DE102017213878A1

DE102017213878A1 - Verfahren und Vorrichtung zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks

Info

Publication number: DE102017213878A1
Application number: DE102017213878.5A
Authority: DE
Inventors: Roland Bleher
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-08-09
Filing date: 2017-08-09
Publication date: 2019-02-14

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks, bei dem ein Metalldraht (1) im Bereich eines Drahtendes (2) lokal aufgeschmolzen und die Metallschmelze in Form von Tropfen selektiv an Stellen aufgetragen wird, die durch die Form und die Abmessungen des Werkstücks vorgegeben sind, so dass das Werkstück schichtweise auf einem Substratträger aufgebaut wird, wobei der Metalldraht (1) mittels einer Drahtvorschubvorrichtung (3) aktiv vorgeschoben wird. Erfindungsgemäß wird der vorgeschobene Metalldraht (1) periodisch quer zur Vorschubrichtung ausgelenkt, wobei das Drahtende (2) oszillierend bewegt wird.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 5.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden.
Stand der Technik
Zu den additiven Fertigungsverfahren zählt insbesondere das 3D-Drucken. Beim 3D-Drucken werden flüssige oder feste Werkstoffe schichtweise zu einem dreidimensionalen Werkstück aufgebaut.
Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2014 226 425 A1 geht beispielhaft ein 3D-Drucker zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts aus einem Ausgangsmaterial hervor, bei dem es sich um ein metallisches Material handelt. Der 3D-Drucker umfasst eine Zuführung für das Ausgangsmaterial sowie eine Wärmequelle zum Aufschmelzen des Ausgangsmaterials. In der Abfolge einer Vielzahl von Schnittebenen durch die dreidimensionale Form des Objekts gibt dieser Drucker das Ausgangsmaterial im flüssigen Aggregatzustand an den zur Form des Objekts gehörigen Orten zu und lässt es anschließend erstarren. Dadurch verbindet sich das in allen Schnittebenen aufgebrachte Ausgangsmaterial fest zum gewünschten Objekt.
Bei dem bekannten 3D-Drucker wird das metallische Ausgangsmaterial bevorzugt in Form eines Drahts oder eines Bands bereitgestellt und mittels der erwähnten Zuführung der Wärmequelle zugeführt. Die Zuführung und die Wärmequelle sind vorzugsweise in einem Druckkopf zusammengefasst, mittels dessen das Ausgangsmaterial aufgeschmolzen und anschließend in Tropfen aufgeteilt wird. Die Aufteilung in Tropfen bestimmter Größe kann dabei allein durch Schwerkraft bewirkt werden oder gesteuert, indem der Vorschub des Ausgangsmaterials in Richtung der Wärmequelle und/oder die Heizleistung der Wärmequelle variiert wird bzw. werden. Zur Aufteilung des aufgeschmolzenen Ausgangsmaterials in tropfenförmige Portionen kann auch am Druckkopf ein Schwingungserzeuger angeordnet sein. Durch wiederholt impulsive Bewegungen bzw. durch Oszillation können Tropfen aus Metall gezielt von dem im Druckkopf befindlichen, noch nicht aufgeschmolzenem Ende des draht- oder bandförmigen Ausgangsmaterials abgelöst werden.
Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks aus einer Metallschmelze anzugeben, welches bzw. welche die Ausbildung kleinster dreidimensionaler Strukturen als Werkstück ermöglicht. Das Verfahren soll zudem einfach und kostengünstig durchführbar sein.
Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 5 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
Offenbarung der Erfindung
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks wird ein Metalldraht im Bereich eines Drahtendes lokal aufgeschmolzen. Die Metallschmelze wird dann in Form von Tropfen selektiv an Stellen aufgetragen, die durch die Form und die Abmessungen des Werkstücks vorgegeben sind, so dass das Werkstück schichtweise auf einem Substratträger aufgebaut wird. Der Metalldraht wird dabei mittels einer Drahtvorschubvorrichtung aktiv vorgeschoben. Erfindungsgemäß wird der vorgeschobene Metalldraht periodisch quer zur Vorschubrichtung ausgelenkt, wobei das Drahtende oszillierend bewegt wird.
Die oszillierende Bewegung des Drahtendes ist darauf zurückzuführen, dass sich durch die Auslenkung der Weg des Metalldrahts verlängert. Wird die Auslenkung aufgehoben, verkürzt sich der Weg auf seine ursprüngliche Länge. Das Drahtende des Metalldrahts wird dabei abwechselnd vorgeschoben und zurückgezogen, wobei der Betrieb der Drahtvorschubvorrichtung nicht unterbrochen werden muss. Ferner muss die Drahtvorschubvorrichtung den Metalldraht lediglich in eine Richtung, und zwar in Vorschubrichtung bewegen, so dass die Drahtvorschubvorrichtung vergleichsweise einfach ausgestaltet sein kann.
Da die Drahtvorschubvorrichtung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nur den Drahtvorschub leisten muss, führt dies zu einer Entkopplung der Oszillation vom Vorschub des Metalldrahtes. Aufgrund der Entkopplung sind höhere Frequenzen der Oszillation möglich. Dies wiederum hat zur Folge, dass besonders kleinvolumige Tropfen der Metallschmelze absetzbar sind, welche die Fertigung kleinster dreidimensionaler Strukturen ermöglichen. Auf diese Weise sind minimale Strukturbreiten kleiner als 1 mm möglich, um beispielsweise Leiterbahnen auf Leiterplatten zu drucken. Der vorliegend verwendete Begriff „Werkstück“ umfasst demnach auch derartige Strukturen.
Die Auslenkung des Metalldrahts kann mit einfachen Mitteln bewirkt werden, die insbesondere unabhängig von der Drahtvorschubvorrichtung betätigbar sind, so dass der Vorschub des Metalldrahts nicht unterbrochen werden muss.
Bevorzugt umfassen die Mittel einen rotierenden Nocken oder Exzenter, mittels dessen der Metalldraht periodisch ausgelenkt wird. Der vorgeschobene Metalldraht wird hierzu über die Mantelfläche des Nockens oder Exzenters geführt. In Abhängigkeit von der Position des Nockens bzw. Exzenters wird der Metalldraht quer zur Vorschubrichtung ausgelenkt oder in Vorschubrichtung geführt.
Des Weiteren bevorzugt wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Metalldraht mittels der Drahtvorschubvorrichtung kontinuierlich und mit konstanter Geschwindigkeit vorgeschoben. Dies ermöglicht den Einsatz einer besonders einfach ausgeführten Antriebseinrichtung für den Drahtvorschub.
Ferner bevorzugt wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Metalldraht mittels eines MIG/MAG Lichtbogens aufgeschmolzen. Der Metalldraht wird dabei als Schweißdraht eingesetzt. Man spricht hierbei auch vom Auftragsschweißen.
Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird ferner eine Vorrichtung zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks aus einer Metallschmelze vorgeschlagen. Die Metallschmelze wird dabei in Form von Tropfen selektiv an Stellen aufgetragen, die durch die Form und die Abmessungen des Werkstücks vorgegeben sind, so dass das Werkstück schichtweise auf einem Substratträger aufgebaut wird. Die Vorrichtung umfasst eine Drahtvorschubvorrichtung für einen Metalldraht, der zur Herstellung der Metallschmelze im Bereich eines Drahtendes lokal aufgeschmolzen wird. Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung Mittel zur periodischen Auslenkung des Metalldrahts quer zur Vorschubrichtung auf, wobei das Drahtende oszillierend bewegt wird.
Dadurch, dass neben der Drahtvorschubvorrichtung Mittel zur periodischen Auslenkung des Metalldrahts vorgesehen sind, kann die Oszillation vom Vorschub des Metalldrahts entkoppelt werden. Die Drahtvorschubvorrichtung muss demnach lediglich den Vorschub des Metalldrahts leisten, so dass diese vergleichsweise einfach aufgebaut sein kann. Aufgrund der Entkopplung kann ferner eine höhere Frequenz der Oszillation erreicht werden, so dass besonders kleinvolumige Tropfen der Metallschmelze absetzbar sind, welche die Fertigung kleinster dreidimensionaler Strukturen ermöglichen.
Die Mittel zur periodischen Auslenkung können insbesondere einen rotierenden Nocken oder Exzenter umfassen, über dessen Mantelfläche der Metalldraht geführt ist. In Abhängigkeit von der Position des Nockens oder Exzenters wird auf diese Weise eine Verlängerung des Wegs des Metalldrahts erreicht, die dazu führt, dass das Drahtende zurückgezogen wird. Die Rotation des Nockens oder Exzenters kann mit einfachen Antriebsmitteln bewirkt werden, so dass die Vorrichtung einfach und kostengünstig umsetzbar ist.
Der Nocken kann insbesondere als Mehrfachnocken ausgebildet sein, um die Frequenz der Oszillation weiter zu steigern.
Ferner bevorzugt umfassen die Mittel zur periodischen Auslenkung mindestens eine Umlenkrolle, über deren Mantelfläche der Metalldraht geführt ist. Die Umlenkrolle gewährleistet, dass selbst bei einer Auslenkung des Metalldrahts das Drahtende stets in Vorschubrichtung zugeführt wird.
Die Drahtvorschubvorrichtung kann mindestens eine Antriebsrolle und/oder Anpressrolle umfassen, über welche der Metalldraht geführt ist. Vorzugsweise sind eine Antriebsrolle und eine Anpressrolle vorgesehen, die beidseits am Metalldraht anliegen, wobei die Anpressrolle den Metalldraht gegen die Antriebsrolle drückt. Wird die Antriebsrolle, vorzugsweise über einen Elektromotor, in einer Drehbewegung angetrieben, schiebt die Antriebsrolle den Metalldraht vor. Eine derartige Drahtvorschubeinrichtung kann einfach und kostengünstig realisiert werden.
Vorzugsweise ist der Nocken bzw. Exzenter zwischen der Antriebsrolle und/oder Anpressrolle einerseits und der Umlenkrolle andererseits angeordnet. In dieser Anordnung wird der Metalldraht erst ausgelenkt und dann umgelenkt, so dass die ursprüngliche Vorschubrichtung beibehalten wird. Ferner wird eine optimale Führung des Metalldrahts erreicht.
Vorteilhafterweise umfassen die Mittel zur periodischen Auslenkung eine weitere Anpressrolle. Diese dient der Vorspannung des Metalldrahts gegen den Nocken bzw. Exzenter, wobei die Vorspannkraft quer zur Vorschubrichtung ausgerichtet ist. Dadurch ist sichergestellt, dass der Metalldraht den Kontakt zum Nocken bzw. Exzenter nicht verliert. Die Anpressrolle ist vorzugsweise in Richtung des Nockens oder Exzenters von der Federkraft einer Feder beaufschlagt, so dass hierüber die notwendige Vorspannkraft bereitgestellt wird.
Die vorgeschlagene Vorrichtung zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks ist insbesondere zur Durchführung des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet. In Weiterbildung der Erfindung wird daher vorgeschlagen, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet wird bzw. das erfindungsgemäße Verfahren unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Diese zeigen:

1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit vorgeschobenem Metalldraht,
2 einen schematischen Längsschnitt durch die Vorrichtung der 1 mit vorgeschobenem und ausgelenktem Metalldraht und
3 eine schematische Darstellung der über die Auslenkung des Metalldrahts bewirkbaren Wegverlängerung.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Die in der 1 dargestellte Vorrichtung zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks verwendet einen Metalldraht 1, der an einem Drahtende 2 lokal aufgeschmolzen wird. Die Metallschmelze wird dann in Form von Tropfen selektiv auf einen Substratträger (nicht dargestellt) aufgetragen, auf dem das Werkstück schichtweise aufgebaut wird. Der Metalldraht 1 wird dabei über eine Drahtvorschubvorrichtung 3 kontinuierlich nachgeführt, so dass stets neues Material aufgeschmolzen werden kann.
Die Drahtvorschubvorrichtung 3 der in der 1 dargestellten Vorrichtung umfasst eine in Rotation versetzbare Antriebsrolle 9 sowie eine Anpressrolle 10, zwischen denen der Metalldraht 1 hindurchgeführt ist. Die Anpressrolle 10 drückt dabei den Metalldraht 1 gegen die Antriebsrolle 9. Bei einer Rotation der Antriebsrolle 9 in Richtung des Pfeils 13 wird der Metalldraht 1 kontinuierlich in Richtung des Pfeils 14 vorgeschoben, wobei er zwischen einem Nocken 5 und einer weiteren Anpressrolle 11 hindurch- und an einer Umlenkrolle 7 vorbeiläuft. Über die Mantelfläche 6 des Nockens 5 und die Mantelfläche 8 der Umlenkrolle 7 wird eine Führung des Metalldrahts 1 erreicht. Die Anpressrolle 11 ist dabei in Richtung des Nockens 5 über die Federkraft einer Feder 12 vorgespannt.
Wie der 2 zu entnehmen ist, stellen der Nocken 5, die Anpressrolle 11 und die Umlenkrolle 7 Mittel 4 zur Auslenkung des Metalldrahts 1 dar. Denn der Nocken 5 rotiert ebenfalls, so dass der Metalldraht 1 periodisch entgegen der Federkraft der Feder 12 bzw. quer zur Vorschubrichtung ausgelenkt wird. Auf diese Weise verlängert sich der Weg des Metalldrahts 1 zwischen der Antriebsrolle 9 bzw. der Anpressrolle 10 und der Umlenkrolle 7, so dass das Drahtende 2 zurückgezogen wird (siehe Pfeil 15).
Das Drahtende 2 des Metalldrahts 1 wird somit abwechselnd vorgeschoben und zurückgezogen, so dass es eine oszillierende Bewegung ausführt. Diese kann in einer sehr hohen Frequenz ausgeführt werden, da die Oszillation vom Vorschub des Metalldrahts 1 entkoppelt ist.
Der Darstellung der 3 ist die Position des Drahtendes 2 bzw. der Drahtspitze des Metalldrahts 1 über die Zeit zu entnehmen, wenn der Metalldraht 1 entsprechend der 1 und 2 periodisch ausgelenkt wird (Kurve B). Ohne Auslenkung würde die Drahtspitze des Metalldrahts 1 keine oszillierende Bewegung ausführen (Kurve A).
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014226425 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks, bei dem ein Metalldraht (1) im Bereich eines Drahtendes (2) lokal aufgeschmolzen und die Metallschmelze in Form von Tropfen selektiv an Stellen aufgetragen wird, die durch die Form und die Abmessungen des Werkstücks vorgegeben sind, so dass das Werkstück schichtweise auf einem Substratträger aufgebaut wird, wobei der Metalldraht (1) mittels einer Drahtvorschubvorrichtung (3) aktiv vorgeschoben wird, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgeschobene Metalldraht (1) periodisch quer zur Vorschubrichtung ausgelenkt wird, wobei das Drahtende (2) oszillierend bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Metalldraht (1) mittels eines rotierenden Nockens (5) oder Exzenters, über dessen Mantelfläche (6) der vorgeschobene Metalldraht (1) geführt wird, periodisch ausgelenkt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Metalldraht (1) mittels der Drahtvorschubvorrichtung (3) kontinuierlich und mit konstanter Geschwindigkeit vorgeschoben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Metalldraht (1) mittels eines MIG/MAG Lichtbogens aufgeschmolzen wird.
Vorrichtung zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Werkstücks aus einer Metallschmelze, die in Form von Tropfen selektiv an Stellen aufgetragen wird, die durch die Form und die Abmessungen des Werkstücks vorgegeben sind, so dass das Werkstück schichtweise auf einem Substratträger aufgebaut wird, wobei die Vorrichtung eine Drahtvorschubvorrichtung (3) für einen Metalldraht (1) umfasst, der zur Herstellung der Metallschmelze im Bereich eines Drahtendes (2) lokal aufgeschmolzen wird, gekennzeichnet durch Mittel (4) zur periodischen Auslenkung des Metalldrahts (1) quer zur Vorschubrichtung, wobei das Drahtende (2) oszillierend bewegt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (4) zur periodischen Auslenkung einen rotierenden Nocken (5) oder Exzenter umfassen, über dessen Mantelfläche (6) der Metalldraht (1) geführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (4) zur periodischen Auslenkung mindestens eine Umlenkrolle (7) umfassen, über deren Mantelfläche (8) der Metalldraht (1) geführt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Drahtvorschubvorrichtung (3) mindestens eine Antriebsrolle (9) und/oder Anpressrolle (10) umfasst, über welche der Metalldraht (1) geführt ist, wobei vorzugsweise der Nocken (5) oder Exzenter zwischen der Antriebsrolle (9) und/oder Anpressrolle (10) einerseits und der Umlenkrolle (7) andererseits angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (4) zur periodischen Auslenkung eine Anpressrolle (11) umfassen, die den Metalldraht (1) gegen den Nocken (5) oder Exzenter quer zur Vorschubrichtung vorspannt, wobei vorzugsweise die Anpressrolle (11) in Richtung des Nockens (5) oder Exzenters von der Federkraft einer Feder (12) beaufschlagt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 verwendet wird.