-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur additiven Fertigung eines Werkstücks. Die Vorrichtung und das Verfahren können insbesondere zur additiven Fertigung von Sanitärartikeln dienen.
-
Mittels additiver Fertigung können geometrisch besonders komplexe und aufwendige Werkstücke beispielsweise mithilfe von 3D-Druckern hergestellt werden. Da die additive Fertigung jedoch zeitaufwendig und mit hohen Kosten verbunden sein kann, ist es bekannt, zur Fertigung solcher Werkstücke Preforms zu verwenden. Bei derartigen Preforms kann es sich um endkonturnahe Rohlinge oder einen Abschnitt des herzustellenden Werkstücks handeln, der vorteilhaft mit konventionellen Fertigungsverfahren herstellbar ist. Die geometrisch komplexeren Bereiche des Werkstücks werden anschließend mittels additiver Fertigung an dem Preform ausgebildet. Zu diesem Zweck müssen die Preforms an einer Arbeitsplatte des 3D-Druckers befestigt werden, wozu unter anderem Schrauben verwendet werden. Das Befestigen der Preforms an der Arbeitsplatte und das Lösen des fertigen Werkstücks von der Arbeitsplatte ist jedoch sehr zeitaufwendig und kann nicht automatisch erfolgen.
-
Aufgabe der Erfindung ist es daher, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise zu lösen und insbesondere eine Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Werkstücks anzugeben, an deren Arbeitsplatte Preforms mit geringem Zeitaufwand und automatisch befestigbar sind. Zudem soll ein Verfahren zur additiven Fertigung eines Werkstücks angegeben werden, mit dem Preforms mit geringem Zeitaufwand und automatisch an einer Arbeitsplatte befestigbar sind.
-
Diese Aufgaben werden gelöst mit einer Vorrichtung und einem Verfahren gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung 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 eine Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Werkstücks bei, die zumindest Folgendes aufweist:
- - eine Arbeitsplatte, auf der zumindest ein Preform anordenbar ist; und
- - ein Befestigungselement, wobei das zumindest eine Preform durch eine thermische Expansion des Befestigungselements an der Arbeitsplatte befestigbar ist.
-
Bei der Vorrichtung kann es sich insbesondere um einen 3D-Drucker handeln. Mittels der Vorrichtung ist ein additives Fertigungsverfahren ausführbar, durch das ein dreidimensionales Werkstück zumindest teilweise schichtweise durch ein Material gebildet wird. Die additive Fertigung mittels der Vorrichtung erfolgt insbesondere computergesteuert. Bei dem Material kann es sich beispielsweise um Kunststoff oder Metall handeln. Weiterhin kann es sich um pulverförmiges Material handeln, das insbesondere aus einer Vielzahl von Partikeln besteht. Bei der additiven Fertigung erfolgt das schichtweise Aufbauen des Werkstücks insbesondere durch eine partielle und/oder gezielte Bestrahlung bzw. Belichtung des Materials. Die Bestrahlung kann beispielsweise durch einen Laserstrahl oder Elektronenstrahl erfolgen. Hierzu kann die Vorrichtung einen Laser oder eine Elektronenstrahlquelle aufweisen. 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 Werkstück. In diesem Zusammenhang kann auch vorgesehen sein, dass das schichtweise Aufbauen in bzw. mit einem Pulverbett aus dem pulverförmigen Material durchgeführt wird. Als additives Fertigungsverfahren kann beispielsweise selektives Laserschmelzen (SLM), selektives Lasersintern (SLS) oder Elektronenstrahlschmelzen (EBM/EBAM) zur Anwendung kommen.
-
Die Vorrichtung weist eine Arbeitsplatte auf, auf der zumindest ein Preform anordenbar ist. Die Arbeitsplatte kann beispielsweise eine Länge von 200 mm (Millimeter) bis 2.000 mm (Millimeter), eine Breite von 100 mm bis 1.000 mm und/oder eine Dicke von 5 mm bis 100 mm aufweisen. Die Arbeitsplatte besteht insbesondere zumindest teilweise aus Metall bzw. Stahl. Der Stahl kann beispielsweise folgende Legierungsbestandteile aufweisen (in Massenprozent):
Kohlenstoff (C): | 0,42 - 0,50 %; |
Silizium (Si): | 0 - 0,40 %; |
Mangan (Mn): | 0,50 - 0,80 %; |
Phosphor (P): | 0 - 0,045 %; |
Schwefel (S): | 0 - 0,045 %; |
Chrom (Cr): | 0 - 0,40 %; |
Nickel (Ni): | 0- 0,40 % und/oder |
Molybdän (Mo): | 0-0,10%. |
-
Ein derartiges Material wird in der deutschen DIN 17200 als C45, in der europäischen DIN EN 10083-2 als 1.0503 und der amerikanischen AISI als 1045 bezeichnet.
-
Das zumindest eine Preform ist insbesondere auf einer oberen Oberfläche der Arbeitsplatte anordenbar. Bei dem zumindest einen Preform kann es sich beispielsweise um einen (vorgefertigten und/oder endkonturnahen) Rohling oder einen Abschnitt des herzustellenden Werkstücks handeln. Zum Beispiel kann das zumindest eine Preform nach Art einer Rosette, eines Halters, einer Scheibe oder eines Anschlusses ausgebildet sein. Weiterhin kann das zumindest eine Preform insbesondere zumindest teilweise aus Metall bestehen. Bei dem Metall kann sich beispielsweise Messing oder Stahl (zum Beispiel 1.4404 der europäischen DIN EN 10083-2 (X2CrNiMo17-12-2) oder AISI 316L) handeln.
-
Weiterhin weist die Vorrichtung ein Befestigungselement für das zumindest eine Preform auf. Das Befestigungselement kann zumindest teilweise aus Kunststoff und/oder Metall, wie zum Beispiel Zink, eine Zinklegierung oder Messing, bestehen. Zudem kann das Befestigungselement zumindest teilweise quaderförmig und/oder in Form eines Bolzens oder Riegels ausgebildet sein. Weiterhin kann das Befestigungselement einen rechteckigen, T-förmigen oder doppel-T-förmigen Querschnitt aufweisen. Beispielsweise kann das Befestigungselement eine Länge von 10 mm bis 200 mm, eine Breite von 5 mm bis 200 mm und/oder eine Höhe von 1 mm bis 20 mm aufweisen. Zudem kann das Befestigungselement neben einem Preform oder zwischen zwei Preforms angeordnet sein. Das Befestigungselement ist vor und/oder während der additiven Fertigung erhitzbar, beispielsweise auf eine Temperatur von 100 °C (Celsius) bis 200 °C. Das Erhitzen des Befestigungselements kann beispielsweise mittels einer (elektrischen) Heizung, des Lasers und/oder einer bei der additiven Fertigung entstehenden Hitze erfolgen. Beispielsweise kann das Schmelzen des (pulverförmigen) Materials auf der Arbeitsplatte und/oder an dem zumindest einen Preform zu einer Erhitzung der Arbeitsplatte und/oder des Befestigungselements führen. Das Erhitzen führt zu einer thermischen Expansion bzw. Längenänderung des Befestigungselements, wodurch das zumindest eine Preform an der Arbeitsplatte befestigt wird. Das Befestigungselement kann das zumindest eine Preform nach seiner thermischen Expansion beispielsweise an der Arbeitsplatte festklemmen. Weiterhin kann das Befestigungselement nach seiner thermischen Expansion das zumindest eine Preform formschlüssig an der Arbeitsplatte befestigen. Hierzu kann das Befestigungselement nach seiner thermischen Expansion beispielsweise in eine Öffnung oder Nut des zumindest einen Preforms eingreifen. Nach der additiven Fertigung bzw. der Fertigstellung des Werkstücks kann das Befestigungselement abkühlen, sodass es schrumpft und das zumindest eine Preform wieder freigibt. Hierzu kann die Vorrichtung beispielsweise eine Kühleinrichtung für das Befestigungselement aufweisen, die beispielsweise nach Art einer Wasserkühlung ausgebildet sein kann. Das Befestigungselement kann das zumindest eine Preform insbesondere freigeben, wenn eine Temperatur des Befestigungselements auf unter 100 °C, bevorzugt unter 80 °C oder besonders bevorzugt unter 60 °C fällt. Das Befestigungselement ermöglicht mithilfe von thermischer Ausdehnung das zumindest eine Preform mit geringem Zeitaufwand und automatisch an der Arbeitsplatte der Vorrichtung zu befestigen.
-
Die Arbeitsplatte kann zumindest eine Aufnahme für das zumindest eine Preform aufweisen. Die zumindest eine Aufnahme kann beispielsweise nach Art einer Ausnehmung in einer Oberfläche der Arbeitsplatte ausgebildet sein. Dabei kann die zumindest eine Aufnahme beispielsweise eine Tiefe von 1 mm bis 100 mm aufweisen. Die Tiefe bemisst sich insbesondere ausgehend von einer (oberen) Oberfläche der Arbeitsplatte. Weiterhin kann die zumindest eine Aufnahme zumindest teilweise an eine Außenkontur des zumindest einen Preforms angepasst sein. Das zumindest eine Preform ist insbesondere in die zumindest eine Aufnahme einsetzbar bzw. einsteckbar. Weiterhin kann das zumindest eine Preform insbesondere spielfrei in der zumindest einen Aufnahme anordenbar sein. Die zumindest eine Aufnahme kann beispielsweise einen runden Querschnitt aufweisen.
-
Das Befestigungselement kann an der Arbeitsplatte befestigt sein. Das Befestigungselement kann insbesondere beweglich an der Arbeitsplatte befestigt sein. Weiterhin ist das Befestigungselement insbesondere in zumindest einer Richtung, nur in einer Richtung oder in zwei Richtungen beweglich an der Arbeitsplatte angeordnet oder befestigt. Des Weiteren kann das Befestigungselement insbesondere parallel zu einer Längsrichtung oder Längsachse des Befestigungselements an der Arbeitsplatte befestigt sein. Das Befestigungselement ist insbesondere neben einer Aufnahme oder zwischen zwei Aufnahmen für die zumindest eine Preform angeordnet bzw. an der Arbeitsplatte befestigt. Weiterhin kann das Befestigungselement auf einer Seite an der Arbeitsplatte befestigt sein, die einer an das Befestigungselement grenzenden Aufnahme gegenüberliegt. Die Befestigung des Befestigungselements in der Arbeitsplatte kann dabei beispielsweise mittels zumindest einer Schraube erfolgen.
-
Die Arbeitsplatte kann eine Führung für das Befestigungselement umfassen. Die Führung kann beispielsweise nach Art einer Schiene ausgebildet sein. Weiterhin kann die Führung insbesondere einen geraden Verlauf aufweisen. Das Befestigungselement ist in der Führung insbesondere linear beweglich und/oder kann in der Führung gleiten. Das Befestigungselement ist in der Führung insbesondere auch nach seiner thermischen Expansion beweglich und/oder kann in der Führung gleiten.
-
Die Führung kann zumindest ein längsseitiges Ende aufweisen, über das das zumindest eine Preform durch das Befestigungselement kontaktierbar ist. Hierzu kann die Führung an dem zumindest einen längsseitigen Ende beispielsweise zumindest teilweise geöffnet sein. Weiterhin kann die Führung an dem zumindest einen längsseitigen Ende in die zumindest eine Aufnahme für das zumindest eine Preform führen.
-
Die Führung kann nach Art einer Nut ausgebildet sein. Die Nut ist insbesondere in der (oberen) Oberfläche der Arbeitsplatte ausgebildet. Das Befestigungselement ist zumindest teilweise in der Nut angeordnet.
-
Die Nut kann einen T-förmigen Querschnitt aufweisen.
-
Das Befestigungselement kann einen größeren thermischen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen als die Arbeitsplatte. Dies kann durch Wahl eines geeigneten Werkstoffs für das Befestigungselement und/oder die Arbeitsplatte erzielt werden. Hierdurch dehnt sich das Befestigungselement bei einer Erhitzung stärker aus als die Arbeitsplatte.
-
Folgende Materialen für das Befestigungselement, die Arbeitsplatte und/oder das zumindest eine Preform weisen beispielsweise folgende Längenausdehnungskoeffizienten auf (in 10
-6 K
-1 (pro Kelvin)):
C45: | 12,0 |
Messing: | 18,5 |
316L: | 16,0 |
Zink (Zn): | 29,0 |
Zinklegierung: | 28,0 |
MnNi10Cu18: | 26,0 |
MnNi16Cu10: | 29,0 |
CuBe2: | 17,0 |
Mangan (Mn): | 23,0 |
Polyamide (PA): | 60 - 150 |
Polycarbonat (PC): | 60 - 70 |
Polyphenylensulfid (PPS): | 100 |
-
Das Befestigungselement kann eine Mehrzahl von viereckigen Strukturen aufweisen. Die viereckigen Strukturen können jeweils beispielsweise rhombusförmig, nach Art eines Parallelogramms oder Rechtecks ausgebildet sein. Weiterhin können viereckigen Strukturen an einer ihrer Ecken miteinander verbunden sein. Weiterhin können die viereckigen Strukturen jeweils insbesondere eine viereckige Ausnehmung aufweisen. Die viereckigen Ausnehmungen können jeweils beispielsweise rhombusförmig, nach Art eines Parallelogramms oder Rechtecks ausgebildet sein. Das Befestigungselement kann in diesem Fall beispielsweise aus Messing bestehen und/oder mittels 3D-Druck hergestellt sein. Durch diese Ausgestaltung kann eine größere Längenausdehnung bei gleicher Temperaturdifferenz erzielt werden.
-
Einem weiteren Aspekt folgend wird auch ein Verfahren zur additiven Fertigung eines Werkstücks vorgeschlagen, das zumindest die folgenden Schritte aufweist:
- a) Bereitstellen zumindest eines Preforms auf einer Arbeitsplatte;
- b) Befestigen des zumindest einen Preforms an der Arbeitsplatte durch eine thermische Expansion eines Befestigungselements; und
- c) schichtweises Auftragen eines Materials an dem zumindest einen Preform.
-
Für weitere Einzelheiten wird vollumfänglich auf die Beschreibung der Vorrichtung verwiesen.
-
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren besonders bevorzugte Ausführungsvarianten der Erfindung zeigen, diese jedoch nicht darauf beschränkt ist. Dabei sind gleiche Bauteile in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Es zeigen beispielhaft und schematisch:
- 1: eine Vorrichtung zur additiven Fertigung;
- 2: eine Arbeitsplatte der Vorrichtung in einer Draufsicht;
- 3: die Arbeitsplatte mit einer ersten Ausführungsvariante eines Befestigungselements in einer ersten Schnittdarstellung;
- 4: die Arbeitsplatte mit der ersten Ausführungsvariante des Befestigungselements in einer zweiten Schnittdarstellung;
- 5: die Arbeitsplatte mit einer zweiten Ausführungsvariante des Befestigungselements in der ersten Schnittdarstellung; und
- 6: die Arbeitsplatte mit einer dritten Ausführungsvariante des Befestigungselements in der zweiten Schnittdarstellung.
-
Die 1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur additiven Fertigung eines hier nicht gezeigten Werkstücks. Die Vorrichtung 1 umfasst eine Arbeitsplatte 2 und einen Druckkopf 14 mit einem Laser 15. Mit dem Laser 15 ist Material auf der Arbeitsplatte 2 zum schichtweisen Aufbau des Werkstücks schmelzbar. Weiterhin ist der Druckkopf 14 mit dem Laser 15 bewegbar in einem Gestell 16 der Vorrichtung 1 angeordnet. Alternativ kann ein Laserstrahl des Lasers 15 auch mit zumindest einem Spiegel umlenkbar sein.
-
Die 2 zeigt die Arbeitsplatte 2 in einer Draufsicht. Die Arbeitsplatte 2 weist eine erste Aufnahme 6 und eine zweite Aufnahme 7 auf, in denen ein erstes Preform 3 und zweites Preform 4 angeordnet sind. Bei der ersten Aufnahme 6 und der zweiten Aufnahme 7 handelt es sich um kreisförmige Vertiefungen in einer Oberfläche 17 der Arbeitsplatte 2. Das erste Preform 3 und das zweite Preform 4 sind hier exemplarisch als runde Scheiben ausgebildet und weisen einen (geringfügig) kleineren Durchmesser als die Aufnahmen 6, 7 auf. Zwischen der ersten Aufnahme 6 und der zweiten Aufnahme 7 weist die Arbeitsplatte 2 eine Führung 8 in Form einer Nut 11 auf. Die Führung 8 mündet mit einem ersten längsseitigen Ende 9 in der ersten Aufnahme 6 und mit einem zweiten längsseitigen Ende 10 in der zweiten Aufnahme 7. In der Führung 8 ist ein Befestigungselement 5 angeordnet, das in der Führung 8 bewegbar geführt ist. Das Befestigungselement 5 erstreckt sich bei Raumtemperatur, beispielsweise 20 °C, (im Wesentlichen) zwischen dem ersten längsseitigen Ende 9 und dem zweiten längsseitigen Ende 10 der Führung 8. Hierbei erstreckt sich das Befestigungselement 5 nicht in die erste Aufnahme 6 und zweite Aufnahme 7. Bei der additiven Fertigung wird Material durch den in der 1 gezeigten Laser 15 zum schichtweisen Aufbau des Werkstücks auf den Preforms 6, 7 geschmolzen. Hierdurch werden die Arbeitsplatte 2 und das Befestigungselement 5 erhitzt, sodass das Befestigungselement 5 sich ausdehnt und das erste Preform 3 in der ersten Aufnahme 6 und das zweite Preform 4 in der zweiten Aufnahme 7 festklemmt.
-
Die 3 zeigt eine Teilansicht der Arbeitsplatte 2 mit einer ersten Ausführungsvariante des Befestigungselements 5 in einer ersten Schnittdarstellung entlang der in der 2 gezeigten Schnittlinie III-III. Zu erkennen ist hier, dass sich die Führung 8 von der Oberfläche 17 der Arbeitsplatte 2 in die Arbeitsplatte 2 hinein erstreckt und einen T-förmigen Querschnitt 12 aufweist. Bei der ersten Ausführungsvariante weist das Befestigungselement 5 einen rechteckigen Querschnitt 18 auf.
-
Die 4 zeigt eine Teilansicht der Arbeitsplatte 2 mit der ersten Ausführungsvariante des Befestigungselements 5 in einer zweiten Schnittdarstellung entlang der in der 3 gezeigten Schnittlinie IV-IV. Das Befestigungselement 5 ist hier in einem erhitzten Zustand gezeigt, in dem das Befestigungselement 5 über das erste längsseitige Ende 9 der Führung 8 in die erste Aufnahme 6 hineinragt und das erste Preform 3 in der ersten Aufnahme 6 festklemmt. Zudem ragt das Befestigungselement 5 über das zweite längsseitige Ende 10 der Führung 8 in die zweite Aufnahme 7 hinein und klemmt das zweite Preform 4 in der zweiten Aufnahme 7 fest. Hierdurch können sich die Preforms 3, 4 während der additiven Fertigung des Werkstücks nicht von der Arbeitsplatte 2 lösen.
-
Die 5 zeigt die Arbeitsplatte 2 mit einer zweiten Ausführungsvariante des Befestigungselements 5 in der ersten Schnittdarstellung entlang der in der 2 gezeigten Schnittlinie III-III. Die zweite Ausführungsvariante des Befestigungselements 5 unterscheidet sich von der in der 3 gezeigten ersten Ausführungsvariante des Befestigungselements 5 durch einen doppel-T-förmigen Querschnitt 18. Im Übrigen ist die zweite Ausführungsvariante des Befestigungselements 5 identisch zu der ersten Ausführungsvariante ausgebildet.
-
Die 6 zeigt die Arbeitsplatte 2 mit einer dritten Ausführungsvariante des Befestigungselements 5 in der zweiten Schnittdarstellung entlang der in der 3 gezeigten Schnittlinie IV-IV. Die dritte Ausführungsvariante des Befestigungselements 5 weist eine Mehrzahl von viereckigen Strukturen 13 auf, die hier rhombusförmig ausgebildet sind. Jede viereckige Struktur 13 weist eine viereckige Ausnehmung 19 auf, die hier ebenfalls rhombusförmig ausgebildet sind. Das Befestigungselement 5 ist hier in einem erhitzten Zustand gezeigt, in dem das Befestigungselement 5 über das erste längsseitige Ende 9 der Führung 8 in die erste Aufnahme 6 hineinragt und das erste Preform 3 in der ersten Aufnahme 6 festklemmt. Zudem ragt das Befestigungselement 5 über das zweite längsseitige Ende 10 der Führung 8 in die zweite Aufnahme 7 hinein und klemmt das zweite Preform 4 in der zweiten Aufnahme 7 fest. Hierdurch können sich die Preforms 3, 4 während der additiven Fertigung des Werkstücks nicht von der Arbeitsplatte 2 lösen.
-
Durch die vorliegende Erfindung können Preforms mit geringem Zeitaufwand und automatisch an einer Arbeitsplatte einer Vorrichtung zur additiven Fertigung eines Werkstücks befestigt werden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Vorrichtung
- 2
- Arbeitsplatte
- 3
- erstes Preform
- 4
- zweites Preform
- 5
- Befestigungselement
- 6
- erste Aufnahme
- 7
- zweite Aufnahme
- 8
- Führung
- 9
- erstes längsseitiges Ende
- 10
- zweites längsseitiges Ende
- 11
- Nut
- 12
- Querschnitt der Führung
- 13
- viereckige Struktur
- 14
- Druckkopf
- 15
- Laser
- 16
- Gestell
- 17
- Oberfläche
- 18
- Querschnitt des Befestigungselements
- 19
- viereckige Ausnehmung