DE102021000665A1

DE102021000665A1 - Verfahren zur additiven Fertigung eines Bauteiles

Info

Publication number: DE102021000665A1
Application number: DE102021000665.8A
Authority: DE
Inventors: Bernd Schietinger; Jürgen Weber
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2021-02-09
Filing date: 2021-02-09
Publication date: 2021-03-25

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Fertigung eines Bauteiles, bei welchem ein Zusatzkörper (9) an bzw. in einem Grundkörper (3, 15) angebracht wird. Bei einem Verfahren zur additiven Fertigung eines Bauteiles wird der eine Codierung zur eindeutigen Kennzeichnung des Bauteils (1, 13) und/oder hartmagnetische Eigenschaften und/oder eine Faser- oder Drahtform zur Erhöhung einer mechanischen Stabilisierung des Bauteils (1) aufweisende Zusatzkörper (9) an bzw. in den Grundkörper (3, 15) angebracht, indem der Zusatzkörper (9) vollständig oder teilweise vom additiv gefertigten Material umschlossen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Fertigung eines Bauteiles, bei welchem ein Zusatzkörper an einem Grundkörper angebracht wird.
Die DE 10 2013 217 825 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteiles, bei welchem ein Einlegeteil an einem Grundkörper befestigt wird, indem auf Abschnitte des Einlegeteiles mittels eines 3D-Druckers ein Klebstoff aufgebracht wird. Dabei werden die Abschnitte des Einlegeteiles formschlüssig mit dem Kunststoff umdruckt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur additiven Fertigung eines Bauteiles anzugeben, welche die beschriebene Lösung verbessert.
Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, sowie der Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren dargestellt sind.
Die Aufgabe ist mit einem eingangs beschriebenen Verfahren dadurch gelöst, dass der eine Codierung zur eindeutigen Kennzeichnung des Bauteils und/oder hartmagnetische Eigenschaften und/oder eine Faser- oder Drahtform zur Erhöhung einer mechanischen Stabilisierung des Bauteils aufweisende Zusatzkörper in den Grundkörper eingebracht wird, indem der Zusatzkörper vollständig oder teilweise vom additiv gefertigten Material umschlossen wird. Der Zusatzkörper ist somit dauerhaft mit dem Grundkörper verbunden und kann nur durch Zerstörung von diesem entfernt werden. Dadurch wird die Codierung zuverlässig an das Bauteil gekoppelt, welches somit immer zuverlässig identifizierbar ist. Durch Einlagerung von Keramik- oder Kohlenstofffasern bzw. Drähten aus hochfestem Stahl kann die mechanische Stabilität des Bauteils verbessert werden. Durch die hartmagnetischen Eigenschaften des Zusatzkörpers wird eine magnetische Halterung des additiv gefertigten Bauteils, welches insbesondere nicht ferromagnetisch ist, ermöglicht. Somit können die Eigenschaften des herzustellenden Bauteils einfach variiert werden.
Vorteilhafterweise wird als additives Fertigungsverfahren ein pulverbasiertes Verfahren, insbesondere eine 3D-Druckverfahren, verwendet. Ein solches Fertigungsverfahren ist hinreichend bekannt und daher kostengünstig anwendbar. Der additive Fertigungsprozess kann alternativ aber auch durch andere Verfahren realisiert werden. Dazu gehören selektives Laserschmelzen, selektives Lasersintern, selektives Elektronenstrahlsintern, selektives Elektronenstrahlschmelzen, additives Fertigen mittels LED-Technologie, Pulverauftragsschweißen und Drahtauftragsschweißen. Insbesondere ist vorgesehen, mit Hilfe des additiven Verfahrens ein überwiegend metallisches oder überwiegend keramisches Bauteil herzustellen, in das der Zusatzkörper eingebracht wird.
In einer Ausgestaltung wird als Grundkörper ein additiv gefertigter Körper verwendet, auf welchem mindestens eine Schichtlage eines additiv gefertigten Materials aufgebracht wird, wobei durch ein partielles Umschmelzen der Schichtlage eine Ausnehmung zur Aufnahme des Zusatzkörpers erzeugt wird und nach Einlegen des Zusatzkörpers zur Abdeckung der Ausnehmung mindestens eine weitere Schichtlage des additivgefertigten Materials erzeugt wird, und die weitere Schichtlage partiell oder vollständig umschmolzen wird und anschließend die additive Fertigung des Grundkörpers fortgesetzt wird. Da der die Codierung tragende Zusatzkörper von außen nicht sichtbar ist, wird die Herstellung und der Vertrieb von fälschungssicheren Bauteilen ermöglicht Dadurch werden finanzielle Verluste durch eine unerlaubte Bauteilvervielfältigung unterbunden.
In einer Ausführungsform wird das Aufbringen einer weiteren Schichtlage des additiv gefertigten Materials und deren partielles Umschmelzen zur Vergrößerung der Ausnehmung wiederholt. Dadurch kann die Größe der Ausnehmung an die Größe des einzubringenden Zusatzkörpers angepasst werden.
In einer Variante wird als Grundkörper ein eine Ausnehmung aufweisender Körper verwendet, auf welchem nach Einbringen des Zusatzkörpers mindestens eine Schichtlage eines additiv gefertigten Materials zur Abdeckung der Ausnehmung aufgebracht wird, und diese Schichtlage partiell oder vollständig umschmolzen wird und anschließend die additive Fertigung eines Bauteilbereiches fortgesetzt wird. Auch diese Ausführung erschwert die Herstellung von Plagiaten.
Es ist von Vorteil, wenn ein in der Ausnehmung verbleibendes, nichtanhaftendes additives Material vor Einbringen des Zusatzkörpers entfernt wird. Dadurch werden Verunreinigungen der Codierung des Zusatzkörpers unterbunden und die zuverlässige Lesbarkeit der Codierung gewährleistet.
In einer weiteren Ausgestaltung wird nach dem Einbringen des Zusatzkörpers in die Ausnehmung diese vor Aufbringen einer weiteren Schichtlage aus additiv gefertigtem Material mit einem Füllstoff, insbesondere von Pulvermaterial aufgefüllt. Dadurch wird die Position des Zusatzkörpers in der Ausnehmung fixiert, so dass die Codierung immer in eine vorab definierte Richtung weist und einfach lokalisiert werden kann.
In einer weiteren Variante wird der Zusatzkörper nach Einbringen in die Ausnehmung in dieser zumindest lokal angeschmolzen. Dadurch erfolgt eine besonders zuverlässige Fixierung des Zusatzkörpers in der gewünschten Position.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der - gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnung - zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Beschriebene und/oder bildlich dargestellte Merkmale können für sich oder in beliebiger, sinnvoller Kombination den Gegenstand der Erfindung bilden, gegebenenfalls auch unabhängig von den Ansprüchen, und können insbesondere zusätzlich auch Gegenstand einer oder mehrerer separater Anmeldung/en sein. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Es zeigen:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.
3 Ausführungsbeispiele der mit den erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Bauteile
4 weitere Ausführungsbeispiele der mit den erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Bauteile.

In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, bei welchem ein Bauteil 1 mit einem Pulverschichtverfahren in 3D-Druck hergestellt wird. Grundlage des Verfahrens bildet ein in einem additiven Verfahren vollständig hergestellter Grundkörper 3, der eine oder mehrere gedruckte Schichten 4 aufweist (1a). Auf diesen Grundkörper 3 wird in 1b eine Pulverschicht 5 aufgedruckt. Im sich anschließenden Schritt (1c) erfolgt ein partielles Umschmelzen der aufgedruckten Pulverschicht 4, wobei eine Ausnehmung 7 in der aufgedruckten Pulverschicht 4 gebildet wird. Durch ein mehrmaliges Wiederholen des Auftragens einer weiteren Pulverschicht 5 und des partiellen Umschmelzens dieser wächst der Grundkörper 3 an und die Ausnehmung 7 wird vergrößert. (1d und 1e). Danach wird in 1f das nach der additiven Fertigung verbleidende, nicht anhaftende Pulver aus der Ausnehmung 7 entfernt. Dies kann durch Absaugen, Ausblasen und ähnliches erfolgen. Danach ist die Herstellung der lokalen Ausnehmung 7 in dem Grundkörper 3 abgeschlossen.
Gemäß 1g wird in die Ausnehmung 7 ein Zusatzkörper 9 eingebracht und anschließend werden die Bereiche der Ausnehmung 7, die nicht von dem Zusatzkörper 9 abgedeckt sind, optional mit dem Pulver für die additive Fertigung oder anderen Füllstoffen aufgefüllt (1h). Danach wird eine weitere Pulverschicht 11 aufgebracht, die mindestens die Ausnehmung 7 vollständig abdeckt (1j), die gemäß 1k partiell oder vollständig verschmolzen wird, wobei optional gleichzeitig der Zusatzkörper 9 zur Befestigung lokal an dem Grundkörper 3 angeschmolzen werden kann. Das Auftragen weiterer Pulverschichten und deren lokales Umschmelzen kann beliebig häufig wiederholt werden. Der Zusatzkörper 9 ist nun integrierter Bestandteil des Bauteils 1. Je nach zu erstellendem Bauteil kann der 3D-Druckvorgang nun beliebig fortgeführt werden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in 2 gezeigt, bei welchem zur Herstellung eines Hybridbauteils 13 ein Grundkörper 15 verwendet wird, welcher bereits eine Ausnehmung 17 aufweist (2a). Der Grundkörper 15 kann beispielswiese ein Gussbauteil, ein Schmiedebauteil oder ein Bauteil, das durch zerspanende Fertigung entstanden ist, sein. In die Ausnehmung 17 wird gemäß 2b zunächst der Zusatzkörper 9 eingesetzt. Anschließend erfolgt die Befüllung der von dem Zusatzkörper 9 nicht abgedeckten Bereiche 23 der Ausnehmung 17 durch gezieltes Einbringen eines Füllstoffes, beispielsweise des additiven Materials in Form von Pulver (2c). Nach Einbringen des Zusatzkörpers 9 und dem optionalen Ausfüllen der von der Ausnehmung 17 nicht abgedeckten Bereiche 23 mit einem Füllstoff wird in 2d eine Pulverschicht 19 auf den Grundkörper 15 aufgebracht, welche zumindest die Ausnehmung 17 abdeckt. Danach erfolgt ein partielles oder vollständiges Umschmelzen der gedruckten Pulverschicht 20 (2e), wobei der Zusatzkörper 9 in der Ausnehmung 17 lokal angeschmolzen werden kann. Das Auftragen weiterer Pulverschichten und deren lokales Umschmelzen kann beliebig häufig wiederholt werden. Je nach zu erstellenden Bauteil kann der 3D-Druckvorgang nun beliebig fortgeführt werden.
Die vollständig oder abschnittsweise additiv gefertigten Bauteile können auch durch entfernen von Hilfs- und Stützstrukturen, Wärmebehandlung, Nachverdichtung oder mechanische Nachbearbeitung durch z. B. spanende bzw. spanlose Fertigungsverfahren nachbehandelt sein.
Der Zusatzkörper 9 kann eine Codierung umfassen, mit welcher das gefertigte Bauteil 1 zuverlässig identifiziert werden kann. Genauso ist es möglich, den Zusatzkörper 9 alternativ oder zusätzlich in Form von Keramikfasern, Kohlenstofffasern oder hochfesten Drähten zu verwenden, um dem Bauteil 1 eine erhöhte mechanische Stabilität zu verleihen. Des Weiteren kann der Zusatzkörper 9 teilweise oder vollständig aus einem hartmagnetischen Werkstoff bestehen. Der im Bauteil 1 eingelagerte Zusatzkörper 9 wirkt in diesem Fall als „magnetische Halterung“.
In 3 und 4 sind verschiedene Ausführungsbeispiele der mit den erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Bauteile dargestellt. 3a bis 3d zeigen drei mögliche Ausgestaltungen des Bauteils 1, welches mit dem im Zusammenhang mit 1 beschriebenen Verfahren hergestellt werden können. Der Zusatzkörper 9 ist jeweils innerhalb des ausschließlich mit dem additiven Verfahren vollständig hergestellten Bauteil 1 vollständig eingeschlossen, wobei sich gemäß 3a der Zusatzkörper in dem aus der Ausnehmung 7 gebildeten innenliegenden Raum 21 befindet, welcher den Zusatzkörper 9 beabstandet umgibt. Im Unterschied dazu sind in 3b die freiliegenden Bereiche 23 des innenliegenden Raumes 21, welche nicht von dem lose eingebrachten Zusatzkörper 9 bedeckt werden, von den im additiven Fertigungsprozess nicht angeschmolzenen Materialresten, beispielsweise von durch den 3D-Druckprozess nicht aufgeschmolzenen Pulverresten und/oder Stützstrukturen 27 umgeben. In 3c ist der Zusatzkörper 9 formschlüssig und/oder stoffschlüssig und/oder kraftschlüssig während des additiven Verfahrens in das Bauteil 1 eingebracht. Im Falle einer stoffschlüssigen Verbindung ist der Zusatzkörper 9 durch den additiven Fertigungsprozess zumindest lokal angeschmolzen und hat sich nach dem Erstarren mit der umgebenden additiv gefertigten Matrix verbunden. Gemäß 3d ist der Zusatzkörper 9 teilweise von dem additiv hergestellten Bauteil 1 umschlossen.
Weitere Ausführungsbeispiele des Bauteils 1, welche mit den im Zusammenhang mit 2 erläuterten Verfahrensschritten hergestellt werden können, sind in 4 gezeigt. 4a zeigt ein Hybridbauteil 13, welches aus dem Grundkörper 15 besteht, der beispielsweise durch Gießen, Schmieden, Umformung oder zerspannende Fertigung, hergestellt wurde und auf dem ein additiv hergestellter Bauteilbereich 25 aufgebracht ist, welches den Zusatzkörper 9 enthält. Gemäß 4b ist der Zusatzkörper 9 in die Ausnehmung 17 des Grundkörpers 15 eingebracht und befindet sich in einem Kontaktbereich zwischen dem Grundkörper 15 und dem additiv gefertigten Bauteilbereich 25.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013217825 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur additiven Fertigung eines Bauteiles, bei welchem ein Zusatzkörper (9) an bzw. in einem Grundkörper (3, 15) angebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass der eine Codierung zur eindeutigen Kennzeichnung des Bauteils (1, 13) und/oder hartmagnetische Eigenschaften und/oder eine Faser- oder Drahtform zur Erhöhung einer mechanischen Stabilisierung des Bauteils (1) aufweisende Zusatzkörper (9) an bzw. in den Grundkörper (3, 15) angebracht wird, indem der Zusatzkörper (9) vollständig oder teilweise vom additiv gefertigten Material umschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass als additives Fertigungsverfahren ein pulverbasiertes Verfahren, insbesondere ein 3D-Druckverfahren, verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Grundkörper ein additiv gefertigter Körper (3) verwendet wird, auf welchem mindestens eine Schichtlage (4) eines additiv gefertigten Materials aufgebracht wird, wobei durch ein partielles Umschmelzen der Schichtlage (4) eine Ausnehmung (7) zur Aufnahme des Zusatzkörpers (9) erzeugt wird und nach Einlegen des Zusatzkörpers (9) zur Abdeckung der Ausnehmung (7) mindestens eine weitere Schichtlage (11) des additivgefertigten Materials erzeugt wird, und die weitere Schichtlage (11) partiell oder vollständig umschmolzen wird und anschließend die additive Fertigung des Grundkörpers (3) fortgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen einer weiteren Schichtlage (11) des additiv gefertigten Materials und deren partielles Umschmelzen zur Vergrößerung der Ausnehmung (7) wiederholt wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Grundkörper ein eine Ausnehmung (17) aufweisender Körper (15) verwendet wird, auf welchem nach Einbringen des Zusatzkörpers (9) mindestens eine Schichtlage (20) des additiv gefertigten Materials zur Abdeckung der Ausnehmung (17) aufgebracht wird, und diese Schichtlage (19) partiell oder vollständig umschmolzen wird und anschließend die additive Fertigung eines Bauteilbereiches (25) erfolgt.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein in der Ausnehmung (7, 17) verbleibendes nichtanhaftendes additives Material vor Einbringen des Zusatzkörpers (9) entfernt wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Einbringen des Zusatzkörpers (9) in die Ausnehmung (7, 17) diese vor Aufbringen einer weiteren Schichtlage (11, 20) aus additiv gefertigtem Material mit einem Füllstoff (27), insbesondere mit Pulvermaterial, aufgefüllt wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzkörper (9) nach Einbringen in die Ausnehmung (7, 17) in dieser zumindest lokal angeschmolzen wird.