DE102020106001A1 - Process for additive manufacturing - Google Patents

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Abstract

Um ein additives, materialextrudierendes Fertigungsverfahren zu schaffen, mit dem sich Bauteile mit verbesserter Oberflächenqualität und verbesserten mechanischen Eigenschaften herstellen lassen, wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem zumindest einzelne Schichten des Bauteils als nicht-planare Schichten additiv gefertigt werden. Die nicht planaren Schichten werden dadurch gefertigt, dass während des Ablegens eines plastifizierten Materials in mindestens einer der mehreren Schichten eine Austragseinheit für das plastifizierte Materail relativ zu der Bauplattform mittels eines mehrachsigen Positioniersystems zumindest zeitweilig in einer Ebene in x- und/oder y -Richtung und zur gleichen Zeit in z - Richtung senkrecht zu der Ebene bewegt wird. Die Ebene ist parallel zu der Oberfläche einer Bauplattform, auf der das Bauteil gefertigt wird.In order to create an additive, material-extruding manufacturing method with which components with improved surface quality and improved mechanical properties can be manufactured, a method is proposed in which at least individual layers of the component are additively manufactured as non-planar layers. The non-planar layers are produced in that while a plasticized material is being deposited in at least one of the multiple layers, a discharge unit for the plasticized material relative to the building platform by means of a multi-axis positioning system at least temporarily in a plane in the x and / or y direction and is moved at the same time in the z - direction perpendicular to the plane. The plane is parallel to the surface of a building platform on which the component is manufactured.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Fertigung von Bauteilen mit den Verfahrensschritten:

  • - Plastifizieren von Material,
  • - Austragen des plastifizierten Materials mit einer Austragseinheit und
  • - Ablegen und Verfestigen des plastifizierten Materials in mehreren Schichten auf einer Bauplattform zum Aufbau des Bauteils, wobei zum Ablegen des plastifizierten Materials in jeder der mehreren Schichten die Austragseinheit relativ zu der Bauplattform mittels eines mehrachsigen Positioniersystems in einer Ebene in x- und/oder y - Richtung bewegt wird.
The invention relates to a method for additive manufacturing of components with the method steps:
  • - plasticizing of material,
  • - Discharge of the plasticized material with a discharge unit and
  • - Laying and solidifying of the plasticized material in several layers on a building platform for the construction of the component, whereby to deposit the plasticized material in each of the several layers the discharge unit relative to the building platform by means of a multi-axis positioning system in a plane in x and / or y - Direction is moved.

Additive Fertigung bezeichnet Fertigungsverfahren, bei denen ein Material Schicht für Schicht aufgetragen und dadurch dreidimensionale Bauteile erzeugt werden. Dabei erfolgt der schichtweise Aufbau computergesteuert aus einem oder mehreren flüssigen oder festen Werkstoffen nach vorgegebenen Maßen und Formen, beispielsweise auf der Basis von CAD / CAM Daten. Beim Aufbau der Schichten finden physikalische oder chemische Härtungs- oder Schmelzprozesse statt. Typische Werkstoffe für die additive Fertigung sind Kunststoffe, Kunstharze, Keramiken und Metalle.Additive manufacturing refers to manufacturing processes in which a material is applied layer by layer, thereby creating three-dimensional components. The layer-by-layer structure is computer-controlled from one or more liquid or solid materials according to specified dimensions and shapes, for example on the basis of CAD / CAM data. Physical or chemical hardening or melting processes take place when the layers are built up. Typical materials for additive manufacturing are plastics, synthetic resins, ceramics and metals.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf materialextrudierende additive Fertigungsverfahren.The present invention particularly relates to material extruding additive manufacturing processes.

In den extrudierenden additiven Fertigungsverfahren wird das zu verarbeitende Material durch Plastifizieren formbar gemacht, beispielsweise durch Erwärmen von Kunststoff. Anschließend wird das plastifizierte Material mittels einer Austragseinheit ausgetragen und zunächst auf der Oberfläche einer Bauplattform abgelegt. Nach dem Verfestigen der ersten Schicht werden weitere Schichten sukzessiv auf dem bisher gefertigten Teilkörper abgelegt und gefügt. Hierzu werden die Austragseinheit und die Bauplattform relativ zueinander in einer Ebene in x- und y-Richtung bewegt. Die Ebene ist parallel zu der Oberfläche der Bauplattform. Die Relativbewegung ermöglicht das Austragen und Ablegen des plastifizierten Materials programmgesteuert an der gewünschten Stelle auf der Bauplattform bzw. den darauf folgenden Schichten. Zur Erzeugung der Relativbewegung ist ein mehrachsiges Positioniersystem mit mindestens drei Achsen erforderlich.In the extruding additive manufacturing process, the material to be processed is made malleable by plasticizing, for example by heating plastic. The plasticized material is then discharged by means of a discharge unit and initially deposited on the surface of a building platform. After the first layer has solidified, further layers are successively deposited on the previously manufactured part body and joined. For this purpose, the discharge unit and the building platform are moved relative to one another in one plane in the x and y directions. The plane is parallel to the surface of the build platform. The relative movement enables the plasticized material to be discharged and deposited in a program-controlled manner at the desired location on the building platform or the subsequent layers. A multi-axis positioning system with at least three axes is required to generate the relative movement.

Zum Ablegen des plastifizierten Materials in jeder der mehreren Schichten wird die Austragseinheit ausschließlich in der Ebene in x- und/oder y -Richtung bewegt. Nach Fertigstellung einer Schicht wird zur Herstellung der darauf folgenden Schicht die Austragseinheit relativ zu der Bauplattform mittels des mehrachsigen Positioniersystems in z-Richtung, d.h. in Aufbaurichtung des Bauteils bewegt. Die z-Richtung verläuft senkrecht zu der Ebene.To deposit the plasticized material in each of the multiple layers, the discharge unit is moved exclusively in the plane in the x and / or y direction. After completion of a layer, the discharge unit is moved relative to the construction platform by means of the multi-axis positioning system in the z-direction, i.e. in the construction direction of the component, in order to produce the next layer. The z-direction is perpendicular to the plane.

Nach dem Stand der Technik kann die Schichtdicke der mehreren Schichten von Schicht zu Schicht variieren; die Schichtdicke der einzelnen, planaren Schichten ist jedoch konstant. Jede planare Schicht wird durch im Abstand der Schichtdicke parallele und ebene Oberflächen begrenzt, wobei die Oberflächen zudem parallel zu der die x- und Y-Richtung definierenden Ebene und damit der Oberfläche der Bauplattform sind.According to the prior art, the layer thickness of the multiple layers can vary from layer to layer; however, the layer thickness of the individual, planar layers is constant. Each planar layer is delimited by surfaces that are parallel and flat at a distance of the layer thickness, the surfaces also being parallel to the plane defining the x and Y directions and thus to the surface of the building platform.

Das Bauteil wird nach dem Stand der Technik aus mehreren planaren Schichten additiv gefertigt. Weil mit den planaren Schichten nicht alle 3D-Formen als Bauteil herstellbar sind, spricht man auch von einer zweieinhalbdimensionalen Bauteilherstellung (kurz: 2,5D).According to the state of the art, the component is additively manufactured from several planar layers. Because not all 3D shapes can be produced as a component with the planar layers, one also speaks of a two-and-a-half-dimensional component production (short: 2.5D).

Die additive Fertigung mittels planarer Schichten bringt Nachteile bezüglich der Oberflächenqualität, beispielsweise aufgrund des Treppenstufeneffekts, und der mechanischen Eigenschaften der Bauteile mit sich. Vor allem die mechanischen Eigenschaften in Aufbaurichtung (z-Richtung) werden negativ beeinflusst. Letztendlich entstehen so die ungünstigen anisotropen mechanischen Eigenschaften der Bauteile.Additive manufacturing using planar layers has disadvantages in terms of surface quality, for example due to the stair step effect, and the mechanical properties of the components. Above all, the mechanical properties in the direction of construction (z-direction) are negatively influenced. Ultimately, this creates the unfavorable anisotropic mechanical properties of the components.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein additives Fertigungsverfahren der eingangs erwähnten Art zu schaffen, mit dem sich Bauteile mit verbesserter Oberflächenqualität und verbesserten mechanischen Eigenschaften herstellen lassen.Proceeding from this prior art, the invention is based on the object of creating an additive manufacturing method of the type mentioned at the beginning with which components with improved surface quality and improved mechanical properties can be manufactured.

Die Lösung dieser Aufgabe basiert auf dem Gedanken, dass zumindest einzelne Schichten des Bauteils als nicht-planare Schichten additiv gefertigt werden. Im einzelnen wird die Aufgabe bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass während des Ablegens des plastifizierten Materials in mindestens einer der mehreren Schichten die Austragseinheit relativ zu der Bauplattform mittels des mehrachsigen Positioniersystems zumindest zeitweilig in der Ebene in x- und/oder y -Richtung und zur gleichen Zeit in z - Richtung senkrecht zu der Ebene bewegt wird. Die Ebene ist parallel zu der Oberfläche der Bauplattform.The solution to this problem is based on the idea that at least individual layers of the component are manufactured additively as non-planar layers. In detail, the object is achieved in a method according to the preamble of claim 1 in that while the plasticized material is being deposited in at least one of the multiple layers, the discharge unit is at least temporarily in the plane in x and / relative to the construction platform by means of the multi-axis positioning system. or y direction and at the same time moving in z direction perpendicular to the plane. The plane is parallel to the surface of the build platform.

Um den Treppenstufeneffekt wirksam zu vermindern oder vollständig zu vermeiden wird in einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgeschlagen, dass zunächst ein Grundkörper additiv gefertigt wird, wobei zum Ablegen des plastifizierten Materials in jeder der mehreren Schichten des Grundkörpers die Austragseinheit relativ zu der Bauplattform ausschließlich in der Ebene in x- und/oder y -Richtung bewegt wird und anschließend mindestens eine den Grundkörper zumindest teilweise abdeckende Schicht additiv gefertigt wird, wobei die Austragseinheit dabei zumindest zeitweilig in x- und/oder y -Richtung und zur gleichen Zeit in z-Richtung relativ zu der Bauplattform bewegt wird.In order to effectively reduce or completely avoid the stair-step effect, one embodiment of the method according to the invention proposes that a base body is first manufactured additively, with the discharge unit relative to the discharge unit in each of the multiple layers of the base body in order to deposit the plasticized material Building platform is moved exclusively in the plane in the x and / or y direction and then at least one layer at least partially covering the base body is additively manufactured, the discharge unit at least temporarily in the x and / or y direction and at the same time in z-direction is moved relative to the build platform.

Der Grundkörper wird durch das beschriebene Verfahren konventionell aus planaren Schichten aufgebaut (2,5D), wobei anschließend mindestens eine den Grundkörper zumindest teilweise abdeckende, nicht planare Schicht additiv gefertigt wird. Diese mindestens eine nicht-planare Schicht entspricht einer Soll-Oberfläche des herzustellenden Bauteils, wodurch der Treppenstufeneffekt vermindert oder vermieden und zugleich die Oberflächenqualität des Bauteils verbessert wird.The base body is built up conventionally from planar layers (2.5D) using the method described, with at least one non-planar layer that at least partially covers the base body being additively manufactured. This at least one non-planar layer corresponds to a target surface of the component to be produced, as a result of which the stair-step effect is reduced or avoided and at the same time the surface quality of the component is improved.

Um nicht-planare Schichten mit variierender Schichtdicke innerhalb der Schicht zu fertigen, wird in einer Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, dass während des Ablegens des plastifizierten Materials in mindestens einer der mehreren Schichten die Menge des ausgetragenen und abgelegten Materials geändert wird, während die Austragseinheit relativ zu der Bauplattform bewegt wird. Die Änderung der Menge des ausgetragenen Materials erfolgt programmgesteuert abhängig von der Position der Austragseinheit zu der Bauplattform.In order to produce non-planar layers with varying layer thicknesses within the layer, it is proposed in one embodiment of the invention that during the laying down of the plasticized material in at least one of the multiple layers, the amount of the discharged and deposited material is changed, while the discharge unit is relative to the build platform is moved. The change in the amount of material discharged takes place in a program-controlled manner, depending on the position of the discharge unit in relation to the construction platform.

Mit nicht planaren Schichten mit variierender Schichtdicke lassen sich beispielsweise Bauteile herstellen, welche an unterschiedlichen Stellen des Bauteils unterschiedliche Bauteilhöhen aufweisen, jedoch an den unterschiedlichen Stellen aus der gleichen Anzahl Schichten bestehen.With non-planar layers with varying layer thicknesses, for example, components can be produced which have different component heights at different points on the component, but which consist of the same number of layers at the different points.

Wenn mehrere aneinander grenzende, nicht-planare Schichten mit einer variablen Schichtdicke additiv gefertigt werden, lässt sich die Kontaktfläche zwischen den Schichten vergrößern. Die daraus resultierende höhere Haftung zwischen den einzelnen Schichten wirkt den ungünstigen anisotropen mechanischen Eigenschaften der additiv gefertigten Bauteile entgegen.If several adjoining, non-planar layers with a variable layer thickness are additively manufactured, the contact area between the layers can be increased. The resulting higher adhesion between the individual layers counteracts the unfavorable anisotropic mechanical properties of the additively manufactured components.

Nicht-planare, jedoch einseitig ebene Schichten mit variabler Schichtdicke, erlauben einen Übergang zu planaren Schichten bzw. ebenen Oberflächen. Die ebenen Oberflächen der einseitig ebenen, nicht planaren Schichten grenzen an eine planare Schicht oder eine ebene Oberfläche an. Zwischen zwei nicht-planaren, jedoch einseitig ebenen Schichten können eine oder mehrere nicht-planare Schichten mit variabler Schichtdicke angeordnet sein.Non-planar, but one-sided planar layers with variable layer thickness allow a transition to planar layers or even surfaces. The flat surfaces of the one-sided flat, non-planar layers adjoin a planar layer or a flat surface. One or more non-planar layers with a variable layer thickness can be arranged between two non-planar layers that are flat on one side.

Um dreidimensionale Körper auf bestehende Objekte aufzubringen, ist in einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass auf der Bauplattform das bestehende Objekt, d.h. ein Körper mit einer zu der Ebene nicht parallelen Oberfläche angeordnet wird und während des Ablegens des plastifizierten Materials auf dieser Oberfläche die Austragseinheit zumindest zeitweilig in x- und/oder y - Richtung und zur gleichen Zeit in z - Richtung mittels des mehrachsigen Positioniersystems relativ zu der Bauplattform bewegt wird.In order to apply three-dimensional bodies to existing objects, one embodiment of the invention provides that the existing object, ie a body with a surface that is not parallel to the plane, is arranged on the building platform and at least the discharge unit is placed on this surface while the plasticized material is being deposited is moved temporarily in the x and / or y direction and at the same time in the z direction by means of the multi-axis positioning system relative to the construction platform.

Die Anzahl der Freiheitsgrade des Positioniersystems lässt sich gegenüber einem dreiachsigen Positioniersystem erhöhen, wenn das Positioniersystem einen Gelenkarmroboter umfasst. Mithilfe eines Gelenkarmroboters kann beispielsweise der Anstellwinkel der Austragseinheit oder der Bauplattform während des Prozesses variiert werden, abhängig davon, ob die Relativbewegung zwischen Austragseinheit und Bauplattform durch eine Positionierung der Austragseinheit gegenüber der ortsfesten Bauplattform oder umgekehrt durch eine Positionierung der Bauplattform gegenüber der ortsfesten Austragseinheit erzeugt wird. Eine höhere Anzahl der Freiheitsgrade ermöglicht weitere Freiheiten in der Fertigung von nicht-planaren Schichten.The number of degrees of freedom of the positioning system can be increased compared to a three-axis positioning system if the positioning system comprises an articulated arm robot. With the help of an articulated arm robot, for example, the angle of attack of the discharge unit or the construction platform can be varied during the process, depending on whether the relative movement between discharge unit and construction platform is generated by positioning the discharge unit in relation to the stationary construction platform or, conversely, by positioning the construction platform in relation to the stationary discharge unit . A higher number of degrees of freedom enables further freedom in the production of non-planar layers.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen

  • 1 die Anlagen-Komponenten zum additiven Fertigen von Bauteilen aus plastifiziertem Material,
  • 2 ein Schaubild zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen additiven Fertigungsverfahren mit einer abdeckenden, additiv gefertigten Schicht,
  • 3 ein Schaubild zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen additiven Fertigungsverfahren mit aneinandergrenzenden Schichten mit variabler Schichtdicke,
  • 4 ein erstes Ausführungsbeispiel eines additiv gefertigten Bauteils mit aneinandergrenzenden Schichten mit variabler Schichtdicke,
  • 5 ein zweites Ausführungsbeispiel eines additiv gefertigten Bauteils mit aneinandergrenzenden Schichten mit variabler Schichtdicke,
  • 6 ein Schaubild zur Veranschaulichung der Durchführung des erfindungsgemäßen additiven Fertigungsverfahrens auf einem Körper mit einer nicht ebenen Oberfläche und
  • 7 eine teilweise Darstellung eines mehrachsigen Positioniersystems zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
The invention is explained in more detail below with reference to the figures. Show it
  • 1 the system components for the additive manufacturing of components made of plasticized material,
  • 2 a diagram to illustrate the additive manufacturing method according to the invention with a covering, additively manufactured layer,
  • 3 a diagram to illustrate the additive manufacturing method according to the invention with adjacent layers with variable layer thickness,
  • 4th a first embodiment of an additively manufactured component with adjacent layers with variable layer thickness,
  • 5 a second embodiment of an additively manufactured component with adjacent layers with variable layer thickness,
  • 6th a diagram to illustrate the implementation of the additive manufacturing method according to the invention on a body with a non-planar surface and
  • 7th a partial representation of a multi-axis positioning system for performing the method according to the invention.

1 zeigt die benötigten Anlagenkomponenten zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur additiven Fertigung von Bauteilen. Ein Materialvorrat (1) nimmt das zu plastifizierende Material auf. Über eine Fördereinheit (3) gelangt das plastifizierte Material (2) zu einer Austragseinheit (4) für das plastifizierte Material (2). Unterhalb der Austragseinheit (4) befindet sich eine Bauplattform (5), die mittels eines in dem Ausführungsbeispiel dreiachsigen Positioniersystems (6) in einer Ebene (7) in x- und y-Richtung relativ zu der ortsfesten Austragseinheit (4) sowie in z-Richtung senkrecht zu der Ebene (7) bewegbar ist. Die Bewegungssteuerung des Positioniersystems (6) erfolgt programmgesteuert anhand von CAD-Daten des herzustellenden Bauteils. 1 shows the system components required to carry out the method according to the invention for additive manufacturing of components. A supply of material ( 1 ) takes up the material to be plasticized. Via a conveyor unit ( 3 ) gets that plasticized material ( 2 ) to a discharge unit ( 4th ) for the plasticized material ( 2 ). Below the discharge unit ( 4th ) there is a build platform ( 5 ), which by means of a three-axis positioning system ( 6th ) in one plane ( 7th ) in x and y directions relative to the stationary discharge unit ( 4th ) as well as in the z-direction perpendicular to the plane ( 7th ) is movable. The motion control of the positioning system ( 6th ) is carried out program-controlled using CAD data of the component to be manufactured.

2 zeigt, wie nach CAD-Daten für eine Halbkugel ein entsprechendes Bauteil (8) nach dem Stand der Technik und in einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahren zur additiven Fertigung hergestellt wird. 2 shows how, according to CAD data for a hemisphere, a corresponding component ( 8th ) is manufactured according to the state of the art and in a first embodiment of the inventive method for additive manufacturing.

Nach dem Stand der Technik wird das zu verarbeitende Material, z.B. Kunststoff durch Plastifizieren formbar gemacht. Anschließend wird das plastifizierte Material (2) mittels der Austragseinheit (4) ausgetragen und zunächst auf der Oberfläche einer Bauplattform (5) als kreisförmige erste planare Schicht (9.1) abgelegt. Nach dem Verfestigen der ersten planaren Schicht (9.1) werden weitere, im Durchmesser abnehmende kreisförmige planare Schichten (9) sukzessive abgelegt und gefügt. Hierzu wird die Bauplattform (5) zur Herstellung jeder planaren Schicht (9) relativ zu der ortsfesten Austragseinheit (4) in der Ebene (7) in X- und Y-Richtung bewegt. Die Ebene (7) ist parallel zu der ebenen Oberfläche der Bauplattform (5). Nach Fertigstellung jeder einzelnen kreisförmigen, planaren Schicht (9) wird zur Herstellung der darauffolgenden planaren Schicht (9) die Bauplattform (5) relativ zu der Austragseinheit (4) mittels des mehrachsigen Positioniersystems (6) in z-Richtung, d.h. in Aufbaurichtung (13) des Bauteils (8) bewegt. Die hergestellte Halbkugel zeigt zwischen den planaren Schichten (9) abhängig von deren Schichtdicke einen mehr oder weniger ausgeprägten Treppenstufeneffekt (10).According to the prior art, the material to be processed, for example plastic, is made malleable by plasticizing. Then the plasticized material ( 2 ) by means of the discharge unit ( 4th ) and first on the surface of a building platform ( 5 ) as a circular first planar layer ( 9.1 ) filed. After solidifying the first planar layer ( 9.1 ) are further circular planar layers decreasing in diameter ( 9 ) successively filed and joined. For this purpose, the construction platform ( 5 ) to produce each planar layer ( 9 ) relative to the stationary discharge unit ( 4th ) in the plane ( 7th ) moved in X and Y directions. The level ( 7th ) is parallel to the flat surface of the build platform ( 5 ). After completion of each individual circular, planar layer ( 9 ) is used to produce the subsequent planar layer ( 9 ) the build platform ( 5 ) relative to the discharge unit ( 4th ) using the multi-axis positioning system ( 6th ) in the z-direction, i.e. in the construction direction ( 13th ) of the component ( 8th ) emotional. The hemisphere produced shows between the planar layers ( 9 ) depending on the layer thickness, a more or less pronounced stair step effect ( 10 ).

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren werden zumindest einzelne Schichten (9, 11) des Bauteils (8) als nicht planare Schichten (11) additiv gefertigt. Die nicht planaren Schichten (11) werden dadurch erzeugt, dass während des Ablegens des plastifizierten Materials (2) die Bauplattform (5) zumindest zeitweilig in x-und/oder y-Richtung und zur gleichen Zeit in z-Richtung mittels des mehrachsigen Positioniersystems (6) bewegt wird.According to the method according to the invention, at least individual layers ( 9 , 11 ) of the component ( 8th ) as non-planar layers ( 11 ) additively manufactured. The non-planar layers ( 11 ) are generated by the fact that while the plasticized material is being laid down ( 2 ) the build platform ( 5 ) at least temporarily in the x and / or y direction and at the same time in the z direction by means of the multi-axis positioning system ( 6th ) is moved.

Um den Treppenstufeneffekt (10) wirksam zu vermeiden wird in der Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach 2 zunächst ein Grundkörper (12) aus planaren Schichten (9) konventionell gefertigt, wobei zum Ablegen des plastifizierten Materials (2) in jeder der mehreren planaren Schichten (9) des Grundkörpers (12) die Bauplattform (5) relativ zu der Austragseinheit (4) ausschließlich in der Ebene (7) in x- und/oder y -Richtung bewegt wird.To get the stair step effect ( 10 ) is effectively avoided in the embodiment of the method according to the invention 2 first a basic body ( 12th ) from planar layers ( 9 ) conventionally manufactured, whereby to deposit the plasticized material ( 2 ) in each of the multiple planar layers ( 9 ) of the main body ( 12th ) the build platform ( 5 ) relative to the discharge unit ( 4th ) only in the plane ( 7th ) is moved in the x and / or y direction.

Nach Fertigstellung des Grundkörpers (12) wird eine nicht-planare, den Grundkörper (12) abdeckende Schicht (11.1) additiv gefertigt, wozu die Bauplattform (5) relativ zu der Austragseinheit (4) in x- und y-Richtung und zur gleichen Zeit in z-Richtung bewegt wird. Diese nicht-planare, abdeckende Schicht (11.1) entspricht der Soll-Oberfläche (16) der herzustellenden Halbkugel.After completion of the basic body ( 12th ) becomes a non-planar, the basic body ( 12th ) covering layer ( 11.1 ) additively manufactured, including the construction platform ( 5 ) relative to the discharge unit ( 4th ) is moved in the x and y directions and at the same time in the z direction. This non-planar, covering layer ( 11.1 ) corresponds to the target surface (16) of the hemisphere to be produced.

3 zeigt, wie nach CAD-Daten für eine Halbkugel ein entsprechendes Bauteil (8) nach dem Stand der Technik und in einer zweiten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahren zur additiven Fertigung hergestellt wird. 3 shows how, according to CAD data for a hemisphere, a corresponding component ( 8th ) is manufactured according to the prior art and in a second embodiment of the inventive method for additive manufacturing.

Hinsichtlich der Herstellung einer Halbkugel nach dem Stand der Technik wird auf die Ausführungen zu 2 verwiesen.With regard to the production of a hemisphere according to the prior art, refer to the explanations 2 referenced.

In der zweiten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Halbkugel aus nicht-planaren Schichten (11) mit variierender Schichtdicke (11.2) innerhalb der jeweiligen Schicht (11) aufgebaut. Zur Herstellung der Halbkugel nimmt der Durchmesser der nicht-planaren Schichten (11) mit variierender Schichtdicke (11.2) in Aufbaurichtung (13) des Bauteils (8) ab.In the second embodiment of the method according to the invention, the hemisphere is made up of non-planar layers ( 11 ) with varying layer thickness ( 11.2 ) within the respective shift ( 11 ) built up. To produce the hemisphere, the diameter of the non-planar layers ( 11 ) with varying layer thickness ( 11.2 ) in the direction of construction ( 13th ) of the component ( 8th ) away.

Um nicht-planare Schichten (11) mit variierender Schichtdicke (11.2) innerhalb der Schicht (11) zu fertigen, wird während des Ablegens des plastifizierten Materials (2) die Menge des ausgetragenen und abgelegten Materials (2) geändert, während die Bauplattform (5) relativ zu der Austragseinheit (4) bewegt wird. Die Änderung der Menge des ausgetragenen Materials (2) erfolgt programmgesteuert abhängig von der Position der Bauplattform (5) zu der Austragseinheit (4).Around non-planar layers ( 11 ) with varying layer thickness ( 11.2 ) within the shift ( 11 ) is made while the plasticized material is being laid down ( 2 ) the amount of material discharged and deposited ( 2 ) changed while the build platform ( 5 ) relative to the discharge unit ( 4th ) is moved. The change in the amount of material discharged ( 2 ) is program-controlled depending on the position of the construction platform ( 5 ) to the discharge unit ( 4th ).

Der Treppenstufeneffekt (10) wird dadurch vermindert, dass Oberflächenbereiche (11.3) der nicht-planaren Schichten (11) mit variierender Schichtdicke (11.2) der Solloberfläche (16) der herzustellenden Halbkugel entsprechen.The stair step effect ( 10 ) is reduced by the fact that surface areas ( 11.3 ) of the non-planar layers ( 11 ) with varying layer thickness ( 11.2 ) correspond to the target surface (16) of the hemisphere to be produced.

4 veranschaulicht, dass sich durch additives Fertigen nicht planarer Schichten (11) mit variierender Schichtdicke (11.2) innerhalb der Schicht (11) Bauteile (8) herstellen lassen, welche an unterschiedlichen Stellen des Bauteils (8) unterschiedliche Schichtdicken (11.2) aufweisen, jedoch an sämtlichen Stellen aus der gleichen Anzahl, im Ausführungsbeispiel vier nicht-planaren Schichten (11) bestehen. 4th illustrates that additive manufacturing of non-planar layers ( 11 ) with varying layer thickness ( 11.2 ) within the shift ( 11 ) Components ( 8th ) can be produced, which at different points of the component ( 8th ) different layer thicknesses ( 11.2 ), but at all points from the same number, in the exemplary embodiment four non-planar layers ( 11 ) exist.

5 veranschaulicht, dass durch mehrere aneinander grenzende, nicht-planare Schichten (11) die Kontaktfläche zwischen den Schichten (11) ggü. herkömmlich additiv gefertigten planaren Schichten (9) vergrößert wird. Die daraus resultierende höhere Haftung zwischen den einzelnen nicht-planaren Schichten (11) verbessert die mechanischen Eigenschaften des additiv gefertigten Bauteils (8). 5 illustrates that several contiguous, non-planar layers ( 11 ) the contact area between the layers ( 11 ) vs. conventionally additively manufactured planar layers ( 9 ) is enlarged. The resulting higher adhesion between the individual non-planar layers ( 11 ) improves the mechanical properties of the additively manufactured component ( 8th ).

Nicht-planare, jedoch einseitig ebene Schichten (11.4) mit variabler Schichtdicke (11.2), erlauben den Übergang zwischen ebenen Oberflächen bzw. planaren Schichten (9) und nicht-planaren Schichten (11). In dem Ausführungsbeispiel nach 5 sind zwischen zwei nicht-planaren, jedoch einseitig ebenen Schichten (11.4) fünf nicht-planare Schichten (11) angeordnet. Die ebenen Oberflächen (11.5) der einseitig ebenen, nicht planaren Schichten (11.4) grenzen einerseits an die ebene Oberfläche der Bauplattform (5) bzw. an die nicht dargestellten, oberhalb des Schichtpakets angeordneten weiteren planaren Schichten (9) an.Non-planar, but one-sided planar layers ( 11.4 ) with variable layer thickness ( 11.2 ), allow the transition between flat surfaces or planar layers ( 9 ) and non-planar layers ( 11 ). In the embodiment according to 5 are between two non-planar, but one-sided planar layers ( 11.4 ) five non-planar layers ( 11 ) arranged. The flat surfaces ( 11.5 ) of the unilaterally flat, non-planar layers ( 11.4 ) border on the one hand the flat surface of the building platform ( 5 ) or to the further planar layers (not shown) arranged above the layer package ( 9 ) at.

6 zeigt die Durchführung des erfindungsgemäßen additiven Fertigungsverfahrens auf einem beispielweise im Wege des Spritzgießens hergestellten Körper (14) mit sphärischer Oberfläche. 6th shows the implementation of the additive manufacturing process according to the invention on a body produced, for example, by injection molding ( 14th ) with a spherical surface.

Der Körper (14) wird auf der Bauplattform (5) befestigt. Während des Ablegens des plastifizierten Materials (2) auf dessen Oberfläche (15) wird die Bauplattform (5) zumindest zeitweilig in x- und/oder y-Richtung und zur gleichen Zeit in z-Richtung mittels des mehrachsigen Positioniersystems (6) bewegt. Das programmgesteuerte Positioniersystem (6) verhindert eine Kollision zwischen der Austragseinheit (4) und dem Körper (14), wie sie im Stand der Technik auftreten würde, weil bisher eine additive Fertigung nur in der Ebene (7) möglich ist.The body ( 14th ) is placed on the build platform ( 5 ) attached. While the plasticized material is being deposited ( 2 ) on its surface ( 15th ) the build platform ( 5 ) at least temporarily in the x and / or y direction and at the same time in the z direction by means of the multi-axis positioning system ( 6th ) emotional. The program-controlled positioning system ( 6th ) prevents a collision between the discharge unit ( 4th ) and the body ( 14th ), as it would occur in the state of the art, because so far additive manufacturing has only been in the plane ( 7th ) is possible.

Die Anzahl der Freiheitsgrade des Positioniersystems (6) lässt sich gegenüber einem dreiachsigen Positioniersystem erhöhen, wenn das Positioniersystem (6) einen Gelenkarmroboter umfasst. Mithilfe eines Gelenkarmroboters kann beispielsweise der Anstellwinkel der Austragseinheit (4) während des Prozesses variiert werden, wie dies in 7 schematisch dargestellt ist. Die Einstellung des Anstellwinkels erhöht die Freiheiten in der Fertigung von nicht-planaren Schichten (11).The number of degrees of freedom of the positioning system ( 6th ) can be increased compared to a three-axis positioning system if the positioning system ( 6th ) includes an articulated arm robot. With the help of an articulated arm robot, for example, the angle of incidence of the discharge unit ( 4th ) can be varied during the process, as shown in 7th is shown schematically. The setting of the angle of incidence increases the freedom in the production of non-planar layers ( 11 ).

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
MaterialvorratMaterial supply
22
plastifiziertes Materialplasticized material
33
FördereinheitDelivery unit
44th
AustragseinheitDischarge unit
55
BauplattformBuild platform
66th
PositioniersystemPositioning system
77th
Ebenelevel
88th
BauteilComponent
99
planare Schichtplanar layer
9.19.1
planare erste Schichtplanar first layer
1010
TreppenstufeneffektStair step effect
1111
nicht-planare Schichtnon-planar layer
11.111.1
abdeckende Schichtcovering layer
11.211.2
SchichtdickeLayer thickness
11.311.3
OberflächenbereichSurface area
11.411.4
einseitig ebene Schichtflat layer on one side
11.511.5
ebene Oberflächeflat surface
1212th
GrundkörperBase body
1313th
AufbaurichtungDirection of construction
1414th
Körperbody
1515th
Oberflächesurface

Claims (7)

Verfahren zur additiven Fertigung von Bauteilen (8) mit den Verfahrensschritten: - Plastifizieren von Material, - Austragen des plastifizierten Material (2) mit einer Austragseinheit (4), - Ablegen und Verfestigen des plastifizierten Materials (2) in mehreren Schichten (9,11) auf einer Bauplattform (5) zum Aufbau des Bauteils (8), wobei zum Ablegen des plastifizierten Materials (2) in jeder der mehreren Schichten (9,11) die Austragseinheit (4) relativ zu der Bauplattform (5) mittels eines mehrachsigen Positioniersystems (6) in einer Ebene (7) in x- und/oder y -Richtung bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass - während des Ablegens des plastifizierten Materials in mindestens einer der mehreren Schichten (9,11) die Austragseinheit (4) relativ zu der Bauplattform (5) mittels des mehrachsigen Positioniersystems (6) zumindest zeitweilig in der Ebene (7) in x- und/oder y -Richtung und zur gleichen Zeit in z - Richtung senkrecht zu der Ebene (7) bewegt wird. Process for the additive manufacturing of components (8) with the process steps: - plasticizing material, - discharging the plasticized material (2) with a discharge unit (4), - depositing and solidifying the plasticized material (2) in several layers (9, 11 ) on a building platform (5) for building the component (8), the discharge unit (4) relative to the building platform (5) by means of a multi-axis positioning system for depositing the plasticized material (2) in each of the multiple layers (9, 11) (6) is moved in a plane (7) in the x and / or y direction, characterized in that - while the plasticized material is being deposited in at least one of the multiple layers (9, 11), the discharge unit (4) is relative to the construction platform (5) by means of the multi-axis positioning system (6) at least temporarily in the plane (7) in the x and / or y direction and is moved at the same time in the z - direction perpendicular to the plane (7). Verfahren zur additiven Fertigung von Bauteilen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - zunächst ein Grundkörper (12) additiv gefertigt wird, wobei zum Ablegen des plastifizierten Materials (2) in jeder der mehreren Schichten (9) des Grundkörpers (12) die Austragseinheit (4) relativ zu der Bauplattform (5) ausschließlich in der Ebene (7) in x- und/oder y -Richtung bewegt wird und - anschließend mindestens eine den Grundkörper (12) zumindest teilweise abdeckende Schicht (11.1) additiv gefertigt wird, wobei die Austragseinheit (4) zumindest zeitweilig in x- und/oder y -Richtung und zur gleichen Zeit in z-Richtung relativ zu der Bauplattform (5) bewegt wird.Process for additive manufacturing of components according to Claim 1 , characterized in that - first a base body (12) is manufactured additively, the discharge unit (4) relative to the construction platform (5) for depositing the plasticized material (2) in each of the multiple layers (9) of the base body (12) is moved exclusively in the plane (7) in the x and / or y direction and - then at least one layer (11.1) at least partially covering the base body (12) is additively manufactured, the discharge unit (4) at least temporarily in x and / or y direction and at the same time in the z direction is moved relative to the building platform (5). Verfahren zur additiven Fertigung von Bauteilen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass während des Ablegens des plastifizierten Materials (2) in mindestens einer der mehreren Schichten (9,11) die Menge des ausgetragenen und abgelegten Materials (2) geändert wird, während die Austragseinheit (4) relativ zu der Bauplattform (5) bewegt wird.Process for additive manufacturing of components according to Claim 1 or 2 , characterized in that during the laying down of the plasticized material (2) in at least one of the plurality of layers (9, 11) the amount of the discharged and deposited material (2) is changed, while the discharge unit (4) is relative to the construction platform (5 ) is moved. Verfahren zur additiven Fertigung von Bauteilen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere aneinander grenzende Schichten (11) mit einer variablen Schichtdicke (11.2) additiv gefertigt werden.Process for additive manufacturing of components according to Claim 3 , characterized in that several adjoining layers (11) with a variable layer thickness (11.2) are manufactured additively. Verfahren zur additiven Fertigung von Bauteilen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Bauplattform (5) ein Körper (14) mit einer zu der Ebene (7) nicht parallelen Oberfläche (15) angeordnet wird und während des Ablegens des plastifizierten Materials (2) auf dieser Oberfläche (15) die Austragseinheit (4) zumindest zeitweilig in der Ebene (7) in x- und/oder y -Richtung und zur gleichen Zeit in z - Richtung mittels des mehrachsigen Positioniersystems (6) relativ zu der Bauplattform bewegt wird.Process for additive manufacturing of components according to one of the Claims 1 until 4th , characterized in that a body (14) with a surface (15) which is not parallel to the plane (7) is arranged on the building platform (5) and the discharge unit is placed on this surface (15) while the plasticized material (2) is being deposited (4) is moved at least temporarily in the plane (7) in the x and / or y direction and at the same time in the z direction by means of the multi-axis positioning system (6) relative to the construction platform. Verfahren zur additiven Fertigung von Bauteilen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Positioniersystem (6) einen Gelenkarmroboter umfasst.Process for additive manufacturing of components according to one of the Claims 1 until 5 , characterized in that the positioning system (6) comprises an articulated arm robot. Verfahren zur additiven Fertigung von Bauteilen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Relativbewegung zwischen Austragseinheit (4) und Bauplattform (5) durch eine Positionierung der Austragseinheit (4) gegenüber der ortsfesten Bauplattform (5) oder durch eine Positionierung der Bauplattform (5) gegenüber der ortsfesten Austragseinheit (4) mittels des mehrachsigen Positioniersystems (6) erzeugt wird.Process for additive manufacturing of components according to one of the Claims 1 until 6th , characterized in that the relative movement between the discharge unit (4) and construction platform (5) by positioning the discharge unit (4) opposite the stationary construction platform (5) or by positioning the construction platform (5) opposite the stationary discharge unit (4) by means of the multi-axis positioning system (6) is generated.
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