-
Stand der Technik
-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum generativen Herstellen eines Bauteils mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum generativen Herstellen eines Bauteils.
-
Ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 ist aus der
DE 10 2014 203 386 A1 bekannt. Das bekannte Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass beim Herstellen eines Bauteils durch bereichsweises Aufschmelzen von Pulver in einem Pulverbett zusammen mit dem Bauteil eine Stützstruktur erzeugt wird, die eine Lagestabilisierung beim Erzeugen des Bauteils in der das Pulverbett aufnehmenden Fertigungseinrichtung ermöglicht. Insbesondere lässt sich dadurch beispielsweise eine ungewollte Bewegung des Bauteils während der Fertigung vermeiden, beispielsweise, wenn dieses nicht unmittelbar auf dem Grund des Pulverbetts bzw. der Einrichtung aufliegt. Weiterhin dient die aus dem Stand der Technik bekannte Stützstruktur einer großflächigen Wärmeableitung von dem Bauteil. Die bekannte Stützstruktur ist hierbei in Art eines Baumes mit Ästen ausgebildet, wobei sich die Äste mit zunehmender Annäherung an das Bauteil mehr und mehr verzweigen.
-
Nach der Herstellung des Bauteils ist es erforderlich, das Bauteil aus der Fertigungseinrichtung zu entfernen bzw. von dem losen, d.h. nicht aufgeschmolzenen Pulver zu befreien. Weiterhin ist es erforderlich, die Stützstruktur von dem Bauteil abzutrennen.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Das erfindungsgemäße Verfahren zum generativen (additiven) Herstellen eines Bauteils mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass auf mechanische bzw. manuelle Handhabungsschritte zum Abtrennen der Stützstruktur von dem Bauteil verzichtet werden kann. Darüber hinaus findet das Abtrennen der Stützstruktur von dem Bauteil an genau definierten Stellen statt und ist somit nicht beispielsweise von der Sorgfalt bzw. Genauigkeit eines Bedieners abhängig. Weiterhin wird ein schnelles und damit rationelles Abtrennen der Stützstruktur von dem Bauteil ermöglicht. Dies ermöglicht eine Senkung von Herstellkosten bei der Serienfertigung derartiger Bauteile. Ferner hat das Verfahren den Vorteil, dass auch komplexe, d.h. stark verästelt aufgebaute, Stützstrukturen durch geringen Zeit- und Handlingaufwand abgetrennt werden können. Darüber hinaus trägt das beschriebene Verfahren dazu bei, auch bei filigran ausgebildeten Bauteilen eine Beschädigung am Bauteil beim Abtrennen der Stützstruktur zu vermeiden.
-
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, bei Verwendung eines Pulvers zur Herstellung des elektrisch leitenden Bauteils und der Stützstruktur sich den physikalischen Effekt zu Nutze zu machen, dass bei einem stromdurchflossenen Leiter mit einer Querschnittsverengung im Bereich der Querschnittsverengung ein erhöhter elektrischer Widerstand auftritt, der mit einer Temperaturerhöhung im Bereich der Querschnittsverengung einhergeht. Wählt man den Strom so groß, dass die Temperaturerhöhung zu einem Aufschmelzen oder zumindest einem Erweichen des Materials des elektrischen Leiters im Bereich der Querschnittsverengung führt, so wird der elektrische Leiter im Bereich der Querschnittsverengung zerstört bzw. soweit verändert, dass ein einfaches Abtrennen der Stützstruktur im Bereich der Querschnittsverengung ermöglicht wird.
-
Unter Berücksichtigung dieses Grundgedankens lehrt es die Erfindung konkret, ein Pulver zur Herstellung des elektrisch leitenden Bauteils und der wenigstens einen Stützstruktur zu verwenden, wobei zur Trennung des Bauteils von der wenigstens einen Stützstruktur im Bereich der wenigstens eine Trennstelle durch Anlegen einer Spannungsquelle ein elektrischer Strom fließt, der eine lokale Erwärmung im Bereich der wenigstens einen Trennstelle vorzugsweise über die Rekristallisierungstemperatur des Materials des (erstarrten) Pulvers bewirkt.
-
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum generativen Herstellen eines Bauteils sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
-
Würde man eine Stützstruktur verwenden, die entsprechend der
DE 10 2014 203 386 A1 Äste aufweist, die jeweils einen konstanten Querschnitt innerhalb des Astes aufweisen, so lässt sich die genaue Stelle, an der das Material aufgeschmolzen wird, üblicherweise nicht exakt definieren bzw. eingrenzen. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es daher vorgesehen, dass zur Erzeugung der wenigstens einen Trennstelle eine Stützstruktur ausgebildet wird, die im Bereich der Trennstelle ihren minimalen Querschnitt aufweist. Dadurch ist sichergestellt, dass sich der Bereich des minimalen Querschnitts beim Anlegen einer Spannungsquelle bzw. bei einem Stromfluß maximal erwärmt und somit zuerst aufgeschmolzen wird.
-
Um zu gewährleisten, dass insbesondere bei einer Stützstruktur, die an mehreren Stütz- bzw. Trennstellen mit dem Bauteil verbunden ist, mit möglichst geringem Aufwand eine Trennung bzw. ein Aufschmelzen im Bereich aller Trennstellen erfolgt, ist es vorgesehen, dass die Spannungsquelle zwischen dem Bauteil und einer die wenigstens eine Stützstruktur tragenden Plattform für die Stützstruktur angelegt wird. Beispielsweise kann es sich bei der Plattform um den Behälter handeln, in dem das Pulverbett bzw. das Pulver aufgebracht wird. Wenn dieser Behälter mit der elektrischen Masse einer (Gleich-) Spannungsquelle verbunden wird, so genügt es, den anderen (Plus-)Pol der Gleichspannungsquelle mit dem Bauteil zu kontaktieren, um sicherzustellen, dass über alle Trennstellen Strom fließt.
-
In einer ganz bevorzugten Weiterbildung dieses Verfahrens ist es vorgesehen, dass die Spannungsquelle in Wirkverbindung mit einer das Bauteil kontaktierenden Handlingseinrichtung, insbesondere einer Greifeinrichtung, angeordnet wird. Dadurch lässt sich der vorrichtungstechnische Aufwand zum Durchführen des Verfahrens insofern verringern, als dass eine zum Handling des Bauteils vorgesehene Greifeinrichtung gleichzeitig zur Kontaktierung mit der Spannungsquelle verwendet werden kann. Es genügt somit, zum Entfernen des Bauteils die Greifeinrichtung mit dem Bauteil (mechanisch) zu kontaktieren, und anschließend einen Stromfluss durch das Bauteil und die wenigstens eine Stützstruktur zu erzeugen, um die Stützstruktur von dem Bauteil abzutrennen. Anschließend kann das Bauteil mittels der Greifeinrichtung aus dem Prüferbett angehoben bzw. entfernt werden. Die Greifeinrichtung kann aber bereits vor dem Erreichen der Schmelztemperatur ein Abtrennen starten, und so den bereits erweichten Zustand der Sollbruchstelle ausnutzen. Ein Vorteil kann dabei ggf. in einer besseren Oberflächenqualität der Trennstelle liegen.
-
Die Erfindung ist darüber hinaus nicht auf die Verwendung wenigstens einer aus der
DE 10 2014 203 386 A1 bekannten äußeren Stützstruktur begrenzt. Vielmehr ist das Verfahren auch bei Bauteile mit komplexen Formen bzw. mit inneren Strukturen anwendbar, bei denen zur Vereinfachung bzw. zum Ermöglichen der inneren Strukturen auch innere Stützstrukturen vorgesehen sind. Hierzu sieht es die Erfindung gemäß der Lehre eines weiteren bevorzugten Verfahrens vor, dass wenigstens eine äußere Stützstruktur außerhalb einer Außenkontur des Bauteils und wenigstens eine innere Stützstruktur innerhalb der Außenkontur des Bauteils erzeugt wird. Auch diese innere Stützstruktur weist entsprechend der äußeren Stützstruktur Trennstellen, vorzugsweise mit Querschnittsverengungen, auf, in deren Bereichen beim Anlegen einer Spannungsquelle die innere Stützstruktur von dem Bauteil abgetrennt wird.
-
In Fortbildung des zuletzt genannten Verfahrens kann es vorgesehen sein, dass zunächst die wenigstens eine Trennstelle an der inneren Stützstruktur und anschließend die wenigstens eine Trennstelle an der äußeren Stützstruktur durchgetrennt wird. Dadurch wird der Vorteil erzielt, dass während des Abtrennens der inneren Stützstruktur von dem Bauteil das Bauteil innerhalb der Fertigungseinrichtung noch durch die äußere Stützstruktur lagestabilisiert wird. Weiterhin wird anschließend dadurch noch ein Stromfluß zum Abtrennen der äußeren Stützstruktur sichergestellt.
-
Um zu erzielen, dass zuerst die innere Stützstruktur und anschließend erst die äußere Stützstruktur von dem Bauteil abgetrennt wird, kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass die Trennstellen im Bereich der inneren Stützstruktur mit geringeren Querschnitten ausgestattet werden als die Trennstellen im Bereich der äußeren Stützstruktur. Dadurch tritt im Bereich der Trennstellen der inneren Stützstruktur ein erhöhter elektrischer Widerstand auf, der eine stärkere bzw. schnellere Erwärmung der Trennstellen im Vergleich zu den Trennstellen der äußeren Stützstruktur bewirkt.
-
Weiterhin ist es bevorzugt, dass das Anlegen der Spannungsquelle an einem der wenigstens einen Trennstelle nahen Bereich des Bauteils erfolgt. Dadurch werden kurze Strompfade ermöglicht, die eine gezielte bzw. definierte Erwärmung der Trennstellen begünstigen.
-
Weiterhin umfasst die Erfindung eine Vorrichtung zum generativen (additiven) Herstellen eines elektrisch leitenden Bauteils, insbesondere zum Durchführen des soweit beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem durch Anlegen einer Spannungsquelle an das Bauteil und die wenigstens eine Stützstruktur ein Strom durch die Stützstruktur leitbar ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die Spannungsquelle mit einer Greifeinrichtung und mit einer das Bauteil und die wenigstens eine Stützstruktur tragenden Plattform verbunden ist.
-
Zur definierten Erwärmung bzw. zur Vermeidung von erhöhten Übergangswiderständen zwischen der Greifeinrichtung und dem Bauteil ist es vorgesehen, dass die Greifeinrichtung flächig ausgebildete Kontaktflächen aufweist, die dazu ausgebildet sind, an flächigen Abschnitten der wenigstens einen Stützstruktur oder des Bauteils anzuliegen.
-
Ganz besonders bevorzugt ist es darüber hinaus, wenn die Kontaktflächen gleichzeitig als Greiffinger der Greifeinrichtung ausgebildet sind. Dadurch lässt sich auf besonders einfache Art und Weise ein Kontakt zwischen den Kontaktflächen und dem Bauteil bzw. der Stützstruktur bewirken, da durch eine entsprechende Kraftbeaufschlagung der Greiffinger ein sicherer Kontakt der Kontaktflächen an dem Bauteil bzw. der Stützstruktur sichergestellt ist. Weiterhin wird der Aufbau der Greifeinrichtung durch den Verzicht auf separate Kontaktflächen vereinfacht.
-
Beim Vorhandensein sowohl wenigstens einer äußeren Stützstruktur als auch wenigstens einer inneren Stützstruktur weist eine vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung eine Greifeinrichtung auf, die einen Greifer für die äußere Stützstruktur und einen Greifer für die innere Stützstruktur aufweist, wobei die beiden Greifer vorzugsweise unabhängig voneinander bewegbar sind.
-
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
-
Diese zeigt in:
- 1 eine schematische, vereinfachte Seitenansicht auf eine Vorrichtung zum generativen Herstellen eines Bauteils, wobei das Bauteil mittels einer äußeren Stützstruktur im Bereich der Vorrichtung positioniert wird,
- 2 eine gegenüber der 1 abgewandelte Vorrichtung, bei der das Bauteil zusätzlich eine innere Stützstruktur aufweist und
- 3 einen Ausschnitt aus der 2 im Bereich der inneren Stützstruktur mit einer schematisch dargestellten Greifeinrichtung.
-
Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
-
In der 1 ist stark vereinfacht und lediglich ausschnittsweise eine Vorrichtung 100 zum generativen Herstellen eines Bauteils 1 dargestellt. Die Vorrichtung 100 weist eine Plattform 101 in Form einer Bodenplatte auf, die beispielsweise Bestandteil eines Behälters ist, in dem mittels nicht dargestellter Einrichtungen in an sich bekannter Art und Weise durch lagenweises Aufbringen von Pulver 5 ein Pulverbett 6 erzeugt wird, das aus Vereinfachungsgründen lediglich abschnittsweise in der 1 dargestellt ist.
-
Das generative Herstellen des Bauteils 1 mittels der Vorrichtung 100 erfolgt darüber hinaus in ebenfalls an sich bekannter Art und Weise durch bereichsweises bzw. selektives Aufschmelzen und anschließendes Erstarren des Pulvers 5 der jeweiligen Lage im Pulverbett 6, insbesondere mittels einer ebenfalls nicht dargestellten Laserstrahleinrichtung.
-
In der 1 ist der Zustand dargestellt, bei dem das Bauteil 1 bereits (vollständig) gefertigt worden ist. Beispielhaft weist das Bauteil 1 eine in etwa kegelstumpfförmige Form auf. Um während des Herstellens des Bauteils 1 im Bereich der Vorrichtung 100 das Bauteil 1 an einem Kippen bzw. an einer nicht gewollten Bewegung zu hindern, damit die Bauteilegenauigkeit bzw. die Form des Bauteils 1 genau erzeugt werden kann, ist darüber hinaus wenigstens eine äußere Stützstruktur 10 vorgesehen, die zusammen mit dem Bauteil 1 aus dem Pulver 5 quasi simultan erzeugt wird.
-
Das Pulver 5 ist als elektrisch leitendes Pulver 5 ausgebildet bzw. besteht aus elektrisch leitenden Partikeln. Dabei kommt sowohl ein Pulver 5 in Frage, das ausschließlich aus elektrisch leitenden Partikeln besteht, oder ein Pulver 5, das zumindest soviel elektrisch leitende Partikel aufweist, dass ein Stromfluss durch das erstarrte Pulver 5 ermöglicht wird. Somit wird ein elektrisch leitendes Bauteil 1 ausgebildet.
-
Die äußere Stützstruktur 10 weist in der Darstellung der 1 beispielhaft vier Stützpfeiler 11 bis 14 auf, die ebenfalls rein beispielhaft und nicht einschränkend jeweils kegelförmig ausgebildet sind. Die Stützpfeiler 11 bis 14 sind im Bereich ihrer größten Querschnittsfläche, die senkrecht zur Zeichenebene der 1 verläuft, unmittelbar auf dem Grund der Plattform 101 angeordnet. Ihre jeweils kleinste Querschnittsfläche findet sich im Bereich der Spitze des jeweiligen Stützpfeilers 11 bis 14 und ist monolithisch mit der Außenkontur 2 des Bauteils 1 verbunden. Von den in der Darstellung der 1 beiden äußeren Stützpfeilern 11 und 14 geht darüber hinaus in einem in etwa mittleren Bereich der Höhe des jeweiligen Stützpfeilers 11 bis 14 jeweils ein Hilfsstützpfeiler 15, 16 aus, der ebenfalls in etwa kegelförmig ausgebildet ist und im Bereich seiner jeweils geringsten Querschnittsfläche monolithisch mit der Außenkontur 2 des Bauteils 1 verbunden ist.
-
Die Verbindungsstellen 18 zwischen dem jeweiligen Stützpfeiler 11 bis 14 bzw. dem Hilfsstützpfeiler 15, 16 und der Außenkontur 2 des Bauteils 1 bilden jeweils Trennstellen 20 zwischen der äußeren Stützstruktur 10 und dem Bauteil 1 aus.
-
Um nach dem Herstellen des Bauteils 1 das Bauteil 1 aus dem Bereich der Vorrichtung 100 automatisch bzw. unter Verwendung einer Handhabungseinrichtung entnehmen zu können, weist die Vorrichtung 100 darüber hinaus eine lediglich schematisch dargestellte Greifeinrichtung 102 mit einem Greifarm 103 auf, der ebenfalls rein beispielhaft durch Aufbringen einer Kraft F das Bauteil 1 aus dem Bereich der Vorrichtung 100 bzw. von der Plattform 101 entfernen kann. Weiterhin ist anhand der Darstellung der 1 erkennbar, dass der Greifarm 103 eine flächig ausgebildete Kontaktfläche 104 aufweist, in deren Bereich der Greifarm 101 vorzugsweise an einer gegengleichen Fläche am Bauteil 1 anliegt.
-
Die Vorrichtung 100 umfasst weiterhin eine Spannungsquelle 50 in Form einer Gleichspannungsquelle, deren elektrische Masse mit der Plattform 101 elektrisch leitend verbunden ist. Der (Plus-)Pol der Spannungsquelle 50 ist in Wirkverbindung mit dem Greifarm 103 angeordnet, sodass bei einer Aktivierung der Spannungsquelle 50 ein elektrischer Strom I über den Greifarm 103 und die Kontaktfläche 104 in das Bauteil 1 eingeleitet wird. Dieser Strom I fließt dann über die Verbindungsstellen 18 bzw. Trennstellen 20 in Richtung der Plattform 101.
-
Da die äußere Stützstruktur 10 im Bereich der Trennstellen 20 jeweils ihre geringste Querschnittsfläche aufweist, erwärmt sich der Bereich der Trennstellen 20 gegenüber den anderen Bereichen der äußeren Stützstruktur 10 bzw. der Stützpfeiler 11 bis 14 bzw. der Hilfsstützpfeiler 15 und 16 stärker. Durch eine geeignete Wahl der Stromstärke I lässt sich somit das Material der äußeren Stützstruktur 10 im Bereich der Trennstellen 20 derart erwärmen, dass die Temperatur höher ist als die Schmelztemperatur des (erstarrten) Pulvers 5. Dadurch findet ein Durchschmelzen der Trennstellen 20 und eine Trennung zwischen der äußeren Stützstruktur 10 und dem Bauteil 1 statt, sodass das Bauteil 1 durch Unterstützung der Greifeinrichtung 102 bzw. des Greifarms 103 von der Plattform 101 der Vorrichtung 100 angehoben bzw. entfernt werden kann, wobei die äußere Stützstruktur 10 zunächst im Bereich der Vorrichtung 10 verbleibt. Durch das Aufbringen der Kraft F während der Stombeaufschlagung wird weiterhin das Abtrennen im Bereich der Trennstellen 20 unterstützt.
-
Die in den 2 und 3 dargestellte Vorrichtung 100a unterscheidet sich von der Vorrichtung 100 dadurch, dass das elektrisch leitende Bauteil 1a zusätzlich zu der äußeren Stützstruktur 10 eine innere Stützstruktur 30 aufweist, die in der Darstellung der 3 besonders deutlich erkennbar ist. Auch die innere Stützstruktur 30, die zur Ausbildung eines Hohlraums 4 innerhalb des Bauteils 1a dient, besteht aus dem elektrisch leitenden erstarrten Pulver 5 und ist beispielhaft mit einem Stützrahmen 31 ausgebildet, der über ebenfalls rein beispielhaft acht gleichartig ausgebildete Stützarme 31 mit jeweils kegelförmiger Form im Bereich von Verbindungsstellen 18a sowie Trennstellen 20a mit dem Bauteil 1a verbunden ist.
-
Zusätzlich zum Greifarm 103 weist die Greifeinrichtung 102 einen weiteren Greifarm 105 für die innere Stützstruktur 30 auf. Der Greifarm 105 weist beispielhaft vier, relativ zueinander beweglich angeordnete Greiffinger 106 mit flächig ausgebildeten Kontaktflächen 107 auf, die in den Innenraum des Stützrahmens 31 einfahrbar sind, und über die der Greifarm 105 in Wirkverbindung mit der inneren Stützstruktur 30 angeordnet werden kann. Über die Greiffinger 106 fließt beim Anlegen an die Spannungsquelle 50 der Strom I von der inneren Stützstruktur 30 in Richtung des Bauteils 1a, sodass in Analogie zur Vorrichtung 10 die Trennstellen 20a definiert aufgetrennt werden können. Durch die Pfeile 22 ist in der 3 darüber hinaus der Stromfluss von den Greiffingern 106 durch die innere Stützstruktur 30 in dem Bereich des Bauteils 1a verdeutlicht.
-
Das soweit beschriebene Verfahren bzw. die soweit beschriebene Vorrichtung 100, 100a kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. Dieser besteht in einer definierten, minimalen Querschnittsfläche aufweisende Stützstrukturen 10, 30 im Bereich von Trennstellen 20, 20a in Verbindung mit einem Stromfluss durch die Stützstruktur 10, 30, die zu einem partiellen Aufschmelzen des Materials der Stützstruktur 10, 30 im Bereich der Trennstellen 20, 20a führt.
-
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 102014203386 A1 [0002, 0008, 0011]
