-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, ein entsprechend hergestelltes Bauteil, sowie eine Sanitärarmatur mit dem Bauteil. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf die schichtweise Fertigung von metallischen Bauteilen. Das Verfahren kann insbesondere im Rahmen der Herstellung eines Gehäuses einer Sanitärarmatur Anwendung finden.
-
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Sanitärarmaturen, wie beispielsweise Waschtischarmaturen, Badewannenarmaturen, Unterputzarmaturen oder dergleichen aus Messing herzustellen. Hierzu kommen in der Regel Gießverfahren zur Anwendung, um komplexe Geometrien realisieren zu können, die ggf. auch unterschiedliche Funktionselemente der Armatur umfassen können. In diesem Zusammenhang konnte jedoch beobachtet werden, dass entsprechende Gießverfahren hinsichtlich der damit erzielbaren Güte und Genauigkeit der Geometrien und insbesondere deren Konturen limitiert sind. Dies ist insbesondere bei besonders dünnwandigen Armaturen relevant. Darüber hinaus können mit entsprechenden Gießverfahren nicht beliebig frei formbare Geometrien realisiert werden.
-
Es sind auch additive Fertigungsverfahren bekannt, bei denen ein Bauteil schichtweise aufgebaut bzw. gedruckt wird. Dabei werden in der Regel im 3D-Druck von Metallen Stützstrukturen mit erzeugt, die anschließend vom eigentlichen Bauteil getrennt werden müssen. Dieses Abtrennen erfolgt aufwendig und mechanisch, beispielsweise durch Sägen, Schneiden, Schleifen, Biegen, Abbrechen, etc. Diese Verfahren sind zeitaufwendig. Der Zugang zu einzelnen Bereichen ist zum Teil für konventionelle Werkzeuge nicht gegeben. Es bleiben ggf. Stützstrukturen und/oder Reste davon am Bauteil. In diesem Fall könnte das Bauteil umkonstruiert werden, mit den damit verbundenen Nachteilen, auch für den Druckprozess.
-
Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere sollen ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, ein Bauteil für eine Sanitärarmatur sowie eine Sanitärarmatur angegeben werden, die dazu beitragen, die additive Fertigung eines Bauteils insbesondere für eine Sanitärarmatur zu vereinfachen.
-
Diese Aufgaben werden gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der hier vorgeschlagenen Lösung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den abhängigen Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.
-
Hierzu trägt ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils bei, umfassend zumindest folgende Schritte:
- a) Schichtweises Aufbauen des Bauteils mit einem metallischen Material,
- b) Schichtweises Aufbauen einer Stützstruktur mit einem metallischen Material zum Stützen des Bauteils, wobei die Stützstruktur und das Bauteil in mindestens einer Kontaktstelle miteinander stoffschlüssig verbunden sind,
- c) Durchtrennen der Stützstruktur im Bereich der mindestens einen Kontaktstelle durch Erzeugen eines Lichtbogens zum thermischen Durchtrennen der Stützstruktur.
-
Die angegebene Reihenfolge der Schritte a), b) und c) ist beispielhaft und kann sich so beispielsweise bei einem regulären Betriebsablauf einstellen. Insbesondere können die Schritte a) und b) zumindest teilweise parallel oder sogar gleichzeitig durchgeführt werden. In diesem Zusammenhang kann es vorgesehen sein, dass der Schritt c) nach Beendigung der Schritte a) und b) durchgeführt wird.
-
Das Verfahren kann beispielsweise zur additiven bzw. schichtweisen Herstellung eines (Messing-)Bauteils einer Sanitärarmatur dienen. Das Verfahren gibt im Zusammenhang mit der schichtweisen Fertigung von metallischen Bauteilen insbesondere eine besonders vorteilhafte Möglichkeit zum Abtrennen des Bauteils von einer Stützstruktur an. Das (Ab-)Trennen der zuvor gemeinsam schichtweise (zum Beispiel im 3D-Druck) aufgebauten Komponenten Stützstruktur und Bauteil voneinander erfolgt hierbei vorteilhafterweise durch lokale Temperaturerhöhung im Bereich der mindestens einen Kontaktstelle durch Anlegen des Lichtbogens. Insbesondere schmilzt die Stützstruktur dabei im Bereich der mindestens einen Kontaktstelle weg.
-
Das hier beschriebene Verfahren erlaubt in vorteilhafter Weise ein Entfernen von Stützstrukturen bzw. Stützstrukturteilen in für mechanische Werkzeuge unzugänglichen oder nur sehr schwer zugänglichen Bereichen. Somit trägt das Verfahren vorteilhaft dazu bei, ein sehr schnelles Trennen des Bauteils von der Stützstruktur zu ermöglichen. Ein weiterer Vorteil kann darin gesehen werden, dass weitestgehend keine Spuren am fertigen Bauteil verbleiben. Insbesondere können durch das Verfahren zusätzliche Materialen und/oder Zwischenschritte eingespart werden, die sonst ggf. zur Ausbildung einer Zwischenschicht bzw. Schnittstelle zwischen Stützstruktur und Bauteil erforderlich wären. Entsprechende Zwischenschichten bzw. Schnittstellen könnten dabei beispielsweise eine gezielte Sollbruchstelle für eine mechanische Nachbearbeitung zum Trennen des Bauteils von der Stützstruktur bilden und hierzu zum Beispiel mit einem (zusätzlichen) spröderen Material gebildet und/oder so (thermisch) (nach-)behandelt werden, dass sie spröder werden als das restliche Material des Bauteils und/oder der Stützstruktur.
-
In Schritt a) erfolgt ein schichtweises Aufbauen des Bauteils mit einem metallischen Material. In diesem Zusammenhang kann das metallische Material beispielsweise als ein Metallpulver bereitgestellt werden. Zum Beispiel kann das schichtweise Aufbauen des Bauteils in einem Pulverbett mit Metallpulver erfolgen. Bei dem Metallpulver kann es sich grundsätzlich um ein reines Metall, wie etwa um ein Kupfer-Pulver, oder um eine Legierung, wie etwa ein Messing-Pulver handeln.
-
Das schichtweise Aufbauen des Bauteils erfolgt in der Regel durch partielles Schmelzen des metallischen Materials, insbesondere mit einem Laser. Das schichtweise Aufbauen kann auch so beschrieben werden, dass mehrere Schichten nacheinander, übereinander bzw. Schicht für Schicht gebildet werden. Dabei beschreibt eine Schicht im Wesentlichen einen horizontalen Querschnitt durch das Bauteil. Bei dem partiellen Schmelzen kann ein sich innerhalb einer Schicht befindliches Pulver lokal, an vorbestimmten Punkten, an denen eine Materialverfestigung eintreten soll, solange und/oder so intensiv erwärmt werden, dass sich die Metallpulverkörner dort (kurzzeitig) verflüssigen und so dauerhaft (bzw. bis zu einem erneuten Erwärmen) miteinander verbinden. Das partielle Schmelzen kann dabei vorteilhafterweise in der Art eines 3D-Drucks (im Pulverbett) bzw. in der Art eines dreidimensionalen, additiven Fertigungsverfahrens (im Pulverbett und/oder mit Laseraufschmelzung) durchgeführt werden.
-
In Schritt b) erfolgt ein schichtweises Aufbauen einer Stützstruktur mit einem metallischen Material zum Stützen des Bauteils. Vorzugsweise erfolgt das Aufbauen der Stützstruktur gleichzeitig oder zumindest teilweise parallel zu dem Aufbauen des Bauteils. Die Stützstruktur und das Bauteil werden bzw. sind dabei in mindestens einer Kontaktstelle miteinander stoffschlüssig verbunden. Die Kontaktstelle beschreibt mit anderen Worten insbesondere die Stelle, an der die Stützstruktur an das Bauteil angrenzt. Auch in diesem Zusammenhang kann das metallische Material beispielsweise als ein Metallpulver bereitgestellt werden. Das schichtweise Aufbauen der Stützstruktur erfolgt in der Regel auch durch partielles Schmelzen des metallischen Materials, insbesondere mit einem Laser.
-
In Schritt c) erfolgt ein (thermisches) Durchtrennen der Stützstruktur im Bereich der mindestens einen Kontaktstelle durch Erzeugen eines (elektrischen) Lichtbogens zum thermischen Durchtrennen der Stützstruktur. Dies bedeutet mit anderen Worten insbesondere, dass ein Entfernen von zumindest einem Teil der Stützstruktur durch (Rück-)Schmelzen im Lichtbogen erfolgt. Der Lichtbogen bzw. ein Ende des Lichtbogens wird dabei in der Regel an der Stelle der Stützstruktur angelegt, die thermisch durchtrennt werden soll. Diese Stelle liegt im Bereich der mindestens einen Kontaktstelle und vorzugsweise möglichst dicht an der Kontaktstelle.
-
Weiterhin können das Bauteil und die Stützstruktur gemeinsam auf einer Bauplatte aufgebaut werden. Die Bauplatte ist in der Regel mit der Stützstruktur und ggf. auch mit dem Bauteil elektrisch leitend verbunden.
-
Zum Anlegen des Lichtbogens können mit einer elektrischen Spannungsquelle verbundene elektrische Kontakte zum Einsatz kommen. Dabei kann beispielsweise einer der (zwei) elektrischen Kontakte mit dem Bauteil, der Stützstruktur und/oder der Bauplatte verbunden werden. Der andere der (zwei) elektrischen Kontakte, der beispielsweise in der Art einer Elektrode, einer Nadel oder dergleichen bereitgestellt sein kann, kann dabei dicht an die thermisch zu durchtrennende Stelle der Stützstruktur herangeführt werden (ohne diese zu berühren), sodass ein Lichtbogen zwischen der Stelle der Stützstruktur und diesem Kontakt erzeugt wird. In diesem Zusammenhang ist es denkbar, dass der eine der (zwei) elektrischen Kontakte fest mit der Bauplatte verbunden ist und/oder der andere der (zwei) elektrischen Kontakte manuell oder maschinell (ggf. sogar automatisch) an die Stützstruktur herangeführt wird.
-
Für das Verfahren sind insbesondere sowohl Gleichstrom-Lichtbögen als auch Wechselstrom-Lichtbögen geeignet. Weiterhin können vorteilhafterweise auch Plasmalichtbögen verwendet werden. Elektrodenauswahl und Lichtbogenparameter können vom Fachmann ohne weiteres entsprechend angepasst werden.
-
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass der Lichtbogen mit einer Schweißeinrichtung erzeugt wird. Bei der Schweißeinrichtung kann es sich beispielsweise um ein Elektroden-Schweißgerät und/oder ein WIG-Schweißgerät (Wolfram-Inertgas-Schweißgerät) handeln. Besonders bevorzugt wird der Lichtbogen mit einem WIG Schweißgerät erzeugt. Zumindest ein Teil der Schweißeinrichtung, wie etwa ein Ende einer Elektrode kann beispielsweise manuell oder maschinell (ggf. sogar automatisch) an die Stützstruktur herangeführt werden.
-
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass zumindest die Stützstruktur, die Kontaktstelle oder mindestens ein Parameter des Lichtbogens so eingestellt werden, dass der Schmelzvorgang am Bauteil endet. Dies bedeutet mit anderen Worten insbesondere, dass die Stützstruktur und/oder die Kontaktstelle und/oder mindestens ein Parameter des Lichtbogens so eingestellt werden, dass der Schmelzvorgang am Bauteil endet. Bevorzugt endet der (Rück-)Schmelzvorgang am Bauteil (angepasst) automatisch. Dies kann dadurch erreicht werden, dass das Volumen des Bauteils deutlich höher ist als das Volumen der Stützstruktur und/oder die Energiedichte (Potenzial) verringert ist.
-
Besonders bevorzugt ist in diesem Zusammenhang der Kontaktstellenquerschnitt bzw. die Kontaktstellenquerschnittsfläche so eingestellt, dass der (Rück-)Schmelzvorgang am Bauteil automatisch endet.
-
Hierzu kann vorgesehen sein, dass im Bereich der mindestens einen Kontaktstelle die Stützstruktur einen Querschnitt aufweist, der kleiner ist als der kleinste Querschnitt des Bauteils. Dies bedeutet mit anderen Worten insbesondere, dass die Stützstruktur im Bereich der mindestens einen Kontaktstelle in der Regel eine Querschnittsfläche aufweist, die kleiner ist als die kleinste Querschnittsfläche des Bauteils. Die Querschnittsfläche kann dabei grundsätzlich vollständig gefüllt sein oder ein Loch aufweisen, wodurch die Stützstruktur in der Art eines Hohlprofils gebildet sein kann.
-
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass eine Schutzgasströmung genutzt wird, um mittels des Lichtbogens abgebranntes Material abzuführen. Bei dem Schutzgas handelt es sich in der Regel um ein Inertgas, wie etwa Argon. Die Schutzgasströmung kann beispielsweise mit einer Schutzgasdüse der Schweißeinrichtung bereitgestellt werden.
-
In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, wenn die Schutzgasströmung einen Sog erzeugt. Insbesondere erzeugt die Schutzgasströmung einen Sog an der thermisch zu trennenden Stelle der Stützstruktur. Zum Erzeugen des Sogs kann insbesondere die sonst (bzw. in herkömmlichen Schweißgeräten) übliche Richtung der Schutzgasströmung umgekehrt werden, um abgebranntes Material abzusaugen.
-
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass das Bauteil und die Stützstruktur mit dem gleichen metallischen Material aufgebaut werden. Da das Verfahren es in vorteilhafter Weise erlaubt, auf zusätzliche Materialen für eine Sollbruchstelle zu verzichten, kann der additiver Fertigungsprozess vorteilhaft vereinfacht werden, indem alle zu druckenden Bereiche mit dem gleichen metallischen Material, beispielsweise mit dem gleichen Metallpulver gebildet werden.
-
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass das schichtweise Aufbauen durch partielles Schmelzen der metallischen Materialien mit einem Laser erfolgt. Bevorzugt wird mit dem Laser ein Lasersintern und/oder ein Laserschmelzen durchgeführt. Besonders bevorzugt wird ein sogenanntes selektives Lasersintern (kurz: SLS) durchgeführt. Selektives Lasersintern (SLS) ist ein additives Fertigungsverfahren, um räumliche Strukturen durch Sintern mit einem Laser aus einem pulverförmigen Ausgangsstoff herzustellen. Alternativ oder kumulativ kann ein sogenanntes selektives Laserschmelzen (kurz: SLM) durchgeführt werden.
-
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass es sich bei dem Bauteil um ein Bauteil für eine Sanitärarmatur handelt. Dies kann mit anderen Worten insbesondere auch so beschrieben werden, dass es sich bei dem Bauteil um ein Bauteil einer Sanitärarmatur handelt.
-
Nach einem weiteren Aspekt wird auch ein Bauteil für eine Sanitärarmatur vorgeschlagen, hergestellt mit einem hier beschriebenen Verfahren. Bei dem Bauteil kann es sich zum Beispiel um ein Gehäuse oder ein Gehäuseteil für eine bzw. einer Sanitärarmatur handeln.
-
Nach einem weiteren Aspekt wird auch eine Sanitärarmatur vorgeschlagen, aufweisend ein hier beschriebenes Bauteil. In diesem Zusammenhang kann die Sanitärarmatur auch ein Bauteil aufweisen, hergestellt mit einem hier beschriebenen Verfahren. Bei der Sanitärarmatur kann es sich beispielsweise um eine Waschtischarmatur, Badewannenarmatur, Unterputzarmatur oder dergleichen handeln.
-
Die im Zusammenhang mit dem Verfahren erörterten Details, Merkmale und vorteilhaften Ausgestaltungen können entsprechend auch bei dem hier vorgestellten Bauteil und/oder der Sanitärarmatur auftreten und umgekehrt. Insoweit wird auf die dortigen Ausführungen zur näheren Charakterisierung der Merkmale vollumfänglich Bezug genommen.
-
Die hier vorgestellte Lösung sowie deren technisches Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die gezeigten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in oder in Zusammenhang mit den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und/oder Erkenntnissen aus anderen Figuren und/oder der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Es zeigt beispielhaft und schematisch:
- 1: eine Veranschaulichung einer möglichen Anwendung des hier beschriebenen Verfahrens, und
- 2: eine Veranschaulichung einer möglichen Anwendung des hier beschriebenen Verfahrens.
-
Die 1 und 2 zeigen eine mögliche Anwendung des hier beschriebenen Verfahrens zur Herstellung eines Bauteils 1. Das Bauteil 1 wird hier beispielhaft für eine Sanitärarmatur 8 gebildet.
-
Gemäß der beispielhaften Darstellung nach 1 erfolgt gemäß Schritt a) zunächst ein schichtweises Aufbauen des Bauteils 1 mit einem metallischen Material. Das metallische Material wird hierzu beispielsweise mit einem Pulverbett 10 bereitstellt. Bei dem Pulver kann es sich zum Beispiel um ein Messingpulver handeln.
-
Zudem erfolgt gemäß Schritt b) ein schichtweises Aufbauen einer Stützstruktur 2 mit einem metallischen Material zum Stützen des Bauteils 1. Dies erfolgt hier beispielhaft gleichzeitig oder zumindest teilweise parallel zu Schritt a). Außerdem werden die Stützstruktur 2 und das Bauteil 1 in mindestens einer Kontaktstelle 3 miteinander stoffschlüssig verbunden.
-
Gemäß der beispielhaften Darstellung nach 2 erfolgt gemäß Schritt c) anschließend ein Durchtrennen der Stützstruktur 2 im Bereich der mindestens einen Kontaktstelle 3 durch Erzeugen eines Lichtbogens 4 zum thermischen Durchtrennen der Stützstruktur 2. Der Lichtbogen 4 wird hier beispielhaft mit einer Schweißeinrichtung 5 bzw. deren Schutzgasdüse 9 erzeugt, bei der es sich lediglich beispielhaft um ein WIG-Schweißgerät handelt.
-
Weiterhin sind beispielsweise die Stützstruktur 2, die Kontaktstelle 3 und/oder mindestens ein Parameter des Lichtbogens 4 so eingestellt, dass der Schmelzvorgang am Bauteil 1 (automatisch) endet. Hierzu kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Querschnittsfläche der Stützstruktur 2 im Bereich der Kontaktstelle 3 kleiner ist als die kleinste Querschnittsfläche des Bauteils 1.
-
Zudem ist in 2 gezeigt, dass hier beispielhaft eine Schutzgasströmung 6 genutzt wird, um mittels des Lichtbogens 4 abgebranntes Material abzuführen. Hierzu kann die Schutzgasströmung 6 beispielsweise einen Sog erzeugen.
-
Ferner werden vorteilhafterweise das Bauteil 1 und die Stützstruktur 2 mit dem gleichen metallischen Material aufgebaut. Beispielsweise können das Bauteil 1 und die Stützstruktur 2 in demselben Pulverbett 10 mit dem gleichen Pulver aufgebaut werden. Dabei können das Bauteil 1 und die Stützstruktur 2 gemeinsam auf derselben Bauplatte 11 aufgebaut werden. Weiterhin ist in 1 auch angedeutet, dass das schichtweise Aufbauen vorzugsweise durch partielles Schmelzen der metallischen Materialien mit einem Laser 7 erfolgen kann.
-
Dadurch, dass lediglich das Anlagen des Lichtbogens zum Abtrennen der Stützstruktur 2 von dem Bauteil 1 erforderlich ist, erlaubt das Verfahren in vorteilhafter Weise ein sehr schnelles Trennen des Bauteils 1 von der Stützstruktur 2.
-
Somit werden hier ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, ein Bauteil für eine Sanitärarmatur sowie eine Sanitärarmatur angegeben, welche die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise lösen. Insbesondere werden ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, ein Bauteil für eine Sanitärarmatur sowie eine Sanitärarmatur angegeben, die dazu beitragen, die additive Fertigung eines Bauteils für eine Sanitärarmatur zu vereinfachen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Bauteil
- 2
- Stützstruktur
- 3
- Kontaktstelle
- 4
- Lichtbogen
- 5
- Schweißeinrichtung
- 6
- Schutzgasströmung
- 7
- Laser
- 8
- Sanitärarmatur
- 9
- Schutzgasdüse
- 10
- Pulverbett
- 11
- Bauplatte
