-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines gefärbten Bauteils mittels additiver Fertigung.
-
Bei einem solchen Verfahren wird ein 3D-Datensatz eines Bauteils bereitgestellt. Außerdem wird eine virtuelle Oberflächentextur für das Bauteil bereitgestellt. Die virtuelle Oberflächentextur wird mit dem 3D-Datensatz zu einem 3D-Gesamtdatensatz verknüpft, und ein Rohling wird anhand des 3D-Gesamtdatensatzes additiv gefertigt.
-
-
Der Rohling wird im Zuge der additiven Fertigung in einem Pulverblock hergestellt, wobei der Pulverblock die im Rahmen der additiven Fertigung verfestigten Strukturen des Rohlings umgeben von losem Pulvermaterial umfasst. Bei dem losen Pulvermaterial kann es sich um unverfestigtes und/oder halbverfestigtes Material handeln. Dieses wird bei einem herkömmlichen Herstellungsverfahren von dem Rohling entfernt, bevor dieser in eine Strahlstation transferiert wird, in welcher dann gegebenenfalls noch vorhandene, letzte Reste von Pulver entfernt werden.
-
Bei diesem Transfer kommt der Rohling in Kontakt mit Händen oder Handschuhen eines Werkers, oder mit Greifeinrichtungen, beispielsweise eines Handlingroboters. Dies führt unweigerlich zu Veränderungen der Oberfläche des Rohlings, sei es durch Auftrag oder Abtrag chemischer Substanzen, beispielsweise dem Auftrag von Hautfett, Handschuhfasern oder dergleichen, oder geringfügigen Verformungen oder Abdrücken in der Oberfläche im Greifbereich. Dies wiederum führt dazu, dass bei einem anschließenden Einfärbeprozess eine entlang der Oberfläche des Rohlings ungleichmäßige Aufnahme der Farbe gegeben ist. Letztlich ergibt sich eine farblich inhomogene Anmutung des fertigen Bauteils, die im schlimmsten Fall mit bloßem Auge sichtbar ist.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines gefärbten Bauteils mittels additiver Fertigung zu schaffen, wobei die genannten Nachteile nicht auftreten.
-
Die Aufgabe wird gelöst, indem ein Verfahren mit den Schritten des Anspruchs 1 geschaffen wird. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
-
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein Verfahren der hier angesprochenen Art dadurch weitergebildet wird, dass der Pulverblock in die Strahlstation verbracht wird, wobei der Rohling in der Strahlstation freigelegt und verdichtet wird. Anschließend wird der verdichtete Rohling zumindest bereichsweise eingefärbt. Erfindungsgemäß erfolgt das Entpacken des Rohling aus dem Pulverblock also nicht vor dem Transfer in die Strahlstation, sondern erst danach in der Strahlstation. Dadurch greifen ein Werker oder ein Handlingroboter zum Zweck des Verbringens nicht an dem Rohling, sondern weiter außen an dem Pulverblock an, wobei die so durch das Greifen beeinträchtigte Oberfläche später beim Freilegen des Rohlings entfernt wird. Die erst später freigelegte Oberfläche des Rohlings selbst bleibt unbeeinträchtigt, sodass sie mit farblich homogener Anmutung eingefärbt werden kann. Hierdurch wird insgesamt die Anmutung des fertigen Bauteils verbessert. Zugleich wird der Anteil an Ausschuss reduziert und damit insgesamt die Herstellkosten gesenkt. Die Verfahrensparameter können definiert so eingestellt werden, dass es das den Anforderungen an das Bauteil insbesondere in Bezug auf Optik und Haptik genügt, und den Wahrnehmungsanforderungen durch den Betrachter insbesondere im Umfeld mit umliegenden und/oder referenzierenden Bauteilen gerecht wird. Dies schließt insbesondere auch auftretende Alterungserscheinungen durch mechanischen Gebrauch, Witterung und/oder Sonneneinstrahlung mit ein. Die Abstimmung der Parametrierung erfolgt bevorzugt automatisch durch die Anforderungen an Bauteilgeometrie, Prozess, System und/oder Material.
-
Beim Verdichten in der Strahlstation werden Poren des Rohlings an dessen Oberfläche zumindest weitgehend geschlossen, sodass der Rohling dann ohne Gefahr eines Abdrucks gegriffen werden kann.
-
Der 3D-Datensatz für das Bauteil wird vorzugsweise aus CAD-Daten gewonnen oder besteht aus CAD-Daten. Vorzugsweise wird der 3D-Datensatz durch Konstruktion des Bauteils mittels eines CAD-Programmes gewonnen.
-
Die virtuelle Oberflächentextur wird vorzugsweise als Bild, insbesondere in einem der digitalen Format *.bmp, *.jpg, *.gif, *.png, bereitgestellt. Es ist alternativ aber auch möglich, die virtuelle Oberflächentextur in Form eines 3D-Oberflächendatensatzes bereitzustellen.
-
Die Verknüpfung der virtuellen Oberflächenstruktur mit dem 3D-Datensatz zu dem 3D-Gesamtdatensatz erfolgt bevorzugt durch Projektion der virtuellen Oberflächentextur, insbesondere des diese darstellenden Bildes, auf die Oberfläche des 3D-Datensatzes. Anhand der Parametrierung der Bildkontraste kann die Dimensionierung der Textur gegeneinander eingestellt werden. Diese Parametrierung kann vorteilhaft an das Fertigungsverfahren angepasst werden, um einen gewünschten optischen Effekt zu erreichen. Typische Einflussfaktoren sind dabei neben dem zur Herstellung verwendeten Material, dem zur Herstellung verwendeten additiven Fertigungssystem und dem additiven Fertigungsverfahren auch die Datenaufbereitung sowie die Nachbearbeitung für das Bauteil.
-
Bei der Dimensionierung der Oberflächentextur wird insbesondere deren Höhe, Breite und Rotation festgelegt.
-
Unter dem Pulverblock wird insbesondere eine Materialanordnung verstanden, die den Rohling sowie an dem Rohling anhaftende, insbesondere unverfestigte und/oder halbverfestigte Pulverreste umfasst. Dabei ist es möglich, dass in bevorzugter Weise keinerlei anhaftende Pulverreste von dem Rohling entfernt werden, bevor dieser in die Strahlstation verbracht wird. Es ist aber auch möglich, dass ein grobes Freilegen derart erfolgt, dass auf dem Rohling zumindest in einem Greifbereich, in dem der Pulverblock zum Zweck des Verbringens in die Strahlstation gegriffen wird, noch anhaftende Pulverreste übrig bleiben, sodass eine Beeinträchtigung der Oberfläche des Rohlings in dem Greifbereich verhindert wird.
-
Der Pulverblock wird bevorzugt in eine geerdete Strahlkabine der Stahlstation verbracht, wo das noch an dem Rohling anhaftende Pulver entfernt wird. Die Verdichtung der Oberfläche des Rohlings erfolgt bevorzugt in der geerdeten Strahlkabine mithilfe von geeignetem Strahlgut, sowie abgestimmt auf die vorangegangene Festlegung der Oberflächentextur für den Rohling. Dabei wird das Verdichten insbesondere so durchgeführt, dass die Oberflächentextur nicht beschädigt wird.
-
Das Einfärben des verdichteten Rohlings kann innerhalb der Strahlstation oder außerhalb der Strahlstation erfolgen. Dabei kann jegliche Beeinträchtigung der Oberfläche des Rohlings vor dem Einfärben vermieden werden, wenn der Rohling in der Strahlstation eingefärbt wird. Der verdichtete Rohling kann aber auch aus der Strahlstation entnommen werden, da die verdichtete Oberfläche weniger empfindlich ist als die Oberfläche des Rohlings vor dem Verdichten.
-
Durch das zumindest bereichsweise Einfärben des verdichteten Rohlings wird schließlich das gefärbte Bauteil erhalten.
-
Unter einem additiven Fertigen werden hier insbesondere Verfahren verstanden, die auch unter dem Begriff „Rapid Prototyping“ bekannt sind.
-
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das additive Fertigen durch Lasersintern durchgeführt wird. Dies bedeutet, dass als additives Fertigungsverfahren ein Lasersintern verwendet wird. Dies stellt eine besonders flexible und günstige Art der additiven Fertigung dar.
-
Bevorzugt wird beim Lasersintern eine bestimmte Belichtungsreihenfolge eingehalten, um die Prozessstabilität und -geschwindigkeit zu erhöhen. Insbesondere werden dabei an einem Baufeldrand positionierte Teile des entstehenden Rohlings vor mittig platzierten Teilen belichtet. Weiterhin werden bevorzugt Sprungzeiten für den Laserstrahl reduziert, was sich günstig auf die Prozesszeit auswirkt.
-
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der verdichtete Rohling bis in eine Tiefe von mindestens 0,01 mm bis höchstens 5 mm, vorzugsweise von mindestens 0,1 mm bis höchstens 5 mm, vorzugsweise von mindestens 0,5 mm bis höchstens 5 mm, vorzugsweise von mindestens 1 mm bis höchstens 4 mm, vorzugsweise von mindestens 2 mm bis höchstens 3,5 mm, vorzugsweise bis 3 mm, eingefärbt wird. Die Tiefe wird dabei lokal senkrecht zur Oberfläche des verdichteten Rohlings gemessen. Die Einfärbung mit vergleichsweise großer Tiefe hat den Vorteil, dass Kratzer die Oberflächenanmutung des Rohlings kaum beeinträchtigen können. Dies erweist sich insbesondere als vorteilhaft im Vergleich zu einer Lackierung, die durch Kratzer zerstört werden kann, wobei dann das typischerweise weiße Grundmaterial zum Vorschein kommt.
-
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine virtuelle Oberflächentextur verwendet wird, die eine Narbung für das Bauteil darstellt. Auf diese Weise können besonders hochwertige Anmutungen insbesondere in Tierhaut-Oberflächenoptik, insbesondere in Lederoptik, insbesondere die Anmutung einer Echtlederoberfläche, geschaffen werden. Die virtuelle Oberflächentextur kann auch wenigstens eine Verbindungsnaht umfassen, was den Eindruck einer Echtlederoberfläche insbesondere bei großen, topologisch komplex aufgebauten Bauteilen verstärken kann.
-
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der 3D-Gesamtdatensatz in seiner räumlichen Lage für die additive Fertigung - insbesondere relativ zu einem raumfesten Koordinatensystem einer Fertigungsmaschine - so ausgerichtet und/oder skaliert wird, dass ein Anteil horizontal verlaufender Oberflächenteile maximiert wird, und/oder dass die Oberflächentextur an vertikal verlaufenden Oberflächenteilen im Vergleich zu horizontal verlaufenden Oberflächenteilen in ihrer Höhe kontinuierlich verändert und/oder verstärkt wird, also eine größere Höhe aufweist. Die Orientierung des 3D-Gesamtdatensatzes derart, dass horizontal verlaufende Flächenteile maximiert werden, ist vorteilhaft, da typischerweise horizontal verlaufende Oberflächen mit Strukturen beim schichtweisen Aufbau gemäß einem additiven Fertigungsverfahren, insbesondere beim Lasersintern, mit höchster Auflösung hergestellt werden können.
-
Alternativ ist es möglich, dass der 3D-Gesamtdatensatz in seiner räumlichen Lage für die additive Fertigung - insbesondere relativ zu einem raumfesten Koordinatensystem einer Fertigungsmaschine - so ausgerichtet und/oder skaliert wird, dass ein Anteil horizontal verlaufender Oberflächenteile minimiert wird, und/oder dass die Oberflächentextur an horizontal verlaufenden Oberflächenteilen im Vergleich zu vertikal verlaufenden Oberflächenteilen in ihrer Höhe kontinuierlich verändert und/oder verstärkt wird, also eine größere Höhe aufweist. Die Orientierung des 3D-Gesamtdatensatzes derart, dass horizontal verlaufende Flächenteile minimiert werden, kann vorteilhaft sein, wenn vertikal verlaufende Oberflächen mit Strukturen beim schichtweisen Aufbau gemäß einem additiven Fertigungsverfahren, insbesondere beim Lasersintern, mit höchster Auflösung hergestellt werden können.
-
Die Verstärkung der Höhe der Oberflächentextur an vertikal verlaufenden Oberflächenteilen im Vergleich zu horizontal verlaufenden Oberflächenteilen - oder umgekehrt - trägt ebenfalls der entsprechenden Auflösungsverteilung Rechnung und bewirkt letztlich eine homogene Verteilung der Oberflächentextur-Höhe am fertigen Rohling sowie am fertigen Bauteil, da anders eine überall gleiche Höhe im Datensatz fertigungsbedingt dazu führen würde, dass die Oberflächentextur-Höhe im Bereich der während der Fertigung in einer Orientierung, beispielsweise horizontal verlaufenden Oberflächenteile höher wäre als im Bereich der in der anderen Orientierung, beispielsweise vertikal verlaufenden Oberflächenteile. Insbesondere letztere werden daher gezielt in der Höhe der Oberflächentextur des 3D-Gesamtdatensatzes verstärkt, um eine insgesamt homogene Oberflächentextur beim fertigen Bauteil zu erhalten.
-
Insgesamt wird die Oberflächentextur so definiert und parametriert, dass eine möglichst robuste Qualität in allen Orientierungen erzeugt wird.
-
Eine Skalierung des 3D-Gesamtdatensatzes erfolgt bevorzugt auch mit Blick auf einen beim Lasersintern auftretenden Schwund, der durch diese Skalierung kompensiert werden kann. Dabei hängt der Schwund von mehreren Parametern ab, unter anderem vom verwendeten Material, von der Position und Geometrie des herzustellenden Rohlings, von den Belichtungsparametern und von einer Abkühlzeit nach dem Ende des additiven Fertigens. Dabei erfolgt auch hier vorzugsweise eine Skalierung mit größerem Faktor in einer Ebene, auf welcher die Aufbaurichtung senkrecht steht, wobei die Skalierung in Aufbaurichtung mit einem geringeren Faktor erfolgt.
-
Unter horizontal verlaufenden Oberflächenteilen werden Teile der Oberfläche des entstehenden Rohlings verstanden, die entlang einer Ebene ausgerichtet sind, auf der die Aufbaurichtung der additiven Fertigung senkrecht steht. Insbesondere ist der Normalenvektor der horizontal verlaufenden Oberflächenteile vertikal und somit bevorzugt entlang der Aufbaurichtung orientiert.
-
Unter vertikal verlaufenden Oberflächenteilen werden Teile der Oberfläche des entstehenden Rohlings verstanden, die sich entlang einer Ebene erstrecken, in welcher die Aufbaurichtung liegt. Ein Normalenvektor der vertikal verlaufenden Oberflächenteile steht dabei bevorzugt schräg, insbesondere senkrecht auf der Aufbaurichtung, wobei er insbesondere in eine horizontale Richtung weist.
-
Vor dem additiven Fertigen wird die Fertigungsmaschine bevorzugt auf eine Prozesskammertemperatur aufgeheizt, die ungefähr 7 % unter einer eigentlichen Fertigungstemperatur liegt. Nach der additiven Fertigung erfolgt ein Halten der Temperatur des Pulverblocks auf einer Temperatur unterhalb der Fertigungstemperatur für mindestens 120 Minuten, wobei der Pulverblock vorzugsweise bei 130 °C gehalten wird. Demgegenüber kann die Fertigungstemperatur beispielsweise bei 178 °C liegen, während die Prozesskammertemperatur nach dem Aufheizen bevorzugt bei 166 °C liegt.
-
Vor dem Aufheizen der Fertigungsmaschine wird bevorzugt eine Materialschicht mit einer Stärke von 8 mm bis 12 mm erzeugt, auf der später der Rohling aufgebaut wird.
-
Das zur additiven Fertigung verwendete Pulver wird bevorzugt bereits in einem Dosierbehälter erwärmt und mindestens eine Stunde bei einer Erwärmungstemperatur gehalten, um das Pulver elektrisch zu entladen und somit ein streifenfreies Pulverbett bereitstellen zu können. Insbesondere ist es möglich, dass die Fertigungsmaschine in dem Aufheizmodus, insbesondere bei der Prozesskammertemperatur, so lange gehalten wird, bis eine vollständige Entladung des Pulvers erreicht ist.
-
Vor der Entnahme des Pulverblocks wird dieser bevorzugt unter einer Stickstoffatmosphäre abgekühlt.
-
Mit dem Freilegen des Rohlings wird bevorzugt erst begonnen, wenn die Temperatur des an dem Rohling anhaftenden Pulvers unter 50 °C gefallen ist.
-
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass als Bauteil ein Bauteil für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Kraftfahrzeug hergestellt wird. Dabei verwirklichen sich in besonderer Weise die bereits genannten Vorteile, insbesondere da bei Kraftfahrzeugen eine hohe Anmutung verlangt wird.
-
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird durch das Verfahren ein Interieur-Bauteil, insbesondere ein Interieur-Bauteil für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, hergestellt. Gerade hierbei bestehen seitens der Kunden hohe Erwartungen an die optische Anmutung solcher Interieur-Bauteile, sodass sich die zuvor beschriebenen Vorteile des Verfahrens in besonderem Umfang verwirklichen.
-
Die Bestimmung der virtuellen Oberflächentextur/ Narbung und deren Parametrierung wird bevorzugt durch die Anforderungen an
- 1. Bauteilgeometrie und Bauteilspezifikation wie Optik, Haptik, Oberflächengüte und Festigkeit
- 2. sowie den genannten Herstellungsverfahren unter Betrachtung von Prozess, System und Material und
- 3. insbesondere der oben genannten Nachbearbeitung, Entpulvern, Verdichten und Färben, sowie
- 4. insbesondere aufgetretener Alterungserscheinungen durch beispielsweise Gebrauch, mechanische Abnutzung und/oder Farbveränderungen durch Witterung und Sonneneinstrahlung des Bauteils
automatisch nach entwickelter Logik iterativ ermittelt und nach einstellbaren Iterationsintervallen entsprechend appliziert. Die Unterteilung des Bauteils in kleinere Bauteilsegmente kann vorzugsweise beliebig klein sein, sodass eine quasi kontinuierliche Parametrierungsänderung und Parameterkombinationen ganzheitlich auf das Original Bauteil angewendet werden, um den oben genannten Eingangsparametern und/oder Anforderungen gerecht zu werden, insbesondere der finalen Wahrnehmung durch den Betrachter.
-
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur ein Ausführungsbeispiel eines mit einer Ausführungsform des Verfahrens gewonnenen Bauteils.
-
Die einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung eines mithilfe einer Ausführungsform des Verfahrens gewonnenen Bauteils 1, wobei es sich bei dem Bauteil 1 um ein Interieur-Bauteil für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, ganz besonders für einen Personenkraftwagen oder einen Omnibus, handelt.
-
Das Bauteil weist eine Oberflächennarbung 3 auf, die im Rahmen des Verfahrens hergestellt und hier als Echtlederoberflächen-Anmutung ausgebildet ist.
-
Das Bauteil 1 ist insbesondere hergestellt, indem ein 3D-Datensatz des Bauteils bereitgestellt wird, wobei außerdem eine virtuelle Oberflächentextur für das Bauteil 1 bereitgestellt wird. Die virtuelle Oberflächentextur wird mit dem 3D-Datensatz zu einem 3D-Gesamtdatensatz verknüpft, und ein Rohling wird anhand des 3D-Gesamtdatensatzes additiv gefertigt, wobei der Rohling nach dem additiven Fertigen in einem Pulverblock vorliegt. Sodann wird der Pulverblock insgesamt in eine Strahlstation verbracht, in welcher der Rohling freigelegt und verdichtet wird. Anschließend wird der verdichtete Rohling zumindest bereichsweise, hier vollflächig, eingefärbt.
-
Auf diese Weise wird eine insgesamt homogene Einfärbung der Oberfläche des Rohlings mit hochwertiger Anmutung erhalten.
-
Als additives Fertigungsverfahren wird vorzugsweise ein Lasersintern verwendet.
-
Der verdichtete Rohling wird bevorzugt bis in eine Tiefe von 0,5 mm bis 5 mm, vorzugsweise von 1 mm bis 4 mm, vorzugsweise von 2 mm bis 3,5 mm, vorzugsweise in einer Tiefe von bis zu 3 mm, gefärbt.
-
Der 3D-Gesamtdatensatz wird in seiner räumlichen Lage für die additive Fertigung vorzugsweise so ausgerichtet und/oder skaliert, dass ein Anteil horizontal verlaufender Oberflächenteile maximiert wird, und/oder so, dass die Oberflächentextur an vertikal verlaufenden Oberflächenteilen im Vergleich zu horizontal verlaufenden Oberflächenteilen in ihrer Höhe verstärkt wird.
-
Insgesamt kann mit dem hier vorgeschlagenen Verfahren ein oberflächenstrukturiertes Bauteil im Schichtaufbau erzeugt werden, das eine farblich homogene, äußerst hochwertige Anmutung aufweist.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102004061615 A1 [0003]
