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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Austragen von Füllmaterial aus einem Bauteil mit einem Hohlraum, wobei der Hohlraum eine Verbindungsöffnung zur Umgebung des Bauteils aufweist, durch die das Füllmaterial aus dem Hohlraum ausgetragen werden kann. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Reinigungsvorrichtung zum Austragen von Füllmaterial, wobei der Hohlraum eine Verbindungsöffnung zur Umgebung des Bauteils aufweist. Außerdem betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Reinigungsvorrichtung. Zuletzt betrifft die Erfindung ein Computerprogrammprodukt zur Durchführung eines solchen Verfahrens sowie eine Bereitstellungsvorrichtung für ein solches Computerprogramm.
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Ein Verfahren zum Reinigen von Bauteilen, die mit einem vorzugsweise pulverbettbasierten additiven Herstellungsverfahren hergestellt wurden, ist in der
DE 10 2012 024 266 AI beschrieben. Die additiv hergestellten Bauteile können demnach in eine Kammer eingelegt werden, die durch Anlegen eines Überdruckes beziehungsweise Unterdruckes mit Luft durchspült werden und so Reste von Pulver vom additiv hergestellten Bauteil entfernen. Dabei werden die Bauteile auf einem Gitter in der Kammer fixiert, welches von der Luft durchströmt werden kann.
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Das eingangs angegebene Verfahren ist beispielsweise auch in der
US 2016/0074940 A1 beschrieben. Gemäß diesem Dokument besteht das Problem, dass Bauteile, die mittels eines additiven Verfahrens, wie z. B. Laserschmelzen, in einem Pulverbett hergestellt worden sind, anschließend von den nicht verschmolzenen Partikeln des Pulverbetts befreit werden müssen. Besondere Probleme macht dies in Hohlräumen, die in dem Bauteil hergestellt wurden. Um das Pulver aus diesen Hohlräumen entfernen zu können, weist das Bauteil Verbindungsöffnungen zwischen dem Hohlraum und der Umgebung des Bauteils auf, durch die das Pulver ausgetragen werden kann. Dazu kann das Bauteil bewegt, beispielsweise gedreht oder geschwenkt, werden, um das Pulver in der Kavität nach und nach zur Verbindungsöffnung zu transportieren. Bei komplizierten Hohlraumgeometrien beziehungsweise bei großen Hohlräumen ist dieses Verfahren zeitaufwändig und es besteht überdies die Gefahr, dass das Pulver aus dem Hohlraum nicht vollständig ausgetragen werden kann.
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Ein ähnliches Problem besteht bei der additiven Herstellung von Bauteilen in Flüssigkeiten, wie dies beispielsweise bei der Stereolithographie der Fall ist. Das Bauteil wird durch lokale Verfestigung eines flüssigen Materials (beispielsweise einer Harzverbindung) hergestellt, wobei in hergestellten Hohlräumen das flüssige Rohmaterial verbleibt. Dieses ist ebenso wie das Pulver als Füllmaterial in den Hohlräumen aufzufassen. Dies kann durch Verbindungsöffnungen im Bauteil herausfließen, wobei das Bauteil abhängig von der Geometrie des Hohlraums ebenfalls geschwenkt oder gedreht werden muss.
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Zuletzt muss das eingangs angegebene Verfahren auch angewendet werden, wenn Hohlräume von gegossenen oder gespritzten Bauteilen von dem Kernmaterial befreit werden müssen, welches zur Ausbildung von Hohlräumen in die Gussform eingelegt wurde. Das Kernmaterial stellt insofern auch ein Füllmaterial dar, welches sich im Hohlraum eines Bauteils befinden kann. Dieses kann je nach Materialbeschaffenheit ausgeschmolzen, aufgelöst oder mechanisch zerstört werden, wobei das Füllmaterial auf diesem Wege fließfähig wird und durch die Verbindungsöffnung aus dem Bauteil herausfließen kann.
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Als additive Fertigungsverfahren sind neben den flüssigkeitsbasierten außerdem die pulverbettbasierten Fertigungsverfahren zu nennen, weil Bauteile, die im Pulverbett mit einem Hohlraum hergestellt werden, automatisch mit dem Material des Pulverbetts als Füllmaterial gefüllt sind. Im Einzelnen sind Verfahren anwendbar, bei denen das Material, aus dem ein Bauteil hergestellt werden soll, dem Bauteil während der Entstehung hinzugefügt wird. Dabei entsteht das Bauteil bereits in seiner endgültigen Gestalt oder zumindest annähernd in dieser Gestalt. Das Baumaterial kann beispielsweise pulverförmig oder flüssig sein, wobei durch das additive Fertigungsverfahren das Material zur Herstellung des Bauteils chemisch oder physikalisch verfestigt wird.
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Um das Bauteil herstellen zu können, werden das Bauteil beschreibende Daten (CAD-Modell) für das gewählte additive Fertigungsverfahren aufbereitet. Die Daten werden zur Erstellung von Anweisungen für die Fertigungsanlage in an das Fertigungsverfahren angepasste Daten des Bauteils umgewandelt, damit in der Fertigungsanlage die geeigneten Prozessschritte zur sukzessiven Herstellung des Bauteils ablaufen können. Die Daten werden dafür so aufbereitet, dass die geometrischen Daten für die jeweils herzustellenden Lagen (Slices) des Bauteils zur Verfügung stehen, was auch als Slicen bezeichnet wird.
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Als Beispiele für das additive Fertigen können das selektive Lasersintern (auch SLS für Selective Laser Sintering), das Selektive Laserschmelzen (auch SLM für Selective Laser Melting) und das Elektronenstrahlschmelzen (auch EBM für Electron Beam Melting) genannt werden. Diese Verfahren eignen sich insbesondere zur Verarbeitung von metallischen Werkstoffen in Form von Pulvern, mit denen Konstruktionsbauteile hergestellt werden können.
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Beim SLM, SLS und EBM werden die Bauteile lagenweise in einem Pulverbett hergestellt. Diese Verfahren werden daher auch als pulverbettbasierte additive Fertigungsverfahren bezeichnet. Es wird jeweils eine Lage des Pulvers in dem Pulverbett erzeugt, die durch die Energiequelle (Laser oder Elektronenstrahl) anschließend in denjenigen Bereichen lokal aufgeschmolzen oder gesintert wird, in denen das Bauteil entstehen soll. So wird das Bauteil sukzessive lagenweise erzeugt und kann nach Fertigstellung dem Pulverbett entnommen werden.
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Es besteht der Wunsch, Füllmaterial aus Hohlräumen von Bauteilen möglichst vollständig und in möglichst kurzer Zeit entfernen zu können. Die Aufgabe der Erfindung liegt daher darin, ein Verfahren zum Austragen von Füllmaterial aus einem Bauteil anzugeben, mit dem der Austrag von Füllmaterial möglichst vollständig und in möglichst kurzer Zeit erledigt werden kann. Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung, Mittel zur Umsetzung dieses Verfahrens und ein Verfahren zu deren Herstellung anzugeben. Zuletzt ist es auch Aufgabe der Erfindung, ein Computerprogramm zur Durchführung des Herstellungsverfahrens sowie eine Bereitstellungsvorrichtung für dieses Computerprogramm anzugeben.
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Die Aufgabe wird mit dem eingangs angegebenen Verfahren zum Austragen von Füllmaterial erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass über der Verbindungsöffnung eine Reinigungsvorrichtung mit einem Spülkanal und einer Saugkammer platziert wird. Der Spülkanal wird mit einem Mundstück auf eine die Verbindungsöffnung umgebende Oberfläche des Bauteils aufgesetzt, wobei dadurch eine erste Kante des Mundstücks rund um die Verbindungsöffnung herum, d. h. in einem geschlossenen Linienzug, auf der Oberfläche des Bauteils anliegt. Die erste Kante ist somit ringförmig geschlossen, so dass die Öffnung auf der Oberfläche rundherum durch die Kante abgedichtet werden kann. Außerdem wird die Saugkammer mit einer Saugöffnung auf die Oberfläche des Bauteils aufgesetzt, wobei eine zweite Kante der Saugöffnung außerhalb der Verbindungsöffnung in einem geschlossenen Linienzug auf der Oberfläche des Bauteils anliegt und die Saugöffnung außerhalb der Verbindungsöffnung liegt. Da die zweite Kante außerhalb der Verbindungsöffnung auf der Oberfläche des Bauteils anliegt, kann in der Saugkammer ein Unterdruck erzeugt werden, mit dem die Reinigungsvorrichtung vorteilhaft zuverlässig auf dem Bauteil fixiert werden kann.
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Über den Spülkanal kann wegen der durch die Saugkammer erzeugten Haltekraft vorteilhaft sowohl ein Unterdruck als auch ein Überdruck angelegt werden, wodurch in dem Hohlraum eine Spülung mit dem Spülmedium, vorzugsweise Luft (wahlweise aber auch einem Spülgas, beispielsweise einem Inertgas oder Stickstoff) oder einer Spülflüssigkeit (beispielsweise Wasser) ermöglicht wird. Dies bewirkt, dass die Pulverpartikel oder ein anderes Baumaterial wie z.B. ein nicht ausgehärtetes Polymer durch die Wechselbeanspruchung gelockert und/oder durchmischt werden, so dass ein Austrag an Füllmaterial aus dem additiv hergestellten Bauteil erfolgen kann. Selbstverständlich ist das Verfahren auch geeignet, Bauteile mit Hohlräumen zu reinigen und dabei Füllmaterial auszutragen, wenn diese Bauteile nicht mit einem additiven Herstellungsverfahren hergestellt wurden.
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Der Unterdruck in der Saugkammer bewirkt vorteilhaft, dass beim Austragen von Füllmaterial auch ein Überdruck an den Hohlraum angelegt werden kann, ohne dass die Reinigungsvorrichtung von der Oberfläche des Bauteils abhebt. Dabei muss die Haltekraft, die durch den Unterdruck in der Saugkammer erzeugt wird, größer sein, als die resultierende Druckkraft, die durch Anlegen des Überdruckes in den Spülkanal zwischen der Reinigungsvorrichtung und dem Bauteil erzeugt wird. Bei einer Abschätzung der wirkenden Kräfte an der Reinigungsvorrichtung kann die Saugkraft zum Fixieren der Reinigungsvorrichtung berechnet werden aus dem Produkt des anliegenden Unterdruckes und der Querschnittsfläche der Saugöffnung. Die tatsächlich vorliegende Abhebekraft (der Saugkraft entgegen gerichtet), die durch Anlegen eines Überdrucks im Saugkanal erzeugt wird, ist schwieriger zu berechnen, da diese auch von dem Widerstand des Füllmaterials in dem Hohlraum abhängig ist. Da sie auf jeden Fall jedoch geringer ist, als wenn keine Öffnung innerhalb der ersten Kante des Spülkanals vorhanden wäre, muss die Abhebekraft auf jeden Fall kleiner sein als das Produkt des Überdruckes und der Querschnittsfläche, welche durch die erste Kante auf der Oberfläche des Bauteils abgedeckt wird. Für eine Verfahrensführung beziehungsweise Auslegung der Reinigungsvorrichtung kann die Auslegungsregel verwendet werden, dass das Produkt aus Querschnittsfläche der Saugöffnung und anzulegendem Unterdruck betragsmäßig mindestens so groß ist wie der Betrag des Produktes der Fläche der Spülkanalöffnung auf der Oberfläche des Bauteils und dem anzuliegenden Überdruck. Vorzugsweise kann das Verhältnis zwischen dem Betrag des genannten Produkts der Saugöffnung zum Betrag des genannten Produkts der Spülöffnung auch 1,2 - noch bevorzugter 1,5 und noch bevorzugter 2 betragen, wodurch vorteilhaft die Sicherheit gegenüber einem Abheben weiter vergrößert wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Saugkammer und die Saugöffnung das Mundstück ringförmig umgeben. In diesem Fall ist es vorteilhaft möglich, die Kraftverteilung aufgrund der Saugkraft gleichmäßig um die Spülöffnung herum anzuordnen, wodurch vorteilhaft ein besonders sicherer Sitz der Reinigungsvorrichtung auf der Oberfläche des Bauteils ermöglicht wird. Dabei kann bevorzugt die erste Kante, die die Spülöffnung des Spülkanals auf der Oberfläche des Bauteils abdichtet, gleichzeitig auch die Saugöffnung vom Spülkanal trennen. Die Wandung des Spülkanals bildet dabei sozusagen gleichzeitig eine Wandung der Saugkammer, so dass die Saugöffnung sowohl durch die erste Kante als auch durch die zweite Kante abgedichtet wird. Hierdurch ist vorteilhaft ein besonders einfacher und kompakter Aufbau der Reinigungsvorrichtung möglich. Außerdem können bei einer Druckbeaufschlagung des Spülkanals bei Auftreten von Undichtigkeiten an der ersten Kante Materialreste, die die erste Kante nach außen passieren, über die Saugkammer abgeführt werden, so dass diese nicht in die Umwelt gelangen.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die erste Kante und/oder die zweite Kante mit einer Dichtlippe ausgestattet. Die Dichtlippe überbrückt vorteilhaft eventuelle Toleranzen zwischen der Oberfläche des Bauteils der ersten und/oder zweiten Kante. Sie ist aus einem Material gefertigt, welches im Vergleich zu dem Material der restlichen Reinigungsvorrichtung (also den den Spülkanal und die Saugkammer bildenden Wandungen) elastischer ausgebildet ist.
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Gemäß einer besonderen Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass über die Reinigungsvorrichtung abwechselnd ein Überdruck und ein Unterdruck an den Spülkanal angelegt wird. Hierbei kommt es in dem Hohlraum zu Verwirbelungen, welche das Füllmaterial lockern und dadurch den Austrag vereinfachen. Auch schwer zugängliche Teilbereiche des Hohlraums lassen sich vorteilhaft auf diesem Wege effektiv vom Füllmaterial reinigen. Insbesondere kann auf diesem Weg auch ein Hohlraum gereinigt werden, welcher nur eine Verbindungsöffnung aufweist, so dass der Durchfluss eines Spülmittels nicht möglich ist.
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Vorteilhaft kann auch vorgesehen werden, dass das Bauteil zum Austragen des Füllmaterials in eine Reinigungskammer eingelegt wird. Innerhalb der Reinigungskammer wird die Reinigungsvorrichtung in bereits beschriebener Weise auf das Bauteil aufgesetzt. Die Reinigungskammer ermöglicht es vorteilhaft, dass eventuell außerhalb der Reinigungsvorrichtung austretendes Füllmaterial aufgefangen werden kann. Dieses Füllmaterial kann beispielsweise durch Öffnungen aus dem Hohlraum des Bauteils austreten, die nicht durch die Reinigungsvorrichtung verschlossen sind. Außerdem ermöglicht die Reinigungskammer vorteilhaft, dass außerhalb der Reinigungsvorrichtung auch ein Überdruck oder Unterdruck an den Hohlraum angelegt werden kann, wenn dieser mehrere Verbindungsöffnungen zur Oberfläche aufweist. Dies unterstützt das Reinigungsverfahren vorteilhaft zusätzlich. Das Anlegen eines Überdrucks bewirkt vorteilhaft zusätzlich, dass das Füllmaterial nicht aus Öffnungen des Werkstücks austritt, die nicht durch die Reinigungsvorrichtung verschlossen sind. Das Füllmaterial wird von diesen Öffnungen durch den und Unterdruck in Richtung der Reinigungsvorrichtung transportiert, wenn in dieser ein angelegter Unterdruck nicht größer ist.
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Weiterhin wird die Aufgabe durch eine eingangs angegebene Reinigungsvorrichtung zum Austragen von Füllmaterial dadurch gelöst, dass die Reinigungsvorrichtung mit einem Spülkanal für die Verbindungsöffnung und einer Saugkammer ausgestattet ist, wobei der Spülkanal ein Mundstück aufweist, mit einer ersten Kante, welche rund um die Verbindungsöffnung auf der Oberfläche eines dazu passenden Bauteils aufsetzbar ist. Außerdem weist die Saugkammer eine Saugöffnung auf, mit einer zweiten Kante, wobei die Saugkammer mit der Saugöffnung außerhalb der Verbindungsöffnung auf die Oberfläche des Bauteils aufsetzbar ist. Mit der Reinigungsvorrichtung kann das oben angegebene Verfahren durchgeführt werden, wobei die Verwendung der Reinigungsvorrichtung mit den zum Verfahren angegebenen Vorteilen verbunden ist. Die mit der Reinigungsvorrichtung erzielbaren Vorteile werden daher an dieser Stelle nicht noch einmal erläutert.
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Weiterhin wird die Aufgabe mit dem eingangs angegebenen Verfahren zum Herstellen einer Reinigungsvorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Mundstück mit der ersten Kante und die Saugöffnung mit der zweiten Kante als Negativform eines Oberflächenbereiches des Bauteils, auf den die Reinigungsvorrichtung aufgesetzt werden soll, gefertigt wird. Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, auch bei einer komplizierten Bauteilgeometrie eine zuverlässige Funktion der Reinigungsvorrichtung zu gewährleisten. Dadurch, dass die Reinigungsvorrichtung eine geometrische Schnittstelle bildet, die als Negativform des Oberflächenbereichs des Bauteils ausgebildet ist, auf den sie aufgesetzt wird, dichten die erste Kante und die zweite Kante den Spülkanal und die Saugöffnung optimal ab. Das eingangs angegebene Verfahren zur Reinigung kann daher mit einer hohen Effektivität ausgeführt werden.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Negativform der Reinigungsvorrichtung aus einem die Geometrie des Bauteils beschreibenden Datensatz berechnet wird. Der Datensatz kann beispielsweise durch ein CAD-System zur Verfügung gestellt werden, so dass die Berechnung der Negativform vorteilhaft mit einer hohen Genauigkeit möglich ist. Dabei können aufwendige Verfahrensschritte der Vermessung der Oberfläche des Bauteils eingespart werden.
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CAD-Daten von herzustellenden Bauteilen sind durch die verbreitete Anwendung von computergestützten Fertigungsmethoden vorteilhaft fast immer verfügbar. Insbesondere, wenn das Bauteil mit einem additiven Herstellungsverfahren hergestellt wird, ist die Erstellung eines entsprechenden CAD-Datensatzes zwingend erforderlich. Besonders vorteilhaft kann auch die Reinigungsvorrichtung mit einem additiven Fertigungsverfahren hergestellt werden. Bevorzugt ist es sogar möglich, die Reinigungsvorrichtung mit demselben additiven Fertigungsverfahren herzustellen und insbesondere auch in demselben Fertigungsgang, in dem auch das zugehörige Bauteil hergestellt wird. Hierdurch können vorteilhaft Rüstzeiten eingespart werden, die mit der getrennten Herstellung der Reinigungsvorrichtung verbunden wären.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Reinigungsvorrichtung aus zwei Baumaterialien hergestellt wird, wobei ein das Mundstück und die Saugkammer aufweisender Grundkörper aus einem ersten Baumaterial und eine Dichtlippe an der ersten Kante und/oder an der zweiten Kante aus dem zweiten Baumaterial hergestellt wird. Dabei ist das zweite Baumaterial vorzugsweise ein Baumaterial mit einer höheren Elastizität als das erste Baumaterial, wodurch bei einem Aufsetzen der Dichtlippe auf die Oberfläche des Bauteils Toleranzen ausgeglichen werden können. Vorteilhaft lässt sich daher eine verbesserte Dichtwirkung erzielen.
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Des Weiteren wird ein Computerprogrammprodukt mit Programmbefehlen zur Durchführung des genannten erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder dessen Ausführungsbeispielen beansprucht, wobei mittels des Computerprogrammprodukts jeweils das erfindungsgemäße Verfahren und/oder dessen Ausführungsbeispiele durchführbar sind.
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Zusätzlich wird eine Variante des Computerprogrammproduktes mit Programmbefehlen zur Konfiguration einer Fertigungsanlage zum additiven Fertigen beansprucht, wobei das Erstellungsgerät mit den Programmbefehlen derart konfiguriert wird, dass die genannte erfindungsgemäße Reinigungsvorrichtung erzeugt wird.
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Darüber hinaus wird eine Bereitstellungsvorrichtung zum Speichern und/oder Bereitstellen des Computerprogrammprodukts beansprucht. Die Bereitstellungsvorrichtung ist beispielsweise ein Datenträger, der das Computerprogrammprodukt speichert und/oder bereitstellt. Alternativ und/oder zusätzlich ist die Bereitstellungsvorrichtung beispielsweise ein Netzwerkdienst, ein Computersystem, ein Serversystem, insbesondere ein verteiltes Computersystem, ein cloudbasiertes Rechnersystem und/oder virtuelles Rechnersystem, welches das Computerprogrammprodukt vorzugsweise in Form eines Datenstroms speichert und/oder bereitstellt.
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Diese Bereitstellung erfolgt beispielsweise als Download in Form eines Programmdatenblocks und/oder Befehlsdatenblocks, vorzugsweise als Datei, insbesondere als Downloaddatei, oder als Datenstrom, insbesondere als Downloaddatenstrom, des vollständigen Computerprogrammprodukts. Diese Bereitstellung kann beispielsweise aber auch als partieller Download erfolgen, der aus mehreren Teilen besteht und insbesondere über ein Peer-to-Peer Netzwerk heruntergeladen oder als Datenstrom bereitgestellt wird. Ein solches Computerprogrammprodukt wird beispielsweise unter Verwendung der Bereitstellungsvorrichtung in Form des Datenträgers in ein System eingelesen und führt die Programmbefehle aus, sodass das erfindungsgemäße Verfahren auf einem Computer zur Ausführung gebracht wird oder das Erstellungsgerät derart konfiguriert, dass dieses das erfindungsgemäße Werkstück erzeugt.
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Sofern es in der nachfolgenden Beschreibung nicht anders angegeben ist, beziehen sich die Begriffe „erstellen“, „berechnen“, „rechnen“, „feststellen“, „generieren“, „konfigurieren“, „modifizieren“ und dergleichen, vorzugsweise auf Handlungen und/oder Prozesse und/oder Verarbeitungsschritte, die Daten verändern und/oder erzeugen und/oder die Daten in andere Daten überführen, wobei die Daten insbesondere als physikalische Größen dargestellt werden oder vorliegen können, beispielsweise als elektrische Impulse. Insbesondere ist der Ausdruck „Computer“ breit auszulegen, um alle elektronischen Geräte mit Datenverarbeitungseigenschaften abzudecken. Computer können somit beispielsweise Personal Computer, Server, Handheld-Computer-Systeme, Pocket-PC-Geräte, Mobilfunkgeräte und andere Kommunikationsgeräte, die rechnergestützt Daten verarbeiten können, Prozessoren und andere elektronische Geräte zur Datenverarbeitung sein, die vorzugsweise auch zu einem Netzwerk zusammengeschlossen sein können.
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Unter „rechnergestützt“ kann im Zusammenhang mit der Erfindung beispielsweise eine Implementierung des Verfahrens verstanden werden, bei dem ein Computer oder mehrere Computer mindestens einen Verfahrensschritt des Verfahrens ausführt oder ausführen.
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Unter einem „Prozessor“ kann im Zusammenhang mit der Erfindung beispielsweise eine Maschine oder eine elektronische Schaltung verstanden werden. Bei einem Prozessor kann es sich insbesondere um einen Hauptprozessor (engl. Central Processing Unit, CPU), einen Mikroprozessor oder einen Mikrokontroller, beispielsweise eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung oder einen digitalen Signalprozessor, möglicherweise in Kombination mit einer Speichereinheit zum Speichern von Programmbefehlen, etc. handeln. Bei einem Prozessor kann es sich beispielsweise auch um einen IC (integrierter Schaltkreis, engl. Integrated Circuit), insbesondere einen FPGA (engl. Field Programmable Gate Array) oder einen ASIC (anwendungsspezifische integrierte Schaltung, engl. Application-Specific Integrated Circuit), oder einen DSP (Digitaler Signalprozessor, engl. Digital Signal Processor) handeln. Auch kann unter einem Prozessor ein virtualisierter Prozessor oder eine Soft-CPU verstanden werden. Es kann sich beispielsweise auch um einen programmierbaren Prozessor handeln, der mit einer Konfiguration zur Ausführung des genannten erfindungsgemäßen Verfahrens ausgerüstet ist.
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Unter einer „Speichereinheit“ kann im Zusammenhang mit der Erfindung beispielsweise ein computerlesbarer Speicher in Form eines Arbeitsspeichers (engl. Random-Access Memory, RAM) oder einer Festplatte verstanden werden.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben.
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Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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Es zeigen:
- 1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Reinigen mittels eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Reinigungsvorrichtung schematisch geschnitten,
- 2 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen des Ausführungsbeispiels der Reinigungsvorrichtung gemäß 1 durch ein Pulverbett basiertes additives Fertigungsverfahren schematisch geschnitten,
- 3 ein anderes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Reinigungsvorrichtung schematisch geschnitten,
- 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Reinigungsvorrichtung mit einer Reinigungskammer schematisch als Blockschaltbild,
- 5 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung der Reinigungsvorrichtung als Ablaufdiagramm.
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In 1 ist ein Bauteil 11 schematisch dargestellt. Dieses weist einen Hohlraum 12 auf, der zwei Verbindungsöffnungen 13 nach außen besitzt. Die Verbindungsöffnungen verbinden somit den Hohlraum 12 mit einer Oberfläche 14 des Bauteils. Die Oberfläche 14 ist in der in 1 nach oben zeigenden Richtung nicht eben, sondern weist ein Profil auf.
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Auf den profilierten Teil der Oberfläche 14, die auch von der Verbindungsöffnung 13 durchstoßen wird, wird eine Reinigungsvorrichtung 15 aufgesetzt, die zum Reinigen des Hohlraums 13 vorgesehen ist. In diesem befindet sich nämlich ein Füllmaterial 16 in Form eines Pulvers, welches in Folge des Herstellungsverfahrens für das Bauteil (zum Beispiel durch SLM oder EBM) enthalten ist. Die Reinigungsvorrichtung ist in ihrem Profil an das Profil der Oberfläche 14 angepasst, so dass diese über Dichtlippen 17a, 17b fest auf die Oberfläche des Bauteils 14 aufgesetzt werden kann.
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Die Reinigungsvorrichtung 15 weist eine Spülkanal 18 und eine Saugkammer 19 auf. Der Spülkanal 18 wird mit einem Mundstück 20 derart oberhalb der Verbindungsöffnung 13 platziert, dass eine erste Kante 21, die durch die Dichtlippe 17a gebildet wird, direkt auf der die Verbindungsöffnung 13 und umgebende Oberfläche 14 abdichtet. Die Saugkammer 19 umgibt den Spülkanal 18 ringförmig und weist eine zweite Kante 22 auf, die durch eine Dichtlippe 17b gebildet ist, mit der diese zweite Kante 22 ebenfalls dichtend auf die profilierte Oberfläche 14 aufgesetzt werden kann. Damit bildet die Saugkammer 19 zwischen den Dichtlippen 17a, 17b eine ringförmige Saugöffnung 23 aus.
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Nachdem die Saugvorrichtung 15 auf das Bauteil 11 aufgesetzt wurde, stützt sich die erste Kante 21 rund um die Verbindungsöffnung 13 auf der Oberfläche 14 ab, da die Saugöffnung 20 einen größeren Querschnitt aufweist, als die Verbindungsöffnung 13. Ebenso stützt sich die zweite Kante 22 auf der Oberfläche 14 ab. Damit werden das Mundstück 20 und die Saugöffnung 23 gegenüber der Umgebung abgedichtet. Die erste Kante 21 des Mundstücks 20 kann im Vergleich zur zweiten Kante 22 unter Berücksichtigung des Profils der Oberfläche 14 hervorstehen, so dass der Anpressdruck der ersten Kante 21 im Vergleich zu dem Anpressdruck der zweiten Kante 22 erhöht ist und damit eine bessere Dichtwirkung zustande kommt.
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Die Saugkammer 19 wird entsprechend des angedeuteten Pfeils 24 über einen Anschlussstutzen 30 mit einem Unterdruck beaufschlagt, so dass über die Saugöffnung 23 eine Anpresskraft der Reinigungsvorrichtung 15 auf der Oberfläche 14 bewirkt wird. Daher kann der Spülkanal über einen weiteren Anschlussstutzen 29 sowohl mit einem Überdruck als auch mit einem Unterdruck beaufschlagt werden (dargestellt durch einen Doppelpfeil 25), wodurch eine Spülwirkung zustande kommt. Auf diesem Weg wird das Spülmaterial 16 sukzessive aus dem Hohlraum 12 ausgetragen. Die Anschlussstutzen 29, 30 dienen zur Befestigung von Schläuchen 31, über die de Unterdruck oder Überdruck angelegt werden kann.
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Gemäß 2 ist ein additives Fertigungsverfahren für das Bauteil 11 in einem Pulverbett 26 dargestellt. Das Pulver wird mittels eines Laserstrahls 27 verfestigt (Anwendung eines SLM). Gleichzeitig mit dem Bauteil 11 wird auch die Reinigungsvorrichtung 15 gemäß 1 in dem Pulverbett 26 hergestellt. Diese wird konturnah an der Stelle der Oberfläche 14 des Bauteils 11 im Pulverbett hergestellt, wo diese später auch aufgesetzt wird. Dabei wird während der Herstellung die Reinigungsvorrichtung 15 über Stützstrukturen 28 der Oberfläche 14 des Bauteils 11 verbunden. Diese sind herstellungsbedingt vorzusehen und gewährleisten überdies die Maßhaltigkeit der Saugvorrichtung 15. Nach der Herstellung wird die Saugvorrichtung 15 von dem Bauteil 11 getrennt, indem die Stützstrukturen 28 entfernt werden.
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Die konturnahe Herstellung der Reinigungsvorrichtung 15 führt zu einer genauen Anpassung der ersten Kante 21 und der zweiten Kante 22 an das Profil der Oberfläche 14 des Bauteils 11. Daher wird gemäß 2 auf eine Herstellung von Dichtlippen verzichtet. Diese können, wie 3 zu entnehmen ist, bei Toleranzproblemen allerdings nachträglich als Dichtlippen 17a, 17b aufgesetzt werden und bilden dann elastische Kanten 21, 22. Hierfür können standardisierte Dichtungsbauteile verwendet werden. Alternativ kann die Reinigungsvorrichtung auch mit dem Material der Dichtlippen umspritzt werden. Zuletzt können auch Fertigungsverfahren für die Reinigungsvorrichtung zur Anwendung kommen, die eine Herstellung im Mehrkomponentenverfahren erlauben, zum Beispiel das Mehrkomponentenspritzgießen. Es ist auch möglich, Bauteile aus mehreren Komponenten mittels additiver Fertigungsverfahren herzustellen, beispielsweise durch Fused Deposition Modeling, auch Freiform-Filamentextrusion genannt.
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In den 2 und 3 sind die Reinigungsvorrichtungen so dargestellt, dass der jeweilige Anschlussstutzen 30 für den Unterdruck 24 außerhalb der Schnittlinie liegt. Der jeweilige Anschlussstutzen 29 ist allerdings zu erkennen. Außerdem ist die Reinigungsvorrichtung 15 gemäß 3 für eine ebene Oberfläche ausgelegt (und unterscheidet sich darin auch von der Reinigungsvorrichtung gemäß 2), so dass dieses Bauteil universell für Verbindungsöffnungen verwendet werden kann, die sich zu einer ebenen Oberfläche eines Bauteils öffnen und eine geringere Querschnittsfläche aufweisen, als das Mundstück 20.
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Gemäß 4 ist die Reinigungsvorrichtung 15 in eine Reinigungsanlage 32 integriert, die auch eine Reinigungskammer 33 aufweist. In diese Reinigungskammer 33 wird das Bauteil 11 eingelegt und die Reinigungsvorrichtung 15 aufgesetzt. Die Reinigungsanlage 32 weist außerdem ein Leitungssystem auf, mit dem die Fluidisierung des Füllmaterials (in 4 nicht dargestellt) erfolgt.
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Hierzu ist ein Druckbehälter 34 und ein Unterdruckbehälter 35 vorgesehen, wobei eine Pumpe 36 über eine Verbindungsleitung 37 sowohl den Unterdruck im Unterdruckbehälter 35 als auch den Überdruck in dem Druckbehälter 34 aufbauen kann. Als Spülmedium können Luft, Stickstoff oder Argon als Gase oder als Flüssigkeiten Leitungswasser, Betriebswasser eines Reinigungsbades mit Detergenzien und/oder oberflächenaktiven Substanzen und/oder korrosionsschützenden Substanzen, entionisiertes Wasser, Ethanol, Isopropanol, Aceton, Kohlenwasserstoffgemische, Dimethylformamid, Öl oder chemisch aktive Substanzen zum Zersetzen des Füllmaterial verwendet werden. Mischungen dieser Substanzen sind ebenfalls denkbar.
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Die Saugkammer (in 4 nicht dargestellt) ist über eine erste Leitung 38 mit dem Unterdruckbehälter 35 verbunden. Ein Unterdruck in der Saugkammer kann durch Öffnen eines ersten Ventils 39 aufgebaut werden. Eine zweite Leitung 40 führt über einen Abscheider 41 ebenfalls in den Unterdruckbehälter 35. Durch Öffnen eines zweiten Ventils 42 kann über die zweite Leitung 40 der Spülkanal (in 4 nicht dargestellt) mit einem Unterdruck beaufschlagt werden. Ebenso kann mittels der zweiten Leitung 40 durch Öffnen eines dritten Ventils 43 die Reinigungskammer 33 mit einem Unterdruck beaufschlagt werden. Eine dritte Leitung 44 ist mit dem Druckbehälter 34 verbunden. Durch Öffnen eines vierten Ventils 45 kann mittels der dritten Leitung 44 der Spülkanal 18 (in 4 nicht dargestellt) mit einem Überdruck beaufschlagt werden, ebenso über ein fünftes Ventil 46 die Reinigungskammer.
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Sowohl in der Reinigungskammer 33 als auch im Abscheider 41 sammelt sich am Boden das ausgetragene Füllmaterial (nicht dargestellt). Dieses Füllmaterial kann über Ventile 47 aus der Reinigungskammer 33 und dem Abscheider 41 entnommen werden. Dies kann beispielsweise mit Druckluftunterstützung aus dem Druckbehälter 34 durch Öffnen der Ventile 42, 45 und 46 erfolgen. Alternativ kann auch ein anderes druckbeaufschlagtes Medium zum Einsatz kommen, beispielsweise eine Reinigungsflüssigkeit.
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Weitere Ventile können zur Unterstützung der Funktion der Reinigungsvorrichtung vorgesehen werden. Diese sind jedoch in 4 nicht dargestellt. Beispielsweise könnten zwischen dem Unterdruckbehälter 35 und der Pumpe 36 sowie zwischen der Pumpe 36 und dem Druckbehälter 34 Ventile vorgesehen werden. Zur Unterstützung des Austrags von Füllmaterial aus dem Abscheider 41 könnte in der Leitung 40 zwischen zum Unterdruckbehälter 35 in ein weiteres Ventil vorgesehen werden.
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Zur Ansteuerung der Ventile und Durchführung des Verfahrens ist eine Kontrolleinheit CRL vorgesehen. Diese ist durch gestrichelt dargestellte Leitungen mit den genannten Ventilen verbunden. Durch gezieltes Öffnen je eines Teils der Ventile 43, 43, 45, 46 in der oben genannten Weise kann der Hohlraum 12 mit einem Überdruck oder mit einem Unterdruck beaufschlagt werden. Um das Material zu fluidisieren kann auch abwechselnd ein Überdruck und ein Unterdruck in dem Hohlraum erzeugt werden, wobei die Steuerung CRL hierzu eine für die Fluidisierung geeignete Frequenz vorgibt.
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Gemäß 5 sind Schritte einer Erzeugung einer an die Oberfläche eines herzustellenden Bauteils angepassten Reinigungsvorrichtung dargestellt. In einem ersten Schritt wird ein Konstruktionsprogramm CAD verwendet um die Geometrie eines herzustellenden Bauteils mit Hohlraum zu bestimmen. Hierdurch entsteht ein die Geometrie des Bauteils definierender Datensatz PAR. Optional kann mittels eines Simulationsprogramms SIM überprüft werden, ob die Entleerung des Hohlraums von Füllmaterial Probleme aufwirft wenn das Bauteil beispielsweise durch Laserschmelzen hergestellt werden soll und nach Herstellung mit Pulver gefüllt ist.
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Wenn Probleme auftreten, wird mittels des Konstruktionsprogramms CAD ein die Geometrie einer geeigneten Reinigungsvorrichtung beschreibender Datensatz SUC erzeugt. Hierbei kommt ein Programmmodul C1 zum Einsatz, mit dessen Hilfe automatisch die Geometrie der Oberfläche des Bauteils um die Verbindungsöffnung herum auf die Geometrie der Reinigungsvorrichtung derart übertragen wird, dass die erste Kante und die zweite Kante der Reinigungsvorrichtung eine Negativform der Oberfläche des Bauteils um die zu verwendende Verbindungsöffnung beschreibt. Diese Negativform kann dann mit einer bereits gespeicherten Standardgeometrie der Reinigungsvorrichtung kombiniert werden. Diese Standardgeometrie gibt beispielsweise die Anschlüsse des Saugstutzens und der Saugkammer für entsprechende Schlauchleitungen vor (vgl. 1). Hierbei entsteht ein Fertigungsdatensatz PRO oder alternativ zwei Fertigungsdatensätze PRO.
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Wird ein Fertigungsdatensatz PRO generiert, so kann die Reinigungsvorrichtung gemeinsam mit dem Bauteil in einem Fertigungsgang hergestellt werden, wobei ein Programmmodul C2 eine Positionierung der Reinigungsvorrichtung im Verhältnis zum Bauteil vornimmt und eventuell Stützstrukturen berechnet, die für die Herstellung erforderlich sind (vgl. 2). Werden zwei Fertigungsdatensätze PRO verwendet, so ist es auch möglich, dass das Bauteil und die Reinigungsvorrichtung getrennt voneinander hergestellt werden.
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Nach der Herstellung ist optional eine Nachbehandlung AFT notwendig, um beispielsweise die Reinigungsvorrichtung von dem Bauteil zu trennen. Weiterhin können an die Reinigungsvorrichtung nachträglich noch Dichtlippen angesetzt werden (vgl. 3).
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012024266 [0002]
- US 2016/0074940 A1 [0003]
