DE102019124146A1

DE102019124146A1 - Verfahren zum Nacharbeiten von Bauteilen

Info

Publication number: DE102019124146A1
Application number: DE102019124146.4A
Authority: DE
Inventors: Stefan Mischliwski; Vitali Dejkun; Daniel András
Original assignee: Technische Universitaet Darmstadt
Current assignee: Technische Universitaet Darmstadt
Priority date: 2019-09-09
Filing date: 2019-09-09
Publication date: 2021-03-11

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Nachbearbeiten von Bauteilen vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst: Bereitstellen (110) eines Halbzeugs (1), umfassend: eine Bauplattform (2) mit einer Vorderseite (3) und mit einer der Vorderseite (3) gegenüberliegenden Rückseite (4), wobei auf der Vorderseite (3) der Bauplattform wenigstens ein zu bearbeitendes Bauteil (6) sowie eine Anzahl von Positionierungselementen (8,9) zum Positionieren des Halbzeugs (1) in einer Spannvorrichtung (20) und zum Positionieren der Spannvorrichtung (20) in einer Werkzeugmaschine ausgebildet sind. Das Verfahren umfasst ferner ein Einspannen (120) des Halbzeugs (1) in die Spannvorrichtung (20), wobei die Positionierungselemente (8,9) an Gegenpositionierungselementen (29,30) der Spannvorrichtung (20) angekoppelt werden, ein Einspannen (125) der Spannvorrichtung (20) mit dem darin eingespannten Halbzeug (1) in eine Werkzeugmaschine. Das Verfahren umfasst ferner ein Nachbearbeiten (130) des wenigstens einen Bauteils (6) in der Werkzeugmaschine von für die Werkzeugmaschine zugänglichen Seiten, ein Gießspannen (140) des wenigstens einen Bauteils (6) von den zugänglichen Seiten in einem Gusswerkstoff (60) sowie ein Nachbearbeiten (160) des wenigstens einen Bauteils (6) von der freigelegten Seite.

Description

Die vorliegende Offenbarung beschreibt ein Verfahren zum Nachbearbeiten von Bauteilen. Speziell beschreibt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren und eine Vorrichtung zu einer 6-Seitennachbearbeitung von additiv hergestellten Bauteilen bzw. Werkstücken.
Es sind Verfahren zum Bearbeiten bzw. Nachbearbeiten von Bauteilen bekannt, wobei Bauteile in einer Haltevorrichtung eingespannt und mit einem Werkzeug bzw. in einer Werkzeugmaschine nachbearbeitet werden. Die bekannten Verfahren zum Nachbearbeiten von Bauteilen sind aufwändig und weisen eine niedrige Nachbearbeitungsgenauigkeit auf. Es besteht Bedarf nach einer besseren Möglichkeit der Nachbearbeitung von Bauteilen.
Nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Verfahren zum Nachbearbeiten, insbesondere zum mechanischen Nachbearbeiten, von Bauteilen vorgeschlagen.
Gemäß dem Verfahren wird ein Halbzeug bereitgestellt, welches eine Bauplattform mit einer Vorderseite und mit einer der Vorderseite gegenüberliegenden Rückseite aufweist, wobei auf der Vorderseite der Bauplattform wenigstens ein zu bearbeitendes Bauteil sowie eine Anzahl von Positionierelementen zum Positionieren des Halbzeugs in einer Spannvorrichtung und zum Positionieren der Spannvorrichtung in einer Werkzeugmaschine ausgebildet sind.
In einem weiteren Schritt wird das Halbzeug in die Spannvorrichtung eingespannt, wobei die Positionierelemente an Gegenpositionierelemente der Spannvorrichtung angepasst bzw. angekoppelt werden. Durch die Anpassung bzw. Ankopplung der Positionierelemente an den Gegenpositionierelementen kann eine genaue Positionierung des wenigstens einen Bauteils bezüglich der Spannvorrichtung erleichtert werden.
Das Verfahren umfasst ferner ein Einspannen der Spannvorrichtung mit dem darin eingespannten Halbzeug in eine Werkzeugmaschine und ein Nachbearbeiten des wenigstens einen Bauteils in der Werkzeugmaschine von für die Werkzeugmaschine zugänglichen Seiten. Insbesondere wird das in der Spannvorrichtung eingespannte Halbzeug zum Nachbearbeiten in die Werkzeugmaschine eingespannt, wobei außer der Seite des wenigstens einen Bauteils, welche der Bauplattform zugewandt ist, alle anderen Seiten, insgesamt fünf andere Seiten, nachbearbeitet werden können.
In einem weiteren Schritt, insbesondere nach dem Nachbearbeiten und nach einem Ausspannen der Spannvorrichtung mit dem darin eingespannten Halbzeug aus der Werkzeugmaschine, erfolgt ein Gießspannen des wenigstens einen Bauteils von den zugänglichen Seiten in einem Gusswerkstoff, insbesondere unter Verwendung einer Gieß-Spanntechnik.
Das Verfahren umfasst ferner ein Einspannen der Spannvorrichtung mit dem in dem Gusswerkstoff eingespannten wenigstens einen Bauteil in die Werkzeugmaschine und ein Nachbearbeiten des wenigstens einen Bauteils von der freigelegten sechsten Seite bzw. von den noch nicht nachbearbeiteten Seiten. Insbesondere kann dafür die Spannvorrichtung mit dem Gusswerkstoff und mit dem darin eingespannten wenigstens einen Bauteil in die Werkzeugmaschine erneut eingespannt werden, um das wenigstens eine Bauteil von der freigelegten sechsten bzw. noch nicht nachbearbeiteten Seiten zu bearbeiten.
Das Verfahren ermöglicht ein automatisches Nachbearbeiten von unterschiedlich geformten komplexen Bauteilen ohne Anfertigung von speziellen Spannbacken bzw. Negativspannbacken zum Einspannen von Bauteilen. Auch Bauteile mit solchen Oberflächen, die von allen Seiten als Freiformflächen ausgebildet sind, können mit dem Verfahren nachbearbeitet werden. Unter Verwendung von Spannvorrichtungen unterschiedlicher Größe können zudem Bauteile unterschiedlicher Größe mit dem Verfahren nachbearbeitet werden. Außerdem erlaubt das Verfahren ein Nachbearbeiten von Bauteilen im sogenannten Batch-Modus, in dem das Halbzeug mehrere Bauteile umfasst. Insbesondere können mehrere Bauteile als Teil des Halbzeugs zusammen in einem SLM (Selective Laser Melting)-Verfahren hergestellt werden und als ein Los gemeinsam in die Werkzeugmaschine eingespannt und nachbearbeitet werden.
Das Verfahren kann ein Lösen des wenigstens einen Bauteils von dem Gießwerkstoff umfassen. Zum Lösen des wenigstens einen Bauteils von dem Gusswerkstoff kann der Gusswerkstoff wieder verflüssigt werden, um das wenigstens eine Bauteil aus dem flüssigen Gusswerkstoff zu entnehmen.
Das Bereitstellen des wenigstens einen Bauteils und der Positionierelemente kann in einem additiven Herstellverfahren im Wesentlichen gleichzeitig erfolgen. In einem additiven Herstellverfahren werden Bauteile Schicht für Schicht aufgebaut und zu einem 3D-Objekt geformt. Insbesondere wegen einer begrenzten räumlichen Auflösung von additiven Herstellverfahren werden die additiv hergestellten Bauteile nachbearbeitet, um beispielsweise die durch die begrenzte Auflösung bedingte rauen Bauteiloberflächen zu glätten. Das Bauteil kann insbesondere ein in einem SLM-Verfahren hergestelltes Bauteil sein. Bei dem SLM-Verfahren wird ein Pulver mit einem fokussierten Laserstrahl lokal zusammengeschmolzen. Durch wiederholtes Erhitzen und Erstarren des Werkstoffpulvers kann ein 3D-Bauteil sukzessive Schicht für Schicht aufgebaut werden.
Das Einspannen des Halbzeugs kann ein Einklemmen des Halbzeugs zwischen der Spannvorrichtung und einem Spannelemente bzw. Spannring umfassen. Die Spannvorrichtung mit dem eingeklemmten Halbzeug kann über ein Nullpunktspannsystem in eine Werkzeugmaschine eingespannt werden.
Die Positionierelemente und die Gegenpositionierelemente können derart ausgebildet sein, dass beim Einklemmen der Bauplattform ein Sägespalt zwischen der Vorderseite der Bauplattform und der Vorderseite der Spannvorrichtung verbleibt. Durch den verbleibenden Sägespalt kann ein Sägeblatt bzw. Bandsägeblatt eingeführt werden, um die Bauplattform von dem wenigstens einen Bauteil abzulösen.
Die Anzahl der Positionierelemente kann eine Anzahl von Zentrierelementen umfassen, wobei das Einspannen des Halbzeugs in die Spannvorrichtung ein Zentrieren der Zentrierelemente an Gegenzentrierelementen der Spannvorrichtung umfasst. Das Zentrieren der Zentrierelemente an den Gegenzentrierelemente der Spannvorrichtung ermöglicht eine grobe Ausrichtung bzw. Positionierung des Halbzeugs in der Spannvorrichtung.
Die Anzahl der Positionierelemente kann ferner eine Anzahl von Positionierstiften umfassen, wobei das Einspannen der Spannvorrichtung mit dem darin eingespannten wenigstens einen Bauteil in der Werkzeugmaschine eine genauere Positionierung des Halbzeugs in der Werkzeugmaschine anhand der Positionierstifte umfasst. Insbesondere können die auf der Bauplattform aufgebauten Positionierstifte von der Werkzeugmaschine vermessen werden, um die bis hierhin in Bezug auf die Werkzeugmaschine nur grob positionierte Bauplattform genauer, insbesondere zur automatischen Nachbearbeitung des wenigstens einen Bauteils, zu positionieren und auszurichten. Über die Vermessung der Positionierstifte wird dabei indirekt die Position des Bauteils bestimmt, da die Positionierstifte mit dem Bauteil zusammen additiv in einem Prozess hergestellt wurden und somit die Lage der Bauteile zueinander der Maschinengenauigkeit der additiven Maschine entspricht. Nach der genauen Positionierung des wenigstens einen Bauteils anhand der Positionierstifte kann nun das wenigstens eine Bauteil von den fünf zugänglichen Seiten bearbeitet werden.
Das Gießspannen des Halbzeugs kann ein Ausrichten der Spannvorrichtung umfassen, so dass die Vorderseite der Bauplattform nach unten zu einem an der Spannvorrichtung angebrachten bzw. relativ zu der Spannvorrichtung positionierten Schmelzbecher gerichtet ist. Entsprechend wird in einigen Ausführungsformen der Schmelzbecher bereitgestellt und an der Spannvorrichtung angebracht bzw. relativ zu der Spannvorrichtung derart positioniert, so dass die Vorderseite der Bauplattform in den Schmelzbecher eintauchen kann. In dem ausgerichteten Zustand der Spannvorrichtung kann ein flüssiger bzw. verflüssigter Gusswerkstoff, insbesondere über einen oder mehrere in der Spannvorrichtung vorhandenen Durchgangsausnehmungen bzw. Durchflusskanäle, in den Schmelzbecher eingegossen werden. Das Eingießen des flüssigen Gusswerkstoffs wird dabei so lange fortgesetzt, bis das wenigstens eine Bauteil bis zu einer vordefinierten Höhe in den flüssigen Gusswerkstoff versinkt. Danach wird der Gusswerkstoff, insbesondere durch Abkühlen, zum Erstarren gebracht. Durch das Erstarren des Gusswirkstoffs bildet sich eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Gusswirkstoff und dem wenigstens einen Bauteil.
Das Eingießen des flüssigen Gusswerkstoffs kann kontrolliert, unter Erfassung eines aktuellen Füllstandes bzw. Gusswerkstoffniveaus des Gusswerkstoffs insbesondere mit einem Sensorelement bzw. Fühler, erfolgen. Das kontrollierte Eingießen des Gusswerkstoffs ermöglicht, dass das wenigstens eine Bauteil genau bis zu der vordefinierten Höhe in den Gusswerkstoff versinkt.
Das Sensorelement kann eine Platine mit einem elektrischen Schaltkreis aufweisen, wobei der elektrische Schaltkreis elektrischen Leiterbahnen insbesondere Silberleiterbahnen umfasst. Die Leiterplatte kann an der Spannvorrichtung derart angeordnet sein, dass beim ansteigenden Niveau des flüssigen Gusswerkstoffs ein immer größer werdender Bereich der Leiterplatte mit dem Gusswerkstoff in Berührung kommt, wobei die elektrischen Eigenschaften des Schaltkreises, wie elektrischer Widerstand, Kapazität bzw. Resonanzfrequenz beeinflusst werden. Die Änderung der elektrischen Eigenschaften des Schaltkreises kann mit einer Auswerteeinheit erfasst werden, so dass auf den Füllstand des Schmelzbechers zurückgeschlossen werden kann.
Das Freilegen der der Bauplattform zugewandten Seite des wenigstens einen Bauteils kann durch ein Absägen der Bauplattform von dem wenigstens einen Bauteil durch einen Sägeschnitt erfolgen, wobei die Positionierelemente durch ein in den Sägespalt eingeführtes Sägeblatt durchtrennt werden. Das wenigstens eine Bauteil bleibt dabei in seiner Position relativ zu der Spannvorrichtung, da es durch den erstarrten Gusswerkstoff bzw. Legierung gehalten wird. Das Absägen kann als kontrolliertes Absägen, bzw. unter Kontrolle der auf das wenigstens eine Bauteil wirkenden Sägekräfte, erfolgen, um sicherzustellen, dass die auf das Bauteil seitens des Sägeblatts wirkenden Sägekräfte die seitens des Gusswerkstoffs wirkenden Haltekräfte nicht überschreiten.
Nach einem zweiten Aspekt wird ein Halbzeug bereitgestellt. Das Halbzeug umfasst eine Bauplattform mit einer Vorderseite und mit einer der Vorderseite gegenüberliegenden Rückseite, wobei auf der Vorderseite der Bauplattform wenigstens ein zu bearbeitendes Bauteil sowie eine Anzahl von Positionierungselementen zum Positionieren des Halbzeugs in einer Spannvorrichtung und zum Positionieren der Spannvorrichtung in einer Werkzeugmaschine ausgebildet ist.
Die Anzahl der Positionierelemente kann eine Anzahl von an Gegenzentrierelementen der Spannvorrichtung zentrierbaren Zentrierelementen umfassen. Durch die Zentrierung der Zentrierelemente des Halbzeugs an den Gegenzentrierelementen der Spannvorrichtung kann die Bauplattform beim Einspannen des Halbzeugs in einer Spannvorrichtung lateral grob positioniert werden.
Die Zentrierelemente können als Zentrierkelche mit konkaven Zentrierflächen ausgebildet sein. Mit den konkaven Zentrierflächen können die Zentrierkelche an konvexen Zentrierflächen von Gegenzentrierelementen auf einfache Weise zentriert werden.
Die Anzahl der Positionierelemente kann eine Anzahl von Positionierstiften zum Positionieren des in der Spannvorrichtung eingespannten Halbzeugs in der Werkzeugmaschine umfassen.
Insbesondere können die auf der Bauplattform aufgebauten Positionierstifte von der Werkzeugmaschine vermessen werden, um die bis hierhin in Bezug auf die Werkzeugmaschine nur grob positionierte Bauplattform genauer, insbesondere zur automatischen Nachbearbeitung des wenigstens einen Bauteils, zu positionieren und auszurichten.
Das Halbzeug kann ein in einem additiven Verfahren hergestelltes Halbzeug sein. Insbesondere kann das wenigstens eine zu bearbeitende Bauteil samt Positionierelementen in einem additiven Herstellverfahren im Wesentlichen gleichzeitig erfolgt sein. Somit können ein bearbeitendes Bauteil und Positionierelemente zu ihrer Positionierung in einer Werkzeugmaschine in einem und demselben additiven Verfahren zusammenhängend bzw. monolytisch aufgebaut werden, wodurch eine besonders genaue Positionierung des wenigstens einen Bauteils in einer Werkzeugmaschine ermöglicht wird.
Nach einem dritten Aspekt wird eine Spannvorrichtung vorgeschlagen. Die Spannvorrichtung umfasst einen im Wesentlichen ringförmigen Körper mit einer Vorderseite, mit einer der Vorderseite gegenüberliegenden Rückseite und mit einer die Vorderseite mit der Rückseite verbindenden zentralen Öffnung. Die Spannvorrichtung umfasst ferner einen ersten Satz von Befestigungselementen bzw. Montagelöchern zur Befestigung eines Halbzeugs mit wenigstens einem zu nachbearbeitenden Bauteil von der Vorderseite der Spannvorrichtung. Die Spannvorrichtung umfasst auch einen zweiten Satz von Befestigungselementen bzw. Montagelöchern zur Befestigung eines Schmelzbechers an der Rückseite der Spannvorrichtung. Der Schmelzbecher kann insbesondere als ein Schmelzbecher zur Aufnahme eines zum Gießspannen des wenigstens einen Bauteils vorgesehenen Gusswerkstoffs ausgebildet sein. Die Befestigungselemente können insbesondere als Montagelöcher mit Innengewinde zur Aufnahme von Montageschrauben ausgebildet sein.
Auf der Vorderseite der Spannvorrichtung kann eine Anzahl von an Zentrierelementen des Halbzeugs zentrierbare Gegenzentrierelemente ausgebildet sein. Die Gegenzentrierelemente können als in Sacklöchern eingepresste Kugeln ausgebildet sein. Zentrierelemente mit konkaven Zentrierflächen können an konvexen Kugeloberflächen auf einfache Weise zentriert werden.
Die Spannvorrichtung kann auf der Vorderseite wenigstens ein um die zentrale Öffnung herum angeordnete ring- oder bogenförmige Nut aufweisen, wobei die Sacklöcher innerhalb der wenigstens einen Nut angeordnet sind. Die ring- bzw. bogenförmige Nut schützt die Kugeloberflächen vor Verschmutzung, insbesondere durch den Gusswerkstoff, damit die konkaven Zentrierflächen der Zentrierelemente an den Kugeloberflächen unbeeinträchtigt zentriert werden können.
Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Für gleiche oder gleichwirkende Teile werden in den Figuren gleiche Bezugszeichen verwendet.

1 zeigt ein Halbzeug mit einer Bauplattform und mit einem auf der Bauplattform ausgebildeten Bauteil gemäß einem Ausführungsbeispiel,
2 zeigt eine Spannvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
3 zeigt einen schematischen Querschnitt einer Spannvorrichtung gemäß der 2 im Einsatz, und
4 zeigt ein Flussdiagram eines Verfahrens zum Nachbearbeiten von Bauteilen nach einem Ausführungsbeispiel.

1 zeigt schematisch ein Halbzeug mit einer Bauplattform und mit einem auf der Bauplattform befindlichen Bauteil gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Das Halbzeug 1 umfasst eine im Wesentlichen flächig ausgebildete Bauplattform 2 mit einer Vorderseite 3, mit einer der Vorderseite 3 gegenüberliegenden Rückseite 4 sowie mit einer die Vorderseite 3 mit der Rückseite 4 verbindenden Randseite 5.
Das Halbzeug 1 weist ein zu bearbeitendes Bauteil 6 auf, welches auf einem Sockel 7 auf der Vorderseite 3 der Bauplattform 2 angeordnet ist.
Ferner weist das Halbzeug 1 eine Anzahl von Zentrierkelchen 8 und eine Anzahl von Positionierstiften 9 auf, wobei die Zentrierkelche 8 und die Positionierstifte 9 peripher entlang des Randes auf der Vorderseite 3 der Bauplattform 2 angeordnet sind. Die Positionierstifte 9 weisen an ihren von der Bauplattform 2 abgewandten Enden jeweils eine im Wesentlichen sphärische konvexe Fläche 10 auf. Im Unterschied zu den Positionierstiften 9 weisen die Zentrierkelche 8 an ihren von der Bauplattform 2 abgewandten Enden jeweils eine sphärisch-konvexe Zentrierfläche 11 auf.
Das Halbzeug 1 der 1 wird in einem additiven SLM-(Selective Laser Melting) Verfahren aus einem Werkstoffpulver hergestellt. Bei dem SLM-Verfahren wird das Werkstoffpulver mit einem fokussierten Laserstrahl lokal zusammengeschmolzen. Mit einem wiederholten Erhitzen und Erstarren des Werkstoffpulvers wird ein 3D-Bauteil sukzessive, Schicht für Schicht, aufgebaut. Der in dem SLM-Verfahren verwendete Werkstoff kann in unterschiedlichen Ausführungsformen unterschiedliche Zusammensetzung aufweisen. Insbesondere kann der verwendete Werkstoff Kupfer, Aluminium, Stahl, Edelstahl, Werkzeugstahl, Kobalt-Chrom, Titan und/oder Wolfram aufweisen. Das additive SLM-Herstellverfahren erlaubt grundsätzlich Herstellung von beliebigen 3D-Strukturen.
Das in 1 gezeigte Halbzeug 1 kann insbesondere als eine zusammenhängende 3D-Struktur hergestellt werden, wobei die Bauplattform 2, die Zentrierkelche 8, die Positionierstifte 9 und das Bauteil 6 samt Sockel 7 in einem gemeinsamen SLM-Herstellverfahren im Wesentlichen gleichzeitig hergestellt werden.
2 zeigt eine Spannvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Spannvorrichtung 20 ist im Wesentlichen ringförmig ausgebildet und weist eine Vorderseite 21, eine der Vorderseite gegenüberliegende Rückseite 22 und eine die Vorderseite 21 mit der Rückseite 22 verbindende Randseite 23 auf. Die Spannvorrichtung 20 weist ferner eine randseitig an der Spannvorrichtung angeordnete Basis 24 auf. Die Basis 24 ist in Form einer senkrecht zu der Vorderseite 21 bzw. zu der Rückseite 22 ausgerichteten Montageplatte zum Montieren bzw. Einspannen der Spannvorrichtung 20 in einer Werkzeugmaschine ausgebildet. Die Spannvorrichtung 20 weist ferner eine als Durchgangsöffnung ausgebildete zentrale Öffnung 25 sowie eine Vielzahl von ersten Montagelöchern 26 und eine Vielzahl von zweiten Montagelöchern 27 auf. Die ersten Montagelöcher 26 und die zweiten Montagelöcher 27 sind um die zentrale Öffnung 25 herum ringförmig angeordnet. Die Montagelöcher 26, 27 weisen jeweils ein Innengewinde zur Aufnahme von entsprechenden Montageschrauben auf.
Zwischen der zentralen Öffnung 25 und den Montagelöchern 26, 27 ist eine Anzahl von ringförmig bzw. bogenförmig ausgebildeten Nuten 28 angeordnet. Die Nuten 28 weisen Sacklöcher auf, in welche Kugeln 29 insbesondere Stahlkugeln eingepresst bzw. eingebettet sind, so dass die Stahlkugeln teilweise aus den Böden der Nuten 28 herausragen.
Die zentrale Öffnung 25 weist innenseitig drei Ausnehmungen 30 auf, welche als Durchgangsausnehmungen zur Aufnahme von Positionierstiften 9 des Halbzeugs ausgebildet sind.
Ferner weist die Spannvorrichtung 20 einen Durchflusskanal 31 auf, der im Randbereich der Spannvorrichtung 20 als die Vorderseite 21 mit der Rückseite 22 verbindende Durchgangsöffnung ausgebildet ist. Rückseitig weist die Spannvorrichtung 20 eine Vielzahl von Ausnehmungen 32 bzw. Ausfräsungen auf, die um die zentrale Öffnung herum dicht aneinander angeordneten sind, so dass sie einen welligen Rand der zentralen Öffnung 25 bilden.
Die Basis 24 weist ebenfalls Montagelöcher 33 zum Montieren der Spannvorrichtung 20 an einer Haltevorrichtung eines Nullpunktspannsystems einer Werkzeugmaschine auf.
Zur Nachbearbeitung des Bauteils 6 kann das Halbzeug 1 in die Spannvorrichtung 20 eingesetzt bzw. eingespannt werden, wonach die Spannvorrichtung 20 in die Werkzeugmaschine mit einem Nullpunktspannsystem eingespannt werden kann. Die Zentrierkelche 8 und die Positionierstifte 9 sind Positionierungselemente und dienen zur präzisen Positionierung des Halbzeugs 1 in der Spannvorrichtung 20 bzw. der Spannvorrichtung 20 in der Werkzeugmaschine, damit das Bauteil 6 mit einer hohen Präzision bearbeitet werden kann. Zur Positionierung des Halbzeugs 1 in der Spannvorrichtung 20 wird die Bauplattform 2 mit der Vorderseite 3 auf die Vorderseite 21 der Spannvorrichtung 20 derart gelegt, dass die Positionierstifte 9 in die Ausnehmungen 30 der Spannvorrichtung 20 eindringen, und die Zentrierkelche 8 jeweils mit konkaven Flächen 11 auf den Stahlkugeln 30 aufgesetzt werden. Durch das Auflegen der konkaven Flächen 11 der Zentrierkelche 8 auf den Kugeln 29 werden die Zentrierkelche 8 bezüglich der Kugeln 30 zentriert, so dass die Bauplattform 2 bezüglich der Spannvorrichtung 20 lateral positioniert werden kann. Die in den Nuten 28 eingebetteten Kugeln 29 dienen somit als Gegenzentrierelemente zu den Zentrierkelchen 8 zur Zentrierung bzw. zur lateralen Positionierung der Bauplattform 2.
Dabei dienen die Zentrierkelche 7 zu einer groben Ausrichtung bzw. zu einer Vorabausrichtung des Halbzeugs 1 bezüglich der Spannvorrichtung 20, wobei die Positionierungsstifte 8 zu einer genaueren Positionierung der Spannvorrichtung 20 bzw. des in der Spannvorrichtung eingespannten Halbzeugs 1 dienen.
Insbesondere durch die Vorabpositionierung und die nachfolgende genauere Positionierung mit Hilfe der Zentrierkelche 8 und der Positionierstifte kann das Bauteil derart präzise in einer Werkzeugmaschine positioniert werden, dass es mit einer Genauigkeit von +/- 3 pm bearbeitet bzw. nachbearbeitet werden kann. Die Nachbearbeitung des an der Bauplattform 2 angeordneten Bauteils 6 kann zunächst nur von den für die Werkzeugmaschine zugänglichen Seiten erfolgen. Die Spannvorrichtung 20 gemäß 2 ermöglicht es, auch die in dem eingespannten Zustand des Halbzeugs 1 für die Werkzeugmaschine unzugängliche Seiten, insbesondere die der Bauplattform 2 zugewandte Rückseite bzw. die sechste Seite des Bauteils 6 zu bearbeiten. Dafür kann die Spannvorrichtung aus der Werkzeugmaschine entnommen werden und an der Rückseite 22 der Spannvorrichtung 20 kann ein Schmelzbecher 50 zur Aufnahme eines Gusswerkstoffs angeschraubt werden, wobei die Spannvorrichtung 20 derart ausgerichtet wird, dass sich der Schmelzbecher unterhalb der Spannvorrichtung befindet. Danach kann der Gusswerkstoff in flüssiger Form durch den Durchflusskanal 31 hineingegossen werden. Als Gusswerkstoff kann insbesondere eine niedrigschmelzende Legierung verwenden werden. Niederschmelzende Legierungen sind bereits bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen leicht zu verflüssigen. In einigen Durchführungsbeispielen wird ein niedrigschmelzendes InBi-Eutektikum verwendet. Das InBi-Eutektikum, mit einer Schmelztemperatur von ungefähr 72°C, ist sehr leicht zu verflüssigen. Zudem enthält das InBi-Eutektikum keine giftigen Metalle, wie Blei oder Kadmium, und kann deshalb auch für medizinische Applikationen eingesetzt werden. Der flüssige Gusswerkstoff kann kontrolliert in den Schmelzbecher eingegossen werden. Insbesondere kann die Höhe des flüssigen Werkstoffs während des Eingießens kontrolliert werden, so dass nur der in der Werkzeugmaschine bereits nachbearbeitete Teil des Bauteils 6 in den flüssigen Gusswerkstoff eintaucht.
Nach dem Erstarren des flüssigen Gusswerkstoffs kann die der Bauplattform 2 zugewandte Seite des Bauteils 6 freigelegt werden, was beispielsweise durch Absägen der Bauplattform 2 von dem Bauteil 6 erfolgen kann. Zur Nachbearbeitung der freigelegten Seiten, insbesondere der sechsten Seite des Bauteils 6, kann die Spannvorrichtung 20 nun erneut in die Werkzeugmaschine eingespannt werden, wobei das Bauteil diesmal durch den erstarrten Gusswerkstoff in der Spannvorrichtung 20 in der ursprünglichen Position bezüglich der Spannvorrichtung gehalten wird. Anschließend kann der Gusswerkstoff wieder verflüssigt werden, um das fertig bearbeitete Bauteil aus dem Gusswerkstoff zu lösen.
3 zeigt einen schematischen Querschnitt einer Spannvorrichtung gemäß der 2 im Einsatz. 3 zeigt ein Zwischenstadium der Nachbearbeitung des Bauteils 6 nach einer ersten Nachbearbeitung des Bauteils 6 in einer Werkzeugmaschine.
3 zeigt insbesondere das Halbzeug 1 mit einem Bauteil 6, mit einem Bauteilsockel 7, mit Zentrierkelchen 8 und mit Positionierstiften 9 gemäß 1. Das Halbzeug 1 wird durch einen Spannring 40 an der Spannvorrichtung 20 befestigt, wobei der Spannring 40 an dem ersten Satz von Montagelöchern 26 mit einem ersten Satz von Schrauben 41 angeschraubt ist, so dass das Halbzeug 1 zwischen dem Spannring 40 und der Spannvorrichtung 20 geklemmt ist. Zwischen dem Spannring 40 und der Rückseite 4 der Bauplattform 2 des Halbzeugs 1 ist ein Gummiring 42 angeordnet. Der Gummiring 42 dient zum Ausgleich von auf das additive Herstellverfahren zurückzuführenden Dickenungleichmäßigkeiten der Bauplattform 2.
Von der unteren Seite ist an der Spannvorrichtung 20 ein Schmelzbecher 50 angeschlossen. Der Schmelzbecher ist mit einem zweiten Satz von Schrauben 41 an dem zweiten Satz von Montagelöchern 27 angeschraubt. 3 zeigt auch den Gusswerkstoff 60, der sich in dem Schmelzbecher 50 befindet und die zentrale Öffnung 25 zum Teil ausfüllt, so dass ein Teil des Bauteils unterhalb des Oberflächenniveaus des Gusswerkstoffs 60 liegt.
In der in 3 gezeigten Ausführung weist die Spannvorrichtung 20 ein Sensorelement 61 zur Erfassung des Oberflächenniveaus des Gusswerkstoffs 60 auf. Das Sensorelement 61 ist als eine elektrische Platine mit einem elektrischen Schaltkreis ausgebildet. Die Platine ist auf der Basis 24 der Spannvorrichtung 20 befestigt und senkrecht zu der Vorderseite 3 bzw. der Rückseite 4 der Spannvorrichtung so ausgerichtet, dass beim Einfüllen des Gusswerkstoffs 60 in flüssiger Form der Gusswerkstoff 60 mit den Silberleiterbahnen des Sensorelements in Berührung kommt, wodurch sich die elektrischen Eigenschaften des Schaltkreises ändern. Das Sensorelement 61 kann mit einer Auswerteschaltung verbunden werden, um die Änderung der elektrischen Eigenschaften des Schaltkreises zu erfassen, und somit auf die Füllhöhe des Gusswerkstoffs 60 zurückzuschlie-ßen.
In dem in 3 gezeigten Stadium der Nachbearbeitung 1 ist der Gusswerkstoff 60 bereits abgekühlt und erstarrt, so dass das Bauteil 6 einerseits als Teil des Halbzeugs 1 mit der Bauplattform 2 und andererseits über den Gusswerkstoff 60 in der Spannvorrichtung 20 eingespannt ist. Ab dem in 3 gezeigten Stadium kann die Bauplattform 2 von dem Bauteil 6 entfernt bzw. abgelöst werden, ohne dabei die Position des Bauteils 6 bezüglich der Spannvorrichtung 20 zu verändern.
Insbesondere kann der erste Satz von Schrauben 41 und der Spannring 40 entfernt werden, wonach die Bauplattform 2 in einem Sägevorgang von dem Bauteil 6 abgetrennt werden kann. Die 3 zeigt symbolisch ein Sägeblatt 70, welches in einen Sägespalt 71 zwischen der Spannvorrichtung 20 und der Bauplattform 2 eingeführt wird. In dem Sägevorgang werden die Positionierelemente 8, 9 und der Sockel 7 mit dem Sägeblatt 70 durchtrennt, so dass die der Bauplattform 2 zugewandte Seite des Bauteils 6 zur Nachbearbeitung freigelegt wird.
Zur Nachbearbeitung der freigelegten sechsten Seite des Bauteils 6 kann die Spannvorrichtung 20 mit dem in dem erstarrten Gusswerkstoff 60 eingebetteten Bauteil 6 wieder über das Nullpunktspannsystem in die Werkzeugmaschine eingespannt werden. Die Position des Bauteils 6 bezüglich der Spannvorrichtung 20 wird dabei durch den Gusswerkstoff festgelegt, so dass das Bauteil 6 mit der Spannvorrichtung 20 in der Werkzeugmaschine kontrolliert und präzise positioniert werden kann.
4 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Nachbearbeiten von Bauteilen gemäß einem Ausführungsbeispiel.
In dem in 4 gezeigten Verfahren 100 zum Nachbearbeiten von Bauteilen wird in einem ersten Schritt 110 ein Halbzeug bereitgestellt. Das Halbzeug kann insbesondere eine Bauplattform mit einer Vorderseite, mit einer der Vorderseite gegenüberliegenden Rückseite und mit einer die Vorderseite mit der Rückseite verbindenden Randseite umfassen. Auf der Vorderseite der Bauplattform kann wenigsten ein zu nachbearbeitendes Bauteil sowie eine Anzahl von Positionierelementen, insbesondere Positionierstifte und Zentrierkelche, ausgebildet sein. Das wenigstens eine Bauteil und die Positionierelemente können in einem additiven Verfahren, insbesondere in einem SLM-Verfahren hergestellt worden sein. Das Halbzeug kann ähnlich wie das in 1 dargestellte Halbzeug 1 mit Positionierstiften 9 und Zentrierkelchen 8, mit wenigstens einem Sockel 7 und mit wenigstens einem Bauteil ausgebildet sein. In einigen Ausführungsbeispielen weist das Halbzeug mehrere nachzubearbeitende Bauteile auf, die jeweils auf einem Sockel aufgebaut sind.
Die Bauplattform 2, die Positionierstifte 9, die Zentrierkelche 8 und das Bauteil 6 samt Sockel 7 können in einem gemeinsamen SLM-Herstellverfahren im Wesentlichen gleichzeitig hergestellt werden. In einigen Ausführungsformen stellt die Bauplattform ein separates Bauteil dar, worauf ein oder mehrere nachzubearbeitende Bauteile samt Sockel, die Positionierstifte und die Zentrierkelche in einem additiven Verfahren aufgebaut werden.
In einem darauffolgenden Schritt 120 wird das Halbzeug in eine Spannvorrichtung eingespannt. Die Spannvorrichtung kann insbesondere als eine ähnlich wie in 2 gezeigte Spannvorrichtung 20 ausgebildet sein, die gemäß der Positionierelemente des Halbzeugs ausgebildete Gegenpositionierelemente aufweist.
Die Positionierelemente bzw. die Gegenpositionierelemente können derart ausgebildet sein, dass nach dem Einspannen des Halbzeugs in der Spannvorrichtung, ein Spalt bzw. Sägespalt zwischen der Vorderseite der Bauplattform und der Vorderseite der Spannvorrichtung verbleibt.
In einem weiteren Schritt 125 wird die Spannvorrichtung 20 mit dem darin eingespannten Halbzeug in eine Werkzeugmaschine eingespannt und in einem darauffolgenden Schritt 130 wird das wenigstens eine Bauteil von durch die Werkzeugmaschine zugänglichen Seiten, insbesondere von fünf zugänglichen Seiten, in der Werkzeugmaschine nachbearbeitet. Zum Nachbearbeiten des wenigstens einen Bauteils kann die Spannvorrichtung mit dem darin eingespannten Halbzeug in die Werkzeugmaschine über ein Nullpunktspannsystem eingebracht und mittels der Positionierstifte positioniert werden.
In einem darauffolgenden Schritt 140 wird das wenigstens eine Bauteil unter Verwendung einer Gieß-Spanntechnik von den zugänglichen Seiten in einem Gusswerkstoff eingespannt.
Danach wird in einem Schritt 150 die der Bauplattform zugewandte Seite, insbesondere die sechste Seite, des wenigstens einen Bauteils freigelegt. Das Freilegen der zuvor unzugänglichen sechsten Seite des wenigstens einen Bauteils kann insbesondere durch Absägen der Bauplattform erfolgen, wobei die Positionierstifte, die Zentrierkelche und der wenigstens eine Sockel durchtrennt werden.
In einem weiteren Schritt 155 wird die Spannvorrichtung mit dem in dem Gusswerkstoff eingespannten wenigstens einen Bauteil in die Werkzeugmaschine eingespannt und in einem darauffolgenden Schritt 160 wird die freigelegte sechste Seite des Bauteils in der Werkzeugmaschine nachbearbeitet. Zum Nachbearbeiten des wenigstens einen Bauteils kann die Spannvorrichtung samt Gusswerkstoff und dem darin eingespannten wenigstens einen Bauteil in die Werkzeugmaschine über das Nullpunktspannsystem eingebracht werden, wobei die Positioniereinstellungen bei der ersten Nachbearbeitung beibehalten werden können. Das Verfahren 100 ermöglicht somit eine automatische Nachbearbeitung eines additiv hergestellten Bauteils von allen sechs Seiten.
Nach dem Schritt 160, in dem das wenigstens eine Bauteil erneut nachbearbeitet wird, kann das wenigstens eine Bauteil aus dem Gusswerkstoff gelöst werden, in dem der Gusswerkstoff über die Schmelztemperatur hinaus erhitzt und das Bauteil aus dem flüssigen Gusswerkstoff herausgezogen wird.
Obwohl zumindest eine beispielhafte Ausführungsform in der vorhergehenden Beschreibung gezeigt wurde, können verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden. Die genannten Ausführungsformen sind lediglich Beispiele und nicht dazu vorgesehen, den Gültigkeitsbereich, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration der vorliegenden Offenbarung in irgendeiner Weise zu beschränken. Vielmehr stellt die vorhergehende Beschreibung dem Fachmann einen Plan zur Umsetzung zumindest einer beispielhaften Ausführungsform zur Verfügung, wobei zahlreiche Änderungen in der Funktion und der Anordnung von in einer beispielhaften Ausführungsform beschriebenen Elementen gemacht werden können, ohne den Schutzbereich der angefügten Ansprüche und ihrer rechtlichen Äquivalente zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: Halbzeug
2: Bauplattform
3: Vorderseite der Bauplattform
4: Rückseite der Bauplattform
5: Randseite der Bauplattform
6: Bauteil
7: Sockel
8: Zentrierkelch
9: Positionierstift
10: konvexe Fläche
11: konkave Fläche
20: Spannvorrichtung
21: Vorderseite der Spannvorrichtung
22: Rückseite der Spannvorrichtung
23: Randseite der Spannvorrichtung
24: Basis
25: zentrale Öffnung
26, 27: Montagelöcher
28: Nut
29: Kugel
30: Ausnehmung
31: Durchflusskanal
32: Ausnehmung
33: Montagelöcher
40: Spannring
41: Schraube
42: Gummiring
50: Schmelzbecher
60: Gusswerkstoff
61: Sensorelement
70: Sägeblatt
71: Sägespalt
100: Verfahren zum Nachbearbeiten von Bauteilen
110: Verfahrensschritt
120: Verfahrensschritt
125: Verfahrensschritt
130: Verfahrensschritt
140: Verfahrensschritt
150: Verfahrensschritt
155: Verfahrensschritt
160: Verfahrensschritt

Claims

Verfahren zum Nachbearbeiten von Bauteilen, umfassend: - Bereitstellen (110) eines Halbzeugs (1), umfassend eine Bauplattform (2) mit einer Vorderseite (3) und mit einer der Vorderseite (3) gegenüberliegenden Rückseite (4), wobei auf der Vorderseite (3) der Bauplattform wenigstens ein zu bearbeitendes Bauteil (6) sowie eine Anzahl von Positionierungselementen (8,9) zum Positionieren des Halbzeugs (1) in einer Spannvorrichtung (20) und zum Positionieren der Spannvorrichtung (20) in einer Werkzeugmaschine ausgebildet sind, - Einspannen (120) des Halbzeugs (1) in die Spannvorrichtung (20), wobei die Positionierungselemente (8,9) an Gegenpositionierungselementen (29,30) der Spannvorrichtung (20) angekoppelt werden; - Einspannen (125) der Spannvorrichtung (20) mit dem darin eingespannten Halbzeug (1) in eine Werkzeugmaschine; - Nachbearbeiten (130) des wenigstens einen Bauteils (6) in der Werkzeugmaschine von für die Werkzeugmaschine zugänglichen Seiten; - Gießspannen (140) des wenigstens einen Bauteils (6) von den zugänglichen Seiten in einem Gusswerkstoff (60), - Freilegen (150) der der Bauplattform (2) zugewandten Seite des wenigstens einen Bauteils (6); - Einspannen (155) der Spannvorrichtung (20) mit dem in dem Gusswerkstoff (60) eingespannten wenigstens einen Bauteil (6) in die Werkzeugmaschine, und - Nachbearbeiten (160) des wenigstens einen Bauteils (6) von der freigelegten Seite.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren ein Lösen des wenigstens einen Bauteils (6) von dem Gusswerkstoff (60) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Bereitstellen des wenigstens einen Bauteils (6) und der Positionierungselemente (8,9) in einem additiven Herstellverfahren im Wesentlichen gleichzeitig erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Einspannen (120) des Halbzeugs (1) in die Spannvorrichtung (20) ein Einklemmen des Halbzeugs (1) zwischen der Spannvorrichtung (20) und einem Spannelement (40) umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anzahl der Positionierelemente (8,9) eine Anzahl von Zentrierelementen (8) umfasst, und wobei das Einspannen (120) des Halbzeugs (1) in die Spannvorrichtung (20) ein Zentrieren der Zentrierelemente (8) an Gegenzentrierelemente (29) der Spannvorrichtung (20) umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anzahl der Positionierelemente (8,9) eine Anzahl von Positionierstiften (9) umfasst, und wobei das Einspannen (125) der Spannvorrichtung (20) mit dem darin eingespannten wenigstens einen Bauteil (6) in der Werkzeugmaschine eine genauere Positionierung des Halbzeugs (1) in der Werkzeugmaschine anhand der Positionierstifte (9) umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gießspannen (140) des wenigstens einen Bauteils (6) folgende Schritte umfasst: - Ausrichten der Spannvorrichtung (20) mit dem darin eingespannten Halbzeug (1), so dass die Vorderseite (3) der Bauplattform (2) nach unten zu einem Schmelzbecher (50) gerichtet ist, - Eingießen eines flüssigen Gusswerkstoffs (60) in den Schmelzbecher (50), wobei das Eingießen so lange fortgesetzt wird, bis das wenigstens eine Bauteil (6) bis zu einer vordefinierten Höhe in den flüssigen Gusswerkstoff (60) versinkt, und - Erstarren der des Gusswerkstoffs (60);
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Freilegen (150) der der Bauplattform (2) zugewandten Seite des wenigstens einen Bauteils (6) durch ein Abtrennen der Bauplattform (2) von dem wenigstens einen Bauteil (6) durch einen Sägeschnitt in einem Sägespalt (71) erfolgt, wobei die Positionierelemente (8,9) durch ein in den Sägespalt (71) eingeführtes Sägeblatt (70) durchtrennt werden.
Halbzeug, umfassend eine Bauplattform (2) mit einer Vorderseite (3) und mit einer der Vorderseite (3) gegenüberliegenden Rückseite (4), wobei auf der Vorderseite (3) der Bauplattform (2) wenigstens ein zu bearbeitendes Bauteil (6) sowie eine Anzahl von Positionierungselementen (8,9) zum Positionieren des Halbzeugs (1) in einer Spannvorrichtung (20) und zum Positionieren der Spannvorrichtung (20) in einer Werkzeugmaschine ausgebildet ist.
Halbzeug nach Anspruch 9, wobei die Anzahl der Positionierelemente (8,9) eine Anzahl von an Gegenzentrierelementen (29) der Spannvorrichtung (20) zentrierbaren Zentrierelementen (8) umfasst.
Halbzeug nach Anspruch 10, wobei die Zentrierelemente (8) als Zentrierkelche mit konkaven Zentrierflächen (11) ausgebildet sind.
Halbzeug nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die Anzahl der Positionierelemente (8, 9) eine Anzahl von Positionierstiften (9) zum Positionieren des in der Spannvorrichtung (20) eingespannten Halbzeugs (1) in der Werkzeugmaschine umfasst.
Halbzeug nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei das Halbzeug (1) ein in einem additiven Verfahren hergestelltes Halbzeug (1) ist.
Spannvorrichtung zum Einspannen eines Halbzeugs mit einem zu nachbearbeitenden Bauteil, umfassend: - Einen im Wesentlichen ringförmigen Körper mit einer Vorderseite (21), mit einer der Vorderseite gegenüberliegenden Rückseite (22) und mit einer die Vorderseite (21) mit der Rückseite (22) verbindenden zentralen Öffnung (25) ; - Einen ersten Satz von Befestigungselementen (26) zu Befestigung eines Halbzeugs (1) mit wenigstens einem zu nachbearbeitenden Bauteil an der Vorderseite (21) der Spannvorrichtung; - Einen zweiten Satz von Befestigungselementen (27) zur Befestigung eines Schmelzbechers (50) an der Rückseite (22) der Spannvorrichtung (2).
Spannvorrichtung nach Anspruch 14, wobei die Spannvorrichtung (20) eine Basis (24) zum Einspannen der Spannvorrichtung (20) in einer Werkzeugmaschine umfasst.
Spannvorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, wobei auf der Vorderseite (21) der Spannvorrichtung (20) eine Anzahl von an Zentrierelementen (8) des Halbzeugs (1) zentrierbare Gegenzentrierelemente (29) ausgebildet sind.
Spannvorrichtung nach Anspruch 16, wobei die Gegenzentrierelemente (29) als in Sacklöchern eingepresste Kugeln ausgebildet sind.
Spannvorrichtung nach Anspruch 17, wobei die Spannvorrichtung auf der Vorderseite (21) wenigstens eine um die zentrale Öffnung herum angeordnete ring- oder bogenförmige Nut (28) aufweist, und wobei die Sacklöcher mit eingepressten Kugeln (29) innerhalb der wenigstens einen Nut (28) angeordnet sind.