DE102018113320A1

DE102018113320A1 - Verfahren zum Erzeugen eines Bauteils mittels additiver Fertigung

Info

Publication number: DE102018113320A1
Application number: DE102018113320.0A
Authority: DE
Inventors: Tiberius-Valentin Munteanu; Dumitru-Gabriel Dima; Alexandru-Adrian Andrisan; Cornel-Ionut Ciobanu
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2018-06-05
Filing date: 2018-06-05
Publication date: 2019-04-18

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines Bauteils (10) mittels additiver Fertigung, wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte aufweist:a) Ausbilden einer Mehrzahl an Schichten (12) einer Bauteilmatrix (16), wobei seitlich wenigstens ein in einer seitlichen Richtung geöffneter Aufnahmebereich (18) für einen Verstärkungsbereich (20) geformt wird;b) Rotieren des in Verfahrensschritt a) geformten Produkts um einen Winkel von im Wesentlichen 90° derart, dass der wenigstens eine Aufnahmebereich (18) von oben zugänglich ist;c) Ausbilden eines Verstärkungsbereichs (20) mit einer Mehrzahl von Schichten (22) in dem wenigstens einen Aufnahmebereich (18) derart, dass eine transversale Richtung der Bauteilmatrix (16) einer longitudinalen Richtung des Verstärkungsbereichs (20) entspricht;d) Rotieren des in Verfahrensschritt c) geformten Produkts um einen Winkel von im Wesentlichen 90° derart, dass der Verstärkungsbereich (20) seitlich angeordnet ist; unde) Ausbilden einer weiteren Mehrzahl an Schichten (12) der Bauteilmatrix (16) derart, dass der Verstärkungsbereich (20) seitlich von der Bauteilmatrix (16) umschlossen wird.

Description

Die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Erzeugen eines Bauteils mittels additiver Fertigung. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Bauteil, das durch ein derartiges Verfahren erzeugbar ist.
Additive Fertigungsverfahren sind weitläufig bekannt. Beispielsweise werden derartige Verfahren als 3D-Drucken bezeichnet. Dabei werden beispielsweise eine Mehrzahl an Schichten von dem Bauteilmaterial selektiv lokal begrenzt aufgetragen, um so eine dreidimensionale Struktur aufbauen zu können. Anwendung finden derartige Verfahren nicht nur bei der Herstellung von Prototypen, sondern auch bei besonders hochpreisigen Produkten oder mittlerweile sogar auch bei der Massenproduktion. Dabei sollen verschiedenste Parameter, wie etwa Geschwindigkeit, Flussrate, Ablagerung des Materials, verbessert werden, um die Produkte zu verbessern.
Das Dokument GB 2521600 A , beispielsweise, beschreibt ein Bauteil, das mittels eines additiven Fertigungsverfahrens erzeugt wird. Dabei wird eine Struktur aus einem ersten Material erzeugt, in welche ein zweites Material eingefügt wird, so dass es in dem ersten Material eingebettet ist. Die Matrix kann dabei insbesondere zunächst vollständig erzeugt werden, bevor das zweite Material eingefügt wird.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen können noch weiteres Verbesserungspotential bieten, insbesondere hinsichtlich des Einstellens verbesserter mechanischer Eigenschaften eines mittels eines additiven Verfahrens erzeugten Bauteils.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise zu überwinden. Es ist insbesondere die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, durch welche mittels additiver Fertigung ein Bauteil mit verbesserten mechanischen Eigenschaften erzeugt werden kann.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung erfolgt erfindungsgemäß ferner durch ein Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, in der Beschreibung oder den Figuren beschrieben, wobei weitere in den Unteransprüchen oder in der Beschreibung oder den Figuren beschriebene oder gezeigte Merkmale einzeln oder in einer beliebigen Kombination einen Gegenstand der Erfindung darstellen können, wenn sich aus dem Kontext nicht eindeutig das Gegenteil ergibt.
Es wird vorgeschlagen ein Verfahren zum Erzeugen eines Bauteils mittels additiver Fertigung, wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte aufweist:

a) Ausbilden einer Mehrzahl an Schichten einer Bauteilmatrix, wobei seitlich wenigstens ein in einer seitlichen Richtung geöffneter Aufnahmebereich für einen Verstärkungsbereich geformt wird;
b) Rotieren des in Verfahrensschritt a) geformten Produkts um einen Winkel von im Wesentlichen 90° derart, dass der wenigstens eine Aufnahmebereich von oben zugänglich ist;
c) Ausbilden eines Verstärkungsbereichs mit einer Mehrzahl von Schichten in dem wenigstens einen Aufnahmebereich derart, dass eine transversale Richtung der Bauteilmatrix einer longitudinalen Richtung des Verstärkungsbereichs entspricht;
d) Rotieren des in Verfahrensschritt c) geformten Produkts um einen Winkel von im Wesentlichen 90° derart, dass der Verstärkungsbereich seitlich angeordnet ist; und
e) Ausbilden einer weiteren Mehrzahl an Schichten der Bauteilmatrix derart, dass der Verstärkungsbereich seitlich von der Bauteilmatrix umschlossen wird.

Ein derartiges Verfahren erlaubt das Herstellen eines Bauteils mittels eines additiven Verfahrens, wobei das Bauteil verbesserte mechanische Eigenschaften aufweist. Dabei kann es bevorzugt sein, dass die Verfahrensschritte in der vorstehend beschriebenen Reihenfolge chronologisch ablaufen.
Das Verfahren umfasst die folgenden Verfahrensschritte.
Zunächst erfolgt gemäß Verfahrensschritt a) das Ausbilden einer Mehrzahl an Schichten einer Bauteilmatrix, wobei seitlich wenigstens ein in einer seitlichen Richtung geöffneter Aufnahmebereich für einen Verstärkungsbereich geformt wird.
Somit wird in diesem Schritt ein Teil des Bauteils additiv aufgebaut, indem eine Mehrzahl an Schichten aufeinander geformt wird. Dabei ist es vorgesehen, dass seitlich, also insbesondere in einer zu der Richtung des Schichtaufbaus im Wesentlichen rechtwinkligen Richtung, ein Aufnahmebereich für einen Verstärkungsbereich geformt wird, beziehungsweise aus dem Schichtaufbau ausgespart wird. Vorzugsweise wird eine Mehrzahl derartiger Aufnahmebereiche geformt. Dabei ist der Aufnahmebereich oder sind die Aufnahmebereiche in seitlicher Richtung geöffnet, sind also insbesondere vollständig in einer zu der Richtung des Schichtaufbaus im Wesentlichen rechtwinkligen Richtung zugänglich. Unter im Wesentlichen rechtwinklig soll dabei bevorzugt ein Winkel zu der Richtung des Schichtaufbaus verstanden werden, der bei 90° mit einer Toleranz von +/- 25°, vorzugsweise +/- 10°, etwa +/- 5°, beispielsweise 0°, liegt.
Gemäß Verfahrensschritt b) erfolgt anschließend ein Rotieren des in Verfahrensschritt a) geformten Produkts um einen Winkel von im Wesentlichen 90° derart, dass der wenigstens eine Aufnahmebereich von oben zugänglich ist. Unter einem Winkel von im Wesentlichen 90° soll dabei vorzugsweise ein Winkel zu der Richtung des Schichtaufbaus verstanden werden, der bei 90° mit einer Toleranz von +/- 50°, vorzugsweise +/-20°, etwa +/- 10°, beispielsweise 0°, liegt, wobei es wesentlich ist, dass eine Zugänglichkeit des Aufnahmeraums von oben entsteht. Entsprechend soll eine Zugänglichkeit von oben insbesondere bedeuten, dass der Aufnahmebereich oder die Aufnahmebereichs in einer strikt Vertikalen geöffnet sind oder beispielsweise eine Toleranz hierzu aufweisen, die in einem Bereich liegt von +/- 25°, vorzugsweise +/- 10°, etwa +/- 5°, beispielsweise 0°. Entsprechend kann das Ausmaß der Toleranz in Abhängigkeit der unter Verfahrensschritt a) erzeugten Öffnungsrichtung des Aufnahmebereichs oder der Aufnahmebereiche liegen. Dadurch wird es ermöglicht, den Aufnahmebereich in einer vertikalen Richtung zu füllen, wie dies im nachfolgenden Schritt c) beschrieben ist.
Nach dem Verfahrensschritt b) erfolgt somit gemäß Verfahrensschritt c) ein Ausbilden eines Verstärkungsbereichs mit einer Mehrzahl von Schichten in dem wenigstens einen Aufnahmebereich derart, dass eine transversale Richtung der Bauteilmatrix einer longitudinalen Richtung des Verstärkungsbereichs entspricht. In diesem Verfahrensschritt wird somit wiederum Material in dem Aufnahmebereich additiv in mehreren Schichten angeordnet, um so den oder bevorzugt die Verstärkungsbereiche auszubilden. Die Richtung des Schichtaufbaus des Verstärkungsbereichs oder der Verstärkungsbereiche unterscheidet sich somit von der Richtung des Schichtaufbaus der Bauteilmatrix.
In anderen Worten werden die Bauteilmatrix und die Verstärkungsbereiche derart geformt, dass eine transversale Richtung der Bauteilmatrix einer longitudinalen Richtung des Verstärkungsbereichs entspricht. Dabei ist die transversale Richtung die Richtung, welche der Richtung des Schichtaufbaus entspricht und damit die verschiedenen Schichten durchdringt, wohingegen die longitudinale Richtung zu der transversalen Richtung rechtwinklig verläuft und somit innerhalb einer Schicht verläuft.
Nach dem Aufbau des Verstärkungsbereichs oder der Verstärkungsbereiche gemäß Verfahrensschritt c) erfolgt anschließend gemäß Verfahrensschritt d) ein erneutes Rotieren des in Verfahrensschritt c) geformten Produkts um einen Winkel von im Wesentlichen 90° derart, dass der Verstärkungsbereich seitlich angeordnet ist. In diesem Verfahrensschritt erfolgt somit ein Rotieren derart, dass die Ausrichtung der Bauteilmatrix der entspricht, in welcher sie in Verfahrensschritt a) aufgebaut wurde. In anderen Worten erfolgt ein Rotieren in Verfahrensschritt d) in der zu Verfahrensschritt b) umgekehrten Richtung und dabei vorzugsweise um denselben Winkel, wobei geringe Toleranzen, etwa um einen Winkelbereich von +/-5° nicht ausgeschlossen sein sollen.
Anschließend erfolgt gemäß Verfahrensschritt e) ein Ausbilden einer weiteren Mehrzahl an Schichten der Bauteilmatrix derart, dass der Verstärkungsbereich seitlich von der Bauteilmatrix umschlossen wird. Somit kann der Schichtaufbau in Verfahrensschritt e) in einer zu Verfahrensschritt a) korrespondierenden Richtung erfolgen. Dabei erfolgt der Schichtaufbau derart, dass der Verstärkungsbereich oder die Verstärkungsbereiche von der Bauteilmatrix umschlossen wird. Vorteilhaft erfolgt zumindest seitlich ein vollständiges Einschließen der Verstärkungsbereiche von der Bauteilmatrix.
Das vorstehend beschriebene Verfahren erlaubt auf besonders vorteilhafte Weise das Herstellen eines Bauteils mit verbesserten mechanischen Eigenschaften. Insbesondere wird es ermöglicht, dass das erzeugte Bauteil mechanische Eigenschaften, wie insbesondere eine Zugspannung, aufweist, welche homogen ist beziehungsweise eine reduzierte Anisotropie aufweist.
Unter einer Anisotropie ist im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere zu verstehen, dass mechanische Eigenschaften, wie insbesondere die Zugspannung, in longitudinaler Richtung sich unterscheidet von der Zugspannung in transversaler Richtung. Es konnte nun gefunden werden, dass ein durch ein herkömmliches additives Verfahren erzeugtes Bauteil in transversaler Richtung eine geringere Zugspannung aufweist, also hinsichtlich einer Zugbeanspruchung weniger stabil ist, als in longitudinaler Richtung. Dies kann einen Bereich von 50-80% der Leistungsfähigkeit erreichen. Dieser Nachteil kann durch das hier beschriebene Verfahren jedoch reduziert oder vollständig verhindert werden.
Denn dadurch, dass die Verstärkungsbereiche einen Schichtaufbau aufweisen, der zu dem Schichtaufbau der Bauteilmatrix verschieden ist, und insbesondere dadurch, dass die Bauteilmatrix und die Verstärkungsbereiche derart geformt werden, dass eine transversale Richtung der Bauteilmatrix einer longitudinalen Richtung des Verstärkungsbereichs entspricht, können die durch den Schichtaufbau bedingten Anisotropieeffekte insbesondere der Zugspannung verhindert oder zumindest deutlich reduziert werden. Der wenigstens eine Verstärkungsbereich kann so eine Verstärkung der mechanischen Eigenschaften, wie insbesondere der Zugspannung, in der Richtung ermöglichen, in welcher diese mechanischen Eigenschaften der Bauteilmatrix bedingt durch den Schichtaufbau geschwächt sind. Dadurch kann etwa die Dauerfestigkeit des Bauteils deutlich verbessert werden.
Bezüglich der Verstärkungsbereiche kann es dabei bevorzugt sein, dass diese in einer Mehrzahl vorliegen und insbesondere zu einander parallel verlaufen und räumlich begrenzt und homogen in dem Bauteil verteilt sind.
Ferner kann der Schichtaufbau beispielsweise derart erfolgen, dass auf die entsprechenden aufzubauenden Bereiche mittels einer Düse geschmolzenes Material räumlich selektiv aufgetragen wird, so dass ein Schichtaufbau erfolgen kann.
Dem Vorstehenden folgend kann somit ein Bauteil mittels additiver Fertigung, beispielsweise mittels eines 3D-Druckverfahrens, geschaffen werden, bei dem mechanische Anisotropieeffekte bis bin zu einem hochgradig isotropen Bauteil reduziert beziehungsweise ausgeschaltet werden können.
Besonders bevorzugt kann es vorgesehen sein, dass die folgenden Parameter in Abhängigkeit von einander gewählt werden: der Durchmesser des wenigstens einen Verstärkungsbereichs, die Zugspannung des Materials der Bauteilmatrix in longitudinaler Richtung, die Zugspannung des Materials der Bauteilmatrix in transversaler Richtung, die Breite des zu formenden Bauteils oder eines Bereichs des zu formenden Bauteils, die Tiefe des zu formenden Bauteils oder eines Bereichs des zu formenden Bauteils, die Höhe des zu formenden Bauteils oder eines Bereichs des zu formenden Bauteils und gegebenenfalls der Abstands einer Mehrzahl von Verstärkungsbereichen.
Es konnte in überraschender Weise gefunden werden, dass die vorstehend beschriebenen Parameter einen signifikanten Einfluss aufeinander haben, so dass durch ein entsprechendes Anpassen der Parameter aneinander der Grad der Beeinflussung der Anisotropie beziehungsweise der Reduzierung Anisotropie einstellbar ist. In anderen Worten kann eine Anisotropie ausgeschaltet oder bis zu einem gewünschten Wert maßgeschneidert werden, indem die Parameter auf einander angepasst werden. Dabei kann je nach gewünschtem Ergebnis eine im Wesentlichen vollständige Isotropie gewählt werden oder der Grad an Anisotropie kann um einen wählbaren Betrag reduziert werden.
Dabei können wie vorstehend beschrieben sich Parameter gegebenenfalls auf die gesamten Ausmaße des zu formenden Bauteils beziehen, oder auch auf einen definierten Bereich, also insbesondere ein definiertes Volumen des zu formenden Bauteils. In letzterem Fall kann beispielsweise ein imaginärer Würfel innerhalb des zu formenden Bauteils gewählt werden und etwa der Durchmesser des oder der zu formenden Verstärkungsbereiche innerhalb dieses Würfels gewählt werden. Das gesamte Bauteil kann das ausgebildet werden durch das Formen einer Mehrzahl dieser Würfel beziehungsweise durch ein entsprechendes Skalieren.
Das Verwenden derartiger Würfel beziehungsweise Bereiche des Bauteils kann insbesondere dann von Vorteil sein, wenn die Tiefe ungleich der Breite des zu formenden Bauteils ist, da die vorstehend beschriebene Abhängigkeit besonders ausgeprägt ist bei dem Formen eines Würfels.
Darüber hinaus kann die Abhängigkeit der Isotropie beziehungsweise der Anisotropie von den vorstehend beschriebenen Parametern bei zu formenden Bauteilen mit einer komplexen Geometrie ebenfalls besonders komplex werden, so dass das Verwenden von virtuellen Bereichen innerhalb des Bauteils mit entsprechender Vervielfachung beziehungsweise Skalierung hier eine besonders effektive Hilfestellung liefern kann.
Die vorbeschriebenen Parameter können dabei auf einfache Weise messbar sein oder vorgegeben werden. Bezüglich der materialspezifischen Zugspannung sei noch darauf hingewiesen, dass hier spezifische Materialkonstanten gelten, welche für entsprechende Materialien feststehen oder ermittelbar beziehungsweise messbar sind. Die etwa aus Standardbüchern bekannten Werte gelten meist in longitudinaler Richtung, wohingegen die Zugspannung in transversaler Richtung durch den Schichtaufbau reduziert sein kann, jedoch problemlos gemessen werden kann.
Selbstverständlich können durch die vorstehend beschriebenen Abhängigkeiten bei dem Vorgeben von beliebigen Parametern, insoweit sie nicht materialspezifische Parameter, wie etwa die Zugspannung betreffen, andere Parameter ermittelbar sein.
Beispielsweise kann es vorgesehen sein, dass der Durchmesser des wenigstens einen Verstärkungsbereichs gewählt wird in Abhängigkeit der Zugspannung des Materials der Bauteilmatrix in longitudinaler Richtung, der Zugspannung des Materials der Bauteilmatrix in transversaler Richtung, der Breite des zu formenden Bauteils oder eines Bereichs des zu formenden Bauteils, der Tiefe des zu formenden Bauteils oder eines Bereichs des zu formenden Bauteils, der Höhe des zu formenden Bauteils oder eines Bereichs des zu formenden Bauteils und für den Fall, dass eine Mehrzahl an Verstärkungsbereichen vorliegen, gegebenenfalls des Abstands einer Mehrzahl von Verstärkungsbereichen.
Alternativ kann es vorgesehen sein, dass eine Mehrzahl an Verstärkungsbereichen ausgebildet wird und dass der Abstand der Verstärkungsbereiche zueinander gewählt in Abhängigkeit der Zugspannung des Materials der Bauteilmatrix in longitudinaler Richtung, der Zugspannung des Materials der Bauteilmatrix in transversaler Richtung, der Breite des zu formenden Bauteils oder eines Bereichs des zu formenden Bauteils, der Tiefe des zu formenden Bauteils oder eines Bereichs des zu formenden Bauteils, der Höhe des zu formenden Bauteils oder eines Bereichs des zu formenden Bauteils und des Durchmessers der Verstärkungsbereiche.
Besonders bevorzugt kann es bezüglich der Ermittlung des Durchmessers des wenigstens einen Verstärkungsbereichs vorgesehen sein, dass eine Mehrzahl an Verstärkungsbereichen ausgebildet wird, wobei der Durchmesser der Verstärkungsbereiche gewählt wird nach der folgenden Formel: $d = 0,625 p {{[{(\frac{h}{l})}^{2} + 3,12 T *]}^{0,5} - \frac{h}{l}},$
wobei gilt:

T*:: $\frac{(\frac{h}{l}) T_{l} - T_{t}}{T_{l} - T_{t}}$
Tl:: Zugspannung des Materials der Bauteilmatrix in longitudinaler Richtung;
Tt:: Zugspannung des Materials der Bauteilmatrix in transversaler Richtung;
h:: Höhe des zu formenden Bauteils oder eines Bereichs hiervon;
l:: Länge des zu formenden Bauteils oder eines Bereichs hiervon;
p:: Abstand der Verstärkungsbereiche voneinander; und
d:: Durchmesser der Verstärkungsbereiche, wobei

Es hat sich in überraschender Weise gezeigt, dass insbesondere bei dem Einhalten der vorstehend definierten Abhängigkeit eine nahezu oder vollständige Isotropie bezüglich der mechanischen Eigenschaften, wie insbesondere der Zugspannung, möglich ist. Dabei ist die Länge des Bauteils oder des Bauteilbereichs gleich der Tiefe des Bauteils oder des Bauteilbereichs, so dass insbesondere bei komplexen Geometrien des Bauteils eine Hilfsüberlegung unter Verwendung von Bauteilbereichen, wie etwa eines Würfels oder zumindest eines Quaders mit quadratischer Grundfläche, von Vorteil sein kann, wie dies unabhängig der jeweiligen Ausgestaltung von Vorteil sein kann.
Insoweit keine vollständige Isotropie notwendig oder gar erwünscht ist, können die vorbeschriebenen Parameter beispielsweise eine gewisse Toleranz aufweisen, wie dies für den Fachmann ohne weiteres nachvollziehbar ist. Beispielsweise kann eine Toleranz in einem Bereich von bis zu +/- 25%, etwa +/- 15%, beispielsweise +/- 5% möglich sein.
Es kann weiterhin bevorzugt sein, dass der wenigstens eine geformte Verstärkungsbereich einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, insbesondere wobei der wenigstens eine bei Verfahrensschritt a) erzeugte Aufnahmebereich einen halbkreisförmigen Querschnitt aufweist. Es hat sich gezeigt, dass insbesondere in dieser Ausgestaltung eine effektive Ausgestaltung des Bauteils dahingehend möglich ist, dass eine Anisotropie in gewünschten Maße reduziert werden kann. In anderen Worten kann das Erzeugen eines Bauteils insbesondere unter Verwendung von Verstärkungsbereichen mit kreisförmigem Querschnitt beziehungsweise von zylinderförmigen Verstärkungsbereichen besonders definiert und verlässlich planbar sein und erfolgen. Hierzu ist es für einen einfachen Aufbau beziehungsweise für eine einfache Ausbildung des Bauteils besonders bevorzugt, dass die Aufnahmebereiche einen halbkreisförmigen Querschnitt aufweisen.
Weiterhin kann es bevorzugt sein, dass die Verfahrensschritte a) bis e) mehrfach hintereinander durchgeführt werden. Insbesondere in dieser Ausgestaltung kann auf einfache Weise ein Bauteil mittels additiver Fertigung ausgebildet werden, dass trotz einer möglicherweise komplexen oder nicht quader- oder würfelförmigen Geometrie eine signifikant reduzierte Anisotropie aufweist. Darüber hinaus kann dieser Ausgestaltung insbesondere dann von Vorteil sein, wenn, wie dies vorstehend beschrieben ist, die Abhängigkeit der genannten Parameter sich nicht auf die Ausmaße des gesamten Bauteils bezieht, sondern auf einen definierten Bauteilbereich. Somit ist in dieser Ausgestaltung ein besonders hohes Maß an Adaptivität gegeben.
Es kann weiterhin bevorzugt sein, dass die Bauteilmatrix aus dem gleichen Material geformt ist, wie die Verstärkungsbereiche. Insbesondere, wenn das Bauteil vollständig oder zumindest weitestgehend aus einem Material beziehungsweise einem Werkstoff geformt werden soll, können aufgrund des Schichtaufbaus Anisotropieeffekte auftreten. Somit kann insbesondere in dieser Ausgestaltung das Reduzieren oder Verhindern derartiger Anisotropieeffekte von Vorteil sein. Darüber hinaus kann insbesondere in dieser Ausgestaltung das Planen des Ausbildens der Verstärkungsbereiche auf einfache Weise möglich sein, da weitere unterschiedliche materialspezifische Effekte vernachlässigt werden können beziehungsweise nicht auftreten. Daher kann das Reduzieren von Anisotropieeffekten insbesondere in dieser Ausgestaltung besonders definiert und einfach erfolgen.
Alternativ kann es jedoch auch vorgesehen sein, dass die Bauteilmatrix aus einem Material geformt wird, das zu dem Material der Verstärkungsbereiche verschieden ist. In dieser Ausgestaltung können weitere spezifische Materialeigenschaften erzielt werden, die anwendungsbedingt von Vorteil sein können.
Hinsichtlich weiterer Vorteile und technischer Merkmale des Verfahrens wird auf die Beschreibung des Bauteils, die Figuren und die Beschreibung der Figuren verwiesen.
Beschrieben wird ferner ein Bauteil, aufweisend eine Bauteilmatrix, in der wenigstens ein Verstärkungsbereich ausgebildet ist, wobei die Bauteilmatrix und die Verstärkungsbereiche derart ausgebildet sind, dass eine transversale Richtung der Bauteilmatrix einer longitudinalen Richtung des Verstärkungsbereichs entspricht.
Ein derartiges Bauteil erlaubt verbesserte mechanische Eigenschaften, insbesondere bezüglich einer Homogenität der mechanischen Eigenschaften. Denn dadurch, dass die Verstärkungsbereiche einen Schichtaufbau aufweisen, der zu dem Schichtaufbau der Bauteilmatrix verschieden ist derart, dass eine transversale Richtung der Bauteilmatrix einer longitudinalen Richtung des Verstärkungsbereichs entspricht, können die durch den Schichtaufbau bedingten Anisotropieeffekte insbesondere der Zugspannung verhindert oder zumindest deutlich reduziert werden. Insbesondere können die Verstärkungsbereiche eine Verstärkung der mechanischen Eigenschaften, wie insbesondere der Zugspannung, in der Richtung ermöglichen, in welcher diese mechanischen Eigenschaften der Bauteilmatrix bedingt durch den Schichtaufbau geschwächt sind.
Dabei kann es insbesondere bevorzugt sein, dass die folgenden Parameter in Abhängigkeit von einander gewählt werden: der Durchmesser des wenigstens einen Verstärkungsbereichs, die Zugspannung des Materials der Bauteilmatrix in longitudinaler Richtung, die Zugspannung des Materials der Bauteilmatrix in transversaler Richtung, die Breite des zu formenden Bauteils oder eines Bereichs des zu formenden Bauteils, die Tiefe des zu formenden Bauteils oder eines Bereichs des zu formenden Bauteils, die Höhe des zu formenden Bauteils oder eines Bereichs des zu formenden Bauteils und gegebenenfalls der Abstands einer Mehrzahl von Verstärkungsbereichen.
Insbesondere bei einer Wahl der entsprechenden Parameter in Abhängigkeit zueinander kann ein hoch isotropes Bauteil geformt werden.
Beispielsweise kann es vorgesehen sein, dass eine Mehrzahl an Verstärkungsbereichen vorgesehen ist, wobei der Durchmesser der Verstärkungsbereiche ausgebildet ist nach der folgenden Formel: $d = 0, 625 p {{[{(\frac{h}{l})}^{2} + 3,12 T *]}^{0,5} - \frac{h}{l}},$
wobei gilt:

T*:: $\frac{(\frac{h}{l}) T_{l} - T_{t}}{T_{l} - T_{t}}$
T_l:: Zugspannung des Materials der Bauteilmatrix in longitudinaler Richtung;
Tt:: Zugspannung des Materials der Bauteilmatrix in transversaler Richtung;
h:: Höhe des zu formenden Bauteils oder eines Bereichs hiervon;
l:: Länge des zu formenden Bauteils oder eines Bereichs hiervon;
p:: Abstand der Verstärkungsbereiche voneinander; und

d:: Durchmesser der Verstärkungsbereiche, wobei

Es wird somit ein Bauteil beschrieben, das mittels additiver Fertigung ausbildbar ist und dabei insbesondere nach einem Verfahren, wie dies vorstehend beschrieben ist. Bei einem derartigen Bauteil können Anisotropieeffekte bis bin zu einem hochgradig isotropen Bauteil reduziert beziehungsweise ausgeschaltet werden.
Letzteres kann besonders bevorzugt sein, wenn das Material des wenigstens einen Verstärkungsbereich gleich dem Material der Bauteilmatrix ist.
Hinsichtlich weiterer Vorteile und technischer Merkmale des Bauteils wird auf die Beschreibung des Verfahrens, der Vorrichtung, die Figuren und die Beschreibung der Figuren verwiesen.
Im Folgenden wird ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert, wobei explizit darauf hingewiesen wird, dass der erfindungsgemäße Gegenstand nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt ist. Es zeigen:

1 eine Ansicht eines Bauteils gemäß der Erfindung;
2 eine Ansicht zeigend verschiedene Bestandteile des Bauteils aus 1;
3 eine Ansicht zeigend ein erfindungsgemäßes Verfahren;
4 eine Ansicht zeigend verschiedene Bestandteile des Bauteils aus 1;
5 eine Ansicht zeigend eine Vorrichtung zum Herstellen des Bauteils aus 1 in einer Phase eines erfindungsgemäßen Verfahrens; und
6 eine Ansicht zeigend eine Vorrichtung zum Herstellen des Bauteils aus 1 in einer weiteren Phase eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

In der 1 ist ein Bauteil 10 gezeigt, dass durch ein additives Verfahren erzeugbar ist. Das Bauteil 10 ist dabei aus einer Vielzahl an Schichten 12 aufgebaut, die aufeinander aufgebracht sind und so das Bauteil 10 ausbilden. Das Bauteil 10 ist als ein Quader gezeigt.
Die Schichten 12 können etwa aufgebaut werden, indem aus einer Austrageinheit 14, wie etwa einer Düse, ein geschmolzenes Material ausgetragen wird und schichtweise aufgetragen wird. Dies ist in größerem Detail in der 3 gezeigt.
Das Bauteil 10 kann dabei durch drei Raumrichtungen X, Y, Z gekennzeichnet werden, wobei X und Y longitudinale Richtungen sind beziehungsweise durch die Richtungen X und Y eine longitudinale Ebene aufspannen, und wobei die Richtung Z eine transversale Richtung ist.
Die in den Richtungen X, Y, Z vorliegenden mechanischen Kräfte, wie insbesondere die Zugspannung unterscheiden sich dabei je nach der Richtung im Raum. Insbesondere ist die Zugspannung in transversaler Richtung geringer, als in longitudinaler Richtung.
Dies ist in der 2 gezeigt, welche einen Aufbau eines erfindungsgemäßen Bauteils 10 beschreibt.
In der 2a) ist eine Bauteilmatrix 16 gezeigt, in welcher Aufnahmebereiche 18 vorgesehen sind. Dabei werden beispielhaft die Zugspannungen im Raum gezeigt, wobei dargestellt sein soll, dass in einer transversalen Richtung (T_t) eine niedrige Zugspannung vorliegt, wohingegen in den longitudinalen Richtungen (T_l) eine hohe Zugspannung vorliegt.
Die 2b) zeigt ferner getrennt die in der Bauteilmatrix 16 vorliegenden Verstärkungsbereiche 20, die zylinderförmig ausgestaltet sind. Diese sind ebenfalls schichtweise ausgebildet und weisen somit die Schichten 22 auf. Es ist wiederum gezeigt, dass in einer transversalen Richtung (T_t) eine niedrige Zugspannung vorliegt, wohingegen in den longitudinalen Richtungen (T_l) eine hohe Zugspannung vorliegt.
In der 2c) zeigt ferner die in der Bauteilmatrix 16 vorliegenden Verstärkungsbereiche 20. Es ist zu erkennen, dass eine transversale Richtung der Bauteilmatrix 16 einer longitudinalen Richtung der Verstärkungsbereiche 20 entspricht. Dabei sind ferner die Kräfte in den Raumrichtungen F_x, F_y, F_z angedeutet. Dadurch, dass die Verstärkungsbereiche 20 einen Schichtaufbau aufweisen, der zu dem Schichtaufbau der Bauteilmatrix 16 wie vorstehend beschrieben verschieden ist, können die durch den Schichtaufbau bedingten Anisotropieeffekte insbesondere der Zugspannung verhindert oder zumindest deutlich reduziert werden. Insbesondere können die Verstärkungsbereiche 20 eine Verstärkung der mechanischen Eigenschaften, wie insbesondere der Zugspannung, in der Richtung ermöglichen, in welcher diese mechanischen Eigenschaften der Bauteilmatrix 16 bedingt durch den Schichtaufbau geschwächt sind. Dadurch kann es erreicht werden, dass die Kräfte in den Raumrichtungen F_x, F_y, F_z des Bauteils 10 gleich oder zumindest im Wesentlichen gleich sind, wodurch ein hochgradig isotropes Bauteil 10 entstehen kann.
In der 3 ist ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Bauteils 10 gezeigt.
Dabei ist gezeigt, dass zunächst ein Ausbilden einer Mehrzahl an Schichten 12 der Bauteilmatrix 16 erfolgt, wobei seitlich eine Mehrzahl an in einer seitlichen Richtung geöffneten Aufnahmebereichen 18 für jeweils einen Verstärkungsbereich 20 geformt werden. Dies ist mit Status i) gekennzeichnet.
Anschließend erfolgt ein Rotieren des in Verfahrensschritt wie vorstehend beschrieben geformten Produkts um einen Winkel von 90° um die Drehachse 24 derart, dass die Aufnahmebereiche 18 von oben zugänglich sind. In dieser Lage kann erfolgen das Ausbilden der Verstärkungsbereiche 20 in den Aufnahmebereichen 18 derart, dass eine transversale Richtung der Bauteilmatrix 16 einer longitudinalen Richtung der Verstärkungsbereiche 20 entspricht. Die Verstärkungsbereiche 20 werden dabei zylindrisch ausgestaltet. Dies ist mit Status ii) gekennzeichnet.
Anschließend erfolgt ein Rotieren des wie vorstehend beschrieben erzeugten Produkts um einen Winkel von im Wesentlichen 90° um die Drehachse 24 derart, dass die Verstärkungsbereiche 20 seitlich angeordnet sind, woraufhin das Ausbilden einer weiteren Mehrzahl an Schichten 12 der Bauteilmatrix 16 derart erfolgt, dass die Verstärkungsbereiche 20 seitlich von der Bauteilmatrix 16 beziehungsweise durch die Bauteilmatrix 16 umschlossen werden. Darüber hinaus werden etwa einseitig bezüglich der Verstärkungsbereiche 20 weitere Schichten 12 der Bauteilmatrix 16 unter Ausbilden weiterer seitlicher Aufnahmebereiche 18 erzeugt. Dies ist in einer Frontansicht als Status iv) und in einer Rückansicht als Status iii) gezeigt.
Anschließend erfolgt wiederum ein Rotieren des in Verfahrensschritt wie vorstehend beschrieben geformten Produkts um einen Winkel von 90° um die Drehachse 24 derart, dass die neu geformten Aufnahmebereiche 18 von oben zugänglich sind. In dieser Lage kann erfolgen das Ausbilden der Verstärkungsbereiche 20 in den Aufnahmebereichen 18 derart, dass eine transversale Richtung der Bauteilmatrix 16 einer longitudinalen Richtung der Verstärkungsbereiche 20 entspricht. Die Verstärkungsbereiche 20 werden dabei wiederum zylindrisch ausgestaltet. Dies ist mit Status v) gekennzeichnet.
Anschließend erfolgt wiederum ein Rotieren des wie vorstehend beschrieben erzeugten Produkts um einen Winkel von 90° um die Drehachse 24 derart, dass die Verstärkungsbereiche 20 seitlich angeordnet sind, woraufhin das Ausbilden einer weiteren Mehrzahl an Schichten 12 der Bauteilmatrix 16 derart erfolgt, dass die Verstärkungsbereiche seitlich von der Bauteilmatrix 16 beziehungsweise durch die Bauteilmatrix 16 umschlossen werden. Darüber hinaus werden etwa einseitig bezüglich der Verstärkungsbereiche 20 weitere Schichten 12 der Bauteilmatrix 16 erzeugt. Dies ist in einer Frontansicht als Status vi) gezeigt.
Diese Schritte können in wählbarer Weise wiederholt werden, um so das Bauteil 10 zu formen.
In der 4 ist erneut eine Darstellung eines Teils des Bauteils 10 gezeigt, wobei insbesondere die Bauteilmatrix 16 und die Verstärkungsbereiche 20 gezeigt sind. Dabei soll dargestellt werden, dass die folgenden Parameter in Abhängigkeit von einander gewählt werden: der Durchmesser des wenigstens einen Verstärkungsbereichs, die Zugspannung des Materials der Bauteilmatrix in longitudinaler Richtung, die Zugspannung des Materials der Bauteilmatrix in transversaler Richtung, die Breite des zu formenden Bauteils oder eines Bereichs des zu formenden Bauteils, die Tiefe des zu formenden Bauteils oder eines Bereichs des zu formenden Bauteils, die Höhe des zu formenden Bauteils oder eines Bereichs des zu formenden Bauteils und gegebenenfalls der Abstands einer Mehrzahl von Verstärkungsbereichen, wobei letzteres insbesondere und unabhängig der jeweiligen Ausgestaltung vom Mittelpunkt der Verstärkungsbereiche aus gemessen wird.
In der 4 ist dabei ein Quader vorgesehen, so dass die Länge l und die Tiefe t gleich sind, jedoch ist die Höhe geringer. Ferner sind der Durchmesser d der zylindrischen Verstärkungsbereiche und deren Abstand p zueinander gezeigt.
Die 5 zeigt ferner eine Vorrichtung 26 zum Herstellen eines Bauteils 10 mittels additiver Fertigung. Die Vorrichtung umfasst eine Plattform 28 zum Aufbauen des Bauteils 10, wobei ferner die Austrageinheit 14 zum Austragen eines Materials gezeigt ist, aus dem das Bauteil 10 aufgebaut werden kann. Dabei ist die Austrageinheit 14 dreidimensional über der Plattform 28 verfahrbar, so dass jeder Punkt der Plattform 28 erreicht werden kann, um dort Material abzulagern. Hierzu ist eine Verfahreinrichtung 30 vorgesehen, mittels welcher die Austrageinheit 14 entsprechend verfahren werden kann.
5 zeigt dabei das im Aufbau befindliche Bauteil 10 in dem Status iii), in welcher die Plattform 28 horizontal ausgerichtet ist.
6 zeigt ferner einen Zustand, in der die Plattform um die Drehachse 32 um 90° rotiert ist, so dass die Verstärkungsbereiche 20 geformt werden können zu Ausbilden des Status v).
Bezugszeichenliste

10: Bauteil
12: Schicht
14: Austrageinheit
16: Bauteilmatrix
18: Aufnahmebereich
20: Verstärkungsbereich
22: Schicht
24: Drehachse
26: Vorrichtung
28: Plattform
30: Verfahreinrichtung
32: Drehachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

GB 2521600 A [0003]

Claims

Verfahren zum Erzeugen eines Bauteils (10) mittels additiver Fertigung, wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte aufweist: a) Ausbilden einer Mehrzahl an Schichten (12) einer Bauteilmatrix (16), wobei seitlich wenigstens ein in einer seitlichen Richtung geöffneter Aufnahmebereich (18) für einen Verstärkungsbereich (20) geformt wird; b) Rotieren des in Verfahrensschritt a) geformten Produkts um einen Winkel von im Wesentlichen 90° derart, dass der wenigstens eine Aufnahmebereich (18) von oben zugänglich ist; c) Ausbilden eines Verstärkungsbereichs (20) mit einer Mehrzahl von Schichten (22) in dem wenigstens einen Aufnahmebereich (18) derart, dass eine transversale Richtung der Bauteilmatrix (16) einer longitudinalen Richtung des Verstärkungsbereichs (20) entspricht; d) Rotieren des in Verfahrensschritt c) geformten Produkts um einen Winkel von im Wesentlichen 90° derart, dass der Verstärkungsbereich (20) seitlich angeordnet ist; und e) Ausbilden einer weiteren Mehrzahl an Schichten (12) der Bauteilmatrix (16) derart, dass der Verstärkungsbereich (20) seitlich von der Bauteilmatrix (16) umschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die folgenden Parameter in Abhängigkeit von einander gewählt werden: der Durchmesser des wenigstens einen Verstärkungsbereichs (20), die Zugspannung des Materials der Bauteilmatrix (16) in longitudinaler Richtung, die Zugspannung des Materials der Bauteilmatrix (16) in transversaler Richtung, die Breite des zu formenden Bauteils (10) oder eines Bereichs des zu formenden Bauteils (10), die Tiefe des zu formenden Bauteils (10) oder eines Bereichs des zu formenden Bauteils (10), die Höhe des zu formenden Bauteils (10) oder eines Bereichs des zu formenden Bauteils (10) und gegebenenfalls der Abstands einer Mehrzahl von Verstärkungsbereichen (20).
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des wenigstens einen Verstärkungsbereichs (20) gewählt wird in Abhängigkeit der Zugspannung des Materials der Bauteilmatrix (16) in longitudinaler Richtung, der Zugspannung des Materials der Bauteilmatrix (16) in transversaler Richtung, der Breite des zu formenden Bauteils (10) oder eines Bereichs des zu formenden Bauteils (10), der Tiefe des zu formenden Bauteils (10) oder eines Bereichs des zu formenden Bauteils (10), der Höhe des zu formenden Bauteils (10) oder eines Bereichs des zu formenden Bauteils (10) und gegebenenfalls des Abstands einer Mehrzahl von Verstärkungsbereichen (20).
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl an Verstärkungsbereichen (20) ausgebildet wird, wobei der Durchmesser der Verstärkungsbereiche (20) gewählt wird nach der folgenden Formel: $d = 0,625p {{[{(\frac{h}{l})}^{2} + 3,12 T *]}^{0,5} - \frac{h}{l}},$
wobei gilt: T*: $\frac{(\frac{h}{l}) T_{l} - T_{t}}{T_{l} - T_{t}}$
T_l Zugspannung des Materials der Bauteilmatrix (16) in longitudinaler Richtung; Tt: Zugspannung des Materials der Bauteilmatrix (16) in transversaler Richtung; h: Höhe des zu formenden Bauteils (10) oder eines Bereichs hiervon; l: Länge des zu formenden Bauteils (10) oder eines Bereichs hiervon; p: Abstand der Verstärkungsbereiche (20) voneinander; und d: Durchmesser der Verstärkungsbereiche (20), wobei die Länge des Bauteils (10) oder des Bauteilbereichs gleich der Tiefe des Bauteils (10) oder des Bauteilbereichs ist und der Durchmesser eine Toleranz aufweist in einem Bereich von ≥ 0 bis ≤ 25%.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine geformte Verstärkungsbereich (20) einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrensschritte a) bis e) mehrfach hintereinander durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteilmatrix (16) aus dem gleichen Material geformt ist, wie der wenigstens eine Verstärkungsbereich (20).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteilmatrix (16) aus einem Material geformt wird, das zu dem Material des wenigstens einen Verstärkungsbereichs (20) verschieden ist.
Bauteil, aufweisend eine Bauteilmatrix (16), in der wenigstens ein Verstärkungsbereich (20) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteilmatrix (16) und der wenigstens eine Verstärkungsbereich (20) derart ausgebildet sind, dass eine transversale Richtung der Bauteilmatrix (16) einer longitudinalen Richtung des wenigstens einen Verstärkungsbereichs (20) entspricht.
Bauteil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteilmatrix (16) aus dem gleichen Material geformt ist, wie der wenigstens eine Verstärkungsbereich (20).