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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines additiv gefertigten Bauteils und ein Bauteil, insbesondere ein nach einem solchen Verfahren additiv gefertigtes Bauteil.
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Es sind Verfahren bekannt, bei denen ein Bauteil mittels Fügens von einem Grundbauteil und einem Anbauteil hergestellt wird. Das Fügen des Grundbauteils mit dem Anbauteil kann mittels eines Laserstrahlverfahrens durchgeführt werden. Darüber hinaus sind Verfahren bekannt, bei denen auf das Grundbauteil schichtweise, insbesondere mittels eines 3D-Druck-Verfahrens, das Anbauteil aufgebaut wird. Nachteilig an diesen Verfahren ist, dass lediglich eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Grundbauteil und dem Anbauteil ausgebildet wird.
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Weiterhin sind Verfahren bekannt, bei denen das Grundbauteil und das Anbauteil mittels additiver Fertigung unabhängig voneinander hergestellt werden. Anschließend an die additive Fertigung werden das Grundbauteil und das Anbauteil formschlüssig gefügt. Nachteilig an diesen Verfahren ist, dass lediglich eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Grundbauteil und dem Anbauteil ausgebildet wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines additiv gefertigten Bauteils und ein Bauteil, insbesondere ein nach einem solchen Verfahren additiv gefertigtes Bauteil, zu schaffen, wobei die genannten Nachteile zumindest teilweise behoben, vorzugsweise vermieden sind.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem die vorliegende technische Lehre bereitgestellt wird, insbesondere die Lehre der unabhängigen Ansprüche sowie der in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung offenbarten Ausführungsformen.
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Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein Verfahren zum Herstellen eines additiv gefertigten Bauteils aus einem Grundbauteil und einem Anbauteil geschaffen wird. Dabei wird ein Grundbauteil bereitgestellt, wobei eine Oberfläche des Grundbauteils einen ersten Bereich mit einer ersten Tiefe in einer Tiefenrichtung orthogonal zu der Oberfläche aufweist. Das Anbauteil wird in einem Verbindungsbereich der Oberfläche mittels eines additiven Fertigungsverfahren hergestellt. Dabei liegt der erste Bereich innerhalb des Verbindungsbereichs. Vorteilhafterweise wird damit eine stoff- und formschlüssige Verbindung des Grundbauteils mit dem Anbauteil ausgebildet, wodurch eine mechanische Stabilität der Verbindung zwischen dem Grundbauteil und dem Anbauteil vorteilhafterweise erhöht werden kann. Vorteilhafterweise weist der Verbindungsbereich mit dem ersten Bereich eine größere Oberfläche auf als ein ebener Verbindungsbereich insbesondere ohne den ersten Bereich, wodurch ebenfalls die mechanische Stabilität der Verbindung zwischen dem Grundbauteil und dem Anbauteil vorteilhafterweise erhöht werden kann.
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Zusätzlich sind die Herstellungskosten eines erfindungsgemäßen Bauteils geringer als bei einem komplett additiv gefertigten Bauteil.
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Im Kontext der vorliegenden technischen Lehre ist der Verbindungsbereich eine zweidimensionale, insbesondere nicht ebene Fläche, welche aus allen Berührpunkten des Grundbauteils mit dem Anbauteil besteht.
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Vorzugsweise weist der erste Bereich in einer orthogonal zu der Oberfläche des Grundbauteils orientierten Ebene einen Querschnitt, ausgewählt aus einem rechteckigen Querschnitt, einem halbrunden Querschnitt, einem insbesondere fast runden Querschnitt, einem V-förmigen Querschnitt, einem trapezförmigen Querschnitt, und einem Schwalbenschwanz-Querschnitt, auf.
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Vorzugsweise ist die erste Tiefe in der Tiefenrichtung größer als eine Oberflächenrauheit des Grundbauteils.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Oberfläche des Grundbauteils einen zweiten Bereich mit einer zweiten Tiefe aufweist. Weiterhin liegt der zweite Bereich innerhalb des Verbindungsbereichs.
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Vorzugsweise sind die erste Tiefe und die zweite Tiefe voneinander verschieden. Alternativ sind vorzugsweise die erste Tiefe und die zweite Tiefe identisch.
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Vorzugsweise sind der erste Bereich und der zweite Bereich voneinander beabstandet angeordnet. Alternativ grenzen vorzugsweise der erste Bereich und der zweite Bereich direkt aneinander.
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Vorzugsweise ist die zweite Tiefe in der Tiefenrichtung größer als die Oberflächenrauheit des Grundbauteils.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Verbindungsbereich mehr als zwei Bereiche auf, das heißt mindestens einen weiteren Bereich zusätzlich zu dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich. Zusätzlich weist vorzugsweise jeder Bereich der mehr als zwei Bereiche eine von Null verschiedene Tiefe in der Tiefenrichtung auf. Zusätzlich ist vorzugsweise die Tiefe in der Tiefenrichtung jedes Bereichs der mehr als zwei Bereiche größer als die Oberflächenrauheit des Grundbauteils.
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Besonders bevorzugt wird das Anbauteil aus einem insbesondere pulverförmigen Metall oder einer insbesondere pulverförmigen Metalllegierung oder einer insbesondere pulverförmigen Keramik hergestellt.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Grundbauteil bereitgestellt wird, indem der erste Bereich mittels eines Verfahrens, ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus zerspanender Bearbeitung, Einprägen, Einstanzen, Gießen, Laserstrahlbearbeitung, und Elektronenstrahlbearbeitung, hergestellt wird. Alternativ oder zusätzlich kann der erste Bereich auch vorzugsweise mittels einer Kombination aus mindestens zwei Verfahren, ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus zerspanender Bearbeitung, Einprägen, Einstanzen, Gießen, Laserstrahlbearbeitung, und Elektronenstrahlbearbeitung, hergestellt werden. Alternativ oder zusätzlich wird vorzugsweise das Grundbauteil bereitgestellt, indem der erste Bereich während eines Guss-Verfahrens hergestellt wird.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Grundbauteil bereitgestellt wird, indem mindestens der erste Bereich punktförmig oder linienförmig ausgebildet wird.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung bilden die Mehrzahl an Bereichen, welche die Oberfläche des Grundbauteils in dem Verbindungsbereich vorzugsweise aufweist, ein regelmäßiges Muster - insbesondere ein regelmäßiges Muster aus sich kreuzenden Linien - aus. Alternativ bilden vorzugsweise die Mehrzahl an Bereichen ein zufälliges Muster aus.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass zur Herstellung des Anbauteils ein Pulvermaterial in den ersten Bereich eingebracht wird. Danach werden das eingebrachte Pulvermaterial und das Grundbauteil in dem ersten Bereich zumindest teilweise aufgeschmolzen. Vorteilhafterweise entsteht beim Aufschmelzen des eingebrachten Pulvermaterials und des Grundbauteils in dem ersten Bereich eine Schmelze, welche beim Aushärten eine Schicht des Anbauteils bildet. Die ausgebildete Schicht des Anbauteils ist vorteilhafterweise zumindest abschnittsweise stoffschlüssig mit dem Grundbauteil verbunden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung härtet die erzeugte Schmelze aus Grundbauteil und eingebrachtem Pulvermaterial in Form von Schmelzlinsen aus.
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Vorzugsweise wird der erste Bereich vollständig mit dem Pulvermaterial, insbesondere in einem einzigen Verfahrensschritt, gefüllt. Alternativ wird vorzugsweise der mindestens der erste Bereich in einem einzelnen Verfahrensschritt nur teilweise mit dem Pulvermaterial gefüllt, sodass eine Mehrzahl an Verfahrensschritten notwendig ist, um den ersten Bereich vollständig mit dem Pulvermaterial zu füllen.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Grundbauteil mittels eines Verfahrens, ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus, Gießen, Schmieden, Walzen, Zerspanen, Umformen, und Strangpressen, bereitgestellt wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Grundbauteil mittels Gießen bereitgestellt, wobei vorzugsweise der erste Bereich bereits während des Gießens ausgebildet wird.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Anbauteil mittels eines additiven Fertigungsverfahren, ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus 3D-Druck, selektivem Laserschmelzen, selektivem Elektronenstrahlschmelzen, selektivem Lasersintern, selektivem Elektronenstrahlsintern, Drahtauftragsschweißen, und Pulverauftragsschweißen, hergestellt wird.
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Die Aufgabe wird auch gelöst, indem ein Bauteil, insbesondere ein nach einem erfindungsgemäßen Verfahren oder einem Verfahren nach einer oder mehrerer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen additiv gefertigtes Bauteil, geschaffen wird. Das Bauteil weist ein Grundbauteil und ein Anbauteil auf. Weiterhin weist das Bauteil einen Verbindungsbereich auf, in welchem das Grundbauteil und das Anbauteil form- und stoffschlüssig verbunden sind. Zusätzlich ist der einen ersten Bereich umfassende Verbindungsbereich nicht planar. In Zusammenhang mit dem Bauteil ergeben sich insbesondere die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Bereich linienförmig oder punktförmig ausgebildet ist.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Bereich in Bezug auf eine orthogonal auf einem gedachten planaren Verbindungsbereich stehende Tiefenrichtung eine erste Tiefe von mindestens 20 µm, vorzugsweise von mindestens 50 µm, besonders bevorzugt von mindestens 200 µm aufweist.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert.
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Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Bauteils in einer x-z-Ebene,
- 2 eine schematische Darstellung einer Detailansicht des Ausführungsbeispiels des Bauteils in der x-z-Ebene,
- 3 eine schematische Darstellung verschiedener Ausführungsbeispiele einer Oberfläche eines Grundbauteils in einer x-y-Ebene, und
- 4 ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Herstellen eines additiv gefertigten Bauteils.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Bauteils 1, insbesondere eines zumindest abschnittsweise additiv gefertigten Bauteils 1. Das Bauteil 1 weist ein Grundbauteil 3 und ein Anbauteil 5 auf. Das Grundbauteil 3 und das Anbauteil 5 sind in einem Verbindungsbereich 7 miteinander form- und stoffschlüssig verbunden. Innerhalb des Verbindungsbereichs 7 weist das Grundbauteil 3 einen ersten Bereich 9.1 und vorzugsweise einen zweiten Bereich 9.2 auf. Der den ersten Bereich 9.1 und den zweiten Bereich 9.2 umfassende Verbindungsbereich 7 ist nicht planar.
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Vorzugsweise weist das Anbauteil 5 eine Mehrzahl an Bauteilschichten 11 auf. In einem bevorzugten additiven Fertigungsverfahren des Anbauteils wird eine erste Bauteilschicht 11.1 vorzugsweise in Pulverform auf das Grundbauteil, insbesondere in dem ersten Bereich 9.1, eingebracht. Anschließend wird die erste Bauteilschicht 11.1 und vorzugsweise zumindest ein Teil des Grundbauteils in dem ersten Bereich 9.1 aufgeschmolzen, wobei sich ein Schmelzgemisch aus Pulver und vorzugsweise einem Material des Grundbauteils bildet. Danach härtet das Schmelzgemisch aus. Anschließend wird eine zweite Bauteilschicht 11.2 vorzugsweise in Pulverform auf die erste Bauteilschicht 11.1 aufgebracht. Anschließend wird die zweite Bauteilschicht 11.2 und vorzugsweise zumindest ein Teil der ersten Bauteilschicht 11.1 aufgeschmolzen, wobei sich ein Schmelzgemisch aus Pulver und vorzugsweise einem Material des Grundbauteils bildet. Danach härtet das Schmelzgemisch aus. Die Verfahrensschritte des Aufbringens einer Bauteilschicht 11, dem Aufschmelzen und Aushärten wird für jede Bauteilschicht 11 der Mehrzahl an Bauteilschichten 11 durchgeführt, bis das Anbauteil 5 vollständig hergestellt ist.
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Besonders bevorzugt weist der erste Bereich 9.1 in Bezug auf eine orthogonal auf einem gedachten planaren Verbindungsbereich - insbesondere einer x-y-Ebene - stehende Tiefenrichtung - insbesondere in einer z-Richtung - eine erste Tiefe 13.1 von mindestens 20 µm, vorzugsweise von mindestens 50 µm, besonders bevorzugt von mindestens 200 µm auf. Alternativ oder zusätzlich weist vorzugsweise der zweite Bereich 9.2 in Bezug auf die orthogonal auf dem gedachten planaren Verbindungsbereich - insbesondere der x-y-Ebene - stehende Tiefenrichtung - insbesondere in die z-Richtung - eine zweite Tiefe 13.2 von mindestens 20 µm, vorzugsweise von mindestens 50 µm, besonders bevorzugt von mindestens 200 µm auf.
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Vorzugsweise sind die erste Tiefe 13.1 und die zweite Tiefe 13.2 voneinander verschieden.
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Vorzugsweise grenzen der erste Bereich 9.1 und der zweite Bereich 9.2 direkt aneinander.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Detailansicht des Ausführungsbeispiels des Bauteils 1 in der x-z-Ebene.
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Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind in allen Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird.
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Die Detailansicht zeigt schematisch die erste Bauteilschicht 11.1 in dem ersten Bereich 9.1 nach dem Aushärten des Schmelzgemisches. Das Schmelzgemisch bildet beim Aushärten vorzugweise eine Mehrzahl an Schmelzlinsen 15 aus. Diese Mehrzahl an Schmelzlinsen 15 können vorteilhafterweise die mechanische Stabilität des Bauteils 1 weiter erhöhen.
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3 a) zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Oberfläche 17 des Grundbauteils 3 in der x-y-Ebene. Die Oberfläche 17 weist den ersten Bereich 9.1, welcher insbesondere punktförmig ausgebildet ist, und den zweiten Bereich 9.2, welcher insbesondere ebenfalls punktförmig ausgebildet ist, auf.
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3 b) zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Oberfläche 17 des Grundbauteils 3 in der x-y-Ebene. Die Oberfläche 17 weist den ersten Bereich 9.1, welcher insbesondere linienförmig ausgebildet ist, den zweiten Bereich 9.2, welcher insbesondere ebenfalls linienförmig ausgebildet ist, und einen dritten Bereich 9.3, welcher insbesondere ebenfalls linienförmig ausgebildet ist, auf.
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3 c) zeigt eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels der Oberfläche 17 des Grundbauteils 3 in der x-y-Ebene. Die Oberfläche 17 weist den ersten Bereich 9.1, den zweiten Bereich 9.2, den dritten Bereich 9.3, und einen vierten Bereich 9.4 auf.
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Vorzugsweise sind die erste Tiefe 13.1, die zweite Tiefe 13.2, eine dritte Tiefe des dritten Bereichs 9.3 und eine vierte Tiefe des vierten Bereichs 9.4 identisch. Alternativ sind vorzugsweise drei Tiefen, ausgewählt aus der ersten Tiefe 13.1, der zweiten Tiefe 13.2, der dritten Tiefe, und der vierten Tiefe, identisch. Alternativ sind vorzugsweise zwei Tiefen, ausgewählt aus der ersten Tiefe 13.1, der zweiten Tiefe 13.2, der dritten Tiefe, und der vierten Tiefe, identisch. Alternativ sind vorzugsweise die erste Tiefe 13.1, die zweite Tiefe 13.2, die dritte Tiefe und die vierte Tiefe verschieden.
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4 zeigt ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Herstellen des Bauteils 1, insbesondere des zumindest abschnittsweise additiv gefertigten Bauteils 1.
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In einem Schritte a) wird das Grundbauteil 3 bereitgestellt, wobei die Oberfläche 17 des Grundbauteils 3 den ersten Bereich 9.1 mit der ersten Tiefe 13.1 und vorzugsweise den zweiten Bereich 9.2 mit der zweiten Tiefe 13.2 aufweist.
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Vorzugsweise weist das Grundbauteil 3 mehr als zwei Bereiche 9 auf, das heißt mindestens einen weiteren Bereich 9 zusätzlich zu dem ersten Bereich 9.1 und dem zweiten Bereich 9.2.
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Vorzugsweise wird das Grundbauteil 3 bereitgestellt, indem mindestens ein Bereich 9, ausgewählt aus dem ersten Bereich 9.1 und dem zweiten Bereich 9.2, mittels eines Verfahrens, ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus zerspanender Bearbeitung, Einprägen, Einstanzen, Gießen, Laserstrahlbearbeitung, und Elektronenstrahlbearbeitung, hergestellt wird.
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Vorzugsweise wird das Grundbauteil 3 mittels eines Verfahrens, ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus, Gießen, Schmieden, Walzen, Zerspanen, Umformen, und Strangpressen, bereitgestellt.
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Vorzugsweise wird das Grundbauteil 3 bereitgestellt, indem mindestens ein Bereich 9, ausgewählt aus dem ersten Bereich 9.1 und dem zweiten Bereich 9.2, punktförmig oder linienförmig ausgebildet wird.
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In einem Schritt b) wird das Anbauteil 5 in dem Verbindungsbereich 7 der Oberfläche 17 mittels eines additiven Fertigungsverfahren hergestellt, wobei der erste Bereich 9.1 und der zweite Bereich 9.2 innerhalb des Verbindungsbereichs 7 liegen.
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Vorzugsweise wird das Anbauteil 5 mittels eines additiven Fertigungsverfahren, ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus 3D-Druck, selektivem Laserschmelzen, selektivem Elektronenstrahlschmelzen, selektivem Lasersintern, selektivem Elektronenstrahlsintern, Drahtauftragsschweißen, und Pulverauftragsschweißen, hergestellt.
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Vorzugsweise wird in einem Schritt b1) ein Pulvermaterial in mindestens einen Bereich 9, ausgewählt aus dem ersten Bereich 9.1 und dem zweiten Bereich 9.2, eingebracht. Anschließend wird vorzugsweise in einem Schritt b2) das eingebrachte Pulvermaterial und das Grundbauteil 3 in dem ausgewählten Bereich 9 zumindest teilweise aufgeschmolzen, wobei ein Schmelzgemisch entsteht. Danach wird anschließend vorzugsweise in einem Schritt b3) das Schmelzgemisch abgekühlt, wodurch dieses erstarrt und wobei vorzugsweise eine Bauteilschicht 11 des Anbauteils 5 entsteht. Insbesondere erstarrt das Schmelzgemisch vorzugsweise in Form von Schmelzlinsen 15. Optional werden die Schritte b1) bis b3) insbesondere iterativ durchgeführt, bis das Anbauteil vorzugsweise vollständig aufgebaut ist.
