeinander Auftragen von Schichten (19, 20) zur Ausbildung des Formkörpers (21, 26) aufweist und die Vorrichtung (1) eine Plasmaerzeuger (7, 27) aufweist, welcher ausgebildet ist, ein Plasmagas (14, 32, 33, 34) zu erzeugen, und mittels des Plasmagases (14, 32, 33, 34) eine Oberfläche der Schicht – insbesondere unmittelbar – vor dem Auftrag einer weiteren Folgeschicht (19, 20) mittels eines Plasmagases (14, 32, 33, 34) zu behandeln, insbesondere zu begasen.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmaerzeuger (27) eine Mehrzahl von in einer Reihe angeordneten Plasmaquellen in Form eines Düsenarrays aufweist und die Vorrichtung ausgebildet ist, den Plasmaerzeuger (27) über die Schicht (19, 20) zu fahren und zur Plasmabehandlung zumindest einer aufgetragenen Schicht wenigstens einen Teil der Quellen ein- und auszuschalten.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung derart ausgebildet ist, während eines additiven Schichtaufbauprozesses entlang eines Abfahrweges über einer mit dem Plasmagas zu behandelnden Schicht eine in Abhängigkeit von lokal an dieser Schicht vorzusehenden Schichtveränderung ein dynamisches Aktivierungsmuster des Düsenarrays anzusteuern und/oder eine Anpassung der Plasmabehandlung vorzunehmen.