DE102020118095A1

DE102020118095A1 - Verfahren zur additiven Herstellung eines Werkstücks mit zumindest einem Kanal

Info

Publication number: DE102020118095A1
Application number: DE102020118095.0A
Authority: DE
Inventors: Carsten Romanowski
Original assignee: Lixil Corp
Current assignee: Lixil Corp
Priority date: 2020-07-09
Filing date: 2020-07-09
Publication date: 2022-01-13

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks (1), umfassend zumindest die folgenden Schritte:a) Bereitstellen eines Materials (2) in Pulverform;b) schichtweises Aufbauen des Werkstücks (1) durch partielles Schmelzen des Materials (2), wobei in dem Werkstück (1) zumindest ein Kanal (3) ausgebildet wird; undc) Spülen des zumindest einen Kanals mit einem ersten Spülmedium, wobei das erste Spülmedium Reinigungspartikel zum Lösen von Resten des Materials (2) enthält und wobei die Reinigungspartikel eine erste mittlere Partikelgröße aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks. Das Werkstück kann beispielsweise eine Sanitärarmatur sein, die insbesondere der bedarfsgerechten Bereitstellung einer Flüssigkeit an einem Waschbecken, einem Spülbecken, einer Dusche oder einer Badewanne dient.
Es sind Verfahren zur Herstellung von Werkstücken mit Kanälen bekannt, bei denen die Herstellung der Werkstücke durch ein additives Fertigungsverfahren erfolgt. Bei dem additiven Fertigungsverfahren wird ein pulverförmiges Material oder ein pulverförmiger Werkstoff beispielsweise mittels eines Lasers selektiv geschmolzen, um das Werkstück schichtweise aufzubauen. Nach der additiven Fertigung der Werkstücke befindet sich nicht aufgeschmolzenes pulverförmiges Material in den Kanälen, das entfernt werden muss. Dies kann mechanisch oder durch Spülen der Kanäle mit Wasser geschehen. Dies reicht jedoch oft nicht aus, um die Kanäle vollständig zu reinigen und/oder der Reinigungsprozess dauert sehr lange.
Hiervon ausgehend ist es eine Aufgabe der Erfindung, die im Zusammenhang mit dem Stand der Technik beschriebenen Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere soll ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks angegeben werden, mittels dem Kanäle des Werkstücks besser und/oder schneller reinigbar sind.
Diese Aufgaben werden durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der hier vorgeschlagenen Lösung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. Es wird darauf hingewiesen, dass die in den abhängigen Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in jeder technologisch sinnvollen Weise 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, umfassend zumindest die folgenden Schritte:

a) Bereitstellen eines Materials in Pulverform;
b) schichtweises Aufbauen des Werkstücks durch partielles Schmelzen des Materials, wobei in dem Werkstück zumindest ein Kanal ausgebildet wird; und
c) Spülen des zumindest einen Kanals mit einem ersten Spülmedium, wobei das erste Spülmedium Reinigungspartikel zum Lösen von Resten des Materials enthält und wobei die Reinigungspartikel eine erste mittlere Partikelgröße aufweisen.

Die Reihenfolge der Schritte a), b) und c) ist beispielhaft und kann daher, insbesondere bei einem regulären Betriebsablauf, zumindest einmal durchlaufen werden. Insbesondere können die Schritte a) und b) zumindest teilweise parallel oder sogar gleichzeitig durchgeführt werden. Das Verfahren kann z. B. für die additive Fertigung eines Bauteils aus Kunststoff oder Metall eingesetzt werden. Das Werkstück kann z. B. eine Sanitärarmatur oder ein Gehäuse für eine Sanitärarmatur sein. Weiterhin kann es sich bei dem Werkstück auch um eine Gießform, beispielsweise für eine Kunststoffspritzgießmaschine, handeln.
In Schritt a) wird das Material in Pulverform bereitgestellt. Das Material kann insbesondere Kunststoffpulver, Kunststoffgranulat, Metallpulver oder Metallgranulat sein. Die Bereitstellung erfolgt insbesondere in einem Arbeitsraum und/oder auf einer Arbeitsfläche eines 3D-Druckers.
In Schritt b) erfolgt ein schichtweises Aufbauen des Werkstücks durch partielles Schmelzen des Materials. Das partielle Schmelzen kann beispielsweise durch selektives Laserschmelzen oder selektives Elektronenstrahlschmelzen erfolgen. Die Verwendung eines Lasers bzw. mindestens eines Laserstrahls erlaubt beim Laserstrahlschmelzen in vorteilhafter Weise, dass das Material in hoher Geschwindigkeit schmelzbar, mit einer hohen Temperatur schmelzbar und/oder sehr präzise schmelzbar ist.
Beim schichtweisen Aufbauen des Werkstücks können insbesondere mehrere Schichten nacheinander, übereinander bzw. Schicht für Schicht gebildet werden. Dabei beschreibt eine Schicht im Wesentlichen einen horizontalen Querschnitt durch das Werkstück. Bei dem partiellen Schmelzen kann ein sich innerhalb einer Schicht befindliches Pulver lokal, an vorbestimmten Punkten, an denen eine Materialverfestigung eintreten soll, solange und/oder so intensiv erwärmt werden, dass sich die Pulverkörner dort (kurzzeitig) verflüssigen und so dauerhaft (bzw. bis zu einem erneuten Erwärmen) miteinander verbinden. Das partielle Schmelzen kann dabei vorteilhafterweise in der Art eines 3D-Drucks (im Pulverbett) bzw. in der Art eines dreidimensionalen, additiven Fertigungsverfahrens (im Pulverbett und/oder mit Laseraufschmelzung) durchgeführt werden.
Es kann in Schritt b) ein Lasersintern und/oder ein Laserschmelzen durchgeführt werden. Besonders bevorzugt wird in Schritt b) ein sogenanntes selektives Lasersintern durchgeführt. Selektives Lasersintern ist ein additives Fertigungsverfahren, um räumliche Strukturen durch Sintern mit einem Laser aus einem pulverförmigen Ausgangsstoff herzustellen.
Bei dem schichtweisen Aufbau des Werkstücks wird in Schritt b) zumindest ein Kanal in dem Werkstück ausgebildet. Der zumindest eine Kanal kann in dem Werkstück beispielsweise zur Führung einer Flüssigkeit dienen. Hierzu kann sich der zumindest eine Kanal insbesondere von zumindest einem Einlass bis zu zumindest einem Auslass erstrecken. Der zumindest eine Kanal ist nach dem schichtweisen Aufbau des Werkstücks mit dem pulverförmigen Material gefüllt. Das pulverförmigen Material kann daher nach dem schichtweisen Aufbau, beispielsweise mechanisch oder durch Ausgeblasen, zumindest teilweise entfernt werden. Hierbei können jedoch Reste des pulverförmigen Materials in dem zumindest einen Kanal verbleiben. Dies kann insbesondere dann der Fall sein, wenn der zumindest eine Kanal einen komplexen Verlauf und/oder einen geringen Durchmesser aufweist.
Daher wird in einem Schritt c) der zumindest eine Kanal mit einem ersten Spülmedium gespült, wobei das erste Spülmedium Reinigungspartikel zum Lösen der Reste des Materials aus dem zumindest einen Kanal enthält. Bei dem ersten Spülmedium handelt es sich beispielsweise um eine Flüssigkeit, insbesondere Wasser. Die Reinigungspartikel wirken insbesondere abrasiv auf die Reste des pulverförmigen Materials in dem zumindest einen Kanal, sodass diese gelöst werden. Die so gelösten Reste des pulverförmigen Materials können mit dem Spülmedium aus dem zumindest einen Kanal entfernt werden. Die Reinigungspartikel können beispielsweise zumindest teilweise aus Metall, Kunststoff oder Keramik bestehen. Weiterhin können die Reinigungspartikel insbesondere nach Art von Mikropartikeln ausgebildet sein. Zudem weisen die Reinigungspartikel eine erste mittlere Partikelgröße auf. Bei der mittleren Partikelgröße (d₅₀) handelt es sich um eine durchschnittliche Größe einer Gesamtheit der Reinigungspartikel des Spülmediums.
Die erste mittlere Partikelgröße kann 20 µm (Mikrometer) bis 70 µm betragen.
In einem Schritt d) kann der zumindest eine Kanal mit einem zweiten Spülmedium gespült werden, wobei das zweite Spülmedium Reinigungspartikel mit einer zweiten mittleren Partikelgröße aufweist. Bei dem zweiten Spülmedium handelt es sich ebenfalls beispielsweise um eine Flüssigkeit, insbesondere Wasser.
Die zweite mittlere Partikelgröße kann größer sein als die erste mittlere Partikelgröße. Der zumindest eine Kanal kann insbesondere zuerst mit dem ersten Spülmedium gespült werden, bis dass ein Durchmesser des zumindest einen Kanals ausreichend groß ist, um diesen mit dem zweiten Spülmedium reinigen zu können. Das Spülen des zumindest einen Kanals mit dem ersten Spülmedium dient somit insbesondere dazu den Durchmesser des zumindest einen Kanals soweit zu vergrößern, bis dass die Reinigungspartikel des zweiten Spülmediums durch den zumindest einen Kanal passen. Durch die größeren Reinigungspartikeln des zweiten Spülmediums kann insbesondere eine größere abrasive Wirkung und dadurch eine höhere Reinigungsleistung erzielt werden.
Die zweite mittlere Partikelgröße kann 40 µm bis 90 µm betragen.
In einem Schritt e) kann der zumindest eine Kanal mit einem dritten Spülmedium gespült werden, wobei das dritte Spülmedium Reinigungspartikel mit einer dritten mittleren Partikelgröße aufweist. Das dritte Spülmedium ist ebenfalls vorzugsweise eine Flüssigkeit, insbesondere Wasser.
Die dritte mittlere Partikelgröße kann kleiner sein als die zweite mittlere Partikelgröße. Beispielsweise kann die dritte mittlere Partikelgröße der ersten mittleren Partikelgröße entsprechen. Somit kann es sich bei dem dritten Spülmedium auch um das erste Spülmedium handeln. Weiterhin kann die dritte mittlere Partikelgröße 20 µm bis 90 µm betragen. Durch das dritte Spülmedium können insbesondere Ecken und Radien des zumindest einen Kanals von Resten des pulverförmigen Materials besonders gründlich gereinigt werden.
Durch das Spülen kann eine Innenwand des zumindest einen Kanals geglättet werden. Die Glättung kann mit dem ersten Spülmedium, zweiten Spülmedium und/oder dritten Spülmedium erfolgen.
Die Spülung kann mindesten 5 Minuten erfolgen. Je länger das Spülen erfolgt, desto mehr kann die Innenwand des zumindest einen Kanals geglättet werden.
In Schritt b) kann der zumindest eine Kanal zumindest teilweise mit einem Durchmesser von unter 1 mm ausgebildet werden. Insbesondere kann der zumindest eine Kanal zumindest teilweise mit einem Durchmesser von 0,1 mm bis 1 mm ausgebildet sein.
Insbesondere wird ein Verfahren zur Herstellung einer Komponente einer Sanitärarmatur, z. B. eines Gehäuses, vorgeschlagen.
Die hier vorgestellte Lösung sowie deren technisches Umfeld werden nachfolgend anhand der Figur näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch das gezeigte Ausführungsbeispiel nicht beschränkt wird. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in oder in Zusammenhang mit den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Es zeigt beispielhaft und schematisch:

1: eine Veranschaulichung eines hier beschriebenen Verfahrens zur Herstellung eines Werkstücks.

1 zeigt beispielhaft und schematisch eine Veranschaulichung eines hier beschriebenen Verfahrens zur Herstellung eines Werkstücks 1., wobei in einem Schritt a) ein Material 2 in Form eines Pulverbettes 7 bereitgestellt wird. Es folgt in einem Schritt b) ein schichtweises Aufbauen bzw. additives Fertigen des Werkstücks 1 durch partielles Schmelzen des Materials 2 mit einem Laser 6. Dabei wird in dem Werkstück 1 ein Kanal 3 ausgebildet, der sich von einem Einlass 8 bis zu einem Auslass 9 erstreckt und einen Durchmesser 5 aufweist. Nach Schritt b) befindet sich in dem Kanal 3 (wie in der 1 dargestellt) pulverförmiges Material 2. Das pulverförmigen Material 2 kann daher nach Schritt b) mechanisch, beispielsweise durch Vibration, aus dem Kanal 3 entfernt werden. Anschließend kann in einem Schritt c) der Kanal 3 mit einem Spülmedium gespült werden. Hierzu kann das Spülmedium beispielsweise über den Einlass 8 des Kanals 3 zugeführt und über den Auslass 9 des Kanals 3 abgeführt werden. Das Spülmedium enthält Reinigungspartikel, durch die Reste des Materials 2 in dem Kanal 3 gelöst und mit dem Spülmedium aus dem Kanal 3 entfernt werden. Die Spülung des Kanals 3 kann dabei mehrstufig erfolgen. Beispielsweise kann in dem Schritt c) zunächst ein erstes Spülmedium mit Reinigungspartikeln mit einer ersten mittleren Partikelgröße, dann in einem Schritt d) ein zweites Spülmedium mit Reinigungspartikel mit einer zweiten mittleren Partikelgröße und anschließend in einem Schritt e) ein drittes Spülmedium mit Reinigungspartikeln mit einer dritten mittleren Partikelgröße verwendet werden. Weiterhin kann durch das Spülmedium eine Glättung einer Innenwand 4 des Kanals 3 erfolgen.
Durch die vorliegende Erfindung sind Kanäle eines Werkstücks besser und/oder schneller reinigbar.
Bezugszeichenliste

1: Werkstück
2: Material
3: Kanal
4: Innenwand
5: Durchmesser
6: Laser
7: Pulverbett
8: Einlass
9: Auslass

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks (1), umfassend zumindest die folgenden Schritte: a) Bereitstellen eines Materials (2) in Pulverform; b) schichtweises Aufbauen des Werkstücks (1) durch partielles Schmelzen des Materials (2), wobei in dem Werkstück (1) zumindest ein Kanal (3) ausgebildet wird; und c) Spülen des zumindest einen Kanals (3) mit einem ersten Spülmedium, wobei das erste Spülmedium Reinigungspartikel zum Lösen von Resten des Materials (2) enthält und wobei die Reinigungspartikel eine erste mittlere Partikelgröße aufweisen.
Verfahren nach Patentanspruch 1, wobei die erste mittlere Teilchengröße 20 µm bis 70 µm beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei in einem Schritt d) der zumindest eine Kanal (3) mit einem zweiten Spülmedium gespült wird und wobei das zweite Spülmedium Reinigungspartikel mit einer zweiten mittleren Partikelgröße aufweist.
Verfahren nach Patentanspruch 3, wobei die zweite mittlere Teilchengröße größer ist als die erste mittlere Teilchengröße.
Verfahren nach Patentanspruch 3 oder 4, wobei die zweite mittlere Teilchengröße 40 µm bis 90 µm beträgt.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 3 bis 5, wobei in einem Schritt e) der zumindest eine Kanal (3) mit einem dritten Spülmedium gespült wird und wobei das dritte Spülmedium Reinigungspartikel mit einer dritten mittleren Partikelgröße aufweist.
Verfahren nach Patentanspruch 6, wobei die dritte mittlere Teilchengröße kleiner ist als die zweite mittlere Teilchengröße.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei durch das Spülen eine Innenwand (4) des zumindest einen Kanals (3) geglättet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei das Spülen mindestens 5 Minuten erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei in Schritt b) der zumindest eine Kanal (3) zumindest teilweise mit einem Durchmesser (5) von unter 1 mm ausgebildet wird.