DE102018215546A1

DE102018215546A1 - Verfahren zum additiven Herstellen eines Bauteils sowie Fertigungsvorrichtung zum additiven Herstellen eines Bauteils und additiv gefertigtes Bauteil

Info

Publication number: DE102018215546A1
Application number: DE102018215546.1A
Authority: DE
Inventors: Christian Fischer
Original assignee: Skz Kfe Ggmbh; Skz-Kfe Ggmbh
Current assignee: Skz Kfe Ggmbh; Skz-Kfe Ggmbh
Priority date: 2018-09-12
Filing date: 2018-09-12
Publication date: 2020-03-12
Also published as: WO2020053322A1

Abstract

Bei einem Verfahren zum additiven Herstellen eines Bauteils (2) wird zunächst eine Fertigungsvorrichtung (1) mit einem Formgebungskörper (4), welcher eine gekrümmte Auftragfläche (16) zum Anlagern von Formmaterial (15) aufweist, und mindestens einem Bearbeitungskopf (5) zum Auftragen des Formmaterials (15) bereitgestellt. Auf die gekrümmte Auftragfläche (16) des Formgebungskörpers (4) wird Formmaterial (15) zum Ausbilden des Bauteils (2) aufgetragen. Das Bauteil (2) wird von dem Formgebungskörper (4) gelöst.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum additiven Herstellen eines Bauteils. Ferner betrifft die Erfindung eine Fertigungsvorrichtung zum additiven Herstellen eines Bauteils sowie ein additiv gefertigtes Bauteil.
Fertigungsvorrichtungen zum additiven Herstellen eines Bauteils sind durch offenkundige Vorbenutzung aus dem Stand der Technik bekannt. Diese umfassen einen Formgebungskörper mit einer ebenen Auftragfläche, an welcher Formmaterial zum Ausbilden des Bauteils anlagerbar ist. Mit einer derartigen Fertigungsvorrichtung sind Bauteile mit ebener Grundfläche herstellbar. Zum Fertigen komplexerer Bauteile werden Stützstrukturen aus Formmaterial zumeist gleichzeitig mit dem Bauteil auf der Auftragfläche erzeugt und in einem dem additiven Herstellungsprozess nachgeschalteten Prozessschritt von dem Bauteil entfernt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum additiven Herstellen eines Bauteils zu schaffen, das die Herstellung komplexer Bauteile in wirtschaftlicher Weise ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass durch das Auftragen des Formmaterials auf die gekrümmte Auftragfläche des Formgebungskörpers und durch das Lösen des Bauteils von dem Formgebungskörper ein komplexes Bauteil besonders wirtschaftlich hergestellt werden kann. Die Komplexität des Bauteils kann dabei in seiner geometrischen Ausgestaltung oder in den mit dem Bauteil verbundenen mechanischen Anforderungen begründet sein. Unter der Auftragfläche wird derjenige Bereich einer Oberfläche des Formgebungskörpers bzw. einer Trennschicht verstanden, der mit dem Formmaterial unmittelbar in Kontakt gelangt. Additiv hergestellte Bauteile weisen zumeist anisotrope Materialeigenschaften auf. Diese anisotropen Materialeigenschaften resultieren aus dem sukzessiven Aufbau des Bauteils. Im Herstellungsverfahren wird das Formmaterial zum Erzeugen des Bauteils punktförmig und/oder linienförmig und/oder in Schichten auf den Formgebungskörper und/oder auf das entstehende Bauteil aufgetragen. Ursächlich für die anisotropen Materialeigenschaften ist, dass sich nacheinander aufgetragene Portionen von Formmaterial nicht vollständig homogen miteinander verbinden. Das Auftragen des Formmaterials auf die gekrümmte Auftragfläche ermöglicht nun die Ausbildung einer gekrümmten, an die Auftragfläche angrenzenden Kontaktschicht. Das Formmaterial kann dabei entlang der Auftragfläche unterbrechungsfrei auf diese aufgetragen werden. Eine Schwächung des Bauteils durch Inhomogenität, insbesondere Unterbrechungen, welche aus geometrisch nicht exakt und/oder zeitlich nacheinander abgelegten Portionen von Formmaterial resultieren, können somit auch im Bereich komplexer Geometrien, insbesondere gekrümmter Grundflächen, vermieden werden. Das Verfahren zum additiven Herstellen des Bauteils ist somit besonders flexibel für Bauteile mit komplexer Geometrie und hohen Anforderungen an deren physikalische, insbesondere mechanische, Eigenschaften geeignet.
Beispielsweise ist die Auftragfläche doppelt gekrümmt ausgebildet. Unter der doppelt gekrümmten Ausbildung wird verstanden, dass die Auftragfläche nicht abwickelbar ist.
Der Bearbeitungskopf kann zum Emittieren elektromagnetischer Wellen, insbesondere von Licht, insbesondere von UV-Licht, ausgebildet sein. Das Formmaterial kann mittels der emittierten elektromagnetischen Strahlung zumindest teilweise aufgeschmolzen werden. Alternativ kann das Formmaterial mittels der elektromagnetischen Strahlung, insbesondere durch UV-Licht, ausgehärtet werden. Der Bearbeitungskopf kann auch als Druckkopf ausgebildet sein. Über den Druckkopf kann reaktiv aushärtendes und/oder durch Lösemittel verflüssigtes Formmaterial ausgebracht werden. Bei dem Formmaterial kann es sich um einen Kunststoff, insbesondere einen thermoplastischen Kunststoff und/oder einen Duroplasten und/oder ein Elastomer, handeln. Das Formmaterial kann mit organischen und anorganischen Füllstoffen versetzt sein. Alternativ kann das Formmaterial keramische Werksstoffe und/oder Metalle, insbesondere Aluminium und/oder Stahl und/oder Titan, umfassen. Der Druckkopf kann auch als Granulatextruder oder als Pastenextruder ausgebildet sein. Das Formmaterial kann Polyamid, insbesondere Polyamid mit mindestens 30 %, insbesondere mindestens 50 %, insbesondere mindestens 65 %, Faseranteil, insbesondere Glasfaseranteil, oder Polyvinylchlorid, insbesondere Weich-Polyvinylchlorid umfassen. Die %-Angaben sind in Gew.-% oder Vol.-%.
Vorzugsweise weist die Fertigungsvorrichtung mindestens einen, insbesondere mindestens zwei, insbesondere mindestens drei, insbesondere mindestens vier, insbesondere mindestens fünf, Bearbeitungsköpfe auf.
Vorzugsweise erfolgt das Auftragen des Formmaterials auf die Auftragfläche zumindest abschnittsweise entlang einer Hauptkrümmungsrichtung der Auftragfläche. Das Auftragen des Formmaterials auf die Auftragfläche kann auch schräg, insbesondere quer, zu der Hauptkrümmungsrichtung erfolgen. Vorteilhaft wird hierdurch erreicht, dass das Formmaterial entsprechend einer lokalen Hauptbeanspruchungsrichtung orientierbar ist.
Vorzugsweise weist das Formmaterial eine Wärmedehnung von mindestens 1 · 10^-5 1/K, insbesondere mindestens 1,2 · 10^-5 1/K, insbesondere mindestens 15 · 10^-5 1/K, insbesondere mindestens 25 · 10^-5 1/K, auf. Durch die gekrümmte, insbesondere einen Formschluss mit dem Bauteil bewirkende, Ausbildung der Auftragfläche kann eine Verformung des Bauteils bzw. ein Ablösen von dem Formgebungskörper während des Herstellungsprozesses verhindert werden. Vorzugsweise ist hierzu der Formgebungskörper starr ausgebildet. Die additive Herstellung von Bauteilen aus einem Formmaterial mit entsprechend hohem Wärmeausdehnungskoeffizienten kann so besonders präzise erfolgen.
Vorzugsweise wird das Auftragen von Formmaterial vor der Fertigstellung des Bauteils unterbrochen, um einen Einsatzkörper in das Bauteil einzubringen. Vorzugsweise wird der Einsatzkörper formschlüssig in das Bauteil eingebracht. Der Einsatzkörper kann in das Bauteil eingelegt und/oder eingeklebt und/oder kraftschlüssig mit dem Bauteil verbunden werden. Das Auftragen des Formmaterials kann nach dem Einbringen des Einsatzkörpers in das Bauteil fortgesetzt werden. Vorzugsweise wird der Einsatzkörper dabei formschlüssig, insbesondere unlösbar, mit dem Bauteil verbunden. Der Einsatzkörper kann ein passives Bauteil sein. Insbesondere kann der Einsatzkörper aus demselben Material wie das Formmaterial bestehen. Alternativ kann der Einsatzkörper ein von dem Formmaterial abweichendes Material aufweisen. Der Einsatzkörper kann ein aktives Element, insbesondere ein elektrisches Element, umfassen.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 2 gewährleistet eine besonders wirtschaftliche Herstellung eines zumindest abschnittsweise rotationssymmetrischen Bauteils und eine hohe Maßhaltigkeit desselben. Insbesondere Bauteile mit rotationssymmetrischem Aufbau neigen bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Herstellungsverfahren zu Verzug, insbesondere zu Schrumpf. Durch die abschnittsweise oder vollständig rotationssymmetrische Ausbildung der Auftragfläche kann ein derartiger Verzug, insbesondere ein damit verbundenes Ablösen von der Auftragsfläche, zuverlässig verhindert werden. Unter der rotationssymmetrischen Ausbildung der Auftragfläche wird verstanden, dass diese durch Rotation um einen bestimmten Winkel, der geringer ist als 360°, auf sich selbst abbildbar ist. Vorzugsweise ist die Auftragfläche derart ausgebildet, dass sie bei Rotation um einen beliebigen Winkel auf sich selbst abbildbar ist.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 3 gewährleistet das additive Herstellen eines zumindest abschnittsweise zylindermantelsektorförmigen Bauteils in besonders wirtschaftlicher Weise und mit besonders hoher Maßhaltigkeit. Vorzugsweise ist die Auftragfläche zylindermantelförmig ausgebildet. Vorzugsweise wird das Formmaterial in Umfangsrichtung um eine Mittellängsachse der zylindermantelförmigen Auftragfläche auf den Formgebungskörper aufgebracht. Das Bauteil kann somit in Umfangsrichtung und/oder in Richtung der Hauptspannung bei Torsion mechanisch besonders robust ausgebildet sein.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 4 gewährleistet das additive Herstellen eines Bauteils in besonders wirtschaftlicher Weise, wobei auch Bauteile mit komplexen mechanischen Anforderungen herstellbar sind. Der Bearbeitungskopf kann eine Heizeinheit zum Aufschmelzen des, insbesondere drahtförmigen, Formmaterials vor dem Auftragen auf die Auftragfläche aufweisen. Alternativ kann der Extrusionskopf eine Mischeinheit zum Mischen zweier reaktiver Bestandteile des Formmaterials aufweisen. Gemäß einer weiteren Alternative kann der Extrusionskopf zum Ausbringen von lösemittelhaltigem Formmaterial ausgebildet sein. Der Extrusionskopf kann auch zum Ausbringen von lichtaushärtendem Formmaterial ausgebildet sein. Vorzugsweise ist der Bearbeitungskopf zum Auftragen tropfenförmiger und/oder haufenförmiger Portionen und/oder eines Strangs aus Formmaterial ausgebildet. Die mechanischen Eigenschaften des Bauteils können in Abhängigkeit von der Orientierung des Strangs aus Formmaterial variieren. Durch gezieltes Ausrichten des Strangs aus Formmaterial können die mechanischen Eigenschaften des Bauteils variiert werden.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 5 ermöglicht das additive Herstellen geometrisch besonders komplexer Bauteile. Vorzugsweise wird der Formgebungskörper gegenüber einem Maschinengestell der Fertigungsvorrichtung um die Drehachse gedreht. Alternativ kann der Bearbeitungskopf relativ zu dem Maschinengestell um die Drehachse gedreht werden. Vorzugsweise ist die Drehachse beabstandet zu dem Bearbeitungskopf angeordnet.
Der Bearbeitungskopf ist relativ zu der Auftragfläche insbesondere entlang von und/oder um mindestens 3, insbesondere mindestens 4, insbesondere mindestens 5, insbesondere mindestens 6, Achsen verlagerbar. Vorzugsweise ist der Bearbeitungskopf relativ zu der Auftragfläche um die Drehachse drehbar und entlang von mindestens zwei Linearachsen, insbesondere mindestens drei Linearachsen, verlagerbar. Eine erste Linearachse (x-Achse) verläuft beispielsweise parallel zu der Drehachse. Eine zweite Linearachse (y-Achse) verläuft beispielsweise senkrecht zu der ersten Linearachse und dient zur relativen Verlagerung des Bearbeitungskopfes quer bzw. senkrecht zu der Drehachse. Eine dritte Linearachse (z-Achse) verläuft beispielsweise senkrecht zu der ersten Linearachse und senkrecht zu der zweiten Linearachse und dient zur Einstellung eines Abstandes zwischen der Auftragfläche und dem Bearbeitungskopf. Das Herstellen geometrisch komplex geformter Bauteile kann somit besonders wirtschaftlich, insbesondere ohne Stützstrukturen, erfolgen.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 6 gewährleistet das additive Herstellen geometrisch komplexer Bauteile in wirtschaftlicher Weise. Unter der Extrusionsrichtung wird diejenige Richtung verstanden, in der das Formmaterial aus dem Extrusionskopf, insbesondere einer Düsenöffnung einer Formmaterialdüse des Extrusionskopfs, austritt. Formmaterial kann somit besonders einfach und auch bei einer vergleichsweise geringen Anzahl von Bewegungsfreiheitsgraden des Bearbeitungskopfes relativ zu der Auftragfläche auf die gekrümmte Auftragfläche aufgebracht werden. Vorzugsweise ist die Drehachse in einem Winkel von mindestens 30°, insbesondere mindestens 45°, insbesondere mindestens 60°, insbesondere 90°, zu der Extrusionsrichtung angeordnet.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 7 gewährleistet das additive Herstellen eines Bauteils mit besonders hoher mechanischer Beanspruchbarkeit in Richtung der Drehachse. Vorzugsweise beträgt ein Winkel zwischen der Drehachse und einer Richtung, entlang derer das Formmaterial auf die Auftragfläche und/oder das darunterliegende Formmaterial aufgebracht wird, weniger als 90°, insbesondere weniger als 60°, insbesondere weniger als 30°, insbesondere 0°. Dadurch, dass die Richtung, in der das Formmaterial aufgetragen wird, eine zur Drehachse parallele Komponente aufweist, können die mechanischen Eigenschaften des Bauteils in Richtung der Drehachse verbessert werden.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 8 gewährleistet das additive Herstellen eines Bauteils mit besonders hoher Maßhaltigkeit und ein besonderes einfaches Lösen des Bauteils von dem Formgebungskörper. Vorzugsweise wird der Formgebungskörper, insbesondere im Bereich der Auftragfläche, mittels einer Temperiereinrichtung aktiv gekühlt und/oder beheizt. Vorzugsweise wird der Formgebungskörper mittels erzwungener Konvektion, insbesondere mittels Luft- und/oder Flüssigkeitskühlung, gekühlt. Der Formgebungskörper weist vorzugsweise einen Wärmedehnungskoeffizienten auf, der größer ist als ein Wärmedehnungskoeffizient des Formmaterials. Vorzugsweise beträgt ein Wärmedehnungskoeffizient des Formgebungskörpers mindestens 0,5 · 10^-5 1/K, insbesondere mindestens 1 · 10^-5 1/K, insbesondere mindestens 2 · 10^-5 1/K, insbesondere mindestens 5·10^-5 1/K. Das Bauteil kann so besonders einfach und schonend von dem Formgebungskörper gelöst werden.
Die Temperiereinrichtung kann auch zum Erwärmen des Formgebungskörpers ausgebildet sein. Vorzugsweise ist auch ein Bearbeitungsraum, in dem der Formgebungskörper angeordnet ist, kühlbar und/oder beheizbar. Beispielsweise kann der Bearbeitungsraum mittels Wärmestrahlung und/oder Wärmeleitung und/oder einer Luftströmung gekühlt oder beheizt werden. Der Bearbeitungsraum und/oder der Formgebungskörper können auch elektrisch, insbesondere mittels eines Peltier-Elements, kühlbar und/oder beheizbar sein. Vorzugsweise wird das Bauteil vor dem Lösen von dem Formgebungskörper getempert. Eigenspannungen in dem Bauteil können somit reduziert werden. Das Innenmaß kann so durch den Formgebungskörper gehalten und das Bauteil gegen Verzug stabilisiert werden. Vorzugsweise wird die Temperatur des Bearbeitungsraums und/oder des Formgebungskörpers entsprechend einem Soll-Temperaturwert geregelt. Die Temperiereinrichtung kann hierzu eine Reglereinheit umfassen.
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine Fertigungsvorrichtung zu schaffen, welche das additive Herstellen komplexer Bauteile in besonders wirtschaftlicher Weise ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch eine Fertigungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Die Vorteile der erfindungsgemäßen Fertigungsvorrichtung entsprechen den Vorteilen des bereits beschriebenen Verfahrens zum additiven Herstellen eines Bauteils. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Fertigungsvorrichtung mit den vorstehenden Merkmalen des Verfahrens weitergebildet werden. Durch die gekrümmte Ausbildung der Auftragfläche gewährleistet die Fertigungsvorrichtung das Herstellen geometrisch und/oder mechanisch komplexer Bauteile in wirtschaftlicher Weise. Dadurch, dass der Formgebungskörper im Bereich der Auftragfläche eine Trennschicht aufweist, ist das Bauteil besonders einfach von dem Formgebungskörper zu lösen. Die Trennschicht kann eine gehärtete und/oder polierte und/oder beschichtete Oberflächenschicht des Formgebungskörpers sein. Beispielsweise kann die Trennschicht durch eine, eine trennende Substanz aufweisende Trennfolie ausgebildet sein. Die trennende Substanz kann Silikone und/oder Wachse und/oder Teflon umfassen. Der Formgebungskörper kann auch eine, insbesondere temperaturabhängige und/oder feuchtigkeitsabhängige und/oder lösemittelabhängige, Haftungsstärke zum Formmaterial aufweisen. Vorzugsweise wird die Trennfolie lösbar mit dem Formgebungskörper verbunden, insbesondere verklebt.
Die Fertigungsvorrichtung kann eine Einsatzkörper-Zuführeinrichtung umfassen, welche eine automatische Zuführung eines Einsatzkörpers zu dem Bauteil gewährleistet. Der Einsatzkörper kann so automatisiert an das Bauteil angelagert und/oder in dieses eingebracht werden.
Eine Fertigungsvorrichtung gemäß den Ansprüchen 10, 11 und 12 gewährleistet das additive Herstellen eines Bauteils mit besonders hoher Maßhaltigkeit in wirtschaftlicher Weise.
Eine Fertigungsvorrichtung gemäß Anspruch 13 ist zum additiven Herstellen eines, insbesondere rotationssymmetrischen, Bauteils in besonders wirtschaftlicher Weise ausgebildet. Durch Auftragen von Formmaterial auf den relativ zu dem Bearbeitungskopf drehbar gelagerten Formgebungskörper kann auf zusätzliche Stützstrukturen verzichtet werden. Eine Nachbearbeitung des Bauteils kann vermieden werden. Die Herstellung des Bauteils kann somit besonders wirtschaftlich erfolgen.
Vorzugsweise umfasst das Antriebssystem mindestens eine Lineareinrichtung zum translatorischen Verlagern des Bearbeitungskopfes relativ zu dem Formgebungskörper. Das Antriebssystem kann auch mindestens eine weitere Dreheinrichtung zum Drehen des Bearbeitungskopfes relativ zu dem Formgebungskörper aufweisen. Vorzugsweise ist der Bearbeitungskopf relativ zu dem Formgebungskörper entlang von mindestens drei, insbesondere mindestens vier, insbesondere mindestens fünf, insbesondere mindestens sechs, Freiheitsgraden verlagerbar.
Eine Fertigungsvorrichtung gemäß Anspruch 14 gewährleistet die additive Herstellung besonders komplexer Bauteile sowie die besonders flexible Einflussnahme auf die mechanischen Eigenschaften des Bauteils.
Eine Fertigungsvorrichtung gemäß Anspruch 15 gewährleistet ein einfaches Lösen des Bauteils von dem Formgebungskörper sowie das Herstellen von Bauteilen mit hoher Maßhaltigkeit. Vorzugsweise ist die Temperiereinrichtung auch zum Beheizen des Formgebungskörpers ausgebildet. Die Temperiereinrichtung kann zum Kühlen und/oder zum Heizen eines Bearbeitungsraums, in dem der Formgebungskörper angeordnet ist, ausgebildet sein. Vorteilhaft wird hierdurch ein Tempern des Bauteils zum Reduzieren von Eigenspannungen ermöglicht.
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein additiv gefertigtes Bauteil bereitzustellen, das eine besonders hohe Maßhaltigkeit aufweist und im Einsatz robust ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 16 gelöst. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Bauteils entsprechen den Vorteilen, die zusammen mit dem Verfahren und der Fertigungsvorrichtung zum additiven Herstellen des Bauteils bereits beschrieben wurden. Unter der Trennfläche wird diejenige Fläche des Bauteils verstanden, die im Herstellungsprozess in unmittelbarem Kontakt mit der Auftragfläche des Formgebungskörpers steht. Eine Geometrie, insbesondere eine Struktur und/oder Rauheit, der Trennfläche wird dabei maßgeblich durch die Auftragfläche bestimmt. Nach dem Lösen des Bauteils von dem Formgebungskörper bildet die Trennfläche eine Oberfläche des Bauteils. Die gekrümmt ausgebildete Trennfläche ist durch das Kontaktieren des Formkörpers in dem Herstellungsprozess besonders maßhaltig. Die Trennfläche kann eine entsprechend der Auftragfläche definierbare funktionelle Oberfläche aufweisen. Beispielsweise kann die Trennfläche eine für eine Passung oder eine Verklebung notwendige Rauheit aufweisen. Weitere Nachbearbeitungsschritte können somit entfallen.
Vorzugsweise umfasst das Bauteil mindestens einen Einsatzkörper. Das Bauteil kann den mindestens einen Einsatzkörper formschlüssig umgeben. Der mindestens eine Einsatzkörper kann das Formmaterial aufweisen. Der Einsatzkörper kann auch aus dem Formmaterial bestehen. Alternativ kann der Einsatzkörper andere Materialien umfassen. Der Einsatzkörper kann elektronische Bauteile, insbesondere Aktoren und/oder Sensoren und/oder Computerchips, umfassen.
Ein Bauteil gemäß Anspruch 17 ist insbesondere in dem zumindest abschnittsweise zylindermantelsektorförmigen Bereich besonders maßhaltig.
Ein Bauteil gemäß Anspruch 18 ist besonders maßhaltig und passgenau. Die unterbrechungsfreie Ausbildung der Trennfläche entlang der Rotationsachse gewährleistet eine hohe Oberflächengüte des Bauteils entlang der Rotationsachse. Beispielsweise kann so eine konzentrisch zu der Rotationsachse ausgebildete Passfläche in einfacher Weise bereitgestellt werden.
Ein Bauteil gemäß Anspruch 19 weist in Richtung der Rotationsachse verbesserte mechanische Eigenschaften auf. Vorzugsweise ist die Festigkeit und/oder die Steifigkeit des Formmaterials in Richtung einer Längserstreckung der Stränge höher als in Richtung senkrecht zu dieser Längserstreckung. Vorzugsweise ist mindestens einer der Stränge in einem Winkel von weniger als 90°, insbesondere höchstens 60°, insbesondere höchstens 45°, insbesondere höchstens 30°, insbesondere höchstens 10°, zu der Rotationsachse orientiert. Insbesondere kann der mindestens eine Strang derart an dem Bauteil angeordnet sein, dass dieser zumindest teilweise die Trennfläche ausbildet.
Ein Bauteil gemäß Anspruch 20 weist eine hohe Maßhaltigkeit auf und ist besonders wirtschaftlich herstellbar. Vorzugsweise ist das Bauteil ein Wälzlagerkäfig.
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Fertigungsvorrichtung zum Herstellen eines Bauteils mit einem Maschinengestell, einem Formgebungskörper und einem Bearbeitungskopf in Form eines Extrusionskopfs, wobei das Bauteil noch nicht fertiggestellt ist und lediglich eine erste Schicht von Formmaterial aufweist,
2 eine Seitenansicht des auf dem Formgebungskörper angeordneten Bauteils in 1, wobei der Herstellungsprozess abgeschlossen und das Bauteil fertiggestellt ist,
3 eine Vorderansicht des Bauteils in 2 und
4 eine perspektivische Darstellung eines additiv hergestellten Bauteils gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, wobei dieses zwei axial voneinander beabstandete Ringsegmente umfasst, welche durch Querstege miteinander verbunden sind und wobei die Querstege Stränge aus Formmaterial aufweisen, welche sich unterbrechungsfrei zwischen den Ringsegmenten erstrecken.

Anhand der 1 ist nachfolgend eine Fertigungsvorrichtung 1 zum additiven Herstellen eines Bauteils 2 beschrieben. Die Fertigungsvorrichtung 1 umfasst ein Maschinengestell 3, einen daran angebrachten Formgebungskörper 4 sowie einen relativ zu dem Formgebungskörper 4 verlagerbaren Bearbeitungskopf 5. Der Formgebungskörper 4 weist eine Drehachse 6 auf und steht mit einer Dreheinrichtung 7 eines Antriebssystems zum Drehantreiben des Formgebungskörpers 4 um die Drehachse 6 in Wirkverbindung.
Die Drehachse 6 ist parallel zu einer x-Richtung orientiert, eine z-Richtung ist vertikal ausgerichtet und eine y-Richtung bildet zusammen mit der x-Richtung und der z-Richtung ein rechtshändiges kartesisches Koordinatensystem aus. Das Antriebssystem umfasst neben der Dreheinrichtung 7 einen Vertikalantrieb 9 zum Verlagern des Bearbeitungskopfes 5 parallel zu der z-Richtung sowie einen Horizontalantrieb 10 zum Verlagern des Bearbeitungskopfes 5 parallel zu der x-Richtung. Ergänzend kann das Antriebssystem einen Horizontalantrieb zum Verlagern des Bearbeitungskopfes 5 parallel zu der y-Richtung umfassen.
Der Bearbeitungskopf 5 ist als Extrusionskopf ausgebildet. Der Bearbeitungskopf 5 umfasst eine Zuführeinrichtung 11, eine Heizeinheit 12 sowie eine Formmaterialdüse 13. An dem Maschinengestell 3 ist eine Vorratsspule 14 zum Bevorraten von drahtförmigem Formmaterial 15 angeordnet. Die Zuführeinrichtung 11 ist dazu ausgebildet, das drahtförmige Formmaterial 15 von der Vorratsspule 14 zu der Heizeinheit 12 des Bearbeitungskopfes 5 zu fördern. Die Heizeinheit 12 ist dazu ausgebildet, das Formmaterial 15 aufzuschmelzen. Die Formmaterialdüse 13 ist mit der Zuführeinrichtung 11 und der Heizeinheit 12 über einen nichtdargestellten Formmaterialkanal verbunden und zum Auftragen des aufgeschmolzenen Formmaterials 15 auf den Formgebungskörper 4 ausgebildet.
Der Formgebungskörper 4 umfasst eine gekrümmte Auftragfläche 16 zum Anlagern des Formmaterials 15. Der Formgebungskörper 4 ist zylinderförmig ausgebildet. Die Auftragfläche 16 ist zylindermantelförmig ausgebildet. Im Bereich der Auftragfläche 16 weist der Formgebungskörper 4 eine Trennschicht 17 zum Lösen des Bauteils 2 von dem Formgebungskörper 4 auf. Die Trennschicht 17 ist als Trennfolie ausgebildet, wobei die von dem Formgebungskörper 4 abgewandte Oberfläche ein Trennmittel, insbesondere ein Trennwachs, aufweist.
Die Fertigungsvorrichtung 1 umfasst des Weiteren eine Temperiereinrichtung 18. Die Temperiereinrichtung 18 ist an dem Maschinengestell 3 angeordnet. Die Temperiereinrichtung 18 ist zum Kühlen und zum Beheizen des Formgebungskörpers 4, insbesondere der Auftragfläche 16, ausgebildet. Hierzu steht die Temperiereinrichtung 18 über nicht dargestellte Temperiermittelleitungen in Verbindung mit dem Formgebungskörper 4. Über die Temperiermittelleitungen ist Temperierflüssigkeit zwischen der Temperiereinrichtung 18 und dem Formgebungskörper 4 verlagerbar. Eine Sensoreinrichtung 19 zum Erfassen einer Temperatur des Formgebungskörpers 4, insbesondere im Bereich der Auftragfläche 16, steht in Signalverbindung mit einer Reglereinheit 20 der Temperiereinrichtung 18. Die Reglereinheit 20 ist zum Regeln der über die Sensoreinrichtung 19 erfassten Temperatur entsprechend eines Temperatur-Sollwerts ausgebildet.
Die Fertigungsvorrichtung 1 weist eine nicht dargestellte Steuereinrichtung zum Steuern des Antriebssystems, der Zuführeinrichtung 11 und der Temperiereinrichtung 18 auf. Die Steuereinrichtung steht in Signalverbindung mit dem Antriebssystem, der Zuführeinrichtung 11 und der Temperiereinrichtung 18.
In der 1 sind die Fertigungsvorrichtung 1 und das Bauteil 2 zu einem Zeitpunkt dargestellt, zu dem das Bauteil 2 unvollständig und der Herstellungsprozess noch nicht abgeschlossen ist. Das unvollständige Bauteil 2 umfasst dabei lediglich eine erste, an der Auftragfläche 16 anlagernde Schicht aus Formmaterial 15 aufweist.
Die 2 zeigt eine Seitenansicht des Bauteil 2, wobei der Herstellungsprozess abgeschlossen und das Bauteil 2 vervollständigt ist.
Das Bauteil 2 ist rotationssymmetrisch zu einer Rotationsachse 21 ausgebildet. Das Bauteil 2 umfasst einzelne teilweise miteinander verbundene Stränge 22 aus Formmaterial 15. Die Stränge 22 sind stoffschlüssig miteinander verbunden. An dem Bauteil 2 liegen die Stränge 22 optisch voneinander unterscheidbar vor. Die Rotationsachse 21 des Bauteils 2 ist parallel zu der Drehachse 6 orientiert. Das Bauteil 2 weist mehrere Stränge 22 auf, welche sich unterbrechungsfrei in einem Winkel von weniger als 90° zu der Rotationsachse 21 erstrecken.
Das Bauteil 2 umfasst zwei entlang der Rotationsachse 21 voneinander beabstandete Ringsegmente 23, welche über Diagonalstege 24 miteinander verbunden sind. Die Diagonalstege 24 umfassen Stränge 22, welche in einem Winkel von 45° zu der Rotationsachse orientiert sind. Zur Ausbildung der Diagonalstege 24 sind die Stränge 22 insbesondere unterbrechungsfrei und zickzackförmig zwischen den Ringsegmenten 23 aufgetragen und mit den Ringsegmenten 23 verbunden. Eine Länge L, über welche die Stränge 22 der Diagonalstege 24 in Richtung der Rotationsachse 21 unterbrechungsfrei vorliegen, ist dabei größer als das zehnfache einer Quererstreckung d der Stränge 22 aus Formmaterial 15.
Das Bauteil 2 ist eine zylinderförmige Hülse.
In 3 ist eine Seitenansicht des mit dem Formgebungskörper 4 verbundenen Bauteils 2 dargestellt. Der Formgebungskörper 4 umfasst die Trennschicht 17. Die Auftragfläche 16 wird durch die äußere Oberfläche der Trennschicht 17 gebildet. Eine Kontaktschicht 25 aus Formmaterial 15 kontaktiert die Auftragfläche 16. Die Kontaktschicht 25 weist eine Trennfläche 26 auf, über die sie mit der Auftragfläche 16 in Kontakt steht. Die Auftragfläche 16 und die Trennfläche 26 grenzen unmittelbar aneinander an. Eine Oberflächenstruktur der Trennfläche 26 entspricht im Wesentlichen einer Oberflächenstruktur der Auftragfläche 16.
Das Bauteil 2 ist stützstrukturfrei ausgebildet. Das Bauteil 2 umfasst einen thermoplastischen Kunststoff, insbesondere Polyamid.
Die Funktionsweise der Fertigungsvorrichtung 1 zum additiven Fertigen des Bauteils 2 ist wie folgt:

In einer Grundstellung der Fertigungsvorrichtung 1 ist die Zuführeinrichtung 11 an einem oberen Anschlag 27 des Maschinengestells 3 angeordnet. Das Antriebssystem, die Zuführeinrichtung 11 und die Temperiereinrichtung 18 sind deaktiviert. Der Formgebungskörper 4 weist die Trennschicht 17 auf, deren äußere Oberfläche die Auftragfläche 16 bildet. Die Auftragfläche 16 ist zunächst frei von Formmaterial 15.

Mittels der Steuereinrichtung wird die Temperiereinrichtung 18 aktiviert. Entsprechend eines von der Steuereinrichtung vorgegebenen Temperatur-Sollwerts und eines von der Sensoreinrichtung 19 erfassten Temperatur-Istwerts wird die Kühlflüssigkeit mittels der Reglereinheit 20 temperiert.
Über die Temperiermittelleitungen wird die Temperierflüssigkeit zwischen der Temperiereinrichtung 18 und dem Formgebungskörper 4 verlagert. Die Temperatur des Formgebungskörpers, insbesondere der Auftragfläche 16, erreicht die Soll-Temperatur.
Mittels der Steuereinrichtung wird das Antriebssystem aktiviert und der Bearbeitungskopf 5 wird mittels des Horizontalantriebs 10 entlang der x-Richtung und mittels des Vertikalantriebs 9 entlang der z-Richtung verlagert. Eine Düsenöffnung 28 der Formmaterialdüse 13 wird in einem der Quererstreckung d des Strangs 22 entsprechenden Abstand oberhalb der Auftragfläche 16 angeordnet. Der Formgebungskörper 4 wird mittels der Dreheinrichtung 7 um die Drehachse 6 gedreht. Die Fertigungsvorrichtung 1 befindet sich in einer Zustellstellung.
Mittels der Steuereinrichtung wird die Zuführeinrichtung 11 aktiviert und das drahtförmige Formmaterial 15 wird von der Vorratsspule 14 über die Heizeinheit 12 zu der Formmaterialdüse 13 gefördert. In der Heizeinheit 12 wird das drahtförmige Formmaterial 15 aufgeschmolzen. Über die Formmaterialdüse 13, insbesondere über die Düsenöffnung 28, wird das Formmaterial 15 aus dem Bearbeitungskopf 5 ausgebracht und auf die Auftragfläche 16 aufgetragen. Mittels der Dreheinrichtung 7, dem Vertikalantrieb 9 und dem Horizontalantrieb 10 wird die Düsenöffnung 28 während des Ausbringens des Formmaterials 15 relativ zu der Auftragfläche 16 verlagert.
Durch das Anlagern des Formmaterials 15 an der Auftragfläche 16 wird sukzessive die Kontaktschicht 25 auf die Auftragfläche 16 aufgebracht. Beim Anlagern des schmelzflüssigen Formmaterials 15 an der Auftragfläche 16 wird die Oberflächenstruktur der Trennfläche 26 entsprechend der Oberflächenstruktur der Auftragfläche 16 geformt. Die Temperatur des Formgebungskörpers 4, insbesondere der Auftragfläche 16, liegt unterhalb einer Schmelztemperatur des Formmaterials 15. Das schmelzflüssig über die Formmaterialdüse 13 ausgebrachte Formmaterial 15 erstarrt an dem Formgebungskörper 4 zu einem festen Strang 22 aus Formmaterial 15. Aneinander angrenzend an die Auftragfläche 16 angelagerte Stränge 22 verschmelzen zumindest teilweise miteinander.
Nach Fertigstellung der Kontaktschicht 25 wird der Bearbeitungskopf 5 mittels des Vertikalantriebs 9 entlang der z-Richtung nach oben verlagert. Stränge 22 von Formmaterial 15 werden auf die Kontaktschicht 25 aufgebracht und verschmelzen zumindest teilweise mit dieser. Eine zweite Schicht aus dem Formmaterial 15 wird somit gebildet. Weitere Schichten aus dem Formmaterial 15 werden durch Wiederholen der vorgenannten Schritte auf die darunter liegenden Schichten aus dem Formmaterial 15 aufgebracht.
Das Ausbringen der Stränge 22 aus der Formmaterialdüse 13 wird als Extrudieren bezeichnet. Das Formmaterial 15 wird demnach auf den Formgebungskörper 4 extrudiert.
Während des Ausbringens des Formmaterials 15 wird der Formgebungskörper 4 um die Drehachse 6 gedreht. Eine Extrusionsrichtung 29, entlang derer das Formmaterial 15 aus der Formmaterialdüse 13 ausgebracht wird, ist parallel zu der z-Richtung orientiert. Die Extrusionsrichtung 29 ist senkrecht zu der Drehachse 6 orientiert.
Durch Verlagern der Formmaterialdüse 13 entlang der Drehachse 6, während des Ausbringens von Formmaterial 15, wird das Formmaterial 15 zumindest abschnittsweise unterbrechungsfrei in einem Winkel von weniger als 90° zu der Drehachse 6 auf die Auftragfläche 16 oder auf eine mit dem Formgebungskörper 4 verbundene Schicht von Formmaterial 15 aufgetragen. Die Fertigungsvorrichtung 1 befindet sich in einer Bearbeitungsstellung.
Nach Beendigung des Auftragprozesses wird das Bauteil 2 von dem Formgebungskörper 4 gelöst. Die geometrische und physikalische Beschaffenheit der Trennschicht 17 erleichtert das Lösen des Bauteils 2 von dem Formgebungskörper 4. Zum Lösen des Bauteils 2 von dem Formgebungskörper 4 wird die Temperatur des Formgebungskörpers 4 mittels der Temperiereinrichtung 18 gesenkt. Die durch die Temperatursenkung bewirkte Temperaturdehnung des Formgebungskörpers 4 führt zu einer Abnahme eines Volumens des Formgebungskörpers 4, wodurch das Bauteil 2 besonders einfach von dem Formgebungskörper 4 gelöst werden kann.
In der 4 ist ein Bauteil 2 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel dargestellt. Das Bauteil 2 ist als Wälzlagerkäfig ausgebildet. Das Bauteil 2 unterscheidet sich von dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel durch die Ausbildung der Verbindung zwischen den beiden Ringsegmenten 23. Entsprechend dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die beiden Ringsegmente 23 des Bauteils 2 entlang der Rotationsachse 21 beabstandet voneinander angeordnet. Die beiden Ringsegmente 23 sind durch Querstege 30 miteinander verbunden. Die Querstege 30 sind durch parallel zu der Rotationsachse 21 orientiere Stränge 22 von Formmaterial 15 gebildet. Im Bereich der Querstege 30 sind die Stränge 22 unterbrechungsfrei ausgebildet. Vorzugsweise sind die Querstege 30 derartig ausgebildet, dass die Stränge 22 in Richtung der Rotationsachse 21 und anschließend unterbrechungsfrei quer zu der Rotationsachse 21 verlaufen und mit einem der Ringsegmente 23 verbunden sind. Durch eine Wiederholung dieses Verlaufs können die Querstege 30 unterbrechungsfrei ausgebildet und mit den Ringsegmenten 23 verbunden werden.
Das Bauteil 2 gemäß dem in der 4 dargestellten Ausführungsbeispiel kann entsprechend dem vorstehend beschriebenen Verfahren zum additiven Herstellen des in den 1 bis 3 dargestellten Bauteils 2 hergestellt werden. Zum Ausbilden eines parallel zu der Rotationsachse 21 orientierten Querstegs 30 wird die Dreheinrichtung 7 deaktiviert und der Bearbeitungskopf 5 wird mittels des Horizontalantriebs 10 relativ zu dem Formgebungskörper 4 verlagert. Das dabei über die Düsenöffnung 28 ausgebrachte Formmaterial 15 ist parallel zu der Drehachse 6 und zu der Rotationsachse 21 orientiert. Anschließend wird die Dreheinrichtung 7 aktiviert und der Horizontalantrieb 10 deaktiviert, sodass das ausgebrachte Formmaterial 15 um die Drehachse 6 und die Rotationsachse 21 orientiert und mit einem der Ringsegmente 23 verbunden ist. Danach wird zum Ausbilden eines weiteren benachbarten Querstegs 30 wieder die Dreheinrichtung 7 deaktiviert und der Bearbeitungskopf 5 wird mittels des Horizontalantriebs 10 relativ zu dem Formgebungskörper 4 in umgekehrter Richtung verlagert. Dieses Vorgehen wird solange wiederholt, bis die Querstege 30 ausgebildet sind.
Die Fertigungsvorrichtung 1 zum additiven Herstellen eines Bauteils 2 gemäß einem der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele ermöglicht das Auftragen von Formmaterial 15 auf eine gekrümmte Auftragfläche 16. Die Fertigungsvorrichtung 1 ermöglicht damit die Herstellung von Bauteilen 2 mit gekrümmter Trennfläche 26. Die Fertigungsvorrichtung 1 ist somit im Einsatz besonders flexibel verwendbar und durch die Vermeidung zusätzlicher Stützstrukturen besonders wirtschaftlich einsetzbar. Das Bauteil 2 mit der gekrümmten Trennfläche 26 ist ohne Stützstrukturen herstellbar und weist somit eine besonders gleichmäßige Oberfläche auf. Durch die Ausbildung des Bauteils 2 durch miteinander verbundene und weitest möglich unterbrechungsfreie Stränge 22 aus Formmaterial 15 ist das Bauteil 2 einfach mit gewünschten physikalischen, insbesondere mechanischen, Eigenschaften herstellbar. Durch die Ausbildung des Bauteils 2 mit Strängen 22, die in einem Winkel von weniger als 90° zu der Rotationsachse 21 orientiert sind, kann das Bauteil 2 entlang der Rotationsachse 21 eine besonders hohe Festigkeit und/oder Steifigkeit aufweisen.

Claims

Verfahren zum additiven Herstellen eines Bauteils, umfassend die Schritte: - Bereitstellen einer Fertigungsvorrichtung (1) mit -- einem Formgebungskörper (4), welcher eine gekrümmte Auftragfläche (16) zum Anlagern von Formmaterial (15) aufweist, und -- mindestens einem Bearbeitungskopf (5) zum Auftragen des Formmaterials (15), - Auftragen von Formmaterial (15) auf die gekrümmte Auftragfläche (16) des Formgebungskörpers (4) zum Ausbilden des Bauteils (2) und - Lösen des Bauteils (2) von dem Formgebungskörper (4).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auftragfläche (16) zumindest abschnittsweise rotationssymmetrisch ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auftragfläche (16) zumindest abschnittsweise zylindermantelsektorförmig ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Bearbeitungskopf (5) ein Extrusionskopf ist, wobei das Formmaterial (15) zum Auftragen auf den Formgebungskörper (4) auf diesen extrudiert wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Verlagern des Formgebungskörpers (4) relativ zu dem Bearbeitungskopf (5) durch Drehen um eine Drehachse (6).
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse (6) schräg zu einer Extrusionsrichtung (29) orientiert ist.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Formmaterial (5) zumindest abschnittsweise unterbrechungsfrei in einem Winkel von weniger als 90° zu der Drehachse (6) aufgetragen wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch aktives Kühlen des Formgebungskörpers (4).
Fertigungsvorrichtung zum additiven Herstellen eines Bauteils, aufweisend - einen Formgebungskörper (4) mit einer gekrümmten Auftragfläche (16) zum Anlagern von Formmaterial (15) und - mindestens einen Bearbeitungskopf (5) zum Auftragen von Formmaterial (15) auf die Auftragfläche (16), - wobei der Formgebungskörper (4) im Bereich der Auftragfläche (16) eine Trennschicht (17) zum Lösen des Bauteils (2) von dem Formgebungskörper (4) aufweist.
Fertigungsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Auftragfläche (16) zumindest abschnittsweise rotationssymmetrisch ausgebildet ist.
Fertigungsvorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Auftragsfläche (16) zumindest abschnittsweise zylindermantelsektorförmig ausgebildet ist.
Fertigungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Bearbeitungskopf (5) als Extrusionskopf ausgebildet ist, wobei das Formmaterial (15) zum Auftragen auf den Formgebungskörper (4) auf diesen extrudiert wird.
Fertigungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Antriebssystem mit einer Dreheinrichtung (7) zum Drehen des Formgebungskörpers (4) relativ zu dem Bearbeitungskopf (5) um mindestens eine Drehachse (6).
Fertigungsvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse (6) schräg zu einer Extrusionsrichtung (29) orientiert ist.
Fertigungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Temperiereinrichtung (18) zum Kühlen des Formgebungskörpers (4).
Additiv gefertigtes Bauteil, aufweisend - eine durch eine Auftragfläche (16) eines Formgebungskörpers (4) geometrisch bestimmte Trennfläche (26), - wobei die Trennfläche (26) gekrümmt ausgebildet ist.
Bauteil nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennfläche (26) zumindest abschnittsweise zylindermantelsektorförmig ausgebildet ist.
Bauteil nach Anspruch 16 oder 17, gekennzeichnet durch eine rotationssymmetrische Ausbildung, wobei sich die Trennfläche (26) unterbrechungsfrei entlang einer Rotationsachse (21) erstreckt.
Bauteil nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch einzelne zumindest teilweise miteinander verbundene Stränge (22) aus Formmaterial (15), wobei sich mindestens einer der Stränge (22) in einem Winkel von weniger als 90° zu der Rotationsachse (21) erstreckt.
Bauteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (2) ein Bestandteil eines Wälzlagers ist.