DE102019112122A1 - Verfahren zur additiven Herstellung eines Formkörpers - Google Patents

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Clemens Bergmann
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Abstract

Verfahren zur additiven Herstellung eines Formkörpers (2), wobei Baumaterial (10, 11, 40, 41) auf einen Baubereich (7) aufgebracht wird, wobei ein eines erstes und wenigstens ein weiteres, von dem ersten unterschiedliches Baumaterials (10, 11, 40, 41) zur Bildung eines ersten Bereichs (22) des Formkörpers (2) und ein erstes und/oder wenigstens ein weiteres, von dem ersten Baumaterial (10) unterschiedliches Baumaterials (10, 11, 40, 41) zur Bildung wenigstens eines weiteren Bereichs (24) des Formkörpers (2) verwendet wird, wobei der Volumen- und/oder Gewichtsanteil des ersten und/oder des wenigstens einen weiteren Baumaterials (10, 11, 40, 41) in dem ersten und wenigstens einen weiteren Bereich (22, 24) des Formkörpers (2) unterschiedlich ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Herstellung eines Formkörpers.
  • Entsprechende Verfahren zur additiven Herstellung eines Formkörpers sind aus dem Stand der Technik dem Grunde nach bekannt.
  • Unter dem Begriff Binder Jetting wird typischerweise ein additives Fertigungsverfahren verstanden, bei dem pulverartiges Ausgangsmaterial schichtweise an ausgewählten Stellen mit einem Bindemittel verbunden wird, um so einen Formkörper zu erzeugen. Hierbei werden in einer, z. B. durch eine Bauplatte definierten, Bauebene Baumaterialschichten aus pulverartigem Baumaterial erzeugt oder aufgetragen. Anschließend erfolgt ein selektives, d. h. ein gezielt bereichsweise erfolgendes, Auftragen mindestens eines abbindbaren bzw. aushärtbaren Bindemittels auf die jeweiligen Baumaterialschichten. Nach Abbinden bzw. Aushärten des Bindemittels bilden die mit dem Bindemittel benetzten Bereiche des Baumaterials einen schichtbezogenen Querschnitt des herzustellenden Formkörpers. Dieser Prozess wird wiederholt, bis der Formkörper in der gewünschten Geometrie schichtweise aufgebaut ist. Das nicht mit dem Bindemittel benetzte Baumaterial kann, z. B. durch Absaugen, entfernt und ggf. einem neuen Bauprozess zur Verfügung gestellt werden.
  • Unter dem Begriff Fused Deposition Modeling wird typischerweise ein additives Fertigungsverfahren verstanden, bei dem pulverartiges oder pastöses Baumaterial selektiv und bereichsweise auf einen Baubereich aufgebracht wird und damit den Formkörper bildet. Die Applikation des pulverartigen oder pastösen Baumaterials kann z. B. derart erfolgen, dass das Baumaterial durch Erwärmen verflüssigt oder zähflüssig wird und durch Extrudieren vermittels einer Düse selektiv bereichsweise auf den Baubereich aufgebracht wird. Nach einer Abkühlung des Baumaterials erhärtet dieses und bildet den Formkörper bzw. einen Grünkörper. Es kann vorgesehen sein, dass das ein so in seiner Form erzeugter Formkörper bzw. Grünkörper einem weiteren, ihn thermisch beaufschlagenden Prozessschritt unterzogen wird, wobei hierbei das Baumaterial z. B. gesintert werden kann, um den finalen und festen Formkörper zu erlangen. Während des Sinterns kann auf Grund der Wärmeeinwirkung das z. B. pulverförmige Baumaterial miteinander zumindest bereichsweise verschmelzen. Das Baumaterial wird vorzugsweise zeilenweise in einer Arbeitsebene des Baubereichs aufgebracht und anschließend die Arbeitsebene vertikal verfahren, sodass durch Wiederholung des zeilenweisen Ablegens von Baumaterial in einer Arbeitsebene des Baubereichs „stapelnd“ und damit schichtweise ein Formkörper bzw. Grünkörper gebildet wird. Das Fused Deposition Modeling (FDM) Verfahren kann auch als Schmelzschicht-Verfahren oder als Filament Fabrication (FFF) Verfahren bezeichnet werden.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, welches es insbesondere erlaubt, auf einfache, schnelle sowie kostengünstige Weise Formkörper herzustellen, welche hinsichtlich deren physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften gezielt bereichsweise variabel ausgebildet sind.
  • Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur additiven Herstellung eines Formkörpers, insbesondere mittels eines Binder Jetting Verfahrens und/oder eines Fused Depostion Modeling Verfahrens, gemäß Anspruch 1 gelöst. Die hierzu abhängigen Ansprüche betreffen mögliche Ausführungsformen des Verfahrens.
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Herstellung eines Formkörpers, wobei Baumaterial auf einen Baubereich aufgebracht wird. Das Verfahren zeichnet sich durch das Verwenden eines ersten und/oder wenigstens eines weiteren, von dem ersten unterschiedlichen Baumaterials zur Bildung eines ersten Bereichs des Formkörpers und Verwenden eines ersten und/oder wenigstens eines weiteren, von dem ersten Baumaterial unterschiedlichen Baumaterials zur Bildung wenigstens eines weiteren Bereichs des Formkörpers, wobei der Volumen- und/oder Gewichtsanteil des ersten und/oder des wenigstens einen weiteren Baumaterials in dem ersten und wenigstens einen weiteren Bereich des Formkörpers unterschiedlich ist. Dadurch, dass während der additiven Herstellung eines Formkörpers verfahrensgemäß innerhalb des Herstellungsprozesses, d. h. in-situ bzw. online, wenigstens zwei unterschiedliche Baumaterialen verwendet werden, kann ein additiv hergestellter Formkörper erzeugt werden, der gezielt selektiv bzw. bereichsabhängig unterschiedliches Baumaterial aufweist und damit gezielt selektiv bzw. bereichsabhängig unterschiedliche chemischen und/oder physikalische Eigenschaften aufweist. Beispielsweise können sowohl in einem ersten, als auch in einem zweiten Bereich des Formkörpers ein erstes und ein zweites Baumaterial zur Bildung der Baumaterialschicht verwendet worden sein, jedoch ist der Anteil des ersten Baumaterials zu dem zweiten Baumaterial in dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich unterschiedlich. Mit anderen Worten kann beispielsweise durch gezielte Veränderung des Anteils des jeweiligen Baumaterials zu Bildung vordefinierter Bereiche des Formkörpers eine gezielte Beeinflussung des nach einem Aushärteprozess vorliegenden Bauteils bzw. Formkörpers erreicht werden. Das in dem jeweiligen additiven Fertigungsverfahren verwendete Baumaterial kann zumindest abschnittsweise pulverförmig und/oder zumindest abschnittsweise in pastöser Form auf den Baubereich bzw. auf die Arbeitsebene des Baubereichs appliziert werden. Eine pastöse Form bedeutet, dass das Baumaterial zähflüssig ist. Insbesondere kann ein pastöses Baumaterial nicht mehr fließfähig sein und eine streichfeste Konsistenz aufweisen.
  • Es ist möglich, dass das additive Herstellungsverfahren, das insbesondere als Fused Deposition Modeling Verfahrens ausgeführt wird, einen Verfahrensschritt umfasst, wonach das Baumaterial selektiv und bereichsweise zur Bildung des Formkörpers abgelegt wird, insbesondere wird mit dem Baumaterial wenigstens ein Bindemittel zur Bildung des Formkörpers abgelegt, das nach dem Ablegen des Baumaterials aushärtet. Die Aushärtung des Bindemittels kann aktiv oder passiv erfolgen. D. h. es kann z. B. aktiv und gezielt mittels eines Heizelementes eine thermische Beeinflussung des Bindemittels derart erfolgen, dass dieses aushärtet. Alternativ oder zusätzlich kann das Bindemittel bereits durch die in der Baukammer der additiven Fertigungsvorrichtung vorherrschenden Bedingungen passiv aushärten. Das Baumaterial kann vor der Applikation mit dem Bindemittel zur Ausbildung eines Gemischs vermischt werden und als Gemisch in den Baubereich appliziert werden. Alternativ oder zusätzlich kann das Baumaterial bereits vor der Befüllung der additiven Fertigungsvorrichtung mit dem Baumaterial mit einem Bindemittel versehen und/oder vermischt sein. Das Baumaterial und/oder das Baumaterial-Bindemittel-Gemisch wird vorzugsweise über eine Düse schichtweise gezielt an den Orten innerhalb des Baubereichs abgelegt bzw. appliziert, um einen schichtweise erzeugten Formkörper bzw. Grünkörper zu bilden. Die Bildung eines Grünkörpers meint hierbei, dass dieser noch nicht die finalen Bauteileigenschaften aufweist und erst nach einem ihn thermisch beaufschlagenden Prozessschritt die Zieleigenschaften als Formkörper aufweist.
  • Alternativ zu dem vorgenannten Verfahren kann ein additives Fertigungsverfahren, insbesondere ein Binder Jetting Verfahren, zur Anwendung kommen, das folgende Verfahrensschritte umfasst: (a) Erzeugen oder Auftragen einer aus mindestens einem pulverartigen Baumaterial gebildeten Baumaterialschicht auf einen Baubereich, (b) selektives Auftragen mindestens eines Bindemittels auf die Baumaterialschicht und/oder selektives Einbringen mindestens eines Bindemittels in ein aus wenigstens einem Baumaterial und ggf. dem wenigstens einen Bindemittel gebildeten Gemisch zur Bildung einer Baumaterialschicht, (c) Aushärten des Bindemittels. Auch hierbei werden wenigstens zwei unterschiedliche Baumaterialien verwendet, welche an wenigstens zwei unterschiedlichen Bereichen des Formkörpers in unterschiedlichen Volumen- oder Massenanteilen vorliegen und damit zu bereichsweise unterschiedlichen chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften des Formkörpers führt. Neben der Verwendung wenigstens zweier unterschiedlicher Volumen- und/oder Massenanteile zumindest zweier unterschiedlicher Baumaterialien zur Bildung der unterschiedlicher Bereiche des Formkörpers kann es vorgesehen sein, dass zwei unterschiedliche Bindemittel derart verwendet werden, dass ein eines ersten Bindemittels und/oder wenigstens ein weiteres Bindemittels zur Bildung eines ersten Bereichs des Formkörpers und ein erstes und/oder wenigstens ein weiteres, von dem ersten Bindemittel unterschiedliches Bindemittels zur Bildung zumindest eines weiteren Bereichs des Formkörpers eingesetzt wird, wobei der Volumen- und/oder Gewichtsanteil des ersten und/oder des wenigstens einen weiteren Bindemittels in dem ersten und dem wenigstens einen weiteren Bereich des Formkörpers unterschiedlich ist. Dadurch, dass während der additiven Herstellung eines Formkörpers verfahrensgemäß innerhalb des Herstellungsprozesses, d. h. in-situ bzw. online, wenigstens zwei unterschiedliche Baumaterialen und/oder wenigstens zwei unterschiedliche Bindemittel verwendet werden, kann ein additiv hergestellter Formkörper erzeugt werden, der gezielt selektiv bzw. bereichsabhängig unterschiedliches Baumaterial und/oder unterschiedliches Bindemittel aufweist und damit gezielt selektiv bzw. bereichsabhängig unterschiedliche chemischen und/oder physikalische Eigenschaften aufweist.
  • Das Aushärten des Bindemittels kann zumindest teilweise nach jeder oder nach einer vordefinierten Anzahl an aufgebrauchten Baumaterialschichten bzw. Bindemittelschichten erfolgen, wobei danach wiederum weiteres Baumaterial nebst Bindemittel auf das bereits ausgehärtete Bindemittel bzw. Baumaterialschichten aufgebracht werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann ein finaler Aushärteschritt nach dem Aufbau sämtlicher oder zumindest einer definierten Zahl an Baumaterialschichten erfolgen, hierzu kann der fertig bzw. teilfertig gebildete Formkörper bzw. Grünkörper einem Aushärteprozess zum Aushärten des Bindemittels verwendet werden. Auch können mehrere Aushärteschritte vorgesehen sein, wobei ein erster Aushärteschritt ein erstes Bindemittel und ein zweiter, von dem ersten Aushärteschritt unterschiedlicher Aushärteschritt zum Aushärten eines weiteren Bindemittels dient. Alternativ oder zusätzlich kann ein erster Aushärteschritt zum Verbinden eines ersten Baumaterials und wenigstens ein weiterer Aushärteschritt zum Verbinden wenigstens eines weiteren Baumaterials dienen. Hierzu kann der erste Aushärteschritt eine thermische Beaufschlagung des Formkörpers bzw. des Grünlings mit einem ersten Temperaturniveau und der wenigstens eine weitere Aushärteschritt eine thermische Beaufschlagung des Formkörpers bzw. des Grünlings mit einem zweiten Temperaturniveau. Es kann sich als vorteilhaft erwiesen, die Abfolge mehrerer Aushärteschritte unter ansteigendem Temperaturniveau auszuführen.
  • Das verwendete pulverartige Baumaterial kann in dem Herstellungsverfahren beispielsweise als Pulver und/oder als Granulat vorliegen. Das Baumaterial kann zumindest während des Applizierens auf den Baubereich alternativ oder zusätzlich in zähflüssiger Form vorliegen. Das in dem Herstellungsverfahren verwendete Bindermittel kann derart beschaffen und/oder ausgebildet sein, dass das Bindemittel während und/oder nach dem Auftrag auf das Baumaterial abbindet bzw. aushärtet. Hierzu können in einer Prozesskammer, in welcher der Aufbau- bzw. der Herstellungsprozess stattfindet, vordefinierte und vorzugsweise gezielt beeinflussbare Prozesskammerbedingungen, insbesondere eine vordefinierte Prozesskammertemperatur, eine vordefinierte Prozesskammeratmosphäre und/oder ein vordefinierter Prozesskammerdruck, vorliegen. Die in der Prozesskammer vorliegenden Bedingungen können die Art und Weise und/oder den Zeitpunkt bzw. den zeitlichen Verlauf des Abbindens bzw. der Aushärtung des Bindemittels beeinflussen. Auch kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass wenigstens ein Bindemittel innerhalb der Prozesskammer nicht gänzlich aushärtet, und dieses Bindemittel beispielsweise erst nach Beaufschlagung des mit diesem Bindemittel versehenen Formkörpers bzw. Grünkörpers in einem, vorzugsweise separaten, Abbinde- bzw. Aushärteschritt, d. h. z. B. einem Temperierschritt, abgebunden bzw. ausgehärtet wird. Hierfür kann der Formkörper in einen, mit einer Heizeinrichtung, ausgestatteten Temperierbereich, verlagert werden. Schließlich kann es vorgesehen sein, dass wenigstens eines der verwendeten Bindemittel und/oder sämtliche Bindemittel ausschließlich oder überwiegend in dem abschließenden Abbinde- bzw. Aushärteschritt, d. h. z. B. dem Temperierschritt, aushärten.
  • Allgemein kann bei der Herstellung eines Formkörpers in einem additiven Fertigungsverfahren die Anordnung bzw. Aufbringung des ersten und/oder des wenigstens einen weiteren Baumaterials und/oder die Anordnung bzw. Aufbringung des ersten und/oder des wenigstens einen weiteren Bindemittels mit einer relativ hohen Gestaltbarkeit vorgenommen werden. Mit anderen Worten kann der bereichsweise unterschiedliche Volumen- und/oder Gewichtsanteil des ersten und des wenigstens einen weiteren Baumaterials und/oder des ersten und des wenigstens einen weiteren Bindemittels zur gezielten Erzeugung bestimmter chemischer und/oder physikalischer Eigenschaften des Formkörpers verwendet werden. Sodass die bereichsweise unterschiedlichen Eigenschaften des Formkörpers durch entsprechende lokal variierende volumen- und/oder gewichtsanteilsmäßige Anordnung bzw. Aufbringung des ersten und/oder des weiteren Baumaterials bzw. des ersten und/oder des wenigstens einen weiteren Bindemittels auf einfache und schnelle sowie kostengünstige Weise realisierbar ist. Das Prinzip ermöglicht die Realisierung eines Formkörpers mit gezielt bereichsweise eingestellten chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften.
  • Es ist möglich, dass der bereichsweise unterschiedliche Volumen- und/oder Gewichtsanteil des ersten und des wenigstens einen weiteren Baumaterials und/oder des ersten und des wenigstens einen weiteren Bindemittels zur gezielten Erzeugung bestimmter chemischer und/oder physikalischer Eigenschaften des Formkörpers verwendet werden. D. h. z. B., dass während des Verfahrens der Ort des Aufbringens des ersten und/oder des wenigstens einen weiteren Baumaterials und insbesondere deren jeweiligen Konzentration (Masse- und/oder Gewichtsanteil) und/oder der Ort des Aufbringens des ersten und/oder des wenigstens einen weiteren Bindemittels und dessen jeweiligen Konzentration (Masse- und/oder Gewichtsanteil) gezielt wählbar ist, um den Formkörper an bzw. in den entsprechenden Formkörperbereichen mit gewünschten chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften aufzubauen.
  • Beispielsweise kann es vorgesehen sein, dass sich das erste Baumaterial von dem wenigstens einen weiteren Baumaterial zumindest in der Zusammensetzung wenigstens einer Komponente unterscheidet, wobei der Unterschied wenigstens einen Unterschied in einer chemischen und/oder physikalischen Eigenschaft dieser Komponente umfasst. Beispielsweise weist das erste Baumaterial eine Komponente mit einem Volumen- und/oder Gewichtsanteil auf, der ungleich dem Volumen- oder Gewichtsanteil dieser Komponente des wenigstens einen weiteren Baumaterials ist. D. h. z. B., dass wenigstens zwei verwendete Baumaterialien nicht zwingend die gleichen Komponenten aufweisen müssen. Auch kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass eine Komponente in einem ersten Baumaterial mit einem ersten Volumen- und/oder Gewichtsanteil und in dem wenigstens einen weiteren Baumaterial mit einem zweiten, von dem ersten unterschiedlichen Volumen- und/oder Gewichtsanteil vorliegt.
  • Alternativ oder zusätzlich zu der Verwendung eines unterschiedlichen Baumaterials kann es verfahrensgemäß vorgesehen sein, dass das erste Bindemittel und das wenigstens eine weitere Bindemittel sich zumindest in der Zusammensetzung wenigstens einer Komponente unterscheiden, wobei der Unterschied wenigstens einen Unterschied in der chemischen und/oder physikalischen Eigenschaft betrifft. Bevorzugt weist das erste Bindemittel eine Komponente mit einem Volumen- und/oder Gewichtsanteil auf, der ungleich zu dem Volumen- und/oder Gewichtsanteil dieser Komponente des wenigstens einen weiteren Bindemittels ist. Damit können sich die verwendeten, wenigstens zwei unterschiedlichen Bindemittel darin unterscheiden, dass diese nicht dieselben Komponenten aufweisen. Alternativ oder zusätzlich können sich die beiden Bindemittel darin unterscheiden, dass diese obwohl sie aus den gleichen Komponenten bestehen, diese Komponenten jedoch in unterschiedlichen Gewichts- und/oder Volumenverhältnissen in den beiden Bindemitteln vorliegen.
  • In einer optionalen Ausführungsform ist der erste und der wenigstens eine weitere Bereich des Formkörpers zumindest in einer chemischen Eigenschaft unterschiedlich ausgebildet, so dass ein, insbesondere zumindest bereichsweise metallischer Formkörper in dem ersten Bereich einen Masseanteil wenigstens eines Legierungselements und/oder wenigstens einer Legierungszusammensetzung aufweist, der bzw. die niedriger ist, als der Masseanteil dieses Legierungselements bzw. dieser Legierungszusammensetzung in dem wenigstens einen weiteren Bereich. Bevorzugt ist der Bereich mit dem niedrigeren Masseanteil des Legierungselements und/oder mit dem niedrigeren Masseanteil der Legierungszusammensetzung in einem Randbereich des Formkörpers angeordnet oder ausgebildet. Damit kann es beispielhaft erreicht werden, einen Formkörper zu erzeugen, dessen Randbereich bzw. dessen Oberflächenbereich eine elastischere Eigenschaft aufweist, als der Kernbereich dieses Formkörpers. Dies kann beispielsweise für einen Formkörper in Gestalt eines Crash-Bauteils vorteilhaft sein, das einerseits eine hohe Festigkeit zum Erreichen einer Stabilitätsfunktion und zugleich im Crash-Fall bei mechanischem Kontakt mit einem Element durch Deformation des elastischen Bereichs die Bewegungsenergie des Elementes in Deformationsenergie umgewandelt wird, so dass die Belastung der angrenzenden Bauteile reduziert wird.
  • Ferner ist es vorteilhaft, wenn beispielsweise der erste und der wenigstens eine weitere Bereich des Formkörpers sich zumindest in einer mechanischer Eigenschaft unterscheiden, insbesondere wenn der Formkörper in dem ersten Bereich eine niedrigere Zähigkeit, Verformbarkeit (Duktilität) und/oder Festigkeit aufweist, als in dem wenigstens einen weiteren Bereich. Hierbei kann durch den Formkörper beispielsweise ein, z. B. im Hinblick auf sein Crash-Energieaufnahmevermögen, verbessertes Crash-Bauteil gebildet werden. Dieser Formkörper, d. h. z. B. das Crash-Bauteil, kann beispielsweise ein Bauteil der Innenverkleidung eines Kraftfahrzeugs sein, wobei der dem Innenraum zugewandte Bereich des Formkörpers als ein erster Bereich z. B. mit einer niedrigeren Zähigkeit und/oder einer höheren Verformbarkeit und/oder einer niedrigeren Festigkeit ausgebildet sein kann und ein zweiter, dem Innenraum des Fahrzeugs abgewandter Bereich des Formkörpers z. B. eine höhere Zähigkeit und/oder eine niedrigere Verformbarkeit und/oder eine höhere Festigkeit aufweisen. Mit einem derartigen Bauteil kann im Crash-Fall bei Kontakt eines im Fahrzeuginnenraum bzw. in der Fahrgastzelle befindlichen und durch ein Crash-Szenario beschleunigten Körpers die Bewegungsenergie dieses Körpers durch Deformation des dem Innenraum zugewandten Bereichs des Formkörpers aufgenommen werden. Trotz der Deformation des dem Innenraum zugewandten Bereichs des Formkörpers kann der Formkörper insgesamt noch eine Mindeststabilität aufweisen, welche durch den, dem Innenraum abgewandten und mit einer höheren Festigkeit versehenen Bereich des Formkörpers gewährleistet wird.
  • Alternativ oder zusätzlich kann es vorgesehen sein, dass der erste Bereich des Formkörpers zum zweiten Bereich des Formkörpers einen unterschiedlichen Elastizitätsmodul aufweist. Beispielsweise ist der Elastizitätsmodul für einen ersten Bereich des Formkörpers größer als 200 GPa, bevorzugt größer als 400 GPa.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens ist es vorgesehen, dass der erste und der wenigstens eine weitere Bereich des Formkörpers sich zumindest in einer optischen Eigenschaft unterscheiden, bevorzugt weist der erste Bereich des Formkörpers zumindest bereichsweise einen ersten Transmissionsgrad und der wenigstens eine weitere Bereich des Formkörpers einen zu dem ersten Transmissionsgrad unterschiedlichen weiteren Transmissionsgrad auf. Damit kann beispielsweise ein Formkörper hergestellt werden, der in einem ersten Bereich zumindest bereichsweise transparent oder transluzent und in wenigstens einem weiteren Bereich zumindest bereichsweise in einem zu dem ersten Bereich unterschiedlichen Grad transparent oder transluzent, insbesondere nicht-transparent bzw. intransparent, ausgebildet ist. Auch ein derart ausgebildeter Formkörper kann als Bauteil zur Bildung einer, vorzugsweise tragenden, Fahrzeugsäule und/oder als Verkleidungsbauteil, insbesondere als Innenverkleidungsbauteil, einer Fahrzeugsäule verwendet werden. Eine, vorzugsweise tragende, Fahrzeugsäule verbindet typischerweise den Dachbereich mit einem Karosserieunterbau, wie beispielsweise einem Schweller, einem vorderen Fahrzeugboden und/oder einem hinteren Fahrzeugboden. Neben der Erfüllung etwaiger Stabilitätsanforderungen kann ein derartiger Formkörper zusätzlich eine Anforderung hinsichtlich einer zumindest bereichsweisen Transparenz erfüllen.
  • Der aus dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Formkörper kann beispielsweise als stabförmiger Körper und/oder als Strebe ausgebildet sein, der bzw. die insbesondere in einem Kraftfahrzeug verbaut wird. Bei dem Formkörper kann es sich - unabhängig von seiner konkreten geometrisch-konstruktiven Gestaltung, im Allgemeinen sonach um ein Kraftfahrzeugbauteil handeln.
  • Das erste und/oder das wenigstens eine weitere Baumaterial und/oder das erste und/oder das wenigstens eine weitere Bindemittel kann zur Bildung einer Bauteilschicht und/oder zur Bildung mehrerer Bauteilschichten bzw. zur Bildung einer ersten Baumaterialschicht und/oder zur Bildung mehrerer Baumaterialschichten verwendet werden. D. h. z. B., dass zur Herstellung des Formkörper innerhalb einer Bauteilschicht bzw. einer Baumaterialschicht zwei unterschiedliche Anteile von unterschiedlichen Baumaterialien und/oder Bindemitteln eingesetzt werden und/oder dass in einer Baumaterialschicht des Formkörpers ausschließlich ein erstes Baumaterial und/oder ein erstes Bindemittel verwendet wurde und das zweite Baumaterial und/oder das zweite Bindemittel zumindest bereichsweise in einer weiteren Baumaterialschicht des Formkörpers zu dessen Herstellung verwendet wurde.
  • Für die Herstellung des Formkörpers kann beispielsweise für das erste und/oder für das wenigstens eine weitere Baumaterial ein Baumaterial verwendet werden, das zumindest teilweise oder ausschließlich Keramik enthält. Bevorzugt enthält das erste und/oder das wenigstens eine weitere Baumaterial zumindest teilweise oder ausschließlich eine transparente Keramik. D. h. z. B., dass als Baumaterial für das erste und/oder das wenigstens eine weitere Baumaterial auch ein ausschließlich aus Keramik, insbesondere ausschließlich aus einer transparenten Keramik bestehendes Baumaterial verwendet werden kann. Unabhängig von dem Anteil der transparente Keramik an dem Baumaterial kann dieses derart beschaffen sein, dass es zumindest im abgeschlossenen Herstellungszustand des Formkörpers eine transparente und/oder transluzente Eigenschaften aufweist. Beispielsweise kann als transparente Keramik die unter der Produktbezeichnung PERLUCOR® von dem Unternehmen CeramTec GmbH, 73207 Plochingen, Deutschland, vertriebene Keramik verwendet werden.
  • Das erste Baumaterial und/oder das wenigstens eine weitere Baumaterial kann alternativ oder zusätzlich zumindest teilweise oder ausschließlich Metall enthalten, bevorzugt enthält das ersten und/oder das wenigstens eine weitere Baumaterial zumindest teilweise oder ausschließlich Stahl. D. h. z. B., dass als Baumaterial für das erste und/oder das wenigstens eine weitere Baumaterial auch ein ausschließlich aus Metall, insbesondere ein ausschließlich aus Stahl bestehendes Baumaterial verwendet werden kann.
  • Alternativ oder zusätzlich kann das erste Baumaterial und/oder das wenigstens eine weitere Baumaterial zumindest teilweise oder ausschließlich Kunststoff enthalten, bevorzugt enthält das erste und/oder das wenigstens eine weitere Baumaterial zumindest teilweise oder ausschließlich einen thermoplastischen Kunststoff. Als thermoplastischer Kunststoff kann beispielsweise Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Polyamide (PA), Polylactat (PLA), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonat (PC), Polyethylenterephthalat (PET), Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polystyrol (PS), Polyetheretherketon (PEEK) und/oder Polyvinylchlorid (PVC) verwendet werden. Als Bindemittel kann wenigstens ein zumindest teilweise aus Kunststoff bestehendes, insbesondere ein zumindest teilweise aus Kunstharz bestehendes, Bindemittel zum Einsatz kommen.
  • Auch kann das erste und/oder das wenigstens eine weitere Baumaterial ein aus mehreren Komponenten gebildetes Baumaterial sein, das beispielsweise aus Keramik-, Kunststoff und/oder Metallpulver, d. h. z. B. Stahlpulver, gebildet ist und in insbesondere gemischter Form etwaiger weiterer Komponenten vorliegt. Damit kann das erste Baumaterial und/oder das wenigstens eine weitere Baumaterial als ein mehrkomponentiges Baumaterial ausgebildet sein.
  • Ferner kann es sich als vorteilhaft erweisen, wenn sich der erste Bereich des Formkörpers von dem wenigstens einen weiteren Bereich des Formkörpers zumindest durch eine magnetische Eigenschaft unterscheidet, bevorzugt weist der ersten Bereich des Formkörpers zumindest bereichsweise eine magnetische Eigenschaft und der wenigstens eine weitere Bereich des Formkörpers eine zumindest bereichsweise nicht-magnetische Eigenschaft auf. Alternativ oder zusätzlich kann es vorgesehen sein, dass der erste Bereich des Formkörpers sich von dem wenigstens einen weiteren Bereich des Formkörpers in dessen Grad bzw. Ausprägung wenigstens einer magnetischen Eigenschaft unterscheidet.
  • Nicht nur, aber insbesondere für einen Formkörper, der Bereiche mit unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften aufweist, kann es sich als zweckmäßig erweisen, diesen Formkörper als Bestandteil einer elektrischen Maschine zu verwenden. Die elektrische Maschine kann beispielsweise als elektrischer Motor, elektrischer Generator und/oder als Transformator ausgebildet sein. Beispielsweise bildet der aus dem Verfahren ausgebildete Formkörper zumindest einen Bestandteil eines, einen magnetischen Kreis der elektrischen Maschine bildenden Elementes. Auch kann ein zumindest bereichsweise wenigstens eine unterschiedliche magnetische Eigenschaft aufweisender Formkörper als Bestandteil eines Energiespeichers verwendet werden, insbesondere als Bestandteil eines Hochvoltspeichers. Ein Hochvoltspeicher zeichnet sich insbesondere durch einen Energiespeicher aus, welcher mit Wechselspannungen über 30 V bis 1 kV oder mit Gleichspannungen über 60 V bis 1,5 kV betrieben wird.
  • Der Formkörper kann aus wenigstens zwei Baumaterialen gebildet sein, welche sich zumindest in deren jeweiligen Anteil einer Komponente unterscheiden. Es kann darüber hinaus vorgesehen sein, dass der Formkörper unter Verwendung von (a) wenigstens zwei, bevorzugt von wenigstens vier, besonders bevorzugt von wenigstens acht, höchst bevorzugt von wenigstens zehn unterschiedlichen Baumaterialien und/oder (b) wenigstens zwei, bevorzugt von wenigstens vier, besonders bevorzugt von wenigstens acht, höchst bevorzugt von wenigstens zehn unterschiedlichen Bindemitteln hergestellt wird. Beispielsweise werden drei verschiedene Baumaterialien verwendet, welche selektiv gesteuert, in unterschiedlichen Anteilen jeweils entsprechenden Bereichen des Formkörpers zugeführt werden. So können z. B. in einem ersten Bereich einer Baumaterialschicht ein erstes, ein zweites und ein drittes Baumaterial verwendet werden und in einem zweiten Bereich derselben oder einer anderen Baumaterialschicht desselben Formkörpers zumindest der Anteil von einer der drei Baumaterialien unterschiedlich sein zu dem ersten Bereich.
  • Es ist möglich, dass die wenigstens zwei unterschiedlichen Baumaterialien und/oder die wenigstens zwei unterschiedlichen Bindemittel, insbesondere in einem bestimmten Mischungsverhältnis, miteinander unter Ausbildung eines Gemischs vermischt werden und das Gemisch in einem Baubereich appliziert wird. Das Mischungsverhältnis kann hierbei gezielt gesteuert bzw. geregelt geändert werden, um an jeweiligen Bereichen des Formkörpers die gewünschten physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften zu erreichen. So kann es z. B. vorgesehen sein, dass die wenigstens zwei unterschiedlichen Baumaterialien und/oder die wenigstens zwei unterschiedlichen Bindemittel getrennt voneinander in jeweiligen Aufnahmebehältern gelagert sind und über Zuführmittel, insbesondere automatisiert, dem Mischbereich in, insbesondere veränderbaren, definierten Mengen und/oder Volumina zugeführt werden können. Beispielsweise kann durch die Steuerung eines Ausbringungsdrucks des jeweiligen Baumaterials aus dessen Aufnahmebehälter der Anteil des jeweiligen Baumaterials in dem Mischbereich gezielt gesteuert bzw. geregelt werden.
  • Neben dem Verfahren zur additiven Herstellung eines Formkörpers betrifft die Erfindung auch einen Formkörper, insbesondere in Gestalt eines Kraftfahrzeugbauteils, der gemäß einem wie hierin beschriebenen additiven Herstellungsverfahren hergestellt wurde.
  • Sämtliche Vorteile, Einzelheiten, Ausführungen und/oder Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens sind auf den erfindungsgemäßen Formkörper übertragbar bzw. anzuwenden.
  • Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:
    • 1 eine Prinzipdarstellung einer Vorrichtung zur Ausführung eines additiven Herstellungsverfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel;
    • 2 eine Prinzipdarstellung einer Vorrichtung zur Ausführung eines additiven Herstellungsverfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel;
    • 3 eine Prinzipdarstellung eines aus der Vorrichtung gemäß 1 hergestellten Formkörpers;
    • 4 eine Prinzipdarstellung eines aus der Vorrichtung gemäß 2 hergestellten Formkörpers;
    • 5 eine Prinzipdarstellung einer Vorrichtung zur Ausführung eines additiven Herstellungsverfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel;
    • 6 eine Prinzipdarstellung eines aus einer Fused Deposition Modeling Vorrichtung erzeugten Formkörpers gemäß einem Ausführungsbeispiel.
  • In den 1 bis 4 wird beispielhaft auf ein Verfahren zur additiven Herstellung eines Formkörpers und auf den Formkörper selbst abgestellt, wobei der Formkörper in einem Binder Jetting Verfahren bzw. einem 3D-Druck-Verfahren hergestellt wurde. In der 5 wird auf ein additives Herstellungsverfahren abgestellt, das als Fused Depostion Modeling Verfahren ausgeführt wird. Die nachfolgenden Ausführungen zu dem hergestellten Formkörper 2 bzw. dem hergestellten Grünkörper sind unabhängig von dem gewählten additiven Herstellungsverfahren zu verstehen, d. h., dass insbesondere die Ausführungen eines im Zuge eines Binder Jetting Verfahren hergestellten Formkörpers 2 bzw. Grünkörpers analog für einen in einem Fused Depostion Modeling Verfahren hergestellten Formkörper 2 bzw. Grünkörper übertragbar sind.
  • In 1 ist ein beispielhafter Aufbau einer Vorrichtung 1 zur Ausführung eines Verfahrens zur additiven Herstellung eines Formkörpers 2 mittels eines Binder Jetting Verfahrens dargestellt. Bei der Vorrichtung 1 handelt es sich in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sonach um eine Binder Jetting Vorrichtung. Hierbei umfasst die Vorrichtung 1 eine Baumaterial-Applikationseinrichtung 3. Die Baumaterial-Applikationseinrichtung 3 weist einen ersten und einen zweiten Baumaterialbehälter 4, 5 auf, der horizontal über einen, mit einer Bauplattform (nicht dargestellt) versehenen Baubereich 7 verfahrbar angeordnet oder ausgebildet ist, vgl. Pfeil 6. In dem ersten Baumaterialbehälter 4 ist ein erstes, pulverartiges Baumaterial 10 und in dem zweiten Baumaterialbehälter 5 ist ein von dem ersten Baumaterial 10 unterschiedliches, zweites pulverartiges Baumaterial 11 angeordnet oder ausgebildet. Das in den Baumaterialbehältern 4, 5 befindliche erste und zweite Baumaterial 10, 11 kann selektiv über die beiden Düsenbereiche 8, 9 auf den Baubereich 7 bzw. auf die Bauplattform appliziert bzw. aufgetragen werden. Alternativ können die wenigstens zwei unterschiedlichen Baumaterialien 10, 11 auch aus einer gemeinsamen Düse (nicht dargestellt) auf den Baubereich 7 aufgebracht werden. Während der horizontalen Verlagerung der Baumaterial-Applikationseinrichtung 3 wird durch entsprechendes gezieltes Öffnen und Schließen einer zum Baubereich 7 weisenden Düsenöffnung (nicht dargestellt) der Düsenbereiche 8, 9, das erste und das zweite Baumaterial 10, 11 bereichsweise und selektiv auf den Baubereich 7 bzw. auf die Bauplattform aufgebracht und damit zunächst eine erste Baumaterialschichten 12 innerhalb einer Bauebene gebildet. Nach und/oder während dem Auftragen einer Baumaterialschicht 12 wird auf diese über eine ebenfalls horizontal verfahrbare (Pfeil 14) Bindemittel-Applikationseinrichtung 15 zumindest bereichsweise ein erstes und/oder ein zweites Bindemittel 16, 17 aufgebracht. Das Bindemittel 16, 17 hat dabei die Funktion eines, vorzugsweise stoffschlüssigen, Verbindens des mit ihr in Kontakt gebrachten Baumaterials 10, 11. Diese zusammengefügten Bereiche des Baumaterials 10, 11 können, zumindest nach Aushärten bzw. Abbinden des Bindemittels 16, 17 einen schichtbezogenen Querschnitt des herzustellenden Formkörpers 2 bilden. Dieser Grünkörper bzw. Grünling kann z. B. nachdem mehrere Schichten oder nachdem sämtliche Schichten des Formkörpers 2 gebildet wurden in einem separaten Verfahrensschritt gesintert werden. D. h. der Grünling bzw. der Formkörper 2 wird in einem separaten Verfahrensschritt thermisch beaufschlagt, wobei für unterschiedliche Baumaterialien vorzugsweise unterschiedliche Sintertemperaturen angefahren werden können unter denen das jeweilige Baumaterial 10 ,11 aushärtet. Das wenigstens eine Bindemittel 16, 17 selbst kann vorzugsweise selbsthärtend sein und bereits in der Prozesskammer der Binder Jetting Anlage unter den dort vorherrschenden Bedingungen aushärten.
  • Die Bindemittel-Applikationseinrichtung 15 kann optional neben einem ersten auch einen weiteren, hier zweiten, Bindemittelbehälter 18, 19 aufweisen. In dem ersten Bindemittelbehälter 18 ist ein erstes Bindemittel 16 und in dem zweiten Bindemittelbehälter 19 ist ein, von dem ersten Bindemittel 16 unterschiedliches zweites Bindemittel 17 bevorratet. Über Düsenbereiche 20, 21 der Bindemittelbehälter 18, 19 gelangt das in den Bindemittelbehältern 18, 19 bevorratete erste und zweite Bindemittel 16, 17 bereichsweise und selektiv auf den Baubereich 7 bzw. auf das in der jeweiligen Baumaterialschicht 12, 13 befindliche Baumaterial 10, 11. In einer bevorzugten Ausführungsform wird zunächst durch das bereichsweise und selektive Aufbringen des ersten und/oder zweiten Baumaterials 10, 11 eine erste Baumaterialschicht 12 gebildet und anschließend die Bindemittel-Applikationseinrichtung 15 über die erste Baumaterialschicht 12 bewegt. Dabei appliziert die Bindemittel-Applikationseinrichtung 15 das in ihr bevorratete Bindemittel 16, 17 selektiv und bereichsabhängig auf die erste Baumaterialschicht 12. Insbesondere nach einem Aushärten bzw. Abbinden dieses Bindemittels 16, 17 erfolgt ein erneuter Auftrag wenigstens eines Baumaterials 10, 11 durch die Baumaterial-Applikationseinrichtung 3 zur Bildung einer zweiten, auf der ersten Baumaterialschicht 12 angeordneten Baumaterialschicht 13. Alternativ oder zusätzlich kann zumindest abschnittsweise das Bindemittel 16, 17 zeitgleich mit dem Baumaterial 10,11, z. B. durch eine gemeinsame Applikatordüse, appliziert werden. Das Bindemittel 16, 17 kann hierbei selbstaushärtend sein, d. h., dass das Bindemittel 16, 17 unter den in der Prozesskammer vorherrschenden Bedingungen aushärten kann bzw. aushärtet. Während der Herstellung des Formkörpers 2 und der Bildung mehrerer Baumaterialschichten 12, 13 kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass vor dem Auftrag einer zweiten Baumaterialschicht 13 die erste, zuvor erzeugte Baumaterialschicht 12 durch ein vorzugsweises Absenken der Bauplattform (nicht dargestellt) um den Betrag einer Baumaterialschichtdicke nach unten, d. h. von der Baumaterial-Applikationseinrichtung 3 weg, bewegt wird, um für den nachfolgenden Aufbringungsprozess des Baumaterials 10, 11 bzw. für die Erzeugung oder Aufbringung der nächsten Baumaterialschicht 13 ein im Vergleich zur vorherigen Baumaterialschicht 12 identisches Niveau für die Bauebene zu erreichen. Alternativ oder zusätzlich kann die Baumaterial-Applikationseinrichtung 3 bzw. zumindest die Düsenbereiche 8, 9 relativ zu der gebildeten Baumaterialschicht 12 bewegt werden.
  • In der in 1 dargestellten beispielhaften Ausführungsform wurde sowohl in der ersten Baumaterialschicht 12, als auch in der zweiten Baumaterialschicht 13 in einem ersten Bereich 22 und in einem dritten Bereich 23 ein erstes Baumaterial 10 und in einem zweiten Bereich 24 ein zweites Baumaterial 11 durch die Baumaterial-Applikationseinrichtung 3 gezielt appliziert bzw. aufgebracht. Ferner wurde in der in 1 dargestellten Ausführungsform für die Bildung des Formkörpers 2 ausschließlich ein erstes Bindemittel 16 verwendet, um das im vierten Bereich 25, 25' der ersten und zweiten Baumaterialschicht 12, 13 befindliche erste und zweite Baumaterial 10, 11 zu verbinden. In einem fünften Bereich 26, 26' der Baumaterialschicht 12, 13 erfolgte kein Auftrag eines Bindemittels 16, 17, sodass das im fünften Bereich 26, 26' befindliche Baumaterial 10, 11 nicht verbunden bzw. nicht abgebunden bzw. nicht ausgehärtet wird und auch nach dem Herstellungsprozess als unverbundenes pulverartiges Baumaterial 10, 11 vorliegt. Nachdem der gemäß 1 hergestellte Formkörper 2 von dem unverbundenen, im fünften Bereich 26, 26' befindlichen Baumaterials 10, 11 befreit wurde, ergibt sich ein Formkörper 2 wie er in 3 dargestellt ist. In diesem Stadium kann der Formkörper 2 als sogenannter Grünling bzw. Grünkörper vorliegen, bei welchem zwar über das wenigstens eine Bindemittel 15, 16 zwar das Baumaterial 10, 11 formerhaltend miteinander verbunden ist, jedoch noch keine innigere Verbindung zwischen dem Baumaterial 10, 11 selbst vorliegt. Hierzu wird der Grünkörper bzw. Formkörper 2 thermisch beaufschlagt und hierzu z. B. in einen Sinterofen eingebracht. Die thermische Beaufschlagung kann das Anfahren unterschiedlicher Temperaturen und das halten der jeweiligen Temperaturen für eine bestimmte Zeitdauer umfassen. Während der jeweiligen Temperatur kann, insbesondere gezielt, das jeweilige Baumaterial gesintert werden, so dass sich der mit Baumaterial fest verbundene und fertige Formkörper 2 bildet.
  • Dabei kann es - wie dargestellt - vorgesehen sein, dass an oder in einem äußeren Bereich 27, 27' bzw. an einem Randbereich des Formkörpers 2 ein erstes Baumaterial 10 und an oder in einem inneren, zentralen Bereich 28 des Formkörpers 2 das zweite Baumaterial 11 angeordnet ist. Dadurch, dass das erste und das zweite Baumaterial 10, 11 unterschiedliche chemische und/oder physikalische Eigenschaften aufweisen, kann der in 3 dargestellte Formkörper 2 in seinem, aus dem zweiten Baumaterial 11 gebildeten, inneren Bereich 28 beispielsweise eine höhere Festigkeit aufweisen, als der aus dem ersten Baumaterial 10 ausgebildete äußeren Bereiche 27, 27'.
  • Neben der Möglichkeit des Aufbringens unterschiedlicher Baumaterialen 10, 11 kann es gemäß der Ausführungsform der 2 und 4 vorgesehen sein, für die Herstellung einer ersten und einer zweiten Baumaterialschicht 29, 30 jeweils ausschließlich das erste Baumaterial 10 und/oder eine Gemisch aus einem ersten und einem weiteren Baumaterial 10, 11 zu verwenden. Die unterschiedlichen chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften des Formkörpers 2 werden in dieser Ausführungsform vorzugsweise ergänzend dadurch erreicht, dass zum Verbinden des Baumaterials 10 unterschiedliche Bindemittel 16, 17 aus den jeweiligen Bindemittelbehältern 18, 19 eingesetzt werden. So wird, wie in der 2 beispielhaft dargestellt, für die zweite Baumaterialschicht 30 in einem ersten Bereich 31 und in einem dritten Bereich 32 ein erstes Bindemittel 16 und in einem zweiten Bereich 33 der zweiten Baumaterialschicht 30 ein zweites, von dem ersten Bindemittel 16 unterschiedliches Bindemittel 17 verwendet. Das in einem vierten Bereich 34 der zweiten Baumaterialschicht 30 befindliche Baumaterial 10, 11 gelangt nicht in Kontakt mit einem Bindemittel 16, 17, sodass dieses Baumaterial 10 nicht verfestigt wird bzw. nicht stoffschlüssig zusammengefügt wird. Nachdem der Formkörper 2 von dem nicht zusammengefügten Baumaterial 10, 11 befreit wurde ergibt sich ein Formkörper 2 gemäß 4. Der Formkörper 2 in 4 zeichnet sich dadurch aus, dass das in seinem Randbereich 35, 35' bzw. in seinem äußeren Bereich befindliche Baumaterial 10, 11 ausschließlich durch das erste Bindemittel 16 verfestigt bzw. verbunden ist und das in seinem innenliegenden Bereich 36 bzw. in seinem inneren Bereich befindliche Baumaterial 10, 11 ausschließlich durch das zweite Bindemittel 17 verfestigt bzw. verbunden ist. Aufgrund der Verwendung zweier unterschiedlicher Bindemittel 16, 17 kann ein Formkörper 2 mit unterschiedlichen chemische und/oder physikalische Eigenschaften für dessen Randbereich 35 und für dessen innenliegenden Bereich 36 ausgestattet werden.
  • Ferner ist es auch möglich innerhalb einer Baumaterialschicht 12, 13 sowohl unterschiedliches Baumaterial 10, 11 als auch unterschiedliches Bindemittel 16, 17 zu verwenden (nicht dargestellt). Auch muss das vorliegende Verfahren nicht auf die Verwendung zweier unterschiedlicher Baumaterialen 10, 11 und/oder zweier unterschiedlicher Bindemittel 16, 17 beschränkt sein, sondern kann vielmehr auch mehr als zwei unterschiedliche Baumaterialen 10, 11 und/oder mehr als zwei unterschiedliche Bindemittel 16, 17 zur Bildung des Formkörpers 2 umfassen.
  • In 5 ist eine Ausführungsform gezeigt, welche nach einem Fused Deposition Modeling Verfahren einen Formkörper 1 bildet, wobei beispielhaft vier verschiedene Baumaterialen 10, 11, 40, 41 und ein Bindemittel 16 zur Bildung einer Baumaterialschicht 43 bzw. des Formkörpers 2 verwendet werden, diese sind in jeweiligen Aufnahmebehältern 44, 45, 46, 47, 48 bevorratet. Das Bindemittel 16 kann vorzugsweise aus dessen Aufnahmebehälter 48 zentral einem Mischbereich 49 zugeführt werden. Die Baumaterialschicht 43 weist bereichsabhängig, abhängig von dem Mischungsverhältnis des für den jeweiligen Bereich 22, 23, 24 des Formkörpers verwendeten Baumaterial-Gemischs 42 unterschiedliche Anteile des Baumaterials 10, 11, 40, 41 auf.
  • Alternativ kann das Bindemittel 16 auch bereits an dem Baumaterial 10, 11, 40, 41 anhaften, so dass eine separate Zuführung von Bindemittel 16, insbesondere in einen Mischbereich 49, nicht notwendigerweise vorgesehen sein muss. Die beispielsweise vier unterschiedlichen Baumaterialien 10, 11, 40, 41 und das Bindemittel 16 kann dem Mischbereich 49 selektiv zugeführt werden, wobei diese miteinander unter Ausbildung eines Gemischs 42 vermischt werden und das Gemisch 42 in einem Baubereich 7 appliziert wird. Das Gemisch 42 weist dabei insbesondere ein bestimmtes bzw. ein gezielt vorgegebenes Mischungsverhältnis der einzelnen Baumaterialien 10, 11, 40, 41 und/oder der einzelnen Bindemittel 16, 17 auf. Mit anderen Worten kann beispielsweise durch eine Drucksteuerung in den jeweiligen Aufnahmebehältern 44, 45, 46, 47, 48 das sich dort befindliche Baumaterial 10, 11, 40, 41 und/oder das Bindemittel 16 über entsprechende, insbesondere speisedüsenartig ausgebildete, Übergangsbereiche 50, 51, 52, 52, 53, 54 selektiv in Menge und/oder Volumen gezielt dem Mischbereich 49 zugeführt werden. Mit einem derartigen Aufbau kann beispielsweise kontinuierlich der Gehalt bzw. der Anteil jedes einzelnen Baumaterials 10, 11, 40, 41 und/oder wenigstens eines Bindemittels 16 gesteuert bzw. geregelt werden, so dass ein entsprechender Gehalt bzw. Anteil auf der zu bildenden Baumaterialschicht 43 aufgetragen wird. Die Drucksteuerung kann beispielsweise in oder an einer, insbesondere den Mischbereich 49 umfassenden, Hauptdüse 55, über welche das Gemisch auf die Bauebene bzw. auf den Baubereich 7 appliziert wird, angeordnet sein und durch eine entsprechende Druckveränderung bzw. Drucksteuerung den Volumenstrom des applizierten Gemischs beeinflussen. Alternativ oder zusätzlich kann die Drucksteuerung in oder an der als Nebendüsen bzw. als Speisedüsen ausgebildeten Übergangsbereiche 50, 51, 52, 52, 53 der Aufnahmebehälter 44, 45, 46, 47 zu dem Mischbereich 49 angeordnet sein und eine jeweilige Veränderung des Volumenstroms des aus dem jeweiligen Aufnahmebehälter 44, 45, 46, 47 dem Mischbereich 49 zugeführten Baumaterials ausführen bzw. steuern.
  • Die Drucksteuerung kann beispielsweise über einen Schneckentrieb 56 realisiert werden. Insbesondere die Verwendung eines Schneckentriebs 56 oder eines andersartigen Förder- und Mischelements kann neben der Drucksteuerung des aus der Hauptdüse applizierten Baumaterial-Bindemittel-Gemisch 42 zusätzlich eine möglichst homogene Vermischung der unterschiedlichen Baumaterialien 10, 11, 40, 41 und/oder des wenigstens einem Bindemittel 16, 17 erreicht werden. In der dargestellten Ausführungsform ist lediglich in dem Mischbereich 49 ein Schneckentrieb 56 bzw. ein Förder- und Mischelement gezeigt, alternativ oder zusätzlich können in oder an den Aufnahmebehältern 44, 45, 46, 47, 48 und/oder in oder an den Übergangsbereichen 50, 51, 52, 53, 54 der Aufnahmebehältern zu dem Mischbereich 49 wenigstens ein oder jeweils ein steuerbares Mittel, insbesondere ein Schneckentrieb 56 bzw. ein Förder- und Mischelement, vorgesehen sein, mittels dem der Volumenstrom und/oder der Massenstrom des dem Mischbereich 49 aus dem jeweiligen Aufnahmebehälter 44, 45, 46, 47, 48 zugeführten Baumaterials 10, 11, 40, 41 und/oder Bindemittels 16, 17 steuerbar bzw. regelbar ist.
  • Das Gemisch 42 wird über die Hauptdüse 55 selektiv bereichsweise auf dem Baubereich 7, d. h. auf einer Bauplattform und/oder auf bereits appliziertes Baumaterial 10, 11 abgelegt. Hierbei erfolgt das Applizieren des Gemischs nur an den Orten, an welchen später ein Formkörper 2 entsprechendes Material aufweisen soll. Dieser Applikationsprozess erfolgt schichtweise, so dass nach Bildung einer Vielzahl von Baumaterialschichten 43 ein schichtweise aufgebauter Formkörper 2 entsteht. Etwaige Überhänge des Formkörpers 2 kann durch das Vorsehen von sogenannten Stützstrukturen (nicht dargestellt) realisiert werden, hierzu wird benachbart zu dem Formkörpervolumen Baumaterial 10, 11 appliziert und verfestigt, um nachfolgendes, in einer darauffolgenden Baumaterialschicht 43 befindliches Baumaterial 10, 11 zu stützen. Nach dem Aufbauprozess können derartige Stützstrukturen von dem Formkörper 2 entfernt werden, vorzugsweise sind die Stützstrukturen hierzu über Sollbruchstellen mit dem Formkörper 2 verbunden.
  • 6 zeigt beispielswiese einen aus einem Fused Deposition Modeling Verfahren hergestellten Formkörper 2 unter Verwendung von vier unterschiedlichen Baumaterialien 10, 11, 40, 41. Die auf der linken Seite dargestellten Stufen zeigen an, dass dort stufenweise gezielt kein Baumaterial 10, 11, 40, 41 aufgebracht wurde, so dass sich eine entsprechende Zielgeometrie des Formkörpers 2 ergibt. In einem ersten Bauteilbereich 22 wurde die Baumaterialien 11 und 41, in einem zweiten Bauteilbereich 24 wurde das Baumaterial 41, 10, 40 und in einem dritten Bauteilbereich 23 das Baumaterial 11, 40, 41 verwendet. Es ist erkennbar, dass der Anteil des vierten Baumaterials 41 im dritten Bereich 23 höher liegt, als in dem ersten und zweiten Bereich 22, 24. Auf Grund des unterschiedlichen Baumaterials 10, 11, 40, 41 und/oder des unterschiedlichen Anteils des Baumaterials 10, 11, 40, 41 in den jeweiligen Bereichen 22, 23, 24 des Formkörpers 2 weist dieser bereichsabhängig unterschiedliche chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften auf.
  • Die oben beschriebene Bildung eines Grünkörpers bzw. eines Grünlings kann explizit auch in einem Fused Deposition Modeling Verfahren erfolgen, wobei z. B. nachdem mehrere Schichten oder nachdem sämtliche Schichten des Formkörpers 2 gebildet wurden der Formkörper 2 bzw. der Grünkörper in einem separaten Verfahrensschritt gesintert wird. Auch hierbei kann der Grünling bzw. der Formkörper 2 in einem separaten Verfahrensschritt thermisch beaufschlagt werden, wobei für unterschiedliche Baumaterialien vorzugsweise unterschiedliche Sintertemperaturen angefahren werden können unter denen das jeweilige Baumaterial 10 ,11, 40, 41 aushärtet. Das wenigstens eine Bindemittel 16, 17 selbst kann vorzugsweise selbsthärtend sein und bereits in der Prozesskammer der Fused Deposition Modeling Vorrichtung unter den dort vorherrschenden Bedingungen bereits aushärten.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Vorrichtung
    2
    Formkörper
    3
    Baumaterial-Applikationseinrichtung
    4
    erster Baumaterialbehälter von 3
    5
    zweiter Baumaterialbehälter von 3
    6
    Pfeil
    7
    Baubereich
    8
    Düsenbereich von 4
    9
    Düsenbereich von 5
    10
    erstes Baumaterial
    11
    zweites Baumaterial
    12
    erste Baumaterialschicht
    13
    zweite Baumaterialschicht
    14
    Pfeil
    15
    Bindemittel-Applikationseinrichtung
    16
    erstes Bindemittel
    17
    zweites Bindemittel
    18
    erster Bindemittelbehälter
    19
    zweiter Bindemittelbehälter
    20
    Düsenbereich von 18
    21
    Düsenbereich von 19
    22
    erster Bereich von 12
    23
    dritter Bereich von 12
    24
    zweiter Bereich von 12
    25, 25'
    vierter Bereich von 12, 13
    26, 26'
    fünfter Bereich von 12, 13
    27, 27'
    äußerer Bereich von 2
    28
    innerer Bereich von 2
    29
    erste Baumaterialschicht
    30
    zweite Baumaterialschicht
    31
    erster Bereich von 30
    32
    dritter Bereich von 30
    33
    zweiter Bereich von 30
    34
    vierter Bereich von 30
    35
    Randbereich von 2
    36
    Bereich von 2
    40
    drittes Baumaterial
    41
    viertes Baumaterial
    42
    Gemisch
    43
    Baumaterialschicht
    44
    erster Aufnahmebehälter
    45
    zweiter Aufnahmebehälter
    46
    dritter Aufnahmebehälter
    47
    vierter Aufnahmebehälter
    48
    fünfter Aufnahmebehälter
    49
    Mischbereich
    50
    erster Übergangsbereich
    51
    zweiter Übergangsbereich
    52
    dritter Übergangsbereich
    53
    vierter Übergangsbereich
    54
    fünfter Übergangsbereich
    55
    Hauptdüse
    56
    Schneckentrieb

Claims (16)

  1. Verfahren zur additiven Herstellung eines Formkörpers (2), wobei Baumaterial (10, 11, 40, 41) auf einen Baubereich (7) aufgebracht wird, gekennzeichnet durch Verwenden eines ersten und wenigstens eines weiteren, von dem ersten unterschiedlichen Baumaterials (10, 11, 40, 41) zur Bildung eines ersten Bereichs (22) des Formkörpers (2) und Verwenden eines ersten und/oder wenigstens eines weiteren, von dem ersten Baumaterial (10) unterschiedlichen Baumaterials (10, 11, 40, 41) zur Bildung wenigstens eines weiteren Bereichs (24) des Formkörpers (2), wobei der Volumen- und/oder Gewichtsanteil des ersten und/oder des wenigstens einen weiteren Baumaterials (10, 11, 40, 41) in dem ersten und wenigstens einen weiteren Bereich (22, 24) des Formkörpers (2) unterschiedlich ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das additive Herstellungsverfahren, das insbesondere als ein Fused Deposition Modeling Verfahren ausgeführt wird, den Verfahrensschritt umfasst, dass das Baumaterial (10, 11, 40, 41) selektiv und bereichsweise zur Bildung des Formkörpers (2) abgelegt wird, insbesondere wird mit dem Baumaterial (10, 11, 40, 41) wenigstens ein Bindemittel (16, 17) zur Bildung des Formkörpers (2) abgelegt, das nach dem Ablegen des Baumaterials (10, 11, 40, 41) aushärtet.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das additive Herstellungsverfahren, das insbesondere als ein Binder Jetting Verfahren ausgeführt wird, folgende Verfahrensschritte umfasst: - Erzeugen oder Auftragen einer aus mindestens einem Baumaterial (10, 11, 40, 41) gebildeten Baumaterialschicht (12, 13, 43) auf einen Baubereich (7), - selektives Auftragen mindestens eines Bindemittels (16, 17) auf die Baumaterialschicht (12, 13, 43) und/oder selektives Einbringen mindestens eines Bindemittels (16, 17) in ein aus wenigstens einem Baumaterial (10, 11, 40, 41) gebildeten Gemisch (42) zur Bildung einer Baumaterialschicht (12, 13, 43), - Aushärten des Bindemittels (16, 17).
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Bindemittels (16) zur Bildung eines ersten Bereichs (31) des Formkörpers (2) und wenigstens ein weiteres, von dem ersten Bindemittel (16) unterschiedliches Bindemittel (17) zur Bildung zumindest eines weiteren Bereichs (33) des Formkörpers (2) verwendet wird, wobei der Volumen- und/oder Gewichtsanteil des ersten und/oder des wenigstens einen weiteren Bindemittels (16, 17) in dem ersten und dem wenigstens einem weiteren Bereich (31, 33) des Formkörpers (2) unterschiedlich ist.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der bereichsweise unterschiedliche Volumen- und/oder Gewichtsanteil des ersten und des wenigstens einen weiteren Baumaterials (10, 11, 40, 41) und/oder des ersten und des wenigstens einen weiteren Bindemittels (16, 17) zur gezielten Erzeugung bestimmter chemischer und/oder physikalischer Eigenschaften des Formkörpers (2) verwendet werden.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Baumaterial (10) und wenigstens ein weiteres Baumaterial (11, 40, 41) verwendet wird, die sich zumindest in der Zusammensetzung wenigstens einer Komponente unterscheiden, wobei der Unterschied wenigstens einen Unterschied in der chemischen und/oder physikalischen Eigenschaft der Komponente umfasst, bevorzugt weist das erste Baumaterial (10) eine Komponente in einem Volumen- und/oder Gewichtsanteil auf, der ungleich dem Anteil dieser Komponente in dem wenigstens einen weiteren Baumaterial (11, 40, 41) ist.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Formkörper (2) hergestellt wird, dessen erster und dessen wenigstens eine weitere Bereich (22, 24, 31, 33) sich zumindest in einer chemischer Eigenschaft unterscheiden und der Formkörper (2) in dem ersten Bereich (22, 31) einen Masseanteil eines Legierungselementes und/oder einen Masseanteil einer Legierungszusammensetzung aufweist, der niedriger ist, als der Masseanteil dieses Legierungselements und/oder dieser Legierungszusammensetzung in dem wenigstens einen weiteren Bereich (24, 33), bevorzugt ist der Bereich mit dem niedrigeren Masseanteil des Legierungselements und/oder mit dem niedrigeren Masseanteil der Legierungszusammensetzung in einem Randbereich (27, 27', 35, 35') des Formkörpers (2) angeordnet oder ausgebildet.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Formkörper (2) hergestellt wird, dessen erster und dessen wenigstens eine weitere Bereich (22, 24, 31, 33) des Formkörpers (2) sich zumindest in einer mechanischer Eigenschaft unterscheiden, bevorzugt weist der Formkörper (2) in zumindest dem ersten Bereich (22, 31) eine niedrigere Zähigkeit, Verformbarkeit und/oder Festigkeit auf als in dem wenigstens einen weiteren zweiten Bereich (24, 33), besonders bevorzugt weist zumindest der erste Bereich (22, 31) des Formkörpers (2) zu dem wenigstens einen weiteren Bereich (24, 33) des Formkörpers (2) einen unterschiedlichen Elastizitätsmodul auf.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Formkörper (2) hergestellt wird, dessen erster und dessen wenigstens eine weitere Bereich (22, 24, 31, 33) sich zumindest in einer optischen Eigenschaften unterscheiden, bevorzugt weist der erste Bereich (22, 31) des Formkörpers (2) zumindest bereichsweise einen ersten Transmissionsgrad und der wenigstens eine weitere Bereich (24, 33) des Formkörpers (2) einen zu dem ersten Transmissionsgrad unterschiedlichen, weiteren Transmissionsgrad auf, besonders bevorzugt ist ein erster Bereich (22, 31) des Formkörpers (2) zumindest bereichsweise transparent oder transluzent und der wenigstens eine weitere Bereich (24, 33) des Formkörpers (2) zumindest bereichsweise in einem zu dem zumindest ersten Bereich (22, 31) unterschiedlichen Grad transparent oder transluzent, insbesondere nicht-transparent, ausgebildet.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Formkörper (2) hergestellt wird, dessen erster Bereich (22, 31) sich von dem wenigstens einen weiteren Bereich (24, 33) zumindest durch eine magnetische Eigenschaft unterscheidet, bevorzugt ist der Formkörper (2) zumindest ein Bestandteil einer elektrischen Maschine und/oder eines, insbesondere induktiv ladbaren, elektrischen Energiespeichers.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Baumaterial (10) und/oder wenigstens ein weiteres Baumaterial (11, 40, 41) verwendet wird, das zumindest teilweise Keramik enthält, bevorzugt enthält das erste und/oder wenigstens eine weitere Baumaterial (10, 11) zumindest teilweise eine transparente Keramik.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Baumaterial (10) und/oder wenigstens ein weiteres Baumaterial (11, 40, 41) verwendet wird, das zumindest teilweise Metall enthält, bevorzugt enthält das ersten und/oder das wenigstens eine weitere Baumaterial (10, 11, 40, 41) zumindest teilweise Stahl.
  13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Baumaterial (10) und/oder wenigstens ein weiteres Baumaterial (11, 40, 41) verwendet wird, das zumindest teilweise Kunststoff enthält, bevorzugt enthält das erste und/oder das wenigstens eine weitere Baumaterial (10, 11, 40, 41) zumindest teilweise einen thermoplastischen Kunststoff.
  14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper (2) unter Verwendung von - wenigstens zwei, bevorzugt von wenigstens vier, besonders bevorzugt von wenigstens acht, höchst bevorzugt von wenigstens zehn unterschiedlichen Baumaterialien (10, 11, 40, 41) und/oder - wenigstens zwei, bevorzugt von wenigstens vier, besonders bevorzugt von wenigstens acht unterschiedlichen Bindemitteln (16, 17) hergestellt wird.
  15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei unterschiedlichen Baumaterialien (10, 11, 40, 41) und/oder die wenigstens zwei unterschiedlichen Bindemittel (16, 17), insbesondere in einem bestimmten Mischungsverhältnis, miteinander unter Ausbildung eines Gemischs (42) vermischt werden und das Gemisch (42) in einem Baubereich (7) appliziert wird.
  16. Formkörper (2), insbesondere Kraftfahrzeugbauteil, hergestellt aus einem additiven Herstellungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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US9604411B2 (en) * 2014-05-04 2017-03-28 Eoplex Limited Multi-material three dimensional printer

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