DE102017217682A1

DE102017217682A1 - Verfahren zur schichtweisen additiven Herstellung dreidimensional ausgebildeter Bauteile

Info

Publication number: DE102017217682A1
Application number: DE102017217682.2A
Authority: DE
Inventors: Uwe Scheithauer; Steven Weingarten; Eric Schwarzer; Robert Johne; Philipp Horn; Johannes Abel
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2017-10-05
Filing date: 2017-10-05
Publication date: 2019-04-11
Also published as: WO2019068792A1

Abstract

Bei dem Verfahren zur schichtweisen additiven Herstellung dreidimensional ausgebildeter Bauteile wird ein pulverförmiger oder in pastöser Form vorliegender Werkstoff schichtweise einer vorgegebenen Kontur entsprechend auf einer Bauplattform oder einer Oberfläche eines Bauteils übereinander aufgetragen. Nach oder unmittelbar bei dem Auftrag des Werkstoffs einer Schicht erfolgt eine ortsaufgelöste Erfassung der Höhe des aufgetragenen Werkstoffs ausgehend von der Oberfläche der Bauplattform bis zur Oberfläche der obersten Schicht oder es wird der Abstand der Oberfläche des aufgetragenen Werkstoffs an der bis dahin obersten Schicht zu mindestens einem Abstandssensor bestimmt. Die jeweiligen Höhen oder Abstände werden mit vorgegebenen Sollwerten verglichen, so dass bei einer erfassten Abweichung mit zu geringer Höhe oder zu großem Abstand, dort zusätzlich Werkstoff aufgetragen wird, bevor eine weitere Schicht auf der Oberfläche aufgebracht wird oder bei einer erfassten Abweichung mit zu großer Höhe oder zu kleinem Abstand, dort eine kleinere Menge an Werkstoff aufgetragen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur schichtweisen additiven Herstellung dreidimensional ausgebildeter Bauteile. Mit solchen Verfahren können Bauteile flexible und mit Geometrien hergestellt werden, die mit herkömmlichen Gießverfahren oder Verfahren bei denen eine spanende Bearbeitung erfolgt, nicht oder nur sehr aufwändig herstellbar sind.
Die Erfindung soll nicht bei additiven Verfahren eingesetzt werden, bei denen pulverförmiger Werkstoff schichtweise aufgetragen und dann lokal definiert unter dem Einfluss eines auslenkbaren Energiestrahls oder über die Einbringung einer Binderflüssigkeit eine Verfestigung des Werkstoffs in der jeweiligen obersten Schicht durchgeführt wird. Dies sind beispielsweise das selektive Lasersintern oder das selektive Laserschmelzen bzw. der 3D Pulverdruck (binder jetting).
Zur Ausbildung dreidimensionaler Bauteile ist es bekannt, pulverförmigen Werkstoff oder einen Werkstoff mit pastöser Konsistenz schichtweise so auf einer Bauplattform aufzubringen, dass die einzelnen Schichten unterschiedliche Konturen aufweisen, so dass ein nahezu beliebig dreidimensional gestaltetes Bauteil hergestellt werden kann.
Dabei kann es aber zu Dosierfehlern oder zu einer von einer Vorgabe abweichenden Verfestigung an Positionen einer Schicht kommen, so dass die jeweils zuletzt ausgebildete oberste Schicht an Positionen entweder zu hoch oder zu tief ausgebildet worden ist. Außerdem kommt es bei der Dosierung unterschiedlicher Materialien, z.B. bei der additiven Herstellung von Multimaterialbauteilen, oftmals zu unterschiedlichen Tropfenvolumina, die in unterschiedlichen Tropfenhöhen resultieren können.
Um diesen Abweichungen entgegen zu treten, wurde bisher eine Glättung durch eine Verformung oder durch einen Werkstoffabtrag durchgeführt. Beides führt aber zu einem erhöhten Herstellungsaufwand, da der Prozess der eigentlichen Herstellung dazu unterbrochen werden muss oder Nacharbeiten erforderlich werden. Außerdem kann es bei einer Verformung oder auch bei einem Werkstoffabtrag infolge eines Energieeintrages lokal zu Veränderungen des Werkstoffs kommen, die die Eigenschaften des Bauteils nachteilig beeinflussen können oder eine zusätzliche thermische Behandlung, wie z.B. einem Glühen, erforderlich machen. Ein Abtrag von Material reduziert zudem die Auftragsrate und damit die Produktivität sowie Materialausnutzung.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten für eine sichere den Vorgaben für die Herstellung eines jeweiligen Bauteils berücksichtigende Herstellung dreidimensionaler Bauteile durch additive schichtweise Herstellung anzugeben, bei denen sich der zusätzliche Herstellungsaufwand durch Vermeidung von Zusatz- oder Nachbearbeitung reduzieren lässt.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur schichtweisen additiven Herstellung dreidimensional ausgebildeter Bauteile wird ein pulverförmiger oder in pastöser Form vorliegender Werkstoff schichtweise einer vorgegebenen Kontur entsprechend auf einer Bauplattform oder einer Oberfläche eines Bauteils übereinander aufgetragen und der jeweilige Werkstoff in jeder Schicht soweit verfestigt, dass nachfolgend ein weiterer Werkstoffauftrag erfolgen kann.
Nach oder unmittelbar bei dem Auftrag des Werkstoffs einer Schicht wird eine ortsaufgelöste Erfassung der Höhe des aufgetragenen Werkstoffs ausgehend von der Oberfläche der Bauplattform oder der Oberfläche eines Bauteils bis zur Oberfläche der obersten Schicht oder der Abstand der Oberfläche des aufgetragenen Werkstoffs an der bis dahin obersten Schicht zu mindestens einem Abstandssensor bestimmt. Es kann sich bei dem Bauteil auch um ein Halbzeug handeln, das bevorzugt mit einem anderen Herstellungsverfahren erhalten worden ist.
Die jeweiligen ortsaufgelöst bestimmten Höhen oder Abstände werden mit vorgegebenen Sollwerten verglichen, so dass bei einer erfassten Abweichung, bei dem eine zu geringe Höhe oder ein zu großer Abstand aufgetreten ist, an einer dementsprechenden Position zusätzlich Werkstoff aufgetragen wird, bevor eine weitere Schicht auf der Oberfläche aufgebracht wird.
Bei einer erfassten Abweichung, bei dem eine zu große Höhe oder ein zu kleiner Abstand aufgetreten ist, wird an einer dementsprechenden Position beim Werkstoffauftrag für die Ausbildung einer weiteren Schicht eine kleinere Menge an Werkstoff aufgetragen, als die Menge, die ein Computerprogramm, das zur Steuerung der additiven schichtweisen Herstellung des jeweiligen Bauteils ausgelegt ist, vorgibt.
Bei der ortsaufgelösten Erfassung und der Steuerung kann auf ein kartesisches Koordinatensystem zurück gegriffen und die x-, y- und z-Koordinaten genutzt werden.
Für die Bestimmung des Abstandes kann mindestens ein Abstandssensor eingesetzt werden. Ein oder mehrere Abstandssensor(en) kann/können während der Erfassung eines jeweiligen Abstandes in einer Ebene angeordnet sein, die in einem konstanten Abstand zu einer Ebene angeordnet ist, die wiederum parallel zur Oberfläche der einzelnen Schichten bzw. parallel zu einer Bezugsebene, beispielsweise der Ebene einer Bauplattform, auf der ein Bauteil schichtweise ausgebildet wird, ausgerichtet ist. Als Abstandssensoren können optische Sensoren, laseroptische Sensoren, Hallsensoren, Radarsensoren, Sensoren zur optischen Interferometrie, Sensoren der Konfokaltechnik, Sensoren zur Triangulation oder Sensoren zur Bestimmung von Laufzeiten eingesetzt werden.
Wie bereits bei der Beschreibungseinleitung zum Ausdruck gebracht, kann das Verfahren für die Herstellung des Bauteils ein Druckverfahren sein, bei dem mindestens ein Druckkopf entsprechend positioniert wird. Dabei kann zur Ausbildung der einzelnen Schichten ein Werkstoff mit pastöser Konsistenz, beispielsweise ein Polymer oder eine Suspension mit zum Drucken geeigneter Viskosität eingesetzt werden. Die Verfestigung kann durch Aushärten, Polymerisation, die Entfernung eines Lösungsmittels, eine thermische Behandlung bei der flüssige und/oder organische Komponenten entfernt werden und eine Sinterung erfolgt. Das Drucken kann durch Ablegen einzelner Tropfen nebeneinander oder durch Ablegen mehr oder weniger langer Stränge erfolgen. Bei einem Einsatz einer Suspension kann der enthaltene Feststoff zur Schichtausbildung genutzt werden.
Die Herstellung kann auch durch Laserauftragsschweißen, bei dem pulverförmiger Werkstoff lokal definiert aufgebracht und mit der Energie mindestens eines Laserstrahles verschmolzen bzw. versintert wird, erfolgen.
Die angesprochene Verfestigung der jeweiligen Schicht kann auch durch eine Trocknung erreicht werden, bei der flüssige Bestandteile in ausreichendem Maß entfernt werden. Polymere können durch einen Energieeintrag vernetzt oder zumindest teilweise polymerisiert werden. Ein Energieeintrag kann durch geeignete Bestrahlung erreicht werden.
Beim Einsatz aufgeschmolzener thermoplastischer Polymere kann deren Verfestigung einfach infolge von Abkühlung erreicht werden.
Nach Ausbildung einer Schicht kann die Oberfläche mit einer optischen Scaneinheit erfasst und dabei die jeweiligen Höhen oder die Abstände der Oberfläche dieser Schicht ortsaufgelöst erfasst und für den Vergleich mit entsprechenden Höhen oder Abständen an den jeweiligen Positionen genutzt werden.
Es besteht aber auch die Möglichkeit, unmittelbar bei der Ausbildung einer Schicht an den einzelnen Positionen den Abstand zu mindestens einem Abstandssensor zu erfassen und die ortsaufgelöst erfassten Abstände für den Vergleich mit entsprechenden Sollwerten an den jeweiligen Positionen zu nutzen. Dazu kann beispielsweise ein Abstandssensor mit einem Druckkopf oder einem Laserbearbeitungskopf synchron mit bewegt werden.
Bei der Erfindung besteht vorteilhaft die Möglichkeit nach der ortsaufgelösten Erfassung der Höhen oder Abstände einer Schicht, die bei dem Vergleich erkannten Abweichungen bei der Steuerung für die Ausbildung der nachfolgend auszubildenden Schicht, durch Anpassung des Computerprogramms zu berücksichtigen. Dadurch kann die erforderliche Kapazität einer elektronischen Steuerung reduziert werden, da lediglich Daten für die Ausbildung einer einzigen Schicht gleichzeitig berücksichtigt werden müssen. Normalerweise erfolgt aber eine Steuerung mit einem CAD-Programm, das sämtliche Daten für die Herstellung eines Bauteils gleichzeitig berücksichtigen muss.
Bei der Erfindung können einzelne Schichten oder Bereiche von Schichten mit unterschiedlichen Werkstoffen ausgebildet werden. So können Schichten aus unterschiedlichen Werkstoffen übereinander ausgebildet werden. Es besteht auch die Möglichkeit gradierte Schichten auszubilden, bei denen sich beispielsweise der Anteil an Feststoff, die Partikelgrößen eines Feststoffes oder die Zusammensetzung eines Werkstoffgemisches in einer Suspension oder einem Pulver sukzessive von Schicht zu Schicht ändert.
Eine Schicht kann aber auch mit unterschiedlichen Werkstoffen in verschiedenen Bereichen der Schicht, Bereiche mit unterschiedlichen Partikelgrößen oder veränderter Zusammensetzung eines Werkstoffgemisches ausgebildet werden.
Dadurch können die Eigenschaften eines so hergestellten Bauteils lokal differenziert beeinflusst werden. Bei Verwendung partikelgefüllter Suspensionen können die finalen Bauteileigenschaften durch einen anschließenden Sinterprozess ausgebildet werden. Dabei können ebenfalls lokal differenzierte Eigenschaften ausgebildet werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann es vorteilhaft sein, die Oberfläche der auszubildenden einzelnen Schichten in Oberflächenbereiche mit vorgegebener Größe und geometrischer Gestalt einzuteilen und die ortsaufgelöste Bestimmung der Höhen und Abstände innerhalb der einzelnen Oberflächenbereiche vorzunehmen. Dabei kann der Sollwertvergleich für jeden einzelnen dieser Oberflächenbereiche gesondert durchgeführt und für die Steuerung der nächstfolgenden Schichtausbildung genutzt werden.
Es besteht bei der Erfindung aber auch die Möglichkeit zusätzlich Werkstoff an Positionen aufzutragen, bei denen eine zu kleine Höhe oder ein zu großer Abstand erfasst worden ist, vor der Ausbildung einer darüber angeordneten nachfolgenden Schicht, mit zusätzlichem Werkstück zu beschicken. Dazu kann mittels der ortsaufgelöst erfassten Höhen oder Abstände neben der jeweiligen Position auch die erforderliche Werkstoffmenge berechnet werden, mit der ein Ausgleich der Differenz des Höhen- oder Abstandsmesswert vom Sollwert ausgeglichen werden kann.
In diesem Fall kann eine Dosiereinrichtung zum Drucken oder ein Laserbearbeitungskopf bzw. dessen Pulverzuführung an die jeweilige Position bewegt und die zusätzliche Werkstoffapplikation dort in der erforderlichen Menge und dem jeweils erforderlichen Werkstoff erfolgen, bevor die nächstfolgende Schicht darüber ausgebildet wird. Dies kann falls erforderlich mehrfach wiederholt werden.
Mit der Erfindung kann auf die bisher erforderlichen Nachbearbeitungen oder Zwischenbearbeitungsschritte zu Glättung bzw. den Ausgleich von Höhenunterschieden verzichtet werden, was die in der Beschreibungseinleitung genannten Nachteile vermeidet.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
Dabei zeigt:

1 eine perspektivische Darstellung einer Schicht eines additiv aus mehreren, nebeneinander abgelegten Materialien auszubildenden Bauteils über der Oberfläche eines virtuellen Baufeldes.

Bei dem gezeigten Beispiel wird ein Bauteil additiv mittels eines Druckverfahrens, bei dem ein dreidimensional bewegbarer Druckkopf eingesetzt werden kann, hergestellt. Dabei werden drei Werkstoffe (2.1, 2.2 und 2.3) mit pastöser Konsistenz, bei dem ein Feststoff mit mindestens einer Flüssigkeit eine Suspension bildet, tropfenweise Schicht für Schicht aufgedruckt.
Die virtuelle Bauplattform (1) ist dabei in Oberflächenbereiche (1.x.y) für eine ortsaufgelöste Erfassung von Abständen zu mindestens einem nicht gezeigten Abstandssensor oder zu einer Höhenmesseinrichtung aufgeteilt. Für die einzelnen Oberflächenbereiche (1.x.y) sind in einem elektronischen Speicher jeweils Sollwerte mit einer vorgegeben Höhe oder eines Abstandes der Oberfläche der jeweils auszubildenden einzelnen Schichten mit den entsprechenden Sollwerten, insbesondere zu den jeweiligen x- und y-Koordinaten eines kartesischen Koordinatensystems für die ortsaufgelöste Erfassung und Durchführung des Sollwertvergleichs gespeichert. Der jeweilige Sollwert für einen der Oberflächenbereich (1.x.y) kann dabei die jeweilige z-Koordinate sein.
Bei oder nach der ortsaufgelösten Erfassung von Höhen bzw. Abständen und durchgeführtem Sollwertvergleich, konnte bei diesem Beispiel festgestellt werden, dass die Höhen über den Oberflächenbereichen 1.2.x sowie 1.4.x in korrekter Höhe ausgebildet worden sind. Da über den Oberflächenbereichen 1.1.x und 1.3.x nach der ersten Materialablage eine zu kleine Höhe oder einen zu großen Abstand detektiert wurde, erfolgte vor der Erstellung der nächsten Schicht eine erneute Materialablage (2.1.b bzw. 2.3.b). Dazu wurden die Bereiche 1.1.x und 1.3.x erneut mit dem Druckkopf angesteuert und die jeweils erforderliche Werkstoffmenge mit dem entsprechenden Werkstoff für die jeweilige Position dosiert appliziert, um an dieser Position die vorgegebene Höhe der Oberfläche der entsprechend dann obersten Schicht zu erreichen.
Da anschließend in einer erneuten Überprüfung in den Bereichen 1.1.x eine zu große Höhe bzw. ein zu kleiner Abstand in Bezug zu einem Abstandssensor ermittelt wurde, erfolgt in dieser Schicht kein weiterer Materialauftrag in diesen Bereichen. Die ermittelte Überhöhung wird aber bei der Erstellung der nächsten Schicht mit berücksichtigt (nicht dargestellt), indem die dosierte Materialmenge durch gezielte Variation der Dosierparameter entsprechend eingestellt wird.
In den Bereichen 1.3.x wird auch nach der zweiten Dosierung eine zu kleine Höhe oder ein zu großer Abstand detektiert, so dass diese Bereiche 1.3.x nochmals mit dem Druckkopf angesteuert werden und die jeweils erforderliche Werkstoffmenge mit dem entsprechenden Werkstoff für die jeweilige Position dosiert appliziert wird, um an dieser Position die vorgegebene Höhe zu erreichen.
Das Steuerprogramm kann für die Ausbildung der nächstfolgenden Schicht so beeinflusst werden, dass an den Positionen der Bereiche 1.1.x Werkstoff mit entsprechend kleinerer Menge durch das Drucken appliziert wird, so dass die Höhe der Oberfläche dieser Schicht den entsprechenden neuen Sollwert erreichen kann.
Bei diesem Beispiel sind die Bereiche des virtuellen Baufeldes 1.x.y jeweils als quadratische Fläche gewählt. Es können aber auch andere geometrische Formen anstelle oder zusätzlich in Kombination zu den quadratischen gewählt werden.

Claims

Verfahren zur schichtweisen additiven Herstellung dreidimensional ausgebildeter Bauteile, bei dem ein pulverförmiger oder in pastöser Form vorliegender Werkstoff schichtweise einer vorgegebenen Kontur entsprechend auf einer Bauplattform oder einer Oberfläche eines Bauteils übereinander aufgetragen und der jeweilige Werkstoff in jeder Schicht soweit verfestigt wird, dass nachfolgend ein weiterer Werkstoffauftrag erfolgen kann und nach oder unmittelbar bei dem Auftrag des Werkstoffs einer Schicht eine ortsaufgelöste Erfassung der Höhe des aufgetragenen Werkstoffs ausgehend von der Oberfläche der Bauplattform bis zur Oberfläche der obersten Schicht oder der Abstand der Oberfläche des aufgetragenen Werkstoffs an der bis dahin obersten Schicht zu mindestens einem Abstandssensor bestimmt und die jeweiligen ortsaufgelöst bestimmten Höhen oder Abstände mit vorgegebenen Sollwerten verglichen werden, so dass bei einer erfassten Abweichung, bei dem eine zu geringe Höhe oder ein zu großer Abstand aufgetreten ist, an einer dementsprechenden Position zusätzlich Werkstoff aufgetragen wird, bevor eine weitere Schicht auf der Oberfläche aufgebracht wird oder bei einer erfassten Abweichung, bei dem eine zu große Höhe oder ein zu kleiner Abstand aufgetreten ist, an einer dementsprechenden Position beim Werkstoffauftrag für die Ausbildung einer weiteren Schicht eine kleinere Menge an Werkstoff aufgetragen wird, als die Menge, die ein Computerprogramm, das zur Steuerung der additiven schichtweisen Herstellung des jeweiligen Bauteils ausgelegt ist, vorgibt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung des Bauteils mit einem Druckverfahren, bei dem mindestens ein Druckkopf entsprechend positioniert, oder durch Laserauftragsschweißen durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach Ausbildung einer Schicht die Oberfläche der Schicht mit einer optischen Scaneinheit erfasst und dabei die jeweiligen Höhen der Oberfläche oder der Abstände dieser Schicht ortsaufgelöst erfasst und für den Vergleich mit entsprechenden Höhen oder Abständen an den jeweiligen Positionen genutzt werden oder unmittelbar bei der Ausbildung einer Schicht an den einzelnen Positionen der Abstand zu einem Abstandssensor erfasst und die ortsaufgelöst erfassten Abstände für den Vergleich mit entsprechenden Werten an den jeweiligen Positionen genutzt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach der ortsaufgelösten Erfassung der Höhen oder Abstände einer Schicht die bei dem Vergleich erkannten Abweichungen bei der Steuerung für die Ausbildung der nachfolgend auszubildenden Schicht, durch Anpassung des Computerprogramms berücksichtigt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche einer Oberfläche einer auszubildenden Schicht virtuell in Oberflächenbereiche (1.1x, 1.2.x, 1.3.x, 1.4.x 2.1.x, 2.2 und 2.3.x) für eine ortsaufgelöste Erfassung von Abständen zu mindestens einem nicht gezeigten Abstandssensor oder zu einer Höhenmesseinrichtung aufgeteilt wird.