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Technisches Anwendungsgebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stützung von Bauteilbereichen bei der additiven Fertigung, insbesondere bei pulverbettbasierten Fertigungsverfahren, bei dem die Bauteile schichtweise zusammen mit Stützstrukturen in einer Aufbaurichtung aufgebaut werden, die nach Fertigstellung der Bauteile durch einen nass-chemischen Prozess wieder entfernbar sind.
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Bei additiven Fertigungstechniken, bei denen die Bauteile Schicht für Schicht auf einer Bauplattform aufgebaut werden, sind Überhangbereiche nur durch gleichzeitigen Aufbau von Stützstrukturen unter diesen Bauteilbereichen möglich, die nach Fertigstellung der Bauteile wieder entfernt werden müssen. Bei pulverbettbasierten Fertigungsverfahren wie bspw. dem LPBF (Laser Powder Bed Fusion) stellt das nass-chemische Abtragen der Stützstrukturen einen vielversprechenden Ansatz dar. Die Stützstrukturen werden dabei nach Fertigstellung der Bauteile chemisch an- oder aufgelöst und dadurch vom Bauteil getrennt. Damit können auch innenliegende Stützstrukturen, bspw. in Kühlkanälen, entfernt werden.
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Ein wesentliches Hindernis für den breiten Einsatz nass-chemischer Nachbearbeitungsverfahren ist bisher jedoch die fehlende Adaption der Form und Positionierung der Stützstrukturen an den Nachbearbeitungsprozess. Die Stützstrukturen sind dabei in der Regel nur auf den LPBF Fertigungsprozess adaptiert, um einen sicheren Aufbau der Bauteile zu gewährleisten.
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Stand der Technik
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Die Stützstrukturen bestehen in der Regel aus einzelnen zylindrischen oder konischen Streben, sog. Volumenstützen, und/oder (un-)perforierten Wänden, sog. Vektorstützen, und sind in regelmäßigen Mustern bzw. Gitterstrukturen aufgebaut. Beispiele für bekannte Stützstrukturen finden sich in https://www.materialise.com/en/software/magics/modules/ metal-support-generation-module. Für den LPBF-Prozess gewährleisten diese Stützstrukturen eine fehlerfreie Fertigung, da die Volumenstützen hauptsächlich Verzüge vermindern und die Prozesswärme abführen. Vektorstützen gewährleisten die Überbaubarkeit von stark überhängenden Bauteiloberflächen. Die meist voluminösen Volumenstützen lassen sich aufgrund ihrer kleinen Oberfläche im Verhältnis zum Volumen nur verzögert chemisch auflösen. Vektorstützen sind dagegen schneller chemisch auflösbar. Der Nachteil der zumeist in Form einer Gitterstruktur aufgebauten Vektorstützen ist jedoch die erschwerte Pulverentfernbarkeit bei pulverbettbasierten Fertigungsverfahren. Je nach Werkstoff sind die Einheitszellen der Gitterstruktur zu klein, um aus innenliegenden Bereichen das Restpulver zu entfernen. Dies führt einerseits zu einem erhöhten Pulververbrauch bei der Fertigung und verhindert andererseits bei der nass-chemischen Nachbearbeitung eine vollständige Entfernung der Stützstrukturen, da das Ätzmittel aufgrund des Restpulvers nicht bis zu den Stützstrukturen vordringen kann.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Stützung von Bauteilbereichen bei der additiven Fertigung anzugeben, das demgegenüber eine verbesserte Entfernung der Stützstrukturen mittels nass-chemischer Nachbearbeitung auch bei pulverbettbasierten Fertigungsverfahren wie dem LBPF ermöglicht.
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Darstellung der Erfindung
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Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren werden die Bauteile in bekannter Weise schichtweise zusammen mit Stützstrukturen in einer Aufbaurichtung (z-Richtung im kartesischen Koordinatensystem) aufgebaut, wobei die Stützstrukturen nach Fertigstellung der Bauteile durch einen nass-chemischen Prozess wieder entfernbar sind. Die Stützstrukturen werden dabei so erzeugt, dass sie mehrere voneinander beabstandete Einzelstützen mit einem sternförmigen Stützenquerschnitt aufweisen, die aus jeweils wenigstens drei auf einer zentralen Achse unter einem Winkel zueinander zusammentreffenden und parallel zur Aufbaurichtung orientierten Wandelementen gebildet sind. Diese Wandelemente der Einzelstützen werden in der vorliegenden Patentanmeldung zur Unterscheidung von Wandelementen eines in einer Ausgestaltung vorgesehenen Übergangsbereiches als erste Wandelemente bezeichnet. Unter der Sternform wird daher in der vorliegenden Patentanmeldung nicht ein Polygon, sondern eine Form verstanden, bei dem sich ausgehend von einem zentralen Punkt oder Kreis wenigstens drei Linien oder Streifen zunächst in radialer Richtung erstrecken. Diese Linien oder Streifen können im weiteren Verlauf auch von der radialen Richtung abweichen, bspw. abknicken. Die Einzelstützen werden dabei vorzugsweise so angeordnet, dass sie in der Ebene senkrecht zur Aufbaurichtung ein regelmäßiges Muster bilden.
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Durch diese aus mehreren Wandelementen zusammengesetzte Form der Einzelstützen, wird eine verbesserte nass-chemische Auflösbarkeit beim Nachbearbeitungsprozess erreicht. Da die Einzelstützen außerdem keine Gitterstruktur bilden, lässt sich bei pulverbettbasierten Fertigungs- bzw. Aufbauverfahren das Restpulver vor der Nachbearbeitung besser entfernen. Damit werden die Nachbearbeitungszeit und der Materialverbrauch durch die offene im Querschnitt sternförmige Struktur und die damit einhergehende vereinfachte Pulverentfernbarkeit drastisch gesenkt. Dies führt auch zu einer deutlichen Kostenersparnis bei der Fertigung der Bauteile.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens werden die Stützstrukturen so aufgebaut, dass sie einen unteren Hauptbereich mit den Einzelstützen und einen darüber liegenden Übergangsbereich zu den zu stützenden Bauteilbereichen aufweisen. Der Übergangsbereich wird dabei durch eine Wandstruktur aus mehreren (zweiten) Wandelementen gebildet, die parallel zur Aufbaurichtung orientiert sind. Der Übergangsbereich wird an die zu stützenden Bauteilbereiche angepasst und dient der maßhaltigen Abbildung der Bauteilkontur. Der Hauptbereich dient wiederum der Stützung des Übergangsbereiches gegenüber der Bauteilplattform oder einem darunter liegenden Bauteilbereich. Die Dicke (in z-Richtung) des Übergangsbereiches ist in x-, y- und z-Richtung variabel und wird so dimensioniert, dass einerseits Prozessfehler, wie bspw. Ansinterungen oder Verformungen, die beim Fertigungsprozess im Hauptbereich ggf. entstanden sind, nicht auf die Bauteilkontur übertragen werden und andererseits das Pulver vollständig aus der Wandstruktur des Übergangsbereiches entfernt werden kann. Die Einzelstützen können dann mit entsprechend größerem Abstand angeordnet werden. Sie können damit weiter auseinander stehen als bei einer Ausgestaltung ohne diesen Übergangsbereich. Dadurch wird auch die Pulverentfernbarkeit zwischen den Einzelstützen nochmals verbessert.
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Vorzugsweise bilden die (zweiten) Wandelemente der Wandstruktur des Übergangsbereiches in einer Ebene senkrecht zur Aufbaurichtung ein regelmäßiges Gittermuster. Besonders bevorzugt wird hierbei ein Dreieck-, ein Viereck- oder ein Sechseckmuster erzeugt. Jeder Knotenpunkt des Gittermusters ist dabei vorzugsweise entweder direkt oder über eine zusätzliche Dreiecksstütze mit einer Einzelstütze des Hauptbereiches verbunden und wird durch diese gestützt. Unter einer Dreieckstütze wird hierbei ein wandartiges Element in Dreiecksform verstanden. Die Sternform der Einzelstützen wird dabei vorzugsweise an die Form des Gittermusters des Übergangsbereiches angepasst, so dass die Einzelstützen bei einem Dreieckmuster der Wandstruktur aus sechs (ersten) Wandelementen, bei einem Viereckmuster aus vier (ersten) Wandelementen und bei einem Sechseckmuster aus drei (ersten) Wandelementen zusammengesetzt sind. Die Einzelstützen sind dann so angeordnet und orientiert, dass ihre Wandelemente (bei Blickrichtung in oder entgegen der Aufbaurichtung) jeweils deckungsgleich unter den (zweiten) Wandelementen der Wandstruktur liegen. In gleicher Weise werden auch die Dreieckstützen so angeordnet, dass sie deckungsgleich unter den (zweiten) Wandelementen der Wandstruktur liegen. Auf diese Weise wird eine optimale Stützung durch die Einzelstützen erreicht.
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Bei der Dimensionierung der Stützstrukturen für die jeweiligen Bauteile wird zunächst die maximal mögliche Länge einer Einheitszelle der einzusetzenden Wandstruktur des Übergangsbereiches ermittelt, die zur Erreichung der jeweiligen Stützanforderungen ungestützt sein darf. Auf Basis dieser Ermittlung, die bspw. durch vorherige Simulation oder durch Experimente erfolgen kann, wird dann die Dimensionierung des Übergangsbereiches vorgenommen. Die Gitterstruktur wird dabei so gewählt, dass die Länge der Einheitszelle kleiner oder gleich, vorzugsweise gleich, der vorab ermittelten maximal möglichen Länge ist. Anschließend wird der Abstand der Einzelstützen so gewählt, dass jeder Gitterknotenpunkt der Wand- bzw. Gitterstruktur des Übergangsbereiches direkt oder über eine zusätzliche Dreiecksstütze durch eine Einzelstütze gestützt wird. Das gewährleistet, dass das Bauteil hinreichend für einen sicheren Fertigungsprozess gestützt ist.
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Durch die vorgeschlagene Anordnung und Geometrie der Stützstrukturen lässt sich das Restpulver schneller sowie mit erheblich geringerem Aufwand vollständig entfernen. Andererseits bewirken die großflächigen Wandstrukturen eine signifikant schnellere nass-chemische Auflösung, wodurch eine signifikante Einsparung bei der Bauteilfertigung erreicht werden kann. Da die neuen Stützstrukturen im Verhältnis zu den bisher bekannten Stützstrukturen des Standes der Technik mit weniger Vektoren pro Schicht belichtet werden und somit weniger Delayzeiten (Zeitverzögerung durch das An- und Abschalten des Lasers bzw. Schleppverzug des Scannerspiegels) entstehen, kann die Fertigungszeit zusätzlich deutlich reduziert werden. Das Verfahren lässt sich nicht nur für pulverbasierte Fertigungsverfahren, wie z.B. LPBF, EBM, Binder jetting, Selektives Lasersintern, sondern auch für andere additive Fertigungsverfahren einsetzen, bei denen die Bauteile Schicht für Schicht über einer Bauplattform aufgebaut werden und Stützstrukturen für den Aufbau benötigen.
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Figurenliste
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Das vorgeschlagene Verfahren wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
- 1 drei Beispiele für Stützenquerschnitte der Einzelstützen beim vorgeschlagenen Verfahren;
- 2 eine schematische Darstellung der verschiedenen Bereiche der Stützstruktur in einer vorteilhaften Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens;
- 3 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Designs der Stützstrukturen bei der Ausgestaltung der 2 in Draufsicht; und
- 4 eine schematische Darstellung eines weiteren beispielhaften Designs der Stützstrukturen bei der Ausgestaltung der 2 in Draufsicht.
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Wege zur Ausführung der Erfindung
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Mit dem vorgeschlagenen Verfahren wird eine Verstützung von additiv gefertigten Bauteilen vorgeschlagen, die eine schnelle und vollständige nass-chemische Entfernung der Stützstrukturen nach Fertigstellung der Bauteile und bei pulverbettbasierten additiven Verfahren auch eine leichtere Entfernung des Restpulvers ermöglicht. In der einfachsten Ausgestaltung werden bei dem Verfahren Stützstrukturen erzeugt, die lediglich aus nebeneinander angeordneten Einzelstützen bestehen. Die Einzelstützen sind beim vorgeschlagenen Verfahren aus Wandelementen gebildet, die parallel zur Aufbaurichtung orientiert sind und auf einer zentralen Achse unter einem Winkel zueinander zusammentreffen. Dieser Winkel zwischen den einzelnen Wandelementen ist vorzugsweise jeweils identisch. Dadurch ergibt sich ein Stützenquerschnitt in der Ebene senkrecht zur Aufbaurichtung, wie er beispielhaft in 1 für drei unterschiedliche Formen der Einzelstützen dargestellt ist. Im linken Teil der Figur ist der Stützenquerschnitt für eine Einzelstütze aus drei Wandelementen 1, im mittleren Teil der Figur für eine Einzelstütze aus vier Wandelementen 1 und im rechten Teil der Figur aus sechs Wandelementen 1 dargestellt. Diese Wandelemente 1 erstrecken sich dann jeweils in der einfachsten Ausgestaltung von der Bauplattform bzw. dem unterliegenden Bauteilbereich bis zum Bauteilbereich, der gestützt werden soll. Diese Form der Einzelstützen ermöglicht einerseits eine schnelle und vollständige Auflösung bei der späteren nass-chemischen Nachbereitung und andererseits - bei pulverbettbasierten Fertigungsverfahren - auch eine leichtere Entfernbarkeit des Restpulvers zwischen den Stützen.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung werden die bei dem Verfahren erzeugten Stützstrukturen aus zwei unterschiedlich aufgebauten Bereichen zusammengesetzt, wie dies schematisch in der 2 zu erkennen ist. Diese Figur zeigt die Stützstruktur 4 unter dem zu stützenden Bauteilbereich 5 über der Bauplattform 6. Die Aufbaurichtung entspricht der Richtung der z-Achse. Die Stützstruktur 4 setzt sich aus einem Hauptbereich 7 und einem Übergangsbereich 8 zusammen, die jeweils unterschiedliche Funktionen übernehmen. Der Übergangsbereich 8 dient zur Überbaubarkeit sowie maßhaltigen Abbildung der Bauteilkontur und besteht aus regelmäßig aufgebauten Wänden, die bezogen auf die x-y-Projektion vorzugsweise ein Dreieck-, Viereck- oder Sechseck-Muster ergeben. Die Dicke (in z-Richtung) des Übergangsbereiches 8 ist variabel, kann an einer oder mehreren Stellen auch Null werden, und wird so dimensioniert, dass einerseits Prozessfehler, die im Hauptbereich 7 ggf. beim Aufbau entstanden sind, nicht auf die Bauteilkontur übertragen und andererseits das Pulver vollständig entfernt werden kann. Der Hauptbereich 7 wird durch die Einzelstützen, also die jeweils sternförmig angeordneten Wandelemente 1, gebildet.
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Besonders vorteilhaft sind Ausgestaltungen, bei denen die Wandelemente 1 der Einzelstützen des Hauptbereiches 7 deckungsgleich zu den Wänden bzw. Wandelementen des Übergangsbereiches 8 sind. Ein Beispiel hierfür ist in 3 dargestellt, bei dem die Wandelemente 2 des Übergangsbereiches 8 in der Ebene senkrecht zur Aufbaurichtung, also der x-y-Ebene, eine dreieckförmige Gitterstruktur bilden, wie dies in der linken Teilabbildung der 3 in Draufsicht dargestellt ist. In diesem Fall werden Einzelstützen so aufgebaut, dass sie aus jeweils sechs sternförmig angeordneten Wandelementen 1 gebildet sind, die in Draufsicht (entgegen der Aufbaurichtung) dann deckungsgleich unter den Wandelementen 2 des Übergangsbereiches 8 liegen. Dies ist in der unteren Teilabbildung der 3 erkennbar. Im rechten Teil ist dabei noch ein vergrößerter Ausschnitt in perspektivischer Darstellung sowie der Querschnitt einer Einzelstütze (durchgezogene Linien) mit daran befestigten Dreieckstützen 3 (gepunktete Linien) zu erkennen. Im Anbindungsbereich des Hauptbereiches 7 zum Übergangsbereich 8 sind die Einzelstützen entweder direkt oder über eine Dreieckstütze 3 an diesen angebunden. Die Einzelstützen sind in x-y-Richtung so verteilt, dass jeder Gitterknotenpunkt des Dreiecksgitters des Übergangsbereiches 8 mit einer Einzelstütze direkt oder über eine Dreieckstütze 3 verbunden ist. Dies bewirkt einerseits, dass die Einzelstützen verhältnismäßig weit auseinander stehen können, wodurch die Pulverentfernbarkeit nachweislich verbessert werden kann. Andererseits wird gewährleistet, dass das Bauteil hinreichend für einen sicheren Bauprozess gestützt ist, da nach diesem Muster maximal die Länge einer Einheitszelle (Länge zwischen zwei Gitterknotenpunkten) ungestützt ist.
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4 zeigt ein weiteres Beispiel für einen derartigen Aufbau der Stützstruktur. Im Beispiel der 4 ist die Gitterstruktur im Übergangsbereich 8 aus einem Sechseck-Muster gebildet, wie dies analog zur 3 in der linken Teilabbildung der 4 in Draufsicht dargestellt ist. Auch hier werden die Einzelstützen im Hauptbereich 7 so gewählt und angeordnet, dass deren Wandelemente 1 deckungsgleich zu den Wandelementen 2 des Übergangsbereiches 8 liegen. Einzelstützen sind hierbei aus drei Wandelementen 1 zusammengesetzt, die in diesem Fall in radialer Richtung nochmals abknicken, wie dies aus der unteren Teilabbildung der 4 ersichtlich ist. Auch hier sind alle Gitterknotenpunkte entweder direkt oder über Dreieckstützen 3 mit den Einzelstützen verbunden. Im rechten Teil ist dabei wiederum ein vergrößerter Ausschnitt in perspektivischer Darstellung sowie der Querschnitt einer Einzelstütze (durchgezogene Linien) mit daran befestigten Dreieckstützen 3 (gepunktete Linien) zu erkennen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wandelemente der Einzelstützen
- 2
- Wandelemente des Übergangsbereiches
- 3
- Dreieckstützen
- 4
- Stützstruktur
- 5
- Bauteilbereich
- 6
- Bauplattform
- 7
- Hauptbereich
- 8
- Übergangsbereich
