DE102020118094A1 - Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks (1), umfassend zumindest die folgenden Schritte:a) Bereitstellen eines pulverförmigen Materials (2);b) Schichtweises Aufbauen des Werkstücks (1) durch partielle Bestrahlung des Materials (2) mit einer ersten Bestrahlungsintensität;c) Ausbilden zumindest einer Sollbruchstelle (3) des Werkstücks (1) durch schichtweises Aufbauen des Werkstücks (1) mittels partieller Bestrahlung des Materials (2) mit einer zweiten Bestrahlungsintensität, wobei die zweite Bestrahlungsintensität niedriger ist als die erste Bestrahlungsintensität; undd) Trennen des Werkstücks (1) an der zumindest einen Sollbruchstelle (3).

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks, insbesondere mit einem additiven Fertigungsverfahren. Das Verfahren kann insbesondere zur Herstellung eines Gehäuses einer Sanitärarmatur dienen.
• Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Bauteile wie etwa Metallbauteile mit sogenannten 3D-Druck Technologien additiv zu fertigen. Insbesondere bei komplexen Bauteilgeometrien und/oder besonders dünnen Wandstärken des Bauteils kann es gegebenenfalls wünschenswert sein zeitlich parallel zu dem schichtweisen Aufbauen des Bauteils eine Stützstruktur für das Bauteil mit aufzubauen. Die Stützstruktur kann dazu beitragen das Bauteil während und/oder nach dem schichtweisen Aufbauen abzustützen, wodurch besonders komplexe Bauteilgeometrien und/oder besonders dünne Wandstärken des Bauteils möglich werden können. In diesem Zusammenhang kann es sich jedoch als schwierig herausstellen eine entsprechende Stützstruktur nach Fertigstellung des schichtweisen Aufbauens effizient und sauber von dem Bauteil zu trennen. Zumindest erfordert der zusätzliche Trennvorgang einen nicht unerheblichen Zeit- und Kostenaufwand, insbesondere weil er in der Regel mindestens eine konventionelle mechanische Trennmethode wie etwa Sägen oder Trennschleifen sowie zudem eine manuelle mechanische Nachbearbeitung (Säuberung) der Trennstelle auf der Werkstückoberfläche umfasst. Insbesondere bei Bauteilen aus Edelstahl kann sich der Trennvorgang als schwierig erweisen, weil das Material eine besonders hohe Festigkeit aufweist.
• Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere soll ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks angegeben werden, das eine Nachbearbeitung des Werkstücks erleichtert.
• Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den abhängigen Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller, Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.
• Hierzu trägt ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks bei, das zumindest die folgenden Schritte umfasst:
1. a) Bereitstellen eines pulverförmigen Materials;
2. b) Schichtweises Aufbauen des Werkstücks durch partielle Bestrahlung des Materials mit einer ersten Strahlungsintensität;
3. c) Ausbilden zumindest einer Sollbruchstelle des Werkstücks durch schichtweises Aufbauen des Werkstücks mittels partieller Bestrahlung des Materials mit einer zweiten Bestrahlungsintensität, wobei die zweite Bestrahlungsintensität niedriger ist als die erste Bestrahlungsintensität; und
4. d) Trennen des Werkstücks an der zumindest einen Sollbruchstelle.
• Die angegebene Reihenfolge der Schritte b) und c) ist nur beispielhaft, d. h. die Schritte b) und c) können auch in umgekehrter Reihenfolge oder gleichzeitig durchgeführt werden.
• Das Verfahren kann z. B. zur Herstellung eines Werkstücks für eine Sanitärarmatur eingesetzt werden. Das Verfahren bietet den besonderen Vorteil, dass in additiv gefertigten Werkstücken zumindest eine Sollbruchstelle ausgebildet werden kann, um eine effiziente Nachbearbeitung des Werkstücks zu ermöglichen.
• In Schritt a) wird ein pulverförmiges Material bereitgestellt. Bei dem pulverförmigen Material kann es sich beispielsweise um pulverförmiges Metall, wie zum Beispiel Edelstahl, handeln. Das pulverförmige Material kann somit aus einer Vielzahl von Partikeln bestehen. Die Bereitstellung des pulverförmigen Materials erfolgt insbesondere auf einer Grundplatte, auf der das Werkstück ausgebildet wird.
• In Schritt b) erfolgt ein zumindest teilweise schichtweises Aufbauen des Werkstücks durch partielle Bestrahlung bzw. Belichtung des Materials mit einer ersten Bestrahlungsintensität. Die Bestrahlung kann beispielsweise durch einen Laserstrahl oder Elektronenstrahl erfolgen. Weiterhin führt die Bestrahlung an der bestrahlten Stelle des pulverförmigen Materials zu einem zumindest teilweisen Schmelzen des Materials, sodass sich einzelne Partikel des pulverförmigen Materials miteinander verbinden. Unter schichtweisem Aufbauen des Werkstücks kann beispielsweise verstanden werden, dass mehrere Schichten nacheinander übereinander bzw. Schicht für Schicht gebildet werden. Dabei beschreibt eine Schicht im Wesentlichen einen horizontalen Querschnitt durch das Bauteil. In diesem Zusammenhang kann auch vorgesehen sein, dass das schichtweise Aufbauen in bzw. mit einem Pulverbett aus dem pulverförmigen Material durchgeführt wird. Dies kann auch bedeuten, dass das Bereitstellen des pulverförmigen Materials gemäß Schritt a) gleichzeitig oder zeitlich überlappend mit Schritt b) erfolgt. In Schritt b) kann beispielsweise ein selektives Laserschmelzen (SLM) oder ein selektives Lasersintern (SLS) zur Anwendung kommen. Hierzu kann beispielsweise ein 3D-Drucker verwendet werden. In Schritt b) erfolgt die partielle Bestrahlung des Materials zudem mit einer ersten Bestrahlungsintensität. Die Bestrahlungsintensität ist insbesondere über Betriebsparameter des 3D-Druckers und/oder eines Lasers einstellbar. Je höher die Bestrahlungsintensität ist, desto stärker wird das Material an der bestrahlten Stelle erhitzt und/oder desto stärker werden die einzelnen Partikel des pulverförmigen Materials miteinander verschmolzen. Bei der Bestrahlungsintensität kann es sich beispielsweise um eine Volumenenergie (E_v) handeln, die in die bestrahlte Stelle des Materials eingebracht wird. Die Volumenenergie (E_v) berechnet sich durch folgende Formel: $${\text{E}}_{\text{V}}=\frac{\text{P}}{{\text{D}}_{\text{S}}*\Delta {\text{y}}_{\text{S}}*{\text{v}}_{\text{S}}}\left[{\text{J/mm}}^3\right]\left(\text{Joule pro Kubikmillimeter}\right)$$

  

  mit:
• P: Strahlleistung oder Laserleistung in Watt
• D_S: Dicke der Pulverschicht
• Δy_s: Versatz des Laserstrahls zwischen zwei Schmelzspuren
• v_s: Geschwindigkeit des Laserstrahls oder Elektronenstrahls (Scangeschwindigkeit)

Somit ist die Bestrahlungsintensität beispielsweise durch eine Steuerung der Strahlleistung oder Laserleistung des Lasers steuerbar.
• In Schritt c) wird zumindest eine Sollbruchstelle des Werkstücks durch Aufbauen des Werkstücks mittels partieller Bestrahlung des Materials mit einer zweiten Bestrahlungsintensität ausgebildet. Das schichtweise Aufbauen in Schritt c) kann ebenfalls in bzw. mit einem Pulverbett aus dem pulverförmigen Material durchgeführt wird. Dies kann ebenfalls bedeuten, dass das Bereitstellen des pulverförmigen Materials gemäß Schritt a) gleichzeitig oder zeitlich überlappend mit Schritt c) erfolgt. In Schritt c) kann wie in Schritt b) beispielsweise ein selektives Laserschmelzen (SLM) oder ein selektives Lasersintern (SLS) zur Anwendung kommen. Hierzu kann ebenfalls der 3D-Drucker verwendet werden.
• Die zweite Bestrahlungsintensität ist niedriger als die erste Bestrahlungsintensität. Die zweite Bestrahlungsintensität ist jedoch verschieden von „0“ (oder der Umgebung) und wird auf das Material eingestrahlt (durch eine geeignete Bestrahlungsvorrichtung). Zur Ausbildung der zumindest einen Sollbruchstelle kann daher beispielsweise die Laserleistung des Lasers reduziert werden. Die zumindest eine Sollbruchstelle ist insbesondere ein Bereich oder eine Zone des Werkstücks, in der das Werkstück aufgrund der durch die zweite Bestrahlungsintensität erzeugten Materialeigenschaften geschwächt und daher leichter trennbar ist als außerhalb der zumindest einen Sollbruchstelle. Beispielsweise kann die zweite Bestrahlungsintensität so niedrig gewählt werden, dass die einzelnen Partikel des pulverförmigen Materials in der zumindest einen Sollbruchstelle nicht vollständig miteinander verschmolzen werden. Zudem kann die zweite Bestrahlungsintensität so niedrig gewählt werden, dass die einzelnen Partikel des pulverförmigen Materials in der zumindest einen Sollbruchstelle nur an ihren Außenflächen (begrenzt) miteinander verbunden oder verschmolzen sind. Die zumindest eine Sollbruchstelle kann beispielsweise eine poröse Struktur aufweisen. Mit anderen Worten kann eine Sollbruchstelle ein Bereich des erzeugten Werkstücks sein, der eine deutlich andere strukturelle Integrität, mechanische Eigenschaft usw. aufweist und - zum Beispiel - nicht für die beabsichtigte Verwendung des Werkstücks geeignet ist.
• In Schritt d) wird das Werkstück an zumindest einer Sollbruchstelle getrennt. Das Trennen kann durch ein mechanisches Trennverfahren erfolgen, z. B. durch Sägen oder Abrasivschneiden. Weiterhin kann das Werkstück an der zumindest einen Sollbruchstelle so geschwächt werden, dass das Trennen (nur) durch Brechen des Werkstücks an der zumindest einen Sollbruchstelle erfolgen kann. Die beim Trennen entstandene Trennfläche am Werkstück kann dann z. B. mechanisch weiterbearbeitet werden. Dies kann Glätten und/oder Polieren umfassen.
• Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht ein einfaches und/oder exaktes Trennen der Werkstücke an zumindest einer Sollbruchstelle. Darüber hinaus kann die zumindest eine Sollbruchstelle exakt an einer gewünschten Stelle des Werkstücks ausgebildet werden. Weiterhin kann das Absägen von Stützstrukturen aus dem Werkstück vermieden werden, wodurch die Unfallgefahr reduziert wird. Außerdem müssen die Stützstrukturen des Werkstücks nicht mehr so gestaltet werden, dass sie durch Sägen trennbar sind.
• Während der Schritte b) und c) kann zumindest eine Schicht des Werkstücks an der zumindest einen Sollbruchstelle seltener bestrahlt werden als andere Bereiche des Werkstücks. So kann zumindest eine Schicht mehrfach bestrahlt werden, wobei die zumindest eine Sollbruchstelle des Werkstücks seltener bestrahlt wird als andere Bereiche des Werkstücks. So kann z. B. die zumindest eine Sollbruchstelle einmal bestrahlt werden und die anderen Bereiche des Werkstücks können zumindest zweimal bestrahlt werden. Die zweite Bestrahlungsintensität kann also geringer sein als die erste Bestrahlungsintensität, weil die anderen Bereiche häufiger bestrahlt werden. Eine zweite Bestrahlung der zumindest einen Schicht kann mit einer höheren Energie durchgeführt werden als eine erste Bestrahlung der zumindest einen Schicht. Zum Beispiel kann die Energie bei der zweiten Bestrahlung um 40 % höher sein als bei der ersten Bestrahlung.
• Das Werkstück kann im Bereich der zumindest einen Sollbruchstelle eine geringere Festigkeit aufweisen als außerhalb der Sollbruchstelle. Festigkeit bezieht sich in diesem Zusammenhang insbesondere auf eine Materialeigenschaft des Werkstoffs in der zumindest einen Sollbruchstelle.
• Das Werkstück kann im Bereich der zumindest einen Sollbruchstelle eine geringere Dichte aufweisen als außerhalb der Sollbruchstelle. Die geringere Dichte kann insbesondere dadurch erzeugt werden, dass die einzelnen Partikel des pulverförmigen Materials an der zumindest einen Sollbruchstelle nicht vollständig miteinander verschmelzen.
• Schritt d) kann das Trennen des Werkstücks von einer Grundplatte umfassen. Die Grundplatte kann in der Art einer Arbeitsplatte, z. B. des 3D-Druckers, ausgebildet sein, auf der mehrere Werkstücke nacheinander hergestellt werden können. Insbesondere ist die Grundplatte zumindest teilweise aus Metall gefertigt.
• In Schritt c) kann zumindest eine Sollbruchstelle in einer Stützstruktur des Werkstücks ausgebildet werden. Insbesondere ist die Stützstruktur eine Struktur, die Bereiche des Werkstücks während des schichtweisen Aufbaus des Werkstücks stützt. Dadurch können z. B. Überstände am Werkstück ausgebildet werden. Die Stützstruktur ist also eine Hilfsstruktur, die nach dem schichtweisen Aufbau des Werkstücks vom Werkstück getrennt werden muss.
• In Schritt d) kann eine Stützstruktur des Werkstücks entfernt werden. Dazu wird in Schritt c) die zumindest eine Sollbruchstelle in der Stützstruktur des Werkstücks insbesondere so ausgebildet, dass die Stützstruktur an der zumindest einen Sollbruchstelle (im Wesentlichen) vollständig von dem Werkstück entfernt werden kann.
• Das pulverförmige Material kann Kupfer umfassen. Das pulverförmige Material kann z. B. eine Kupferlegierung oder Messing sein.
• Das Werkstück kann ein Gehäuse für eine Sanitärarmatur sein. Sanitärarmaturen dienen insbesondere der bedarfsgerechten Bereitstellung einer Flüssigkeit an einem Waschbecken, einem Spülbecken, einer Dusche und/oder einer Badewanne. Weiterhin kann in dem Gehäuse ein Aufnahmeraum für Funktionselemente der Sanitärarmatur, wie zum Beispiel Absperrventile, Mischventile und/oder Flüssigkeitsleitungen oder dergleichen, ausgebildet werden.
• Die hier vorgestellte Erfindung sowie deren technisches Umfeld werden nachfolgend anhand der Figur näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch das gezeigte Ausführungsbeispiel nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es auch möglich Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen der Beschreibung zu kombinieren. Es zeigt beispielhaft und schematisch:
• 1: ein nach einem zuvor beschriebenen Verfahren hergestelltes Werkstück in einer Seitenansicht.
• Die 1 zeigt ein Werkstück 1 mit einer Stützstruktur 5, wobei das Werkstück 1 mit einem hier beschriebenen Verfahren hergestellt wurde. Hierzu wurde ein zunächst pulverförmiges Material 2 auf einer Grundplatte 4 bereitgestellt. Anschließend wurde das Werkstück 1 mit der Stützstruktur 5 durch partielle Bestrahlung des Materials 2 mittels eines Lasers 6 schichtweise aufgebaut. Dabei wurde die Stützstruktur 5 mit einer Sollbruchstelle 3 an das Werkstück 1 angebunden. Zudem wurde an einer Kontaktfläche 7 zwischen dem Werkstück 1 und der Grundplatte 4 eine weitere Sollbruchstelle 3 ausgebildet. Der schichtweise Aufbau des Werkstücks 1 erfolgte durch partielle Bestrahlung des Materials 2 mit einer ersten Bestrahlungsintensität, wobei zur Ausbildung der Sollbruchstellen 3 die erste Bestrahlungsintensität auf eine zweite Bestrahlungsintensität reduziert wurde. Hierdurch weist das Werkstück 1 im Bereich der Sollbruchstellen 3 eine niedrigere Festigkeit auf als außerhalb der Sollbruchstellen 3, so dass durch Trennen des Werkstücks 1 an den Sollbruchstellen 3 das Werkstück 1 leicht von der Grundplatte 4 gelöst und die Stützstruktur 5 leicht vom Werkstück 1 entfernt werden kann.
• Durch das vorgeschlagene Verfahren kann insbesondere eine Nachbearbeitung des Werkstücks erleichtert werden.
• Bezugszeichenliste

1

Werkstück

2

pulverförmiges Material

3

Sollbruchstelle

4

Grundplatte

5

Stützstruktur

6

Laser

7

Kontaktfläche

Claims (9)

1. Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks (1), umfassend zumindest die folgenden Schritte: a) Bereitstellen eines pulverförmigen Materials (2); b) Schichtweises Aufbauen des Werkstücks (1) durch partielle Bestrahlung des Materials (2) mit einer ersten Bestrahlungsintensität; c) Ausbilden zumindest einer Sollbruchstelle (3) des Werkstücks (1) durch schichtweises Aufbauen des Werkstücks (1) mittels partieller Bestrahlung des Materials (2) mit einer zweiten Bestrahlungsintensität, wobei die zweite Bestrahlungsintensität niedriger ist als die erste Bestrahlungsintensität; und d) Trennen des Werkstücks (1) an der zumindest einen Sollbruchstelle (3).
2. Verfahren nach Patentanspruch 1, wobei während der Schritte b) und c) zumindest eine Schicht des Werkstücks (1) an der zumindest einen Sollbruchstelle (3) weniger häufig bestrahlt wird als andere Bereiche des Werkstücks (1).
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei das Werkstück (1) im Bereich der zumindest einen Sollbruchstelle (3) eine geringere Festigkeit aufweist als außerhalb der zumindest einen Sollbruchstelle (3).
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei das Werkstück (1) im Bereich der zumindest einen Sollbruchstelle (3) eine geringere Dichte aufweist als außerhalb der zumindest einen Sollbruchstelle (3).
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei Schritt d) ein Trennen des Werkstücks (1) von einer Grundplatte (4) umfasst.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei in Schritt c) die zumindest eine Sollbruchstelle (3) in einer Stützstruktur (5) des Werkstücks (1) ausgebildet wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei in Schritt d) eine Stützstruktur (5) des Werkstücks (1) entfernt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei das pulverförmige Material (2) Kupfer umfasst.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei es sich bei dem Werkstück (1) um ein Gehäuse für eine Sanitärarmatur handelt.

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