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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur generativen Herstellung wenigstens eines Gegenstands, eine Verwendung eines Druckkopfs sowie ein Kraftfahrzeug, insbesondere einen Personenkraftwagen.
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Ein generatives Fertigungsverfahren zur Herstellung dreidimensionaler Bauteile ist das 3D-Druck-Verfahren Binder Jetting. Dabei wird schichtweise ein pulverförmiges Material ausgebracht und selektiv an den Stellen, an denen das Pulver zur Ausbildung des Bauteils verfestigt werden soll, ein Binder aufgebracht. Dies wird wiederholt, bis das Bauteil in der gewünschten Form aufgebaut ist. Anschließend wird nicht verfestigtes Pulver entfernt.
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Bei der Herstellung von Metallbauteilen mit diesem Verfahren wird im Anschluss an den beschriebenen Aufbauprozess das derartig aus Metallpulver erzeugte Bauteil zum fertigen Bauteil gesintert. Dabei wird das Material bei hohen Temperaturen erweicht, aber nicht geschmolzen. Da die Bauteile vor dem Abschluss des Sinterprozesses noch nicht ihre volle Festigkeit aufweisen und im Sinterofen der Schwerkraft unterworfen sind, kann es in Abhängigkeit der Bauteilgeometrie zu Verformungen bzw. Verzug kommen. Insbesondere auskragende Bauteilbereiche können dabei schwerkraftbedingt verformt werden. Auch kommt es beim Sintern typischerweise zur Schwindung der Bauteile. Dabei kann die Haftung der Bauteilunterseite auf der Unterlage aufgrund des jeweiligen Reibungswiderstands zu Verformungen von Bauteilbereichen führen.
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Es ist bekannt, den beschriebenen Verformungen mittels Stützstrukturen, auch als Sintersupports bezeichnet, entgegenzuwirken, die beispielsweise aus Keramik hergestellt sein können. Diese stützen das herzustellende Bauteil bereichsweise ab und verhindern so Deformationen u. a. aufgrund der Schwerkraftwirkung. Die Verwendung von Keramik verhindert aufgrund des höheren Schmelzpunktes der Keramik im Vergleich zum Metall eine Bindung des herzustellenden Metallbauteils mit der Stützstruktur, die somit leicht vom gesinterten Bauteil ablösbar ist.
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Da derartige Stützstrukturen jedoch nicht in unbegrenzter Größe und Komplexität herstellbar sind, sind Größe und Komplexität der herzustellenden Bauteile stark eingeschränkt. Darüber hinaus finden während des Sinterprozesses unterschiedliche, da materialabhängige Schwindungen, von Stützstruktur und Bauteil statt, sodass trotz der Verwendung von Stützstrukturen eine Deformation der Bauteile erfolgen kann.
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Ein verwandtes Verfahren ist aus der
EP 2 529 694 B1 bekannt, die ein Verfahren zur generativen Herstellung von Keramikformkörpern durch 3D-Inkjet-Drucken offenbart. Dabei wird ein Keramikschlicker, also eine Suspension von keramischen Partikeln in einem Dispersionsmittel, schichtweise auf einen Träger aufgebracht und gehärtet, vorzugsweise mittels Temperaturänderung. Die Partikel zur Herstellung des Körpers werden aus einer Düse ausgegeben. Der entstehende Körper wird einer chemischen Behandlung oder einer Wärmebehandlung unterworfen, sodass das Bindemittel entfernt wird. Es werden mehrere Keramikschlicker verwendet, deren Anteile ortsabhängig gesteuert werden, sodass die Zusammensetzung des hergestellten Körpers variiert. Es werden Schlicker mit Keramikpartikeln, radikalisch polymerisierbarem Bindemittel und ggf. Wachs genutzt. Der hergestellte Körper wird anschließend gesintert.
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Die
DE 10 2012 101 939 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum schichtweisen Aufbau eines Formkörpers. Dabei wird die nächste Schicht aufgebracht, bevor die Schicht darunter ausgehärtet ist. Es wird aus einer Düse Material zur Herstellung des Formkörpers aufgebracht und insbesondere gleichzeitig um diesen herum Stützmaterial aufgebracht, welches gleich schwer ist wie das Körper-Material und auf diese Weise ein Fließen oder Abscheren des herzustellenden Körpers verhindert. Das Stützmaterial wird ebenfalls aus einer Düse ausgebracht. Die Ausbringung erfolgt in einer im Wesentlichen vertikalen Schicht, sodass Stützmaterial auf Stützmaterial aufgebracht wird und nicht auf das Material zur Ausbildung des Formkörpers. Es ist aus
2c und Absatz [0088] dieses Dokuments klar ersichtlich, dass das Stützmaterial und das Material zur Herstellung des Formkörpers aus räumlich voneinander getrennten Düsen ausgebracht werden. Die Düsen sind nicht miteinander verbunden. Insbesondere werden die Materialien nicht aus einem gemeinsamen Druckkopf ausgegeben.
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Die
US 9 833 839 B2 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Körpers, eines Stützmaterials sowie einer Zwischenschicht. Es wird aus einem ersten Material eine Stützstruktur hergestellt. Die Zwischenschicht wird derart hergestellt, dass sie die Stützstruktur kontaktiert. Aus einem zweiten Material wird angrenzend an die Zwischenschicht eine Oberfläche des Körpers hergestellt. Das zweite Material umfasst Pulver und ein Bindersystem mit wenigstens einem Binder, wobei das Bindersystem zum Halten einer Endform des Körpers während der Bearbeitung des Körpers zum finalen Teil dient. Die Bearbeitung umfasst ein Entbindern der Endform, um die Binder zu entfernen, und Sintern der Endform. Die Zwischenschicht verhindert eine Bindung der Stützstruktur mit dem Körper. Das Material der Zwischenschicht wird mit einem Depositionswerkzeug angeordnet und das Material zur Herstellung eines Körpers wird mit einem Druckkopf ausgebracht.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren sowie eine Verwendung zur Verfügung zu stellen, die auf besonders einfache und kostengünstige Weise die generative Herstellung komplexer bzw. großer Gegenstände erlaubt.
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Die Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren zur generativen Herstellung wenigstens eines Gegenstands gemäß Anspruch 1 und die Verwendung eines Druckkopfs gemäß Anspruch 10. Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2-9 angegeben. Darüber hinaus wird ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 11 zur Verfügung gestellt.
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Ein erster Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur generativen Herstellung wenigstens eines Gegenstands. Es wird eine Schicht aus pulverförmigem Material angeordnet und es wird zur festen Verbindung von Partikeln des pulverförmigen Materials zwecks Herstellung des Gegenstands auf zumindest einen Bereich des pulverförmigen Materials ein Binder ausgebracht. Weiterhin wird auf wenigstens einen Bereich des pulverförmigen Materials ein Zusatzmaterial zur zumindest bereichsweisen Beeinflussung einer Eigenschaft des herzustellenden Gegenstands ausgebracht. Der Binder und das Zusatzmaterial werden in zumindest abschnittsweise separaten Strömungsbahnen mittels eines gemeinsamen Druckkopfs ausgebracht.
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Insbesondere ist das verwendete Verfahren das als Binder Jetting bezeichnete Verfahren zum 3D-Drucken. Dabei wird zum Aufbau des Gegenstands typischerweise eine Vielzahl an Schichten des pulverförmigen Materials ausgebracht und das Material jeder Schicht bereichsweise mittels Ausbringung von Binder verfestigt. Bei jeder der aufgebrachten Schichten können die erfindungsgemäßen Verfahrensmerkmale realisiert werden. Typischerweise erfolgt die Anordnung der Schicht derart, dass eine horizontale Ebene geschaffen wird, wobei ein Gegenstand aus mehreren Ebenen bzw. Schichten bestehen kann. Anschließend wird der hergestellte Gegenstand vom diesen umgebenden, nicht verfestigten pulverförmigen Material getrennt. In jeder Schicht kann Zusatzwerkstoff ausgebracht werden.
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Das pulverförmige Material ist insbesondere ein metallisches Material, also ein Pulver aus wenigstens einem Metall und/oder wenigstens einer Legierung. Es kann ein oder mehrere Bestandteile bzw. Stoffe umfassen, wie beispielsweise Zusatzwerkstoffe, Legierungselemente oder Ähnliches. Es kann in unterschiedlichen Bereichen der Schicht und/oder in unterschiedlichen Schichten unterschiedlich zusammengesetzt sein. Typischerweise wird ein einheitliches Pulver für alle Schichten und/oder alle Bereiche einer jeweiligen Schicht verwendet. Das pulverförmige Material wird auf einer Aufnahmeeinrichtung oder auf einer zuvor angeordneten Schicht angeordnet.
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Ein Binder, auch als Bindemittel bezeichnet, ist ein Material, welches die Partikel eines Pulvers zusammenhält bzw. aneinander bindet, um einen zusammenhängenden Gegenstand zu bilden. Dies kann mechanische, chemisch, durch Adhäsion und/oder Kohäsion erfolgen. Typischerweise wird der Binder derart ausgebracht, dass er in Hohlräumen zwischen den Partikeln angeordnet ist und eine feste Verbindung zwischen ihnen herstellt, sodass die Partikel in Bezug zueinander fixiert bzw. unbeweglich sind. Der festen Verbindung der Partikel steht nicht entgegen, dass der derartig hergestellte Gegenstand ggf. nur eine geringe Festigkeit aufweisen kann.
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Bei der Herstellung von Gegenständen aus Metall wird der derart hergestellte Gegenstand als Grünling bzw. Grünkörper bezeichnet und weist üblicherweise lediglich eine geringe Festigkeit auf, sodass die mechanische Beanspruchung des Grünkörpers minimal sein sollte. Mittels des typischerweise anschließenden Sinterprozesses wird aus dem Grünkörper ein Gegenstand mit einer im Vergleich zum Grünkörper höheren Festigkeit hergestellt, bei dem zwischen einem Großteil jeweils benachbarter Partikel unmittelbare Bindungen der Partikel miteinander bestehen. Dies schließt selbstverständlich nicht aus, dass auch nach dem Sintern Hohlräume bzw. Poren im Gegenstand verbleiben können.
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Insbesondere ist der Binder derart zusammengesetzt, dass er in einem Entbinderungsprozess und/oder unter Wärmeeinwirkung im Wesentlichen entfernbar bzw. zersetzbar ist. Beispielsweise umfasst der Binder keinerlei Zusatzstoffe bzw. Zusatzpartikel, die eine Veränderung der Eigenschaften des herzustellenden Gegenstands im gesinterten Zustand bewirken. Typischerweise umfasst der Binder eine Lösung und/oder eine Suspension.
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Das Zusatzmaterial kann eine Lösung, eine Suspension, Partikel und/oder gelöste Stoffe umfassen. Insbesondere umfasst das Zusatzmaterial keinen Binder bzw. kein Polymer. Beispielsweise ist das Zusatzmaterial derart zusammengesetzt, dass es einen Entbinderungsprozess und/oder eine Wärmeeinwirkung zur Entfernung des Binders im Wesentlichen vollständig in seiner Position in Hohlräumen des pulverförmigen Materials überdauert. Das Zusatzmaterial wird auf zumindest einen Bereich des vom Binder beeinflussten oder unbeeinflussten Pulvers ausgebracht.
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Die Beeinflussung einer Eigenschaft meint insbesondere eine Beeinflussung der Eigenschaft in Bezug zu umgebenden Bereichen, also eine lokale Einstellung einer gewünschten Eigenschaft des Gegenstands an einer gewünschten Position. Alternativ kann selbstverständlich auch in allen Bereich einer Schicht bzw. mehrerer Schichten das Zusatzmaterial aufgebracht werden.
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Somit werden zumindest zwei unterschiedliche Materialien, nämlich ein Binder und ein Zusatzmaterial, auf zumindest abschnittsweise unterschiedlichen Strömungsbahnen auf das pulverförmige Material aufgebracht. Insbesondere werden diese mittels unterschiedlicher Ausbringungsöffnungen eines Druckkopfs ausgebracht, so dass die separaten Strömungsbahnen zumindest zwischen dem Druckkopf und dem pulverförmige Material bzw. dem herzustellenden Gegenstand existieren. Typischerweise werden Binder und Zusatzmaterial in vollständig unterschiedlichen Strömungsbahnen geleitet, die beispielsweise im Wesentlichen parallel verlaufen können. Insbesondere werden der Binder und/oder das Zusatzmaterial zumindest zeitabschnittsweise in jeweils einem kontinuierlichen Volumenstrom ausgebracht.
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Insbesondere wird der Binder mittels wenigstens einer ersten Ausbringungsöffnung des Druckkopfs ausgebracht. Insbesondere wird das Zusatzmaterial mittels wenigstens einer zweiten Ausbringungsöffnung des Druckkopfs ausgebracht. Typischerweise sind die erste und die zweite Ausbringungsöffnung gleichartig ausgestaltet.
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Ein Druckkopf meint eine Einrichtung mit wenigstens einer Ausbringungsöffnung zur Ausbringung von Material, die derart angeordnet bzw. anordbar ist, dass eine Relativbewegung zwischen Druckkopf und einem herzustellenden Gegenstand bzw. einer Aufnahmeeinrichtung zur Aufnahme eines herzustellenden Gegenstands realisierbar ist. Insbesondere sind die Ausbringungsöffnungen eines Druckkopfs mittels einer gemeinsamen Bewegungseinrichtung, Verfahreinrichtung bzw. Antriebseinrichtung beweglich. In einem Druckkopf angeordnete Ausbringungsöffnungen sind fest bzw. starr miteinander verbunden. Sie können in separaten, starr miteinander verbundenen Gehäuseteilen oder in einem gemeinsamen Gehäuse des Druckkopfs angeordnet sein. Insbesondere weist der Druckkopf für jedes auszubringende Material zumindest zwei redundant ausgeführte Ausbringungsöffnungen auf, sodass bei einer Fehlfunktion einer Ausbringungsöffnung eines auszubringenden Materials als Ersatz eine zusätzliche Ausbringungsöffnung für dieses Material vorhanden ist. Insbesondere ist der Druckkopf bzw. sind die jeweiligen Ausbringungsöffnungen zur Ausgabe von flüssigen Materialien wie beispielsweise Lösungen bzw. Suspensionen eingerichtet. Es ist allerdings nicht ausgeschlossen, dass der Druckkopf wenigstens eine Ausbringungsöffnung zur Ausbringung eines pulverförmige Materials aufweist. Diese weist insbesondere einen größeren Querschnitt als Ausbringungsöffnungen zur Ausgabe flüssiger Materialien auf.
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Das Zusatzmaterial kann die jeweilige Schicht des pulverförmigen Materials durchdringen und auf diese Weise das Material dieser Schicht beeinflussen. Beispielsweise kann es zur Beeinflussung des Materials in bzw. nach einem Sinterprozess geeignet sein und zu diesem Zweck etwa Legierungselemente zur Legierung mit einem metallischen pulverförmigen Material umfassen.
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Das Zusatzmaterial kann jedes einzelne oder jede Kombination der in der Metallurgie bekannten Legierungselemente enthalten, insbesondere C, Cu, Mn, Ni und/oder Si. In einem anschließenden Sinterprozess kann durch unter Wärmeeinwirkung und ggf. erhöhtem Druck stattfindende Diffusionsprozesse des pulverförmigen Materials, welche durch ein Erweichen des Materials ggf. verstärkt werden können, zumindest lokal eine Legierungsbildung erfolgen.
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Das Zusatzmaterial kann Sinteradditive und/oder kleinere Partikel als das pulverförmige Material, beispielsweise aus demselben Material wie das pulverförmige Material, umfassen. Dies kann den Sinterprozess verbessern, beispielsweise die Sinteraktivität erhöhen, und somit die erzielbare Dichte bzw. Festigkeit der Gegenstände nach dem Sintern steigern. Das Zusatzmaterial kann Verstärkungspartikel umfassen, beispielsweise umfassend Wolframcarbid und/oder elementaren Kohlenstoff, um lokal die Festigkeit zu erhöhen. Das Zusatzmaterial kann dazu eingerichtet sein, die chemische Zusammensetzung des herzustellenden Gegenstands bzw. dessen Werkstoffeigenschaften wie beispielsweise die Korrosionsbeständigkeit gegenüber bestimmten Medien bzw. Umgebungen zu beeinflussen. Es kann dazu eingerichtet sein, physikalische Eigenschaften wie beispielsweise die Wärmeleitfähigkeit und/oder die elektrische Leitfähigkeit gezielt zu beeinflussen. Zu diesem Zweck kann es beispielsweise Kupfer umfassen. Beispielweise kann durch Legierungselemente, Kohlenstoff und/oder Carbide eine lokal erhöhte Härte erzielt werden. Ebenfalls kann eine erhöhte Verschleißbeständigkeit durch Wolfram, insbesondere Wolframcarbid, und/oder weitere verschleißbeständige Elemente erzielt werden.
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Ebenfalls ist es möglich, durch gezielte Nichtausbringung des Zusatzwerkstoffs in bestimmten Bereichen das Vorhandensein bestimmter Stoffe in diesen Bereichen zu unterbinden. Beispielsweise können für nachfolgende Schweißverfahren problematische Legierungselemente wie etwa Nickel an zu schweißenden Bereichen der Gegenstände ausgelassen werden bzw. ausschließlich dort angeordnet werden, wo sie benötigt werden.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird der Gegenstand gesintert. Er kann vorher entbindert werden. Insbesondere erfolgt das Sintern bei einer Temperatur zwischen 70% und 90% der Schmelztemperatur des pulverförmigen Materials oder des pulverförmigen Materials mit etwaig vorhandenen Legierungselementen, beispielsweise etwa 80% der Schmelztemperatur.
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Das gemeinsame Drucken mittels eines Druckkopfs ermöglicht eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung, da lediglich eine Bewegungseinrichtung zur Bewegung des Druckkopfs benötigt wird. Die erzielbaren Genauigkeiten sind besonders hoch, da der Abstand zwischen den Ausbringungsöffnungen konstant ist.
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Eine Ausgestaltung des Verfahrens zur generativen Herstellung wenigstens eines Gegenstands ist dadurch gekennzeichnet, dass als Zusatzmaterial oder zusätzlich zum Zusatzmaterial ein Trennmaterial ausgebracht wird, sodass die Materialzusammensetzung im herzustellenden Gegenstand an der Position des Trennmaterials infolge des dort angeordneten Trennmaterials in Bezug zu wenigstens einem benachbarten Bereich verändert ist. Somit ist der Gegenstand nach einem Sinterprozess an dieser Position gezielt teilbar und weist insbesondere eine Sollbruchstelle auf.
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Die Teilbarkeit des Gegenstands nach dem Sinterprozess meint ein Unterteilen bzw. Trennen des Gegenstands in wenigstens zwei Teile. Insbesondere ist dabei wenigstens ein erster Teil des hergestellten Gegenstands eine Stützstruktur zur Anlage bzw. zum Abstützen zumindest eines Bereichs des eigentlich herzustellenden Bauteils und ein zweiter Teil ist ebenjenes herzustellende Bauteil. Die beiden Teile sind mittels des Trennmaterials voneinander getrennt, sodass sie in einem Sinterprozess nicht miteinander verbunden werden. Im Folgenden bezieht sich der Begriff „Gegenstand“ auf den generativ herzustellenden Gegenstand, der das „Bauteil“ sowie insbesondere wenigstens eine Stützstruktur zum zumindest bereichsweisen Abstützen des Bauteils in einem anschließenden Sinterprozess umfassen kann.
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Die Stützstruktur dient insbesondere der gezielten Abstützung von Bereichen des herzustellenden Bauteils während des Sinterns. Auf diese Weise wird ein Fließen, Abscheren bzw. Deformieren zumindest eines Teils des herzustellenden Körpers verhindert. Der vor dem Abschluss des Sinterprozesses lediglich eine geringe Festigkeit aufweisende Grünkörper wird somit vor Verformungen bzw. vor Verzug geschützt. Insbesondere auskragende Bauteilbereiche werden vor schwerkraftbedingten Verformungen geschützt.
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Die veränderte Materialzusammensetzung meint einen Bereich abweichender Eigenschaften, der ein gezieltes Versagen des Gegenstands an dieser Stelle ermöglicht. Beispielsweise kann dies durch eine lokal verminderte Festigkeit erreicht werden, sodass eine Sollbruchstelle im Gegenstand erzeugt wird, an welcher durch Krafteinwirkung ein gezieltes Versagen des Gegenstands erreicht werden kann. Ebenfalls kann ein Bereich erhöhter Sprödigkeit hergestellt werden, beispielsweise unter Nutzung von Kohlenstoff, sodass durch unmittelbare Krafteinwirkung ein gezielter Bruch des Gegenstands erfolgen kann. Eine weitere Möglichkeit ist es, als Trennmaterial ein in einem Lösemittel wie beispielsweise Wasser lösliches Material und/oder ein Material mit einem niedrigen Schmelzpunkt bzw. einer niedrigen Warmfestigkeit anzuordnen, das bei Temperaturerhöhung ein gezieltes Versagen ermöglicht.
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Es kann zusätzlich zum Trennmaterial ein Zusatzmaterial ausgebracht werden. Dieses kann mittels wenigstens einer dritten Ausbringungsöffnung des Druckkopfs ausgebracht werden. Insbesondere sind die dritte Ausbringungsöffnung und die erste und/oder zweite Ausbringungsöffnung gleichartig ausgestaltet.
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Diese Ausgestaltung bringt den Vorteil mit sich, dass besonders große und komplexe Bauteile sowie Bauteile mit beliebig auskragenden Bereichen herstellbar sind, da auf gezielte, reproduzierbare und automatisierbare Weise der jeweiligen Bauteilgeometrie angepasste Stützstrukturen herstellbar sind. Diese Stützstrukturen können unmittelbar auf das herzustellende Bauteil zugeschnitten sein. Sie sind im selben Verfahrensgang herstellbar wie das eigentliche Bauteil, sodass ein schnelles und effizientes Verfahren zur Verfügung gestellt wird. Durch die generative dreidimensionale Herstellung der Stützstrukturen sind beliebig komplexe Stützstrukturen möglich. Durch die leichte Abtrennbarkeit der Stützstruktur ist die notwendige Nachbearbeitung auf ein Minimum reduziert.
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In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird das Trennmaterial derart ausgebracht, dass es eine vom pulverförmigen Material zumindest im Wesentlichen freie Phase auf dem pulverförmigen Material ausbildet. Mit anderen Worten wird das Trennmaterial derart ausgebracht, dass zumindest bereichsweise Trennmaterial, aber kein pulverförmiges Material vorliegt.
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Die Phase des Trennmaterials meint insbesondere eine Schicht des Trennmaterials. Die Phase des Trennmaterials kann sich parallel oder in einem beliebigen anderen Winkel zur Schicht des pulverförmige Materials erstrecken. Mit anderen Worten kann eine Schicht des Trennmaterials in bzw. auf eine Schicht des pulverförmigen Materials aufgebracht werden und/oder es kann innerhalb einer Schicht des pulverförmige Materials bereichsweise das Trennmaterial angeordnet werden, sodass eine sich hochkant oder schräg erstreckende Phase des Trennmaterials ausgebildet wird. Insbesondere wird wenigstens eine weitere Schicht des pulverförmigen Materials auf dem Trennmaterial angeordnet. Auf der letzten Schicht wird selbstverständlich keine weitere Schicht des pulverförmigen Materials angeordnet.
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Auf diese Weise wird ein mechanischer Kontakt zwischen dem bereits aufgetragenen pulverförmigen Material und der anschließend anzuordnenden Schicht des pulverförmigen Materials verhindert. Mit anderen Worten separiert das Trennmaterial, das beispielsweise als Schicht angeordnet werden kann und in diesem Fall auch als Trennschicht bezeichnet wird, die beidseitig davon bzw. darüber und darunter befindlichen Bereiche des Pulvers. Es ergibt sich der Vorteil, dass in einem nachgeschalteten Sinterprozess keine Bindung zwischen der Stützstruktur und dem eigentlichen herzustellenden Bauteil entsteht und somit die Stützstruktur besonders leicht und reproduzierbar abtrennbar ist. Dies ermöglicht eine einfache Automatisierung des Verfahrens.
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In einer Ausgestaltung wird der Gegenstand an der Position des Trennmaterials gezielt geteilt. Dies erfolgt typischerweise nach einem Sinterprozess. Insbesondere wird zu diesem Zweck eine Kraft auf zumindest einen Bereich des Gegenstands ausgeübt, sodass dieser zwecks Abtrennung der Stützstruktur des Gegenstands im Bereich des Trennmaterials bricht bzw. geteilt wird. Dies kann automatisiert erfolgen. Durch die Abtrennung der Stützstruktur vom hergestellten Gegenstand wird das eigentlich herzustellende Bauteil erzeugt.
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In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens umfasst das Trennmaterial ein Material und besteht insbesondere aus einem Material, welches einen Schmelzpunkt aufweist, welcher um wenigstens 5% und insbesondere wenigstens 10% vom Schmelzpunkt des pulverförmigen Materials abweicht. Somit wird in einem Sinterprozess zur Herstellung des Gegenstands eine Bindung zwischen dem Trennmaterial und dem pulverförmigen Material verringert oder verhindert.
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Beispielsweise weist das vom Trennmaterial umfasste Material einen Schmelzpunkt auf, der um wenigstens 5%, insbesondere wenigstens 10%, beispielweise wenigstens 20%, in einer Ausgestaltung wenigstens 30% und in einem Beispiel um wenigstens 40% höher ist als der Schmelzpunkt des pulverförmige Materials, sodass das vom Trennmaterial umfasste Material nicht mit dem pulverförmigen Material verbunden wird. Sämtliche prozentualen Angaben bezüglich Temperaturen beziehen sich auf eine Temperaturskala in °C.
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Alternativ kann das vom Trennmaterial umfasste Material einen um die genannten Prozentwerte geringeren Schmelzpunkt aufweisen, sodass beim Sintern eine die jeweiligen Materialien voneinander trennende flüssige Phase vorliegt.
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Mit anderen Worten wird das Trennmaterial derart gewählt, dass das Bauteil und die Stützstruktur nicht zusammensintern. Insbesondere wird ein keramisches Trennmaterial verwendet. Das Zusatzmaterial bzw. das Trennmaterial kann Partikel in einer Suspension umfassen. Typischerweise werden suspendierte keramische Partikel genutzt.
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Diese Ausgestaltung bringt den Vorteil mit sich, dass die gezielte Abtrennung von Stützstrukturen durch Verwendung der erfindungsgemäßen Materialien auf besonders einfache Weise möglich ist. Darüber hinaus sind die als Trennmaterial verwendbaren Materialien verfügbar, weisen eine gute Verarbeitbarkeit auf und sind kostengünstig.
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Eine Ausgestaltung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass das Trennmaterial flüssig, pastös oder pulverförmig ist. Beispielsweise kann das Trennmaterial als viskose Paste ausgebracht werden. Es kann beispielsweise Keramikpartikel umfassen. Insbesondere bildet das Trennmaterial in diesem Fall eine vom pulverförmigen Material unbeeinflusste Phase aus, es liegt also bereichsweise ausschließlich das Trennmaterial vor. Das Trennmaterial kann ebenso als Pulver oder als Flüssigkeit, beispielsweise als Lösung oder Suspension mit suspendierten Partikeln auf das pulverförmige Material ausgegeben werden.
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Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens zur generativen Herstellung wenigstens eines Gegenstands ist dadurch gekennzeichnet, dass das pulverförmige Material sowie das Zusatzmaterial derart angeordnet werden, dass sich das Zusatzmaterial zwischen vom Zusatzmaterial unbeeinflussten Bereichen des pulverförmigen Materials befindet. Somit ist eine Materialzusammensetzung im herzustellenden Gegenstand an der Position des Zusatzmaterials in Bezug zu umgebenden Bereichen verändert.
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Beispielsweise kann eine Schicht ohne ein bestimmtes Zusatzmaterial angeordnet werden, auf dieser kann eine Schicht, welche das Zusatzmaterial umfasst bzw. aus diesem besteht angeordnet werden und auf dieser kann wiederum eine Schicht ohne das Zusatzmaterial angeordnet werden. Insbesondere wird das Zusatzmaterial auf eine Pulverschicht aufgebracht und es wird anschließend eine Pulverschicht auf dem Zusatzmaterial angeordnet. Bei der letzten herzustellenden Schicht kann Zusatzmaterial aufgebracht werden, ohne dass darauf eine Pulverschicht aufgebracht wird.
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Das Zusatzmaterial kann in einem ersten Bereich angeordnet werden, der entlang wenigstens einer Raumrichtung zwischen zweiten Bereichen angeordnet ist, wobei in den zweiten Bereichen kein Zusatzmaterial angeordnet ist bzw. wird. Die Bereiche können dabei in einer Schicht liegen. Somit kann das Zusatzmaterial innerhalb einer Schicht zwischen vom Zusatzmaterial unbeeinflussten Bereichen des pulverförmige Materials angeordnet werden.
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Im Falle eines Trennmaterials kann dieses in bzw. auf derselben Schicht und/oder in bzw. auf unterschiedlichen Schichten angeordnet werden wie das eigentliche herzustellende Bauteil und/oder die Stützstruktur. Insbesondere dient es der Herstellung zumindest eines festigkeitsgeminderten bzw. zähigkeitsgeminderten Bereichs des herzustellenden Gegenstands.
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Im Falle eines die Eigenschaften des Gegenstands nach dem Sintern beeinflussenden Zusatzmaterials kann auf diese Weise gezielt ein Bereich veränderter Eigenschaften hergestellt werden.
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In einer Ausgestaltung sind die das Zusatzmaterial umgebenden Bereiche des pulverförmigen Materials aus dem pulverförmigen Material zusammengesetzt. Mit anderen Worten werden die Stützstruktur und das eigentlich herzustellende Bauteil aus demselben pulverförmigen Material erzeugt. Es kann beispielsweise ein erster Teil des Pulvers zur Herstellung des Bauteils und ein zweiter Teil des Pulvers zur Herstellung einer Stützstruktur zur Anlage bzw. zum Abstützen zumindest eines Bereichs des Bauteils genutzt werden, wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Teil des Pulvers eine Schicht aus dem Zusatzmaterial, beispielsweise eine Trennschicht aus dem Trennmaterial, angeordnet wird.
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Dies bringt den Vorteil mit sich, dass einerseits die Herstellung von Stützstruktur und Bauteil auf besonders einfache und schnelle Weise möglich ist. Darüber hinaus ist die Schrumpfung dieser Elemente aufgrund desselben Materials beim Sinterprozess gleich, sodass schrumpfungsbedingter Verzug im Gegenstand verhindert wird und die Stützstruktur während des gesamten Sinterprozesses ihre Funktion erfüllen kann.
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Eine Ausgestaltung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass eine pro Oberflächeneinheit der Schicht des pulverförmigen Materials aufgebrachte Menge des Zusatzmaterials variiert wird, sodass der herzustellende Gegenstand in unterschiedlichen Bereichen unterschiedliche Eigenschaften aufweist. Dies kann einer oder mehreren aufzubringenden Schichten realisiert sein.
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Unterschiedliche Konzentrationen des Zusatzmaterials im herzustellenden Gegenstand bewirken auf diese Weise unterschiedliche Eigenschaften. Beispielsweise können so gezielt bereichsweise die chemische Zusammensetzung, Magnetismus, elektrische Leitfähigkeit, Härte, usw. des Gegenstands eingestellt werden.
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Eine Menge meint insbesondere ein Volumen bzw. eine Masse. Die Variation erfolgt insbesondere während einer Bewegung des Druckkopfs entlang der Schicht des pulverförmigen Materials. Sie meint beispielsweise eine Veränderung eines Volumenstroms des Zusatzmaterials.
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Die Variation der pro Oberflächeneinheit aufgebrachten Menge kann kontinuierlich erfolgen, sodass ein Gradientenmaterial bzw. ein graduierter Gegenstand hergestellt wird, also ein entlang zumindest einer Raumrichtung hinsichtlich seiner Zusammensetzung kontinuierlich variabler Gegenstand. Die Variation kann auch diskret bzw. stufenweise sein, ggf. mit sehr kleinen Stufen, sodass ein abgestufte Eigenschaften aufweisender Gegenstand hergestellt wird.
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Diese Ausgestaltung bringt den Vorteil mit sich, dass insbesondere in Verbindung mit der geometrischen Variabilität des generativen Fertigungsverfahrens eine besonders große Freiheit bei der Konstruktion von Gegenständen erzielbar ist. Es sind für den spezifischen Anwendungsfall Gegenstände mit gezielten Bereichen definierter mechanischer Eigenschaften herstellbar. Dies birgt große Potenziale hinsichtlich Leichtbaukonstruktionen. Durch gezielte Beeinflussung der physikalischen bzw. thermo-physikalischen Eigenschaften, also insbesondere der Wärmeleitfähigkeit, können funktionsintegrierte Gegenstände hergestellt werden.
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Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzmaterial Partikel und/oder Fasern umfasst. Beispielsweise kann eine lokal erhöhte Härte bzw. Festigkeit des herzustellenden Gegenstands durch Fasern hergestellt werden.
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Die Partikel bzw. Fasern weisen insbesondere maximale Durchmesser bzw. Längen im Mikrometerbereich, insbesondere im Nanometerbereich, auf, sodass sie mittels Ausbringungsöffnungen der Druckköpfe ausgebbar sind. Typischerweise liegen sie in Suspension vor. Es ist allerdings, wie beschrieben, nicht ausgeschlossen, dass Partikel bzw. Fasern in fester Form aus einer geeigneten Ausbringungsöffnung ausgebracht werden.
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Partikel können, wie beschrieben, aus demselben bzw. einem ähnlichen Material wie das pulverförmige Material bestehen und einen geringeren Partikeldurchmesser aufweisen als die Partikel des pulverförmige Materials, sodass sie in deren Zwischenräumen angeordnet werden, um die Dichte des Grünlings zu steigern und somit die Sinteraktivität sowie die Dichte des herzustellenden Gegenstands zu vergrößern.
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Diese Ausgestaltung ermöglicht auf vorteilhafte Weise eine größere Variabilität bei der Einstellung gewünschter Eigenschaften.
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Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass auf wenigstens einen Bereich des pulverförmigen Materials, in welchem kein Binder ausgebracht wird, das Zusatzmaterial ausgebracht wird.
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Demnach ist es auch möglich, Zusatzmaterial auf Bereiche des Pulvers auszubringen, die nicht vom herzustellenden Gegenstand umfasst sind. Dies kann zum Beispiel erfolgen, um Fließeigenschaften des Pulvers durch aus der Sintertechnologie bekannte Fließhilfsverbesserer wie bspw. pyrogene Kieselsäure zu verbessern und auf diese Weise das anschließende Abtrennen des nicht verfestigten Pulvers zu erleichtern, etwa in geometrisch komplizierten bzw. lediglich geringe Querschnitte aufweisenden Hohlräumen wie beispielsweise innen liegenden Kühlkanälen. Dies bringt den Vorteil mit sich, dass die konstruktive Freiheit zur Gestaltung der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbaren Gegenstände weiter vergrößert ist.
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Es kann Binder in einer Schicht oder mehreren Schichten ausgebracht werden, in welcher bzw. welchen kein Zusatzmaterial ausgebracht wird. Es kann Zusatzmaterial in einer Schicht oder mehreren Schichten ausgebracht werden, in welcher bzw. welchen kein Binder ausgebracht wird.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung ist eine Verwendung eines Druckkopfs, umfassend mehrere Ausbringungsöffnungen zur jeweiligen Ausbringung von Material, nämlich wenigstens Binder und Zusatzwerkstoff, zur Herstellung eines Gegenstands mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Insbesondere wird zumindest eine erste Ausbringungsöffnung des Druckkopfs zur Ausbringung des Binders und zumindest eine zweite Ausbringungsöffnung des Druckkopfs zur Ausbringung des Zusatzwerkstoffs genutzt. Darüber hinaus kann der Druckkopf zumindest eine weitere Ausbringungsöffnung zur Ausbringung wenigstens eines zusätzlichen Materials, beispielsweise eines weiteren Zusatzwerkstoffs, aufweisen. Insbesondere kann ein herkömmlicher Druckkopf verwendet werden, um mit dem erfindungsgemäßen generativen Verfahren wenigstens einen Gegenstand herzustellen.
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Ein dritter Aspekt der Erfindung ist ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Personenkraftwagen, welches wenigstens ein Teil eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Gegenstands umfasst.
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Insbesondere ist der Teil des Gegenstands ein Bauteil, bei dem wenigstens eine Stützstruktur entfernt worden ist.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Beispiele erläutert.
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Es zeigen
- 1: eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens, sowie
- 2: eine perspektivische Darstellung eines Druckkopfs zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt schematisch eine Vorrichtung 19 zur Durchführung des erfindungsgemäßen generativen Verfahrens zur Herstellung eines Gegenstands 20 mittels Binder Jetting. Dargestellt ist eine dreiteilige Aufbauanordnung mit einer mittigen Aufnahmeeinrichtung 18 zu schichtweisen Anordnung des pulverförmige Materials 22, welches in dieser Ausgestaltung ein Metallpulver ist. Beidseitig der Aufnahmeeinrichtung 18 sind Pulvervorräte 23 angeordnet. Auf der Aufnahmeeinrichtung 18 ist bereits eine Vielzahl an (nicht einzeln dargestellten) Schichten des pulverförmigen Materials 22 angeordnet, welches bereichsweise zur Herstellung des Gegenstands 20 durch Ausbringung von Binder 20 verfestigt ist.
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Zu diesem Zweck ist ein Druckkopf 10 dargestellt, welcher mittels einer Leitung 29 mit einem Bindervorrat 28 verbunden ist. Der Druckkopf 10 weist hier nicht dargestellte Ausbringungsöffnungen zur Ausbringung des Binders 20 auf. Er ist parallel zu den Schichten des pulverförmige Materials 22 beweglich, wobei die Bewegung durch Pfeile mit dem Bezugszeichen 30 dargestellt ist. Der Druckkopf 10 weist zusätzlich hier nicht dargestellte Ausbringungsöffnungen zur Ausbringung eines Zusatzmaterials auf, mittels welchem eine zumindest bereichsweise Beeinflussung einer Eigenschaft des herzustellenden Gegenstands 20 möglich ist. Zu diesem Zweck ist der Druckkopf 10 mit einem Vorrat des Zusatzmaterials strömungstechnisch verbunden, welcher analog zum Bindervorrat 28, also separat vom Druckkopf 10, oder am bzw. im Druckkopf 10 und gemeinsam mit diesem beweglich angeordnet sein kann.
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Der Gegenstand 20 wird schichtweise hergestellt. Zur Herstellung einer Schicht des Gegenstands 20 werden die folgenden Verfahrensschritte durchgeführt: Die Pulvervorräte 23 werden den jeweils unterhalb dargestellten Pfeilen entsprechend um eine definierte Höheneinheit nach oben verschoben und die mittige Aufnahmeeinrichtung 18 wird dem darunter gezeigten Pfeil entsprechend um eine definierte Höheneinheit nach unten verschoben. Dies erfolgt insbesondere derart, dass das Volumen des auf diese Weise zur Verfügung gestellten pulverförmige Materials 22 der Pulvervorräte 23 im Wesentlichen dem freigewordenen Volumen zur Anordnung einer Schicht des pulverförmige Materials 22 oberhalb der Aufnahmeeinrichtung 18 entspricht.
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Mittels der Anordnungseinrichtung 25 wird eine gleichmäßige Schicht des pulverförmigen Materials 22 auf die zuvor aufgetragene sowie bereichsweise mittels Binder 27 verfestigte Schicht des pulverförmige Materials 22 aufgetragen bzw. auf dieser verteilt. Die Anordnungseinrichtung 25 ist als entlang der Pfeilrichtung parallel zur Oberfläche der jeweiligen Schichten des pulverförmige Materials 22 bewegliche Walze zum Verteilen und ggf. Verdichten des pulverförmige Materials 22 ausgestaltet. Mit anderen Worten wird das pulverförmige Material 22 auf der Aufnahmeeinrichtung 18 bzw. auf einer zuvor aufgebrachten Schicht angeordnet. Anschließend wird der Druckkopf 10 über zumindest einen Teil der Oberfläche der Schicht entlang der mittels Pfeilen 30 dargestellten Richtungen parallel zur Oberfläche der Schicht bewegt und es wird mittels des Druckkopfs 10 zumindest bereichsweise Binder 27 zur Verfestigung des Materials ausgebracht. Aus der separaten Ausbringungsöffnung wird mittels des Druckkopfs 10 das Zusatzmaterial ausgebracht.
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Auf diese Weise wird der Gegenstand 20 hergestellt, welcher das eigentlich herzustellende Bauteil sowie wenigstens eine Stützstruktur zu bereichsweise Abstützung des Bauteils im anschließenden Sinterprozess umfasst. Diese Stützstruktur besteht aus demselben pulverförmige Material 22 wie das Bauteil, wobei das Material der Stützstruktur mittels einer Trennschicht aus einem keramischen Trennmaterial räumlich vom Material des Bauteils getrennt ist, sodass die beiden Elemente nicht zusammensintern und somit nach dem Sinterprozess auf einfache und automatisierbare Weise eine gezielte mechanische Trennung des Bauteils von der Stützstruktur möglich ist.
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2 zeigt eine perspektivisch Ansicht sowie eine vergrößerte Detaildarstellung eines Druckkopfs 10 zur Verwendung im erfindungsgemäßen Verfahren. Der Druckkopf 10 weist ein vergrößert dargestelltes Düsenfeld 16 mit sechs Reihen 14 auf, wobei jede Reihe 14 eine Vielzahl an Ausbringungsöffnungen 12 zur Ausbringung jeweiligen Materials aufweist. Diese sind hintereinander entlang der Mittellängsachse der jeweiligen Reihe 14 angeordnet, was hier nicht dargestellt ist. Das auszubringende Material ist dabei Binder und wenigstens ein Zusatzmaterial, welches beispielsweise ein Trennmaterial sein kann. Insbesondere sind jeweils zwei Reihen 14 zur Ausbringung desselben Materials vorgesehen, sodass eine redundante Ausführung vorliegt.
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Weiterhin weist der Druckkopf 10 elektrische Kontakte 40 zur Ansteuerung des Düsenfelds 16 auf.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Druckkopf
- 12
- usbringungsöffnung
- 14
- Reihe
- 16
- Düsenfeld
- 18
- Aufnahmeeinrichtung
- 19
- Vorrichtung
- 20
- Gegenstand
- 22
- Pulverförmiges Material
- 23
- Pulvervorrat
- 25
- Anordnungseinrichtung
- 27
- Binder
- 28
- Bindervorrat
- 29
- Leitung
- 30
- Bewegung
- 40
- Kontakte
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2529694 B1 [0006]
- DE 102012101939 A1 [0007]
- US 9833839 B2 [0008]
