DE102020130690A1

DE102020130690A1 - Verfahren zur additiven Herstellung eines Formkörpers

Info

Publication number: DE102020130690A1
Application number: DE102020130690.3A
Authority: DE
Inventors: Philip Obst; Joel Bachmann; Lukas Knorr
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2020-11-20
Filing date: 2020-11-20
Publication date: 2022-05-25

Abstract

Verfahren zur additiven Herstellung eines Formkörpers (1), insbesondere eines Fahrzeugbauteils, umfassend folgende Verfahrensschritte:- Ausführen eines ersten Verfestigungsschritts (101), in welchem sukzessiv, vorzugsweise schichtweise, durch selektive Verfestigung eines mittels einer aus einer Strahlungseinrichtung (9) ausgesendeten Energiestrahlung, verfestigbaren Baumaterials (2) ein mit zumindest einem Aufnahmeraum (4) zur Aufnahme eines Mediums (5) versehener Teilformkörpers (7) ausgebildet wird, wobei- im Zuge des Ausführens des ersten Verfestigungsschritts (101) unverfestigtes oder teilverfestigtes Baumaterial (2) als Medium (5) in dem Aufnahmeraum (4) zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig, angeordnet wird, wobei- in einem zweiten Verfestigungsschritts (102) das in dem Aufnahmeraum (4) angeordnete, ein unverfestigtes oder teilverfestigtes Baumaterial (2) umfassende Medium (5) und der Teilformkörper (7) mit Energie beaufschlagt werden, um wenigstens abschnittsweise zumindest eine Festigkeitssteigerung, insbesondere eine Aushärtung, zumindest des unverfestigten oder teilverfestigten Baumaterials (2) zu erwirken und den Formkörper (1) auszubilden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Herstellung eines Formkörpers, insbesondere eines Fahrzeugbauteils, wobei ein Baumaterial in wenigstens einem Verfestigungsschritt sukzessiv, vorzugsweise schichtweise, selektiv mittels einer aus einer Strahlungseinrichtung ausgesendeten Energiestrahlung, insbesondere UV-Strahlung, verfestigt wird.
Entsprechende Verfahren zur additiven Herstellung eines Formkörpers sind aus dem Stand der Technik dem Grunde nach bekannt. Derartige Verfahren sind unter den Begriffen Rapid Prototyping, Rapid Tooling und Rapid Manufacturing bekannt und werden in unterschiedlichsten Branchen zur Herstellung von Musterbauteilen, Werkzeugen wie auch von Fertigbauteilen oder Halbzeugen verwendet. Hierbei werden ausgehend von ggf. bearbeiteten oder modifizierten Konstruktionsdaten, typischerweise CAD-Daten Steuerungsdaten generiert und zur Ansteuerung einer Vorrichtung zur Ausführung eines additiven Herstellungsverfahrens verwendet. Die Vorrichtung erzeugt den herzustellenden Formkörper durch Verfestigung eines typischerweise schichtweise bereitgestellten zu verfestigenden Baumaterials. Auf diese Weise können Formkörper wie z. B. Schmuck, Zahnimplantate, Werkzeugformen, Flugzeugbauteile hergestellt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, welches es insbesondere im Hinblick auf eine einfache und schnelle sowie kostengünstige Maßnahme erlaubt, die physikalischen Eigenschaften der herzustellenden Formkörper gezielt zu beeinflussen, insbesondere Formkörper mit einer gezielt bereichsabhängig erhöhten Elastizität herzustellen.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur additiven Herstellung eines Formkörpers gemäß Anspruch 1 gelöst. Die hierzu abhängigen Ansprüche betreffen mögliche Ausführungsformen des Verfahrens.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Herstellung eines Formkörpers, insbesondere eines Fahrzeugbauteils, umfassend folgende Verfahrensschritte: Ausführen eines ersten Verfestigungsschritts, in welchem sukzessiv, vorzugsweise schichtweise, durch selektive Verfestigung eines mittels einer aus einer Strahlungseinrichtung ausgesendeten Energiestrahlung, insbesondere UV-Strahlung, verfestigbaren Baumaterials ein mit zumindest einem Aufnahmeraum zur Aufnahme eines Mediums versehener Teilformkörpers ausgebildet bzw. hergestellt wird. Anstelle einer UV-Strahlung kann im Zuge des ersten Verfestigungsschritts das Baumaterial auch anhand eines Laserstrahls, eines Elektronenstrahls und/oder einer sonstigen z. B. in dessen Intensität mittelbar oder unmittelbar einstellbaren bzw. veränderbare Energiequellen verwendet werden. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass (a) im Zuge des Ausführens des ersten Verfestigungsschritts unverfestigtes oder teilverfestigtes Baumaterial als Medium in dem Aufnahmeraum zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig, angeordnet wird bzw. in oder an dem Aufnahmeraum verbleibt, wobei (b) in einem zweiten Verfestigungsschritts das in dem Aufnahmeraum angeordnete, ein unverfestigtes oder teilverfestigtes Baumaterial umfassende Medium und der Teilformkörper mit Energie beaufschlagt werden, um wenigstens abschnittsweise, insbesondere vollständig, zumindest eine Festigkeitssteigerung, insbesondere eine Aushärtung, zumindest des unverfestigten oder teilverfestigten Baumaterials zu erwirken und den Formkörper auszubilden.
Der Teilformkörper und der aus dem in dem Aufnahmeraum angeordneten Baumaterial bestehende Füllkörper bilden gemeinsam nach Ausführung des zweiten Verfestigungsschritts den fertigen Formkörper aus. Dadurch, dass der Grad der Verfestigung bzw. die Aushärtung von Teilformkörper und Füllkörper zumindest zum Teil in unterschiedlichen Verfestigungsschritten erfolgt, kann ein Formkörper erzeugt werden, der bereichsabhängig und insbesondere über seinen Bauteilquerschnitt unterschiedliche definierte Bauteileigenschaften aufweist. Dabei können beispielsweise die Bereiche, die mehrheitlich oder gänzlich aus dem Füllkörper bzw. aus dem nach dem ersten Verfestigungsschritt unverfestigten oder teilverfestigten Baumaterial gebildet sind, eine höhere Elastizität als die Bereiche des Formkörpers, die mehrheitlich oder gänzlich aus dem Teilformkörper gebildet sind, aufweisen. Der Teilformkörper besteht hierbei aus dem im Zuge des ersten Verfestigungsschritts verfestigten Baumaterials, wobei die Verfestigung bzw. die Aushärtung des „verfestigten Baumaterials“ zumindest eine Aushärtung in dem Maße umfasst, dass der Teilformkörper eine Steifigkeit und/oder Festigkeit aufweist, welche seine geometrische Form als im Zuge des Prozesses stabil darlegt. Insbesondere kann der Teilformkörper aufgrund der Energieeinbringung derart verfestigt werden, dass dessen geometrische Form zumindest im Wesentlichen erzeugt wird, besonders bevorzugt umfasst der verfestigte Zustand des verfestigten Baumaterials eine Festigkeit und/oder Steifigkeit die ausreichend ist, um zumindest während einer Einwirkung eines Eigengewichts des Teilformkörpers die Geometrie unverändert bleibt.
Das nach dem ersten Verfestigungsschritt unverfestigt oder teilverfestigt vorliegende Baumaterial, das innerhalb des Aufnahmeraums angeordnet ist, kann als Medium bezeichnet werden, das zumindest teilweise oder ausschließlich im Zuge des zweiten Verfestigungsschritts eine Eigenschaftsänderung, insbesondere eine Aushärtung, erfährt. D. h. z. B., dass das Medium bzw. das nach dem ersten Verfestigungsschritt als unverfestigtes oder teilverfestigtes Baumaterial vorliegende Baumaterial erst im Zuge des zweiten Verfestigungsschritts, insbesondere durch Wärmeeinwirkung, verfestigt wird bzw. seine im Wesentlichen eigentliche bzw. bestimmungsgemäße Verfestigung erfährt. Der fertige Formkörper bzw. das Bauteil wird durch den Teilformkörper und durch das den zweiten Verfestigungsschritt durchlaufene Medium ausgebildet.
Dadurch, dass der wenigstens eine Aufnahmeraum des Formkörpers durch den additiven Fertigungsprozess, in welchem der Formkörper erzeugt wird, in einem hohen Freiheitsgrad bzw. nahezu beliebig in Form und Position gestaltbar ist, kann der den Füllkörper ausbildende Bereich ebenso nahezu beliebig gestaltet bzw. bereichspezifisch vorgegeben werden. Folglich können die steiferen, den Teilformkörper bildenden Bereiche und die zumindest teilweise elastischeren, durch das im ersten Verfestigungsschritt nichtverfestigte oder teilverfestigte Baumaterial gebildeten Bereiche des Formkörpers definiert vorgegeben werden.
Der im Zuge des additiven Fertigungsprozesses hergestellte Teilformkörper kann nach dem ersten Verfestigungsschritt als formstabiler Körper vorliegen. Der formstabile Körper kann dabei zumindest derart formstabil sein, dass dieser von einem ersten Arbeitsort, an welchem der additive Fertigungsprozess ausgeführt wurde zu einem zweiten Arbeitsort, an welchem der zweite Verfestigungsschritt ausgeführt wird, derart verlagerbar ist bzw. verlagert wird, ohne dass er dabei seine Form aufgrund von auf diesen wirkender Kräfte, insbesondere Beschleunigungskräfte, verändert. Alternativ oder zusätzlich kann der Teilformkörper derart formstabil sein, dass nach der Verfestigung des Teilformkörpers im Zuge des ersten Verfestigungsschritts zumindest die wesentliche Geometrie des Formkörpers, insbesondere die wesentliche Außengeometrie des Formkörpers, vorliegt. Auch kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass dieser einem chemischen und/oder mechanischen Reinigungsprozess unterzogen werden kann, ohne dass dabei die grundlegende Formgestalt des Teilformkörper beeinträchtigt bzw. verändert wird.
Es kann vorgesehen sein, dass das nach dem ersten Verfestigungsschritt teilverfestigte oder unverfestigte Baumaterial in dem Aufnahmeraum eingeschlossen ist.
Der Aufnahmeraum ist beispielsweise derart ausgebildet, dass dieser zur Anordnung eines Mediums geeignet ist. Der Aufnahmeraum kann beispielsweise eine das Medium, insbesondere während einer Schwerkrafteinwirkung, haltende Eigenschaft aufweisen. Dies kann von der Art und Weise des additiven Fertigungsverfahrens abhängig sein, so zum Beispiel kann in einem CLIP-Verfahren das in einem während des Verfahrens durch die Herstellung des Teilformkörpers ausgebildeten Aufnahmeraum(-abschnitt) das darin befindliche unverfestigte oder teilverfestigte Baumaterial durch einen Wandungsabschnitt des Teilformkörpers vor einer schwerkraftbedingten Bewegung (nach unten) gehalten werden. Das Medium kann hierbei beispielsweise ein flüssiges und/oder gelartiges und/oder pulverförmiges Baumaterial umfassen, welches auch als Baumaterial zur Ausbildung des Teilformkörpers verwendet wird. Im Falle eines flüssigen Mediums ist der Aufnahmeraum zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig, flüssigkeitsdicht ausgebildet. Sofern das Medium pulverförmig ausgebildet ist, kann der Aufnahmeraum derart ausgebildet sein, dass durch etwaige Öffnungsbereiche das pulverförmige Medium zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig, nicht herausgelangen bzw. herausrieseln kann. Auch ist es möglich, dass ein zunächst flüssiges Baumaterial im Zuge einer Teilverfestigung während des ersten Verfestigungsschritts als kleine Materialansammlungen bzw. als Agglomerate innerhalb des Aufnahmeraums ausgebildet wird. Damit kann in dem Aufnahmeraum nach dem ersten Verfestigungsschritt (a) flüssiges gänzlich nicht verfestigtes Baumaterial und/oder (b) geringfügig mit Energie beaufschlagtes Baumaterial, das z. B. eine geleeartige Eigenschaft aufweist, und/oder (c) ein pulverförmiges und/oder Agglomerate bildende d. h. z. B. Körper mit einem Volumen von kleiner 1 cm³, bevorzugt von kleiner 0,5 cm³, besonders bevorzugt von kleiner 0,25 cm³, höchst bevorzugt von kleiner 0,1 cm³, vorliegen. Dieses pulverförmige bzw. Agglomerate bildende Baumaterial kann folglich zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig, während des ersten Verfestigungsschritts aus dem Ausgangsbaumaterial, welches auch zur Ausbildung des Teilformkörpers verwendet wird, erzeugt werden.
Es kann zusätzlich optional vorgesehen sein, dass die Wandungen des Aufnahmeraums derart ausgebildet werden, dass das pulverförmige und/oder Agglomerate bildende Baumaterial in dem Aufnahmeraum gefangen wird. Beispielsweise weisen die Wandungen des Aufnahmeraums Öffnungen auf, welche in deren maximalen Erstreckung im Raum kleiner sind als die minimale Erstreckung des teilverfestigten Baumaterials im Raum. Damit kann sichergestellt werden, dass das teilverfestigte Baumaterial nicht unbeabsichtigt aus dem Aufnahmeraum entweichen bzw. heraustreten kann.
Es ist möglich, dass das in dem Aufnahmeraum angeordnete unverfestigte oder teilverfestigte Baumaterial mit thermischer Energie beaufschlagt wird, um eine Festigkeitssteigerung und/oder eine Steifigkeitssteigerung, insbesondere eine, bevorzugt bestimmungsgemäß finale, Aushärtung, zu erwirken. Diese Beaufschlagung mit thermischer Energie erfolgt zumindest teilweise, bevorzugt überwiegend, besonders bevorzugt nahezu vollständig (d. h. z. B. zu mindestens 80 %), höchst bevorzugt ausschließlich, im Zuge des zweiten Verfestigungsschritts. Während der Beaufschlagung des unverfestigten bzw. teilverfestigten, den Füllkörper bildenden Baumaterials durch thermische Energie kann gleichzeitig eine Beaufschlagung des ersten, den Teilformkörper bildenden Baumaterials durch thermische Energie erfolgen. Mit anderen Worten kann, das den Teilformkörper ausbildende erste Baumaterial und das in einem Aufnahmeraum des Teilformkörpers aufgenommene weitere Baumaterial zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig, mit thermischer Energie während eines weiteren Verfestigungsschritts beaufschlagt und damit verfestigt werden. Dadurch, dass während der thermischen Energiebeaufschlagung im Zuge des zweiten Verfestigungsschritts das den Teilformkörper bildende verfestigte Baumaterial und das unverfestigte bzw. teilverfestigte Baumaterial sich abschnittsweise berühren bzw. abschnittsweise in Kontakt stehen, kann sich an dieser Kontaktstelle eine Verbindung, insbesondere eine kraft- und/oder form- und/oder stoffschlüssige Verbindung, ausbilden. Beispielsweise kann es bei dem den Teilformkörper ausbildenden Baumaterial aufgrund der thermischen Beaufschlagung zu einer Veränderung der chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften kommen, welche zu einer guten Verbindung dieses Oberflächenabschnitts bzw. der Kontaktstelle des Teilformkörpers mit dem unverfestigten oder teilverfestigten Baumaterial führt.
Das den Teilformkörper ausbildende Baumaterial und das Medium bzw. das unverfestigte oder teilverfestigte Baumaterial, welches den nach dem zweiten Verfestigungsschritt im Aufnahmeraum zumindest abschnittsweise verfestigt vorliegenden Füllkörper bildet, können die gleiche Zusammensetzung und/oder gleichen Bestandteile aufweisen. Dass nur ein Teil des Baumaterials im Zuge des ersten Verfestigungsschritts aushärtet und dabei den Teilformkörper ausbildet ist auf die bereichsabhängige bzw. selektive Einwirkung der Energie, insbesondere der UV-Strahlung, im Zuge des ersten Verfestigungsschritts zurückzuführen.
Das Baumaterial, insbesondere zur Ausbildung des Teilformkörpers, kann beispielsweise vor oder während der Verfestigung vermittels eines Energiestrahl im Zuge des ersten Verfestigungsschritts und/oder das in dem Aufnahmeraum des Teilformkörpers angeordnete verfestigte oder teilverfestigte Baumaterial kann vor oder während der Verfestigung vermittels Energiebeaufschlagung im Zuge des zweiten Verfestigungsschritts als flüssiges oder gelartiges bzw. viskoelastisches Fluid bzw. Baumaterial vorliegen. Die Verwendung eines flüssigen oder gelartigen Baumaterials für den ersten Verfestigungsschritt ermöglicht hierbei die Verwendung eines auf einem flüssigen oder gelartigen, insbesondere harzbasierten, Baumaterial basierenden additiven Fertigungsverfahren. Damit kann auf einfache und komfortable sowie kostengünstige Weise ein Teilformkörper bzw. ein Aufnahmeraum und folglich auch in dem Aufnahmeraum angeordnetes unverfestigtes oder teilverfestigtes Baumaterial in einer nahezu unbegrenzten beliebigen geometrischen Form hergestellt werden. Damit kann auch der durch den Teilformkörper ausgebildete Aufnahmeraum in welchem das unverfestigte oder teilverfestigte Baumaterial angeordnet ist, in einer geometrisch nahezu beliebigen Form ausgebildet werden. Insbesondere Verbindungskanäle und/oder Zuführkanäle, welche sich von einem ersten Bereich des Teilformkörpers zu einem weiteren Bereich des Teilformkörpers erstrecken und zur gezielten Verlagerung des in dem Aufnahmeraum befindlichen unverfestigten oder teilverfestigten Baumaterial dienen, können auf einfache komfortable und zugleich kostengünstige Weise hergestellt werden.
Als Baumaterial kann beispielsweise wenigstens ein eine photopolymerisierbare Komponente umfassendes Baumaterial verwendet werden. Bevorzugt wird während des ersten Verfestigungsschritts zur Bildung des Teilformkörpers ein aus zumindest teilweise einem photopolymerisierbaren Material bestehendes Baumaterial, das bereichsabhängig durch UV-Strahlung photopolymerisiert, verwendet werden. Beispielsweise umfasst das verwendete erste und/oder weitere Baumaterial zumindest einen Bestandteil auf Harzbasis, insbesondere auf Kunstharzbasis. Das Baumaterial und/oder das weitere Baumaterial kann folglich zumindest teilweise, bevorzugt überwiegend, besonders bevorzugt ausschließlich, ein, insbesondere photosensitives, Kunstharz umfassen. Das photopolymerisierbare Baumaterial kann Monomere und/oder Oligomere und/oder weitere Additive, wie z. B. Farbstoffe oder passive Absorber, umfassen. Wenigstens eine Komponente des Baumaterials kann beispielsweise einen Photoinitiator (PI) z.B. Diphenyl(2,4,6-trimethylbenzoyl)phosphinoxid umfassen. Der Photoinitiator zerfällt in Radikale, die wiederum mit einem Monomer oder einem Oligomer zu einer Polymerkette reagieren können. Das für die Ausbildung des Teilformkörpers und/oder für die Ausbildung des Füllkörpers verwendete Baumaterial kann zumindest eine Komponente umfassen, welche als Kettenverlängerer wirkt, beispielsweise können durch einen Überschuss an Diisocyanat Prepolymere als endständige Gruppen Isocyanate aufweisen. In einem nachfolgenden Schritt können beispielsweise die Prepolymere über kurzkettige Diole und/oder Diamine (Kettenverlängerer) miteinander zu langkettigen Molekülen verbunden werden.
Das verfestigte, den Teilformkörper bildende Baumaterial und/oder das teilweise verfestigte bzw. teilverfestigte Baumaterial kann beispielsweise während der Beaufschlagung mit Energie, insbesondere mit thermischer Energie, im Zuge des zweiten Verfestigungsschritts wenigstens abschnittsweise, insbesondere vollständig, eine zumindest temporäre festigkeits- und/oder sprödigkeitsreduzierende Beeinflussung erfahren. Mit anderen Worten kann z. B. das den Teilformkörper ausbildende (verfestigte) Baumaterial im Zuge der Energiebeaufschlagung des zweiten Verfestigungsschritts, insbesondere der thermischen Beaufschlagung, eine festigkeits- und/oder sprödigkeitsreduzierende Beeinflussung erfahren. Damit kann es erreicht werden, dass das im Aufnahmeraum angeordnete unverfestigte oder teilverfestigte Baumaterial und das den Aufnahmeraum durch Wandungsabschnitte ausbildende, teilformkörperseitige Baumaterial während oder nach dem zweiten Verfestigungsschritt ein ähnliches oder angeglichenes Festigkeits- und/oder Sprödigkeitsverhalten aufweisen. Mit anderen Worten kann der Fertigformkörper bzw. das Bauteil eine geringere Sprödigkeit und/oder eine höhere Elastizität und/oder eine höhere Bruchdehnung aufweisen, als der Teilformkörper, wobei diese Eigenschaftsänderung(en) zumindest teilweise auf die thermische Beeinflussung im Zuge des weiteren Verfestigungsschritts zurückzuführen ist. Der Fertigformkörper bzw. der Formkörper kann optional nach Durchlaufen des zweiten Verfestigungsschritts eine höhere Zähigkeit aufweisen als der nach dem ersten Verfestigungsschritt vorliegende Teilformkörper. Diese Eigenschaftsänderung kann sich insbesondere dann einstellen, wenn als erstes Baumaterial zur Ausbildung des im Zuge des ersten Verfestigungsschritts ausgebildeten Teilformkörpers ein Material verwendet wird, das im Zuge einer Energiebeaufschlagung, insbesondere unter Einsatz von UV-Strahlung, sich zu einem steifen Polyurethan, auch als „rigid polyurethan“ (z. B. RPU 70) bezeichnet, und/oder einem steifen Harnstoff ausbildet.
Zumindest das im ersten Verfestigungsschritt verfestigte Baumaterial und das in dem Aufnahmeraum zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig, angeordnete unverfestigte oder teilverfestigte Baumaterial kann beispielsweise ähnliche oder identische physikalische und/oder chemische Eigenschaften, insbesondere ähnliche oder identische Materialeigenschaften, aufweisen. Bevorzugt weisen das im ersten Verfestigungsschritt verfestigte Baumaterial und das in dem Aufnahmeraum angeordnete unverfestigte oder teilverfestigte Baumaterial um maximal 20 %, bevorzugt um maximal 15 %, besonders bevorzugt um maximal 7 %, höchst bevorzugt um maximal 3 %, unterschiedliche Dichtewerte und/oder Festigkeitswerte und/oder Streckgrenzenwerte und/oder Elastizitätswerte und/oder Elastizitätswerte und/oder Aushärtetemperaturwerte auf bzw. ein um die oben genannten %-Werte unterschiedliches UV-Aushärteverhalten auf.
Das im ersten Verfestigungsschritt verfestigte Baumaterial und das in dem Aufnahmeraum angeordnete unverfestigte oder teilverfestigte Baumaterial können beispielsweise ein, bevorzugt ähnliches, besonders bevorzugt identisches, Photopolymerisationsverhalten aufweisen, wobei das erste zur Ausbildung des Teilformkörpers verwendete Baumaterial während des ersten Verfestigungsschritts eine zumindest teilweise, bevorzugt eine überwiegende, besonders bevorzugt eine vollständige, Verfestigung durch Photopolymerisation erfährt. Das in den Aufnahmeraum des Teilformkörpers angeordnete unverfestigte oder teilverfestigte Baumaterial erfährt eine, im Wesentlichen vollständige, Verfestigung im Zuge des zweiten Verfestigungsschritts. Es kann sich als vorteilhaft erweisen, wenn das im ersten Verfestigungsschritt verfestigte Baumaterial und das in dem Aufnahmeraum angeordnete unverfestigte oder teilverfestigte Baumaterial ein ähnliches, bevorzugt identisches, thermisches Aushärteveralten aufweisen.
Es ist möglich, dass das Anordnen des unverfestigten oder teilverfestigten Baumaterials in dem Aufnahmeraum zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig, durch ein Umbauen des unverfestigten oder teilverfestigten Baumaterials mit einem eine Struktur des Teilformkörpers bildenden verfestigten Baumaterial erfolgt. Vorteilhaft kann durch eine gezielte geometrische Ausbildung des Teilformkörpers und dem prozessbedingten fortschreitenden Bewegen des zwischenzeitlich erzeugten Teilformkörpers während des Ablaufs des ersten Verfestigungsschritts eine Sogwirkung bzw. ein Unterdruck im Aufnahmeraum erzeugt werden, wobei diese Sogwirkung bzw. der Unterdruck auf das unverfestigte oder teilverfestigte im Aufnahmeraum angeordnete Baumaterial einwirkt. Bevorzugt wirkt die Sogwirkung derart, dass das unverfestigte oder teilverfestigte Baumaterial in einem Zielbereich des Aufnahmeraums verbleibt bzw. eine z. B. schwerkraftbedingte Bewegung des unverfestigten oder teilverfestigten Baumaterials innerhalb des Aufnahmeraums unterbunden oder zumindest zu einem gewissen Grad gehemmt oder verlangsamt wird. Ein Umbauen des unverfestigten oder teilverfestigen Baumaterials meint beispielsweise nicht zwingend ein gänzliches dichtes Einschließen, z. B. kann vermittels eines Unterdrucks ein Auslaufen verhindern und damit ein effektives Umbauen erzielt werden. Optional kann das unverfestigte oder teilverfestigte Baumaterial dicht, d. h. derart, dass da unverfestigte oder teilverfestigte Baumaterial aufgrund geometrischer Gegebenheiten der Aufnahmeraumwandungen nicht den Aufnahmeraum verlassen kann, ausgebildet sein.
Sofern Druckverhältnisse, insbesondere ein gezielt ausgenutzter Unterdruck, eines Aufnahmeraums zur Steuerung des Verhaltens des unverfestigten oder teilverfestigten Baumaterials verwendet wird, kann es sich als vorteilhaft erweisen, wenn eine Außenhaut und/oder den Aufnahmeraum definierende Wandungen des Formteilkörpers eine verstärkt ausgebildet werden, d. h. z. B. eine höhere Steifigkeit aufweisen. Dies kann z. B. durch das Vorsehen von Versteifungsrippen und/oder durch eine gezielte Veränderung der Materialeigenschaften im Zuge der Belichtung bzw. der Aushärtung des den Teilformkörper bildenden Baumaterials erfolgen. Damit wird erreicht, dass die Wandungen dem sich aufbauenden Unterdruck standhalten.
Alternativ oder zusätzlich kann ein weiteres Baumaterial über eine Öffnung zumindest eines Aufnahmeraums mit eingebracht, z. B. eingegossen oder ein geschüttet, werden. Über wenigstens eine, insbesondere oberflächlich angeordnete oder ausgebildete, Öffnung des Teilformkörpers kann beispielsweise das weitere Baumaterial in einen Aufnahmeraum eingebracht werden. Bevorzugt gelangt das Baumaterial von der wenigstens einen, insbesondere oberflächlichen, Öffnung über einen sich von der Öffnung erstreckenden Kanalabschnitt zu einem teilkörperseitigen Aufnahmeabschnitt.
Das bereits zum Teil oder vollständig zur Ausbildung des Teilformkörpers ausgehärtete Baumaterial kann beispielsweise im Zuge des zweiten Verfestigungsschritts eine zumindest teilweise Erweichung, insbesondere der durch Photopolymerisation ausgehärteten Abschnitte, und anschließende Verfestigung zumindest dieser erweichten Abschnitte zumindest abschnittsweise, insbesondere durch thermische Einwirkung, erfahren.
Hierbei kann als Baumaterial wenigstens ein eine photopolymerisierbare Komponente umfassendes Baumaterial verwendet werden, insbesondere wird während des ersten Verfestigungsschritts zur Bildung des Formkörpers das aus zumindest teilweise einem photopolymerisierbaren Material bestehende Baumaterial durch UV-Strahlung photopolymerisiert bzw. verfestigt. Hierzu kann das im ersten Verfestigungsschritt verfestigte Baumaterial wenigstens eine als Photoinitiator wirksame Komponente aufweisen.
Das im ersten Verfestigungsschritt verfestigte, den Teilformkörper ausbildende Baumaterial kann beispielsweise zumindest eine Komponente aufweisen, welche aus einem nicht UV-reaktiven Bestandteil bzw. aus einem nicht durch UV-Licht aushärtbaren Bestandteil ausgebildet ist. Insbesondere umfasst die zumindest eine Komponente dieses Baumaterials zumindest Amine und/oder Alkohole, welche nicht oder „schlecht“ UV-aushärtbare bzw. „wenig“ UV-reaktive Bestandteile aufweist. Diese Bestandteile können im Zuge des ersten Verfestigungsschritts als unverfestigte Bestandteile des ansonsten durch UV-Aushärtung verfestigten Baumaterials in dem Teilformkörper enthalten sein. Diese durch den ersten Verfestigungsschritt als nicht verfestigte Bestandteile des verfestigten, den Teilformkörper ausbildenden Baumaterials „durchgeschleuste“ Bestandteile können in dem zweiten, insbesondere eine thermische Energiebeaufschlagung verwendenden, Verfestigungsschritt, verfestigt werden. Im Unterschied dazu ist das unverfestigte oder teilverfestigte, in dem Aufnahmeraum des Teilformkörpers angeordnete Baumaterial derart unverfestigt, dass es keine geometrische Struktur im Sinne einer die, insbesondere äußere, Geometrie eines zu fertigenden Formkörpers oder Bauteils bildet.
Bevorzugt ist diese, aus einem nicht UV-reaktiven Material ausgebildete Komponente in dem im ersten Verfestigungsschritt zu verfestigenden Baumaterial zu maximal 60°Vol-%, bevorzugt zu maximal 40°Vol-%, besonders bevorzugt zu maximal 30°Vol- %, höchst bevorzugt zu maximal 10°Vol-%, enthalten. Alternativ oder zusätzlich kann die aus einem nicht UV-reaktiven Material ausgebildete Komponente des in den Aufnahmeraum angeordneten und nach dem ersten Verfestigungsschritt unverfestigten oder teilverfestigten Baumaterials zu mindestens 60°Vol-%, bevorzugt zu mindestens 75°Vol-%, besonders bevorzugt zu mindestens 80°Vol-%, höchst bevorzugt zu mindestens 95 Vol-%, enthalten sein.
Es ist möglich, dass vor oder während des Ausführens des zweiten Verfestigungsschritts ein in oder an einem Aufnahmeraum im Zuge des ersten Verfestigungsschritts aufgebaute Sollbruchstelle aufgebrochen wird, insbesondere wird die Sollbruchstelle im Zuge des ersten Verfestigungsschritts erzeugt. Die Sollbruchstelle kann z. B. im Zusammenhang mit einer äußerlichen oder innerlichen Stützstruktur oder ähnliches aufgebaut sein. Die äußerliche oder innerliche Stützstruktur kann sich außen oder in einem Innenraum, insbesondere in einem Aufnahmeraum, des Teilformkörpers befinden. Die innere und/oder äußere Stützstruktur kann z. B. im Endfertigungszustand noch existent sein oder nicht mehr stützend wirken, d. h. z. B., dass die im Endfertigungszustand gebrochen sein kann. Beispielsweise können Stützstrukturen, z. B. filigrane Gitterstrukturen, zum temporären Zurückhalten von unverfestigten oder teilverfestigten Baumaterial verwendet werden. Beispielsweise kann die Sollbruchstelle durch eine Krafteinwirkung (z. B. durch einen Druckimpuls und/oder durch mechanische Einwirkung) zumindest teilweise, insbesondere vollständig, zerstört oder gebrochen werden, sodass die Funktion dieser Stützstrukturen im Endmontagezustand am Bauteil nicht mehr vorliegt oder nur eine untergeordnete Rolle spielt. Zum Beispiel kann durch eine partielle bzw. lokale Änderung der Anteile von elastischen Bereichen und weniger elastischen Bereichen des Teilformkörpers eine Sollbruchstelle erzeugt werden. Alternativ oder zusätzlich kann zumindest eine Sollbruchstelle des Teilformkörpers als Sicherheitskriterium und/oder als Qualitätsmerkmal dienen, um visuell und/oder taktil erkennen zu können, ob sich ein Bauteil noch im Originalzustand und/oder in einem definierten Sollzustand befindet.
Das Aufbrechen bzw. das Trennen einer Sollbruchstelle kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass das Verschlussmittel mit Druckluft beaufschlagt wird und es zu einem Bersten der Sollbruchstelle bzw. des Verschlussmittels unter dem Einfluss der Druckluft kommt. Alternativ oder zusätzlich kann das Verschlussmittel zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig, durch ein anderes Druckmittel als Druckluft, z. B. durch Beaufschlagung der Sollbruchstelle vermittels eines steifen Elements oder eines inkompressiblen Mediums erfolgen.
Vor oder während des zweiten Verfestigungsschritts kann beispielsweise eine Verbindung des Aufnahmeraums zu einem weiteren durch den Teilformkörper gebildeten Raum und/oder zu einer das Bauteil umgebenden Atmosphäre erzeugt bzw. geöffnet werden. Insbesondere wird ein die Verbindung verschließendes Verschlussmittel vor oder während des zweiten Verfestigungsschritts zumindest abschnittsweise zerstört oder entfernt oder bewegt.
Es ist möglich, dass ein Teilformkörper hergestellt wird, dessen Aufnahmeraum zumindest abschnittsweise eine, insbesondere vollständig offene oder geschlossene, poröse Struktur aufweist. So ist es möglich, dass der Aufnahmeraum an zumindest einer Innenfläche eine Struktur aufweist, die zumindest abschnittsweise eine, insbesondere vollständig offene oder geschlossene, poröse Struktur umfasst. Alternativ oder zusätzlich kann der Aufnahmeraum auch überwiegend oder gänzlich eine poröse Struktur aufweisen. Insbesondere wenn die poröse Struktur offenzellig ausgebildet ist, kann dies dahingehend vorteilhaft sein, dass das nach dem ersten Verfestigungsschritt unverfestigte oder teilverfestigte Baumaterial in die Poren der porösen Struktur eindringen kann. Im Falle von zumindest abschnittsweise, bevorzugt überwiegend, besonders bevorzugt vollständig, als geschlossen-porige poröse Struktur ausgebildete Bereiche des Teilformkörpers können in den Poren der porösen Struktur das während des ersten Verfestigungsschritts in den Poren vorliegende unverfestigte oder teilverfestigte Baumaterial durch Porenwände eingeschlossen werden. Damit kann eine örtliche Fixierung des unverfestigten oder teilverfestigten Baumaterials innerhalb des Aufnahmeraums des Teilformkörpers erzielt werden. Durch die poröse Struktur kann beispielsweise eine hohe Oberfläche im Übergangsbereich von dem Teilformkörper und dem in den Aufnahmeraum eingefüllten weiteren Baumaterial geschaffen werden. Beispielsweise kann eine den Aufnahmeraum zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig, füllende Füllstruktur als gitterartige Struktur oder einem Gitter ähnliche Struktur ausgebildet sein. Durch die Form und/oder durch die Gestalt, insbesondere durch eine bereichsabhängig unterschiedliche Ausbildung, der Füllstruktur können bereichsabhängig mechanische und/oder chemische Eigenschaften, insbesondere Bauteileigenschaften (beispielsweise Steifigkeit und/oder Festigkeit), des Formkörpers gezielt beeinflusst bzw. „eingestellt“ werden.
Es ist möglich, dass vor oder während des Ausführens des zweiten Verfestigungsschritts eine in oder an einem Aufnahmeraum im Zuge des ersten Verfestigungsschritts aufgebaute Sollbruchstelle aufgebrochen wird, insbesondere wird die Sollbruchstelle im Zuge des ersten Verfestigungsschritts erzeugt. Diese Sollbruchstelle kann z. B. einen Wandungsabschnitt eines Aufnahmeraums ausbilden, sodass durch das Aufbrechen der Sollbruchstelle dieser Aufnahmeraum zu einem benachbarten Raum des Teilformkörpers und/oder zu einem den Teilformkörper umgebenden Umgebung bzw. Umwelt geöffnet werden kann.
Es kann vorgesehen sein, dass vor oder während des zweiten Verfestigungsschritts eine Verbindung des Aufnahmeraums zu einem weiteren durch den Teilformkörper gebildeten Raum und/oder zu einer das Bauteil umgebenden Atmosphäre erzeugt bzw. geöffnet wird. So kann z. B. ein die Verbindung verschließendes Verschlussmittel vor oder während des zweiten Verfestigungsschritts zumindest abschnittsweise zerstört oder entfernt oder bewegt. Ein Erzeugen meint hierbei, dass sich eine Verbindung ergibt bzw. dass ein eine Verbindung verhinderndes Mittel (z. B. Verschlussmittel) geöffnet, zerstört oder entfernt oder für als unverfestigtes oder teilverfestigtes Baumaterial aus dem ersten Verfestigungsschritt resultierendes Baumaterial durchdringbar wird.
Die Verbindung während des ersten Verfestigungsschritts kann beispielsweise als geschlossene Verbindung ausgebildet sein bzw. die Verbindung unmittelbar nach dem Durchlaufenen des ersten Verfestigungsschritts nicht existieren und lediglich als „vorbereiteter“ Weg vorliegen. Mit anderen Worten ist der Ort der späteren Verbindung im Zustand nach Beendigung des ersten Verfestigungsschritts und vor dem Beginn des zweiten Verfestigungsschritts nicht geöffnet bzw. nicht für das nach dem ersten Verfestigungsschritt als unverfestigtes oder teilverfestigtes und zur Verfestigung im zweiten Verfestigungsschritt vorgesehenen Baumaterials als Verbindung vorliegend.
Es ist möglich, dass ein die Verbindung des Aufnahmeraums mit einem weiteren, durch den Teilformkörper gebildeten Raum und/oder ein mit einer das Bauteil umgebenden Atmosphäre verschließendes Verschlussmittel, insbesondere ein einen Sollbruchbereich umfassendes Verschlussmittel, im Zuge des ersten Verfestigungsschritts erzeugt wird. Z. B. kann im Zuge des ersten Verfestigungsschritts ein einen Sollbruchbereich umfassendes Verschlussmittel erzeugt werden, sodass zu einem späteren Zeitpunkt ein Öffnen des Verschlussmittels aufgrund eines an der Sollbruchstelle sich ergebenden Bruchs ausführbar ist.
In einer weiterführenden Ausführungsform kann es vorgesehen sein, dass durch das Öffnen bzw. Erzeugen einer Verbindung des Aufnahmeraums zu einem weiteren, durch den Teilformkörper gebildeten Raum und/oder zu einer das Bauteil umgebenden Atmosphäre ein Druckwert bzw. ein Innendruck im Inneren des Aufnahmeraums sich verändert. Beispielsweise wird ein im Inneren des Aufnahmeraums wirkender Unterdruck durch das Öffnen bzw. das Erzeugen einer Verbindung reduziert oder aufgehoben. Dieser im Aufnahmeraum herrschende Druck und die Veränderung dieses Drucks kann sich z. B. auf das Verhalten des in dem Aufnahmeraum angeordneten und nach dem ersten Verfestigungsschritt als unverfestigtes oder teilverfestigtes und im Zuge des zweiten Verfestigungsschritts zu verfestigenden Baumaterials auswirken. Beispielsweise wird durch die Druckveränderung im Aufnahmeraum die Bewegbarkeit, insbesondere aufgrund einer Schwerkrafteinwirkung, des Baumaterials verändert.
Nach dem ersten Verfestigungsschritt und vor und/oder während dem zweiten Verfestigungsschritt kann beispielsweise zumindest ein Teil des in dem Aufnahmeraum befindlichen unverfestigten oder teilverfestigten Baumaterials von einem ersten Teilinnenraum des Aufnahmeraums zu einem weiteren Teilinnenraum des Aufnahmeraums oder zu einem mit dem Aufnahmeraum verbundenen Raum des Formteilkörpers bewegt werden. Bevorzugt wird im Zuge des zweiten Verfestigungsschritts das unverfestigte oder teilverfestigte Baumaterial in oder an dem weiteren Teilinnenraum verfestigt bzw. ortsfest in oder an dem Teilinnenraum form- und/oder stoffschlüssig verbunden. Dies kann z. B. aufgrund der Einwirkung von thermischer Energie auf das Baumaterial erfolgen, das im Zuge der thermischen Energieeinwirkung sich verdickt (sich die Viskosität erhöht) und/oder verfestigt.
Die Bewegung des unverfestigten oder teilverfestigten, in dem Aufnahmeraum befindlichen Baumaterials kann vorzugsweise aufgrund einer definierten Bewegung des Teilformkörpers erfolgen. Zum Beispiel kann unter Schwerkraftausnutzung, d. h. der Teilformkörper wird in einer definierten Art und Weise im Raum derart bewegt, insbesondere gedreht, ein in einem ersten Formteilinnenraum des Aufnahmeraums befindliches unverfestigtes oder teilverfestigtes Baumaterial aufgrund der Art und Weise der definierten Bewegung des Formteilkörpers zumindest teilweise, insbesondere vollständig, in einen zweiten, von dem ersten Teilinnenraum unterschiedlichen Teilinnenraum verbracht werden. Um eine gezielte Verlagerung des unverfestigten oder teilverfestigten Baumaterials zu ermöglichen, kann es vorteilhaft sein, wenn der Aufnahmeraum eine Geometrie aufweist, welche eine gezielte Bewegung des unverfestigten oder teilverfestigten Baumaterials, angestoßen durch eine definierte Bewegung des Teilformkörpers im Raum, unterstützt. Zum Beispiel kann der Aufnahmeraum zumindest abschnittsweise eine spiralartige (z. B. nach Art eines Schneckenhauskanals) und/oder wannenartige und/oder trichterartige Geometrie aufweisen, welche es ermöglicht durch eine definierte Bewegung des Teilformkörpers im Raum eine gezielte Verlagerung des im Aufnahmeraum befindlichen unverfestigten oder teilverfestigten Baumaterials zu erreichen. Auch kann der Aufnahmeraum alternativ oder zusätzlich wannenartige Abschnitte aufweisen, welche zumindest in einer Orientierung bzw. Ausrichtung des Teilformkörpers gemäß dem den Teilformkörper erzeugenden additiven Herstellungsverfahrens ein Rückhalten des unverfestigten oder teilverfestigten Baumaterials entgegen einer Schwerkrafteinwirkung ermöglicht.
Es ist möglich, dass zumindest ein Teil des in dem Aufnahmeraum (insbesondere unmittelbar nach dem ersten Verfestigungsschritt) befindlichen unverfestigten oder teilverfestigten Baumaterials aufgrund von in dem Aufnahmeraum wirkenden Druckverhältnissen, insbesondere eines Unterdrucks, in einem Teilbereich des Aufnahmeraums und/oder in einem Teilbereich des Volumens verbleibt und vor oder während des zweiten Verfestigungsprozesses die Druckverhältnisse, insbesondere der Unterdruck, verändert wird und aufgrund dessen zumindest teilweise, insbesondere sämtliches, unverfestigtes oder teilverfestigtes Baumaterial von einem ersten Teilbereich des Volumens in einen weiteren Teilbereich des Volumens gelangt. Die Druckverhältnisse können dabei z. B. zumindest teilweise, insbesondere vollständig, während des ersten Verfestigungsschritts erzeugt bzw. eingestellt werden. Insbesondere wird der Unterdruck in dem Aufnahmeraum im Zuge des ersten Verfestigungsschritts erzeugt. Dies kann z. B. dadurch erreicht werden, dass Hohlräume als Teilformkörper erzeugt werden, welche zur Umwelt bzw. zur Atomsphäre hin abgeschlossen sind und in welchen unverfestigtes oder teilverfestigtes Baumaterial aus dem ersten Verfestigungsschritt angeordnet sind. Es kann optional vorgesehen sein, dass die Druckverhältnisse während des additiven Fertigungsverfahrens, insbesondere die in einer Baukammer einer additiven Fertigungsvorrichtung herrschenden Druckverhältnisse, gezielt so eingestellt werden, dass sich in geschlossen ausgebildeten Aufnahmeräumen des Teilformkörpers sich ein definierter Druck, insbesondere ein Unterdruck, einstellt. Durch den Unterdruck kann z. B. ein schwerkraftbedingtes Herausfließen von in dem Aufnahmeraum während des ersten Verfestigungsschritts angeordneten unverfestigten oder teilverfestigten Baumaterial verhindert oder verlangsamt werden. Mit anderen Worten ermöglicht es der gezielt aufgebaute Unterdruck im Aufnahmeraum, dass ein Abfließen von in dem Aufnahmeraum befindlichen unverfestigten oder teilverfestigten Baumaterial verhindert wird.
Es ist möglich, dass zumindest der, insbesondere vermittels Polymerisation erfolgende, erste Verfestigungsschritt zur Verfestigung des Baumaterials zur Bildung eines Teilformkörpers im Zuge eines Digital Light Synthesis-Verfahrens (DLS), insbesondere eines Continuous Liquid Interface Production-Verfahrens (CLIP), und/oder eines Stereolithographieverfahrens (SLA) und/oder eines Digital Light Processing-Verfahrens (DLS) und/oder eines Binder Jetting-Verfahrens und/oder eines Multi-Jet Modeling Verfahrens (MJM) erfolgt. Damit können diese genannten additiven Fertigungsverfahren beispielsweise verwendet werden, um den Teilformkörper herzustellen. Das „Multi Jet Modeling“-Verfahren ist auch unter dem Begriff Polyjet-Modeling bekannt, hierbei wird ein Kunststoff oder Kunstharz, z. B. wachsähnliche Thermoplaste oder Hartwachse, verwendet. Vermittels eines Druckkopfs mit mehreren, insbesondere linear, angeordneten Düsen, wird hierbei schichtweise ein Aufbau eines Teilformkörpers ausgeführt.
So ist es beispielsweise möglich, für die Herstellung des Teilformkörpers das CLIP-Verfahren (Continuous Liquid Interface Production-Verfahren) anzuwenden. Dabei ist das Baumaterial in einem Baubehälter angeordnet, wobei der Baubehälter an seinem Bodenbereich einen transparenten und gasdurchlässigen Körper aufweist. Ein derartiger Körper kann beispielsweise als sogenanntes „permeables Window“ (permeables Fenster) bezeichnet werden. Die transparente Eigenschaft des permeablen Windows ermöglicht einen Durchtritt von beispielsweise UV-Licht und die gasdurchlässige Eigenschaft des permeablen Windows ermöglicht die Ausbildung eines Zwischenbereichs, in welchem das verfestigte Baumaterial nicht an dem permeablen Window selbst anhaftet. Dieser Zwischenbereich wird auch als „dead zone“ bezeichnet. Die transparente Eigenschaft des permeablen Windows ermöglicht es, dass eine Energiestrahlung, insbesondere eine UV-Strahlung, von unten auf die unterste Schicht des Baumaterials im Behälterinneren auftreffen kann und es zu einer bereichsweisen Verfestigung kommen kann. Dabei kann eine erste Schicht bzw. Lage des Baumaterials an einer, zwischen dieser Schicht und dem permeablen Window angeordneten und höhenverlagerbaren Bauplatte platziert sein. An der Bauplatte kann das verfestigte Baumaterial eine Verbindung eingehen bzw. haftet dort an. Danach wird die Bauplatte in eine von dem permeablen Window wegweisende Richtung verfahren, wobei sich der hierdurch ergebende Freiraum zwischen dem verfestigten, an der Bauplatte anhaftenden Baumaterial und dem permeablen Window, insbesondere schwerkraftbedingt, mit flüssigem Baumaterial füllt. Dieses nachfließende Baumaterial bildet die als nächstes zur bereichsabhängigen Verfestigung bereitgestellte Baumaterialschicht. Das in dem Baubehälter befindliche Baumaterial kann an seiner, insbesondere entgegen der Schwerkraft bzw. nach oben weisenden, Oberfläche bzw. an seinem dem permeablen Window entgegengesetzten freien Oberflächenbereich eine Trennschicht aufweisen. Diese oben auf dem unverfestigten Baumaterial schwimmende Trennschicht kann sich im Falle des Herausziehens des Teilformkörpers aus dem Baumaterialbad an die Oberfläche des Teilformkörpers zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig, anlegen und damit eine entsprechende Schicht an dem Teilformkörper ausbilden.
Der erste Verfestigungsschritt kann beispielsweise sämtliche Teilschritte zur Ausbildung eines Teilformkörpers im Zuge des additiven Fertigungsverfahrens und damit sämtliche Verfestigungshandlungen für jeweilige Baumaterialschichten des Teilformkörpers umfassen, insbesondere wird die geometrische Grundform durch den ersten Verfestigungsschritt, zumindest äußerlich, fixiert.
Die im ersten Verfestigungsschritt verwendete Energiestrahlung kann beispielsweise flächig und/oder linienartig und/oder punktartig auf das zu verfestigende Baumaterial bzw. das im Zuge des ersten Verfestigungsschritts verfestigt werdende Baumaterial auftreffen und dieses durch Energieeinwirkung, bevorzugt durch Polymerisation, besonders bevorzugt durch Photopolymerisation, gezielt bereichsabhängig verfestigen. Das im Zuge des ersten Verfestigungsschritts verfestigt werdende Baumaterial ist zumindest abschnittsweise und/oder zumindest teilweise, insbesondere vollständig, an seinen zu verfestigenden Bereichen durch Einwirkung bzw. durch Belichtung von UV-Strahlung bzw. eines UV-Strahls polymerisierbar, insbesondere photopolymerisierbar. Die UV-Strahlung wird durch eine Strahlungseinrichtung erzeugt und sukzessive und selektiv auf das zu verfestigende Baumaterial gelenkt bzw. gerichtet (z. B. durch bereichsweise Abdeckung der Lichtquelle). Durch eine gezielte und selektive Verfestigung des schichtweise bzw. lagenweise bereitgestellten Baumaterials vermittels dem UV-Strahl, kann schichtweise im Zuge des Verfestigungsschritts der formstabile Teilformkörper gebildet bzw. aufgebaut werden.
Während des ersten Verfestigungsschritt wird durch das verfestigte Baumaterial der Teilformkörper als geometrisch bestimmtes Element ausgebildet, wobei, insbesondere zumindest abschnittsweise, durch eine Energieeinbringung im Zuge des ersten Verfestigungsschritts ein unverfestigtes oder teilverfestigtes Baumaterial derart beeinflusst wird, dass diese seine Zähigkeits- und/oder Fließfähigkeitseigenschaften zumindest abschnittsweise verändert. Zum Beispiel kann durch definierte Energieeinbringung, insbesondere eine definierte Einbringung von UV-Strahlung, die Eigenschaften (z. B. Zähigkeitseigenschaften, Fließeigenschaften) des im ersten Verfestigungsschritt unverfestigten oder teilverfestigten Baumaterials verändert werden. Damit kann z. B. ein Abfließen oder ein Zurückhalten eines unverfestigten oder teilverfestigten Baumaterials in einem Aufnahmeraum des Teilformkörpers trotz Schwerkrafteinwirkung oder Trägheitskrafteinwirkung bei Verlagerung des Teilformkörpers zurückgehalten bzw. ortsfest gehalten werden.
Neben dem Verfahren zur additiven Herstellung eines Formkörpers betrifft die Erfindung auch einen Formkörper hergestellt durch ein hierin beschriebenes Verfahren. Der Formkörper kann z. B. ein Bauteil sein, das ein flexibles Element umfasst, zum Beispiel einen Rasthaken, welcher bei einer Montage mit einem Gegenrastelement eine definierte Auslenkung ausführt und zurückfedert. Alternativ oder zusätzlich kann der Formkörper bzw. das flexible Bauteil einen Bestandteil einer Steckverbindung ausbilden. Ein einen Rast- bzw. Schnapphaken umfassender oder als Steckverbinder ausgebildeter Formkörper kann während dessen Montage einem hohen Grad an Geometrieänderungen bzw. Dehnungen ausgesetzt sein. Durch die Erzeugung von gezielt gut dehnbaren bzw. elastischen Bereichen des Formkörpers durch entsprechende Auslegung der aus dem nach dem ersten Verfestigungsschritt unverfestigten oder teilverfestigten Baumaterial können vorteilhafte Formkörper erzeugt werden. Insbesondere kann aufgrund des Verfahrens ein Bauteil vorteilhaft hergestellt werden, dessen Schlagzäh-modifizierung an der Oberfläche vorteilhaft ausführbar ist. Alternativ oder zusätzlich kann vermittels dem unverfestigten oder teilverfestigten und erst im zweiten Verfestigungsschritt ausgehärteten Baumaterial eine elastische Schicht, insbesondere nahe der Oberfläche, ausgebildet werden, welche dem Bauteil die Oberfläche seine zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig, elastische Eigenschaft erzeugt oder verstärkt.
Der Formkörper kann z. B. als Exterieurbauteil verwendet werden. Die elastischen Eigenschaften können in diesem Fall bzgl. eines etwaigen Steinschlags o. Ä. vorteilhaft sein. Der Formkörper kann auch z. B. als Interieurbauteil und dabei insbesondere als ein Crash-relevantes Bauteil verwendet werden. Z. B. kann durch die Einbringung einer Gitterstruktur die Maßhaltigkeit des Bauteils positiv beeinflusst werden, als auch das Verhalten bei mechanischer Beanspruchung. Hierbei können beispielsweise die Wirkungen der Überlagerung der Gitterstruktur und der aufgrund des erst im zweiten Verfahrensschritt verfestigten Baumaterials vorteilhaft sein.
Der Formkörper kann beispielsweise auch eine Dichtfunktion erfüllen. Insbesondere kann das elastische Verhalten des Bauteils eine Dichtwirkung, z. B. einen Anpressdruck erwirken, und/oder eine Ausgleichwirkung für Fertigungstoleranzen im bestimmungsgemäßen Gebrauch des Bauteils bzw. des Formkörpers innehaben. Es kann beispielsweise eine Oberflächenvergrößerung zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig, an der Innenseite des Aufnahmeraums vorgesehen sein. Dies kann z. B. durch Hinterschnittbereiche ermöglicht werden, diese hätten den weiteren Vorteil, dass sich zudem eine Verstärkung der Verbindung aufgrund eines Umschließens der Hinterschnittbereiche (z. B. Formschluss) ergibt.
Neben dem Verfahren und den Formkörper betrifft die Erfindung auch eine Vorrichtung zur Ausführung eines hierin beschriebenen Verfahrens.
Sämtliche Vorteile, Einzelheiten, Ausführungen und/oder Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens sind auf den erfindungsgemäßen Formkörper und/oder auf die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens übertragbar bzw. anzuwenden.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:

1: eine schematische Prinzipdarstellung einer CLIP-Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2: einen schematischen Verfahrensablauf zur Herstellung eines Formkörpers gemäß einem Ausführungsbeispiel;
3 eine schematische Prinzipdarstellung eines Formkörpers im Endfertigungszustand gemäß einem Ausführungsbeispiel;
4 eine schematische Prinzipdarstellung zweier miteinander korrespondierender Formkörper gemäß einem Ausführungsbeispiel;
5 eine perspektivische Prinzipdarstellung eines Formkörpers mit einem geschlossenen Sollbruchbereich gemäß einem Ausführungsbeispiel;
6 eine perspektivische Prinzipdarstellung eines Formkörpers gemäß 5 mit einem geöffneten Sollbruchbereich;
7 eine perspektivische Prinzipdarstellung eines Formkörpers gemäß einem Ausführungsbeispiel;
8 eine perspektivische Prinzipdarstellung eines Formkörpers gemäß einem Ausführungsbeispiel mit einem im Detail dargestellten Detailbereich. Fertigteilzustand mit kenntlichgemachtem Teilformkörperbereich.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Herstellung eines Formkörpers 1, insbesondere eines Fahrzeugbauteils, das die folgende Verfahrensschritte umfasst:

(a) Ausführen eines ersten Verfestigungsschritts 101, in welchem sukzessiv, vorzugsweise schichtweise, durch selektive Verfestigung eines mittels einer aus einer Strahlungseinrichtung 9 ausgesendeten Energiestrahlung, insbesondere UV-Strahlung 6, verfestigbaren Baumaterials 2 ein mit zumindest einem Aufnahmeraum 4 zur Aufnahme eines Mediums 5 versehener Teilformkörpers 7 ausgebildet wird. Dabei sieht das Verfahren vor, dass ein im Zuge des ersten Verfestigungsschritts 101 unverfestigtes oder teilverfestigtes Baumaterial 2 in dem Aufnahmeraums 4 zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig, angeordnet wird. Mit anderen Worten verbleibt das im Zuge des Ausführens des ersten Verfestigungsschritts 101 unverfestigte oder teilverfestigte Baumaterial 2 als Medium 5 in dem Aufnahmeraum 4. Nach der Fertigstellung des Teilformkörpers 7 wird ein zweiter Verfestigungsschritt 102 ausgeführt, wobei das in den Aufnahmeraum 4 angeordnete oder ausgebildete, im Zuge des ersten Verfestigungsschritts 101 unverfestigte oder teilverfestigte Baumaterial 2 bzw. das Medium 5 und der Teilformkörper 7 bzw. das den Teilformkörper 7 ausbildende Baumaterial 2 mit Energie beaufschlagt werden, um wenigstens abschnittsweise zumindest eine Verfestigung des unverfestigten oder teilverfestigten Baumaterials 2 zu erwirken und damit den Formkörper 1 auszubilden, vgl. 2. Optional kann in einem Zwischenschritt 103 zwischen der Erzeugung des Teilformkörpers 7 im Zuge des ersten Verfestigungsschritts 101 und der Verfestigung des unverfestigten oder teilverfestigten Baumaterials 2 im Zuge des zweiten Verfestigungsschritts 102 eine definierte Bewegung des Teilformkörpers 7 und/oder ein Aufbrechen oder Unwirksamstellen eines Verschlussmittels (nicht dargestellt) zur Ausführung einer definierten Bewegung des im Aufnahmeraum 4 vorgehaltenen unverfestigten oder teilverfestigten Baumaterials zu erreichen.

Das in dem Aufnahmeraum 4 angeordnete unverfestigte oder teilverfestigte Baumaterial 2 bzw. das Medium 5 kann im Zuge des zweiten Verfestigungsschritts 102 mit thermischer Energie beaufschlagt werden, um eine Aushärtung dieses Baumaterials 2 zu erwirken. Hierzu kann der Teilformkörper 7 beispielsweise aus der additiven Fertigungsvorrichtung 15 entfernt und in eine Nachbehandlungsvorrichtung (nicht dargestellt) eingesetzt werden und innerhalb dieser mit thermischer Energie beaufschlagt werden. Beispielsweise kann die Nachbehandlungsvorrichtung beispielsweise als Ofen ausgebildet sein. Das in dem Aufnahmeraum 4 angeordnete und im Zuge des zweiten Verfestigungsschritts verfestigte Baumaterial 2 kann dabei einen Füllkörper 27, welcher den Aufnahmeraum 4 zumindest abschnittsweise ausfüllt ausbilden, vgl. 5 oder 6.
Das erste Baumaterial 2 kann beispielsweise vor oder während der Verfestigung vermittels eines Energiestrahls im Zuge des ersten Verfestigungsschritts 101 und/oder das oder ein weiteres Baumaterial 2 vor oder während der Verfestigung vermittels Energiebeaufschlagung im Zuge des zweiten Verfestigungsschritts 102 als flüssiges Baumaterial 2 vorliegen und im zweiten Verfestigungsschritt 102 verfestigt werden.
Das Baumaterial 2 kann alternativ oder zusätzlich während der Beaufschlagung mit Energie im Zuge des zweiten Verfestigungsschritts 102 wenigstens abschnittsweise eine zumindest temporäre festigkeits- und/oder sprödigkeitsreduzierende Beeinflussung erfahren. Hierbei kann es während der Eigenschaftsveränderung zu einer Ausbildung hin zu einer innigen Verbindung zwischen dem fertigten Baumaterial 2 bzw. dem Teilformkörper 7 und dem unverfestigten oder teilverfestigten Baumaterial 2 im Kontaktbereich der Baumaterialien 2 kommen. Beispielsweise ergibt sich ein zumindest abschnittsweises, insbesondere oberflächliches, Erweichen des im vorherigen Verfestigungsschritt 101 verfestigten, den Teilformkörper 7 ausbildenden, Baumaterials 2. In dem temporär erweichten Zustand dieses Baumaterials 2 kann eine innige Verbindung des im ersten Verfestigungsschritt 101 verfestigten Baumaterials 2 bzw. des Teilformkörpers 7 und dem in den Aufnahmeraum 4 angeordneten unverfestigten oder teilverfestigten Baumaterial 2 ergeben. Hierbei können beispielsweise erweichte Bereiche des den Teilformkörper 7 ausbildenden Baumaterials 2 zusammen mit dem in dem Aufnahmeraum 4 angeordneten unverfestigten oder teilverfestigten Baumaterial 2 im Zuge des zweiten Verfestigungsschritts 102 eine, beruhend auf einer thermischen Energieeinbringung erfolgende Aushärtung erfahren. Durch die thermische Beaufschlagung während des zweiten Verfestigungsschritts 102 wird eine Verdrängungsreaktion, auch Kettenverlängerungsreaktion genannt, eines Kettenverlängerers (Komponente B) mit Oligomeren (Komponente A) des Baumaterials 2 initiiert. Der Kettenverlängerer und die Oligomere bilden einen Bestandteil des Baumaterials 2 aus. An der Kontaktfläche von unverfestigten bzw. teilverfestigen Baumaterial 2 einerseits und verfestigtem Baumaterial 2 andererseits, findet diese Reaktion ebenfalls statt, wodurch Kettenverlängerer des verfestigten Baumaterials 2 bzw. des Teilformkörpers 7 mit Oligomeren des flüssigen bzw. unverfestigten oder teilverfestigten Baumaterials 2 und vice versa reagieren. Somit entstehen phasenübergreifende kovalente Bindungen. Die Bindung der Phasen kann durch weitere Bindungen wie beispielsweise Wasserstoffbrücken und Dipol-Dipol Wechselwirkungen oder Vander-Waals Bindungen zusätzlich verstärkt werden.
Zumindest das im ersten Verfestigungsschritt 101 verfestigte Baumaterial 2 und das in dem Aufnahmeraum 4 angeordnete unverfestigte oder teilverfestigte Baumaterial 2 können ähnliche oder identische physikalische und/oder chemische Eigenschaften oder Materialeigenschaften aufweisen. Mit anderen Worten ist das Ausgangsmaterial des Baumaterials 2 identisch und wird ggf. erst durch das Durchlaufen des ersten und/oder zweiten Verfestigungsschritts 101, 102 ggf. abschnittsweise verändert.
Das verfestigte, den Teilformkörper 7 bildende Baumaterial 2 und/oder das teilweise verfestigte bzw. teilverfestigte, das Medium 5 bildende Baumaterial 2 kann z. B. während der Beaufschlagung mit Energie im Zuge des zweiten Verfestigungsschritts 102 wenigstens abschnittsweise, insbesondere vollständig, eine zumindest temporäre festigkeits- und/oder sprödigkeitsreduzierende Beeinflussung erfahren. Als teilweise verfestigtes bzw. teilverfestigtes Baumaterial 2 ist auch ein Baumaterial 2 gemeint, das nach dessen Teilverfestigung im Zuge des ersten Verfestigungsschritts 101 in einem gelartigen Zustand vorliegt und/oder im Zuge des ersten Verfestigungsschritts 101 hinsichtlich seiner Viskosität zähflüssiger wird bzw. eine Erhöhung seiner Viskositätseigenschaft erfährt.
Es ist möglich, dass das Anordnen des unverfestigten oder teilverfestigten Baumaterials 2 in den Aufnahmeraum 4 zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig, durch ein Umbauen des unverfestigten oder teilverfestigten Baumaterials 2 mit einem eine Struktur des Teilformkörpers 7 bildenden verfestigten Baumaterial 2 im Zuge des ersten Verfestigungsschritts 101 erfolgt.
Es kann beispielsweise ein Teilformkörper 7 hergestellt werden, dessen Aufnahmeraum 4 zumindest abschnittsweise eine, insbesondere vollständig, offene oder geschlossene poröse oder gitterartige Struktur 14 aufweist. Bevorzugt weist der Aufnahmeraum 4 zumindest zu einer Innenfläche des Aufnahmeraums 4 hin eine zumindest abschnittsweise poröse oder gitterartige Struktur 14 auf, vgl. 6.
Es ist möglich, dass der Aufnahmeraum 4 des Teilformkörpers 7 eine offenzellige Struktur, insbesondere eine offenzellige Stütz- und/oder Gitterstruktur, aufweist, sodass das in dem Aufnahmeraum 4 befindliche unverfestigte oder teilverfestigte Baumaterial 2 in unterschiedliche Teilbereiche des Innenraums des Teilformkörpers 7 gelangen kann, vgl. 5 und 6.
In 3 wird ein als Dichtkörper ausgebildeter Formkörper 1 gezeigt, dessen inneres mit dem im Endfertigungszustand ein elastisches Verhalten aufweisenden unverfestigten oder teilverfestigten Baumaterial 2 ausgebildet ist. In 4 sind zwei additiv hergestellte Formkörper 1 ersichtlich, wobei das untere einen mit einer Gitterstruktur versehenen Aufnahmeraum 4 aufweist, aufgrund des mit dem unverfestigten oder teilverfestigten Baumaterial 2 verfüllten Aufnahmeraum 4 weist der Formkörper 1 eine notwendige Elastizität für die Ausbildung einer Clip-Verbindung der beiden Teile auf. 5 zeigt ein Interieurbauteil, das einerseits einen flächigen Aufnahmeraum 4 zur Ausbildung eines für den Crash-Fall Energie aufnehmende Eigenschaft aufweist und andererseits im Bereich eines Schnapphakens 20 einen schmalen Aufnahmeraum 4 zum Erreichen einer ausreichende Elastizität für den bestimmungsgemäßen Gebrauch des Schnapphakens 20 vorsieht. In 8 ist ein Formteilkörper 7 dargestellt, dessen Aufnahmeraum 4 eine Oberflächenvergrößerung durch wenigstens eine, beispielsweise pilzkopfartige, Hervorhebung 21 aufweisen. Dieses Erhöhen der Oberfläche bzw. der Kontaktfläche des Aufnahmeraums 4 mit dem in dem Aufnahmeraum 4 befindlichen unverfestigten oder teilverfestigten Baumaterial 2 kann die Verbindung positiv beeinflussen. Die dargestellten, beispielsweise pilzkopfartigen, Hervorhebungen 21 können durch einen Hinterschnittbereich 22 eine, insbesondere zusätzliche, Formschlusskomponente der Verbindung des Formteilkörper 7 mit dem unverfestigte oder teilverfestigte Baumaterials 2 erwirken.
Vor oder während des Ausführens des zweiten Verfestigungsschritts 102 kann beispielsweise eine in oder an einem Aufnahmeraum 4 im Zuge des ersten Verfestigungsschritts 101 aufgebaute Sollbruchstelle 13 aufgebrochen werden. Durch das Öffnen bzw. Aufbrechen der Sollbruchstelle 13 wurde ein im Aufnahmeraum 4 herrschender Unterdruck aufgehoben, sodass das im Aufnahmeraum 4 befindliche unverfestigte oder teilverfestigte Baumaterial 2 von einem ersten Teilbereich 28 des Teilformkörper 7 in einen weiteren Teilbereich 29 des Teilformkörpers 7 gelangen kann. Beispielsweise erfolgt nach Aufhebung des Unterdrucks im Aufnahmeraum 4 des Teilformkörpers 7 die Verlagerung des unverfestigte oder teilverfestigte Baumaterial 2 aufgrund von Schwerkrafteinwirkung und/oder aufgrund von auf dieses Baumaterial 2 wirkender Flieh- bzw. Trägheitskräfte.
Es ist möglich, dass die Sollbruchstelle 13 derart ausgebildet ist, dass sich diese im Zuge eines Ablösens bzw. eines Trennens des Teilformkörpers 7 von einer Bauplatte 19 mit löst. Z. B. ist die Sollbruchstelle 13 oder ein Verbindungselement (nicht dargestellt) derart mit der Bauplatte 19 verbunden, dass durch ein Abtrennen des Teilformkörper 7 von der Bauplatte 19 sich die Sollbruchstelle 13 öffnet bzw. aufreißt. So kann der in den 5 und 6 gezeigte Formteilkörper 7 über dessen Kontaktfläche 3 an einer Bauplatte 19 eines CLIP-Verfahrens angebunden sein. Sodass erst nach Lösen des Teilformkörpers 7 von der Bauplatte 19 sich der Unterdruck im ersten Teilbereich 28 des Aufnahmeraums 4 aufgehoben wird und folglich das unverfestigte oder teilverfestigte Baumaterial 2 in den weiteren Teilbereich 29 gelangen kann.
Vor oder während des zweiten Verfestigungsschritts 102 kann beispielsweise eine Verbindung 30 des Aufnahmeraums 4 zu einem weiteren durch den Teilformkörper 7 gebildeten Raum, z. B. eine Verbindung zweier Teilbereiche 28, 29 und/oder zu einer den Formkörper 1 umgebenden Atmosphäre 31 erzeugt bzw. geöffnet werden. In der in den 5 und 6 gezeigten Ausführungsform sind die beiden Teilbereiche 28, 29 des Innenraums des Teilformkörpers stets mit einer Verbindung 30 verbunden, jedoch wird das unverfestigte oder teilverfestigte Baumaterial 2 aufgrund der herrschenden Druckverhältnisse in dem ersten Teilbereich 28 zurückgehalten. Alternativ könnte in einer weiteren Ausführungsform (nicht dargestellt) ein Verschlussmittel (nicht dargestellt) an dem Ort des Pfeils 32 und damit an der Verbindung 30 der beiden Teilbereiche 28, 29 angeordnet oder ausgebildet sein und erst durch eine äußere Einwirkung wirkungslos bzw. aufgebrochen oder werden.
Ein die Verbindung 14 des Aufnahmeraums 4 mit einem weiteren, durch den Teilformkörper 7 gebildeten Raum und/oder mit einer den Formkörper 1 umgebenden Atmosphäre 31 verschließendes Verschlussmittel (nicht dargestellt), insbesondere ein einen Sollbruchbereich 13 umfassendes Verschlussmittel, kann beispielsweise im Zuge des ersten Verfestigungsschritts 101 erzeugt werden.
Durch das Öffnen bzw. Erzeugen einer Verbindung 30 des Aufnahmeraums 4 zu einem weiteren, durch den Teilformkörper 7 gebildeten Raum und/oder zu einer das Bauteil umgebenden Atmosphäre 31 kann beispielsweise ein Druckwert im Inneren des Aufnahmeraums 4 sich verändern. Insbesondere wird ein im Inneren des Aufnahmeraums 4 wirkender Unterdruck durch das Öffnen bzw. das Erzeugen einer Verbindung 30 reduziert oder aufgehoben, vgl. 5 und 6. Hierbei ist der weitere Teilbereich 7 gegenüber der Atmosphäre 31 über wenigstens einen Durchbruch 33 verbunden, derart dass ein Druckausgleich zwischen dem weiteren Teilbereich 28 und der Atmosphäre 31 ermöglicht wird. Dieser wenigstens eine Durchbruch 33 kann beispielsweise im Zuge des ersten Verfestigungsschritts 101 an dem Teilformkörper 7 ausgebildet werden. Alternativ kann wenigstens ein Durchbruch 33 zur Verbindung des weiteren Teilbereichs 29 mit der Atmosphäre vermittels eines abtragenden Verfahrens nach der Erzeugung des Teilformkörpers 7 im Zuge des ersten Verfestigungsschritts 101 eingebracht werden.
Nach dem ersten Verfestigungsschritt 101 und vor und/oder während dem zweiten Verfestigungsschritt 102 kann beispielsweise zumindest ein Teil des in dem Aufnahmeraum 4 befindlichen unverfestigten oder teilverfestigten Baumaterials 2 von einem ersten Teilinnenraum des Aufnahmeraums 4 zu einem weiteren Teilinnenraum des Aufnahmeraums 4 oder zu einem mit dem Aufnahmeraum 4 verbundenen Raum des Formteilkörpers 7 bewegt werden.
Bevorzugt wird im Zuge des zweiten Verfestigungsschritts 102 das unverfestigte oder teilverfestigte Baumaterial 2 in oder an dem weiteren Teilinnenraum bzw. einem zweiten Teilbereich 29 verfestigt bzw. ortsfest in oder an dem Teilinnenraum bzw. einem zweiten Teilbereich 29 form- und/oder stoffschlüssig verbunden.
In 1 ist beispielhaft eine additive Fertigungsvorrichtung 15 dargestellt, welche vermittels eines CLIP-Verfahrens einen Formkörpers 1 ausbildet. Neben dem CLIP-Verfahren kann das erfindungsgemäße Verfahren auch auf andere additive Aufbauverfahren (nicht dargestellt), welche ein flüssiges, gelartiges oder pulverförmiges Baumaterial 2 verwenden, angewandt werden. Das CLIP-Verfahren kann es vorsehen, dass in dem ersten Verfestigungsschritt 101, insbesondere in einem Polymerisationsschritt, ein unter Energieeinwirkung, insbesondere unter UV-Strahlungs-Einwirkung, verfestigbares bzw. verfestigendes erstes Baumaterial 2 sukzessiv, vorzugsweise schichtweise, selektiv mittels einer aus einer Strahlungseinrichtung 9 ausgesendeten Energiestrahlung, insbesondere einer UV-Strahlung 6 bzw. Lichtstrahlung, zur Ausbildung des Teilformkörper 7 verfestigt wird.
Allgemein kann als additives Fertigungsverfahren zur Ausführung des ersten Verfestigungsschritts 101 und damit zur Herstellung des Teilformkörpers 7 ein Digital Light Synthesis-Verfahrens (DLS), insbesondere ein Continuous Liquid Interface Production-Verfahren (CLIP), und/oder ein Stereolithographieverfahren (SLA) und/oder ein Digital Light Processing-Verfahren (DLP) und/oder ein Binder Jetting-Verfahren und/oder ein Muli-Jet Modeling (MJM)-Verfahren eingesetzt werden.
Die dargestellte additive (CLIP-)Fertigungsvorrichtung 15 kann einen, vorzugsweise optional lösbar, in der additiven Fertigungsvorrichtung 15 befestigten bzw. befestigbaren Baubehälter 8 aufweisen, wobei der Baubehälter 8 mit einem flüssigen, insbesondere aus Kunststoff und/oder aus Kunstharz bestehenden, Baumaterial 2 gefüllt ist. Der Boden 10 des Behälters 8 ist licht- und gasdurchlässig, bzw. mit einem licht- und gasdurchlässigen Körper 11 - auch als permeables Window bezeichnet - versehen, so dass die Energiestrahlung, insbesondere die UV-Strahlung 6, den Boden 10 des Baubehälters 8 durchdringen und in einem Zwischenbereich 12 - auch als „dead zone“ bezeichnet - auftreffen bzw. in einen Zwischenbereich 12 gelangen und das dort befindliche Baumaterial 2 bereichsabhängig verfestigen kann. Der licht- und gasdurchlässige Körper 11 ermöglicht das Durchtreten von Energiestrahlung, insbesondere UV-Strahlung 6, und eines Gasmediums (nicht dargestellt). Die UV-Strahlung 6 gelangt zu dem Baumaterial 2 und härtet dieses selektiv bereichsabhängig aus, das Gasmedium gelangt an das Baumaterial 2 und verhindert ein Anhaften des Baumaterials 2 an den Boden 10 des Baubehälters 8 und trägt damit zur Funktionsweise des Zwischenbereichs 12 bei. Die UV-Strahlung 6 tritt aus der Strahlungseinrichtung 9 bzw. einer Lichtquelle aus und wird von einer wenigstens zwei Spiegelelemente 16, 16' aufweisenden Spiegelvorrichtung 17 derart abgelenkt, dass die UV-Strahlung 6 in dem Zwischenbereich 12 selektiv bereichsabhängig, beispielsweise auch zumindest abschnittsweise flächig, auftrifft, wobei die Intensität und/oder Belichtungszeit der UV-Strahlung 6 innerhalb der Auftrefffläche im Zwischenbereich 12 unterschiedlich sein kann bzw. gezielt steuerbar ist. Damit kann im Zwischenbereich 12 ein verfestigter Teilformkörper 7, insbesondere mit bereichsabhängig (abhängig von z. B. der Intensität der UV-Strahlung 6) unterschiedlichen Materialeigenschaften, ausgebildet werden.
Die Intensität und/oder Belichtungszeit der UV-Strahlung 6 wird beispielsweise durch eine Ansteuerung (a) der, insbesondere frequenziell, sich bewegenden Spiegelelementen 16, 16' einer Spiegelvorrichtung 17 und/oder (b) der Strahlungseinrichtung 9 eingestellt. Als Strahlungseinrichtung 9 kann beispielsweise wenigstens eine UV-LED-Lichtquelle verwendet werden. Die Spiegelvorrichtung 17 kann beispielsweise als Mikrospiegelarray ausgebildet sein.
Die im ersten Baumaterial 2 befindlichen Photo-Initiatoren lösen aufgrund der energetischen Einwirkung der UV-Strahlung 6 eine radikale Polymerisation aus, bei der Monomere durch eine Kettenspaltung der Doppelbindung zu Polymeren heranwachsen. Das Baumaterial 2 härtet entlang der belichteten Fläche aus. Dabei entsteht eine Verbindung zu einer höhenverlagerbaren (vgl. Pfeil 18) Bauplattform bzw. Bauplatte 19, die sich sukzessive bzw. kontinuierlich durch Einwirkung von einem Aktor (nicht dargestellt), um eine Schichthöhe nach oben (also von der Strahlungseinrichtung 9 weg) bewegt, um einen Raum für nachfließendes und bereichsabhängig zu verfestigendes Baumaterial 2 zu bilden. Bei dem CLIP-Verfahren bleiben i. d. R. der Zwischenbereich 12 bzw. der der UV-Strahlung 6 zugewandte Bereich des Formkörpers 1 und der Boden 10 des Baubehälters 8 während des Aufbauprozesses stets mit flüssigem Baumaterial 2 bedeckt (mit Ausnahme beim Nachlaufen des, einen Freiraum unterhalb der hochgezogenen Bauplatte 19 bzw. unterhalb des hochgezogenen Formkörpers 1 ausfüllenden flüssigen Baumaterials 2), das durch die UV-Strahlung 6 wiederum verfestigt werden kann. Durch mehrfaches Wiederholen dieses Vorgangs entsteht sukzessive ein schichtartig aufgebauter Teilformkörper 7. Nachdem die gewünschte Form des Teilformkörpers 7 durch dieses Verfahren erreicht wurde, wird der Formkörper 1 gänzlich aus dem Bad des flüssigen Baumaterials 2 bzw. aus dem mit flüssigem Baumaterial 2 gefüllten Behälter 8, insbesondere Kunstharzes, herausgefahren und schließlich von der Bauplatte 19 getrennt bzw. gelöst.
Neben dem Verfahren betrifft die Erfindung einen Formkörper 1, insbesondere ein Fahrzeugbauteil, hergestellt in einem hierin beschriebenen Verfahren und eine Vorrichtung umfassend eine additive Fertigungsvorrichtung 15 zur Herstellung eines Formkörpers 1 unter Ausführung eines hierin beschriebenen Verfahrens.
Bezugszeichenliste

1: Formkörper
2: Baumaterial
3: Kontaktfläche
4: Aufnahmeraum
5: Medium
6: UV-Strahlung
7: Teilformkörper
8: Baubehälter
9: Strahlungseinrichtung
10: Boden
11: gasdurchlässiger Körper
12: Zwischenbereich
13: Sollbruchstelle
14: gitterartige Struktur
15: additive Fertigungsvorrichtung
16, 16': Spiegelelemente
17: Spiegelvorrichtung
18: Pfeil
19: Bauplatte
20: Schnapphaken
21: Hervorhebung
22: Hinterschnittbereich
27: Füllkörper
28: erster Teilbereich von 7
29: zweiter Teilbereich von 7
30: Verbindung von 28 und 29
31: Atmosphäre
32: Pfeil
101: erster Verfestigungsschritt
102: zweiter Verfestigungsschritt

Claims

Verfahren zur additiven Herstellung eines Formkörpers (1), insbesondere eines Fahrzeugbauteils, umfassend folgende Verfahrensschritte: - Ausführen eines ersten Verfestigungsschritts (101), in welchem sukzessiv, vorzugsweise schichtweise, durch selektive Verfestigung eines mittels einer aus einer Strahlungseinrichtung (9) ausgesendeten Energiestrahlung, verfestigbaren Baumaterials (2) ein mit zumindest einem Aufnahmeraum (4) zur Aufnahme eines Mediums (5) versehener Teilformkörpers (7) ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass - im Zuge des Ausführens des ersten Verfestigungsschritts (101) unverfestigtes oder teilverfestigtes Baumaterial (2) als Medium (5) in dem Aufnahmeraum (4) zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig, angeordnet wird, wobei - in einem zweiten Verfestigungsschritts (102) das in dem Aufnahmeraum (4) angeordnete, ein unverfestigtes oder teilverfestigtes Baumaterial (2) umfassende Medium (5) und der Teilformkörper (7) mit Energie beaufschlagt werden, um wenigstens abschnittsweise zumindest eine Festigkeitssteigerung, insbesondere eine Aushärtung, zumindest des unverfestigten oder teilverfestigten Baumaterials (2) zu erwirken und den Formkörper (1) auszubilden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Zuge des zweiten Verfestigungsschritts das in dem Aufnahmeraum (4) angeordnete unverfestigte oder teilverfestigte Baumaterial (2) mit thermischer Energie beaufschlagt wird, um eine Festigkeitssteigerung und/oder Steifigkeitssteigerung, insbesondere eine Aushärtung, zu erwirken.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass - das Baumaterial (2) vor oder während der Verfestigung vermittels eines Energiestrahls im Zuge des ersten Verfestigungsschritts (101) und/oder - das in dem Aufnahmeraum (4) angeordnete verfestigte oder unverfestigte Baumaterial (2) zumindest abschnittsweise vor oder während der Verfestigung vermittels Energiebeaufschlagung im Zuge des zweiten Verfestigungsschritts (102) als flüssiges oder gelartiges bzw. viskoelastisches Baumaterial (2) vorliegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das verfestigte, den Teilformkörper (7) bildende Baumaterial (2) und das teilverfestige, das Medium (5) bildende Baumaterial (2) während der Beaufschlagung mit Energie im Zuge des zweiten Verfestigungsschritts (102) wenigstens abschnittsweise, insbesondere vollständig, eine zumindest temporäre festigkeits- und/oder sprödigkeitsreduzierende Beeinflussung erfährt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anordnen des unverfestigten oder teilverfestigten Baumaterials (2) in den Aufnahmeraum (4) zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig, durch ein Umbauen des unverfestigten oder teilverfestigten Baumaterials (2) mit einem eine Struktur des Teilformkörpers (7) bildenden verfestigten Baumaterial (2) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teilformkörper (7) hergestellt wird, dessen Aufnahmeraum (4) zumindest abschnittsweise eine, insbesondere vollständig offene oder geschlossene, poröse oder gitterartige Struktur (14) aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor oder während des Ausführens des zweiten Verfestigungsschritts (102) eine in oder an einem Aufnahmeraum (4) im Zuge des ersten Verfestigungsschritts (101) aufgebaute Sollbruchstelle (13) aufgebrochen wird, insbesondere wird die Sollbruchstelle (13) im Zuge des ersten Verfestigungsschritts (101) erzeugt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor oder während des zweiten Verfestigungsschritts (102) eine Verbindung (30) des Aufnahmeraums (4) zu einem weiteren durch den Teilformkörper (7) gebildeten Raum und/oder zu einer den Formkörper (1) umgebenden Atmosphäre (31) erzeugt bzw. geöffnet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein die Verbindung des Aufnahmeraums (4) mit einem weiteren, durch den Teilformkörper (7) gebildeten Raum und/oder mit einer den Formkörper (1) umgebenden Atmosphäre (31) verschließendes Verschlussmittel im Zuge des ersten Verfestigungsschritts (101) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Öffnen bzw. Erzeugen einer Verbindung des Aufnahmeraums (4) zu einem weiteren, durch den Teilformkörper (7) gebildeten Raum und/oder zu einer den Teilformkörper (7) umgebenden Atmosphäre (31) ein Druckwert im Inneren des Aufnahmeraums (4) sich verändert, insbesondere wird ein im Inneren des Aufnahmeraums (4) wirkender Unterdruck durch das Öffnen bzw. das Erzeugen einer Verbindung reduziert oder aufgehoben.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem ersten Verfestigungsschritt (101) und vor und/oder während dem zweiten Verfestigungsschritt (102) zumindest ein Teil des in dem Aufnahmeraum (4) befindlichen unverfestigten oder teilverfestigten Baumaterials (2) von einem ersten Teilinnenraum des Aufnahmeraums (4) zu einem weiteren Teilinnenraum des Aufnahmeraums (4) oder zu einem mit dem Aufnahmeraum (4) verbundenen Raum des Formteilkörpers (7) bewegt wird, bevorzugt wird im Zuge des zweiten Verfestigungsschritts (102) das unverfestigte oder teilverfestigte Baumaterial (2) in oder an dem weiteren Teilinnenraum und/oder in oder an dem mit dem Aufnahmeraum (4) verbundenen Raum des Formteilkörper (7) verfestigt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des in dem Aufnahmeraum (4) befindlichen unverfestigten oder teilverfestigten Baumaterials (2) aufgrund von in dem Aufnahmeraum (4) wirkender Druckverhältnissen, insbesondere eines Unterdrucks, in einem ersten Teilbereich (28) des Aufnahmeraums (4) verbleibt und vor oder während des zweiten Verfestigungsschritts (102) die Druckverhältnisse, insbesondere der Unterdruck, derart verändert wird, dass zumindest teilweise, insbesondere sämtliches, unverfestigtes oder teilverfestigtes Baumaterial (2) von einem ersten Teilbereich (28) des Teilformkörper (7) in einen weiteren Teilbereich (29) des Teilformkörper (7) gelangt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der, insbesondere vermittels Polymerisation erfolgende, erste Verfestigungsschritt (101) zur Verfestigung des Baumaterials (2) zur Bildung eines Teilformkörpers (7) im Zuge eines Digital Light Synthesis-Verfahrens (DLS), insbesondere eines Continuous Liquid Interface Production-Verfahrens (CLIP), und/oder eines Stereolithographieverfahrens (SLA) und/oder eines Digital Light Processing-Verfahrens (DLP) und/oder eines Binder Jetting-Verfahrens und/oder eines Muli-Jet Modeling (MJM)-Verfahrens erfolgt.
Formkörper (1), insbesondere Fahrzeugbauteil, hergestellt in einem Verfahren nach Anspruch 1 bis 13.
Vorrichtung zur Herstellung eines Formkörpers (1) unter Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13.