DE102021002679A1

DE102021002679A1 - Generative manufacturing process for dimensionally stable components with complex structures, especially in vehicle technology

Info

Publication number: DE102021002679A1
Application number: DE102021002679.9A
Authority: DE
Inventors: Arnd Bressel; Klaus Gessner; Bernd Schietinger
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2021-05-21
Filing date: 2021-05-21
Publication date: 2021-07-08

Abstract

Die Erfindung betrifft ein generatives Herstellungsverfahren von maßhaltigen Bauteilen komplexer Struktur, insbesondere in der Fahrzeugtechnik, bei welchem das Bauteil (1, 15, 17, 19, 21) mit mindestens einer Kammer (3, 5) und ein die Kammer (3, 5) ausfüllendes pulverförmige Material (11) durch generative Fertigung erzeugt wird. Bei dem generativen Herstellungsverfahren, bei welchen die Bauteile mit hoher mechanischer Belastbarkeit unter Zuhilfenahme einer generativen Fertigung schnell hergestellt werden können, wird die mindestens eine Kammer (3, 5) aus das pulverförmige Material (11) umschließenden festen Wandstrukturen (7, 9, 27) hergestellt und anschließend das pulverförmige Material (11) mit einem flüssigen Kunststoff (33) infiltriert, welcher danach ausgehärtet wird.The invention relates to a generative manufacturing process for dimensionally stable components with a complex structure, in particular in vehicle technology, in which the component (1, 15, 17, 19, 21) has at least one chamber (3, 5) and one chamber (3, 5) filling powdery material (11) is produced by additive manufacturing. In the generative manufacturing process, in which the components with high mechanical load capacity can be manufactured quickly with the aid of generative manufacturing, the at least one chamber (3, 5) is made of solid wall structures (7, 9, 27) surrounding the powdery material (11) and then the powdery material (11) is infiltrated with a liquid plastic (33), which is then cured.

Description

Die Erfindung betrifft ein generatives Herstellungsverfahren von maßhaltigen Bauteilen komplexer Struktur, insbesondere in der Fahrzeugtechnik, bei welchem das Bauteil mit mindestens einer Kammer und einem die Kammer zumindest weitgehend ausfüllenden pulverförmige Material durch generative Fertigung erzeugt wird.The invention relates to a generative manufacturing method for dimensionally stable components with a complex structure, in particular in vehicle technology, in which the component with at least one chamber and a powdery material that at least largely fills the chamber is produced by generative manufacturing.

Aus der DE 10 2018 104 723 A1 sind eine Kraftfahrzeugstrukturkomponente und ein Herstellungsverfahren bekannt. Die Kraftfahrzeugstrukturkomponente umfasst eine Gitterstruktur aus einer Vielzahl von Zellen, von denen eine Mehrzahl zumindest teilweise mit einem pulverförmigen Material gefüllt sind und eine weitere Mehrzahl als Hohlzellen ausgebildet sind, die unter der Vielzahl von zumindest teilweise gefüllten Zellen verteilt sind, um eine Last zu verteilen und zu lenken. Die Gitterstruktur und das pulverförmige Material werden in einem additiven Verfahren, beispielsweise mittels Lasersintern, hergestellt.From the DE 10 2018 104 723 A1 a motor vehicle structural component and a manufacturing method are known. The motor vehicle structural component comprises a lattice structure of a plurality of cells, a plurality of which are at least partially filled with a powdery material and a further plurality are designed as hollow cells which are distributed among the plurality of at least partially filled cells in order to distribute a load and to steer. The lattice structure and the powdery material are produced in an additive process, for example by means of laser sintering.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein generatives Herstellungsverfahren von maßhaltigen Bauteilen mit komplexer Struktur anzugeben, bei welchem die Bauteile mit hoher mechanischer Belastbarkeit unter Zuhilfenahme einer generativen Fertigung schnell hergestellt werden können.The object of the invention is to specify a generative manufacturing method for dimensionally stable components with a complex structure, in which the components with high mechanical load-bearing capacity can be manufactured quickly with the aid of generative manufacturing.

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.The invention results from the features of the independent claims. Advantageous further developments and refinements are the subject matter of the dependent claims. Further features, possible applications and advantages of the invention emerge from the following description, as well as the explanation of exemplary embodiments of the invention, which are shown in the figures.

Die Aufgabe ist mit dem eingangs erläuterten generativen Herstellungsverfahren dadurch gelöst, dass die mindestens eine Kammer aus das pulverförmige Material umschließenden festen Wandstrukturen hergestellt wird und anschließend das pulverförmige Material mit einem flüssigen Kunststoff infiltriert wird, welcher danach ausgehärtet wird. Das hat den Vorteil, dass Bauteile mit einer hohen Belastbarkeit gegen Verformung durch Reduzierung der zu schmelzenden Oberfläche unter Reduzierung der Herstellungszeit und -kosten gegenüber Massivbauteilen hergestellt werden können. Eine manuelle Entfernung des pulverförmigen Materials aus der Kammer kann entfallen. Der Verbleib des durch Infiltration behandelten pulverförmigen Materials in der Kammer erhöht die Belastbarkeit des Bauteils genauso wie dessen Biegewiderstand.The object is achieved with the generative manufacturing method explained at the beginning in that the at least one chamber is made from solid wall structures enclosing the powdery material and then the powdery material is infiltrated with a liquid plastic, which is then cured. This has the advantage that components with a high resistance to deformation can be produced by reducing the surface to be melted while reducing the production time and costs compared to solid components. There is no need to manually remove the powdery material from the chamber. The fact that the powdery material treated by infiltration remains in the chamber increases the load-bearing capacity of the component as well as its bending resistance.

Vorteilhafterweise wird in der festen Wandstruktur der ansonsten abgeschlossenen Kammer zumindest eine Einfüllöffnung für den Kunststoff ausgebildet. Somit können an sich bekannte Verfahren zur Infiltration des flüssigen Kunststoffes in die Kammer einfach genutzt werden.At least one filling opening for the plastic is advantageously formed in the solid wall structure of the otherwise closed chamber. Methods known per se for infiltration of the liquid plastic into the chamber can thus be used in a simple manner.

In einer Ausgestaltung wird die Einfüllöffnung während der generativen Fertigung der mindestens einen Kammer ausgebildet. Dadurch wird die Prozessdauer des Herstellungsverfahrens verkürzt.In one embodiment, the filling opening is formed during the additive manufacturing of the at least one chamber. This shortens the duration of the manufacturing process.

Alternativ wird die Einfüllöffnung nach Abschluss der generativen Fertigung der Kammer in einer anschließenden mechanischen Bearbeitung, vorzugsweise durch Bohren, ausgebildet. Dadurch wird das nachträgliche Einfüllen des flüssigen Kunststoffes auch in ein schon gefertigtes Bauteil ermöglicht und ein ungewollter Austritt des pulverförmigen Materials während des Prozesses verhindert.Alternatively, after the additive manufacturing of the chamber has been completed, the filling opening is formed in a subsequent mechanical processing, preferably by drilling. This enables the subsequent filling of the liquid plastic into a component that has already been manufactured and prevents the powdery material from escaping unintentionally during the process.

In einer Variante wird die mindestens eine Kammer nach Abschluss der generativen Fertigung über die Einfüllöffnung zur Evakuierung der in der Kammer befindlichen Luft mit einem Unterdruck beaufschlagt und anschließend der flüssige Kunststoff der Kammer zugeführt. Durch die Verwendung eines solchen Unterdruck-Füllverfahrens kann die Anzahl der Einfüllöffnungen pro Kammer reduziert und der Füllgrad der Infiltration erhöht werden.In one variant, after the additive manufacturing has been completed, the at least one chamber is subjected to a negative pressure via the filling opening to evacuate the air in the chamber and then the liquid plastic is fed to the chamber. By using such a vacuum filling process, the number of filling openings per chamber can be reduced and the degree of filling of the infiltration can be increased.

In einer Ausführungsform wird das bei der Evakuierung der Luft aus der Kammer mit abgesaugte pulverförmige Material zusammen mit dem flüssigen Kunststoff in die Kammer zurückgeführt. Dadurch wird das im generativen Fertigungsprozess bereitgestellte Pulvermaterial optimal genutzt.In one embodiment, the pulverulent material sucked off with the evacuation of the air from the chamber is returned to the chamber together with the liquid plastic. As a result, the powder material provided in the generative manufacturing process is used optimally.

Es ist von Vorteil, wenn in der Kammer während der additiven Fertigung mindestens eine Stützstruktur ausgebildet wird. Diese Stützstruktur erhöht die mechanische Stabilität der Kammer.It is advantageous if at least one support structure is formed in the chamber during additive manufacturing. This support structure increases the mechanical stability of the chamber.

In einer weiteren Ausgestaltung wird zur generativen Fertigung ein Verfahren zum selektiven Lasersintern oder ein Verfahren zum selektiven Laserschmelzen oder ein Verfahren zum selektiven Elektronenstrahlschmelzen verwendet. Diese Verfahren eignen sich optimal zur Herstellung einer massivgedruckten Außenkontur der Kammer mit einem hohen Füllgrad an pulverförmigen Material.In a further embodiment, a method for selective laser sintering or a method for selective laser melting or a method for selective electron beam melting is used for additive manufacturing. These processes are ideally suited for producing a solidly printed outer contour of the chamber with a high degree of filling of powdery material.

In einer weiteren Variante weist das pulverförmige Material polymere und/oder metallische und/oder keramische Eigenschaften auf. Dadurch werden in der Kammer hoch maßhaltige Komposit-Strukturen mit einem hohem Komposit-Füllgrad erzeugt.In a further variant, the powdery material has polymeric and / or metallic and / or ceramic properties. In this way, highly dimensionally stable composite structures with a high degree of composite filling are produced in the chamber.

In einer weiteren Ausführungsform weist der flüssige Kunststoff niederviskose Eigenschaften auf. Somit kann der Kunststoff in kurzer Zeit in die Kammer verbracht werden.In a further embodiment, the liquid plastic has low-viscosity properties. The plastic can thus be brought into the chamber in a short time.

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.Further advantages, features and details emerge from the following description in which at least one exemplary embodiment is described in detail - possibly with reference to the drawing. Described and / or graphically represented features can form the subject matter of the invention individually or in any meaningful combination, possibly also independently of the claims, and in particular can also be the subject matter of one or more separate applications. Identical, similar and / or functionally identical parts are provided with the same reference symbols.

Es zeigen:

1 ein Ausführungsbeispiel eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Bauteils,
2 alternative Ausführungsbeispiele der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Bauteile,
3 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Befüllung der Kammern mit Kunststoff,
4 ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Show it:

1 an embodiment of a component manufactured by the method according to the invention,
2 alternative embodiments of the components produced by the method according to the invention,
3 an embodiment of the method according to the invention for filling the chambers with plastic,
4th another embodiment of the method according to the invention.

In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Bauteils dargestellt. Das Bauteil 1 wird beispielsweise als Strukturelement im Fahrzeugkarosseriebau verwendet und in einer additiven Fertigung, vorzugsweise mit einem selektiven Lasersintern oder einem selektiven Laserschweißen oder einem selektiven Elektronenstrahlschmelzen, hergestellt. Dabei wird das Bauteil 1 aus einem Pulverbett mit pulverförmigen Material befüllten Kammern 3, 5 hergestellt, beispielsweise durch selektives Laserschmelzen. Die Kammern 3, 5 besitzen in der exemplarischen Darstellung einen rechteckförmigen Grundriss und bestehen aus festen, vollständig geschlossenen Wandungen 7, 9. Das nicht im Prozess aufgeschmolzene pulverförmige Material 11 verbleibt zur Stabilisierung der Kammern 3, 5 in den Kammern 3, 5. (1a). Anschließend wird ein flüssiger Kunststoff dem pulverförmigen Material 11 in der Kammer 3, 5 beigemischt, welcher anschließend über reaktive oder thermische Anregung aushärtet. Der Kunststoff kann dabei eine niederviskose Polymerlösung sein. Hierbei sind z.B. 1K- und 2K-Polymere einsetzbar, besonders vorteilhaft auf der Basis von Epoxiden. Zur Sicherung der Baubarkeit der Kammern 3, 5 und/oder zur Erhöhung der mechanischen Stabilität des Bauteils 1 können im Zuge der Herstellung der Wandungen 7, 9 der Kammern 3, 5 Stützstrukturen 13 in den Kammern 3, 5 hergestellt werden, die die Kammern 3, 5 unterteilen (1b) In 1 an embodiment of a component produced by the method according to the invention is shown. The component 1 is used, for example, as a structural element in vehicle body construction and manufactured using additive manufacturing, preferably using selective laser sintering or selective laser welding or selective electron beam melting. Thereby the component 1 chambers filled with powdery material from a powder bed 3 , 5 produced, for example by selective laser melting. The chambers 3 , 5 have a rectangular floor plan in the exemplary representation and consist of solid, completely closed walls 7th , 9 . The powdery material not melted in the process 11 remains to stabilize the chambers 3 , 5 in the chambers 3 , 5 . ( 1a) . Then a liquid plastic is the powdery material 11 in the chamber 3 , 5 mixed in, which then hardens via reactive or thermal excitation. The plastic can be a low-viscosity polymer solution. One-component and two-component polymers, for example, can be used here, particularly advantageously based on epoxides. To ensure the buildability of the chambers 3 , 5 and / or to increase the mechanical stability of the component 1 can in the course of the production of the walls 7th , 9 of the chambers 3 , 5 Support structures 13th in the chambers 3 , 5 which are made of the chambers 3 , 5 subdivide ( 1b)

2 zeigt alternative Ausführungsbeispiele der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Bauteile 15, 17, 19, die in der schon beschriebenen Art und Weise hergestellt werden. Gemäß 2a haben die Kammern 3, 5 den Grundriss eines Rhombus, während die in 2b gezeigten Kammern 3, 5 mit einem runden Querschnitt ausgeführt sind. Die in 2c dargestellten Kammern 3, 5 weisen einen fünfeckigen Querschnitt auf. Diese Beispiele erlauben eine optimierte Druckbarkeit der Bauteile 15, 17, 19 bei einer erhöhten mechanischen Festigkeit. Dadurch wird ebenfalls die Biegefestigkeit erhöht. Die möglichen Ausführungsformen der Kammern 3, 5 sind vielfältig und nicht auf die in dieser Beschreibung dargestellten Formen beschränkt. 2 shows alternative exemplary embodiments of the components produced by the method according to the invention 15th , 17th , 19th which are produced in the manner already described. According to 2a have the chambers 3 , 5 the plan of a rhombus, while the in 2 B shown chambers 3 , 5 are designed with a round cross-section. In the 2c illustrated chambers 3 , 5 have a pentagonal cross-section. These examples allow an optimized printability of the components 15th , 17th , 19th with increased mechanical strength. This also increases the flexural strength. The possible embodiments of the chambers 3 , 5 are varied and not limited to the forms shown in this description.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Befüllung der Kammern 3, 5 mit Kunststoff ist in 3 dargestellt. Bei dem in 3a dargestellten Bauteil 21 ist eine Durchgangsöffnung 23 in eine Trennwand 25 zwischen zwei nebeneinanderliegenden Kammern 3, 5 während der additiven Fertigung eingebracht worden. Dabei schließt jede der beiden Kammern 3, 5 pulverförmiges Material 11 ein. Nach dem Druckvorgang wird in die Bauteilwandung 27 pro Kammer 3, 5 mindestens eine Zugangsbohrung 29 zu dem in dem Kammern 3, 5 gelagerten pulverförmigen Material 11 eingebracht (3b. Anschließend wird gemäß 3c ein Behälter 31 mit dem flüssigen Kunststoff 33 in eine der Zugangsbohrungen 29 eingesetzt und der flüssige Kunststoff 33 infiltriert das in beiden Kammern 3, 5 gelagerte pulverförmige Material 11, wobei der Kunststoff 33 über die Durchgangsöffnung 23 von der ersten Kammer 3 in die zweite Kammer 5 gelangt. Nach Aushärten des Kunststoffs 33 (3d) entsteht eine Komposit-Struktur 35, welche auch die zweite der Zugangsbohrungen 29, an welcher kein Behälter 31 angesetzt ist, verschließt.An embodiment of the method according to the invention for filling the chambers 3 , 5 with plastic is in 3 shown. The in 3a shown component 21 is a through opening 23 in a partition 25th between two adjacent chambers 3 , 5 was introduced during additive manufacturing. Each of the two chambers closes 3 , 5 powdery material 11 a. After the printing process, it is in the component wall 27 per chamber 3 , 5 at least one access hole 29 to the one in the chambers 3 , 5 stored powdery material 11 brought in ( 3b . Then according to 3c a container 31 with the liquid plastic 33 into one of the access holes 29 used and the liquid plastic 33 infiltrates that in both chambers 3 , 5 stored powdery material 11 , with the plastic 33 via the through opening 23 from the first chamber 3 into the second chamber 5 got. After the plastic has hardened 33 ( 3d ) creates a composite structure 35 which is also the second of the access holes 29 on which no container 31 is attached, closes.

Alternativ kann zur Befüllung mit dem Kunststoff 33 auch ein Unterdruck-Füllverfahren angewendet werden, wie es in 4 gezeigt ist und bei welchem die Anzahl von dem in die äußere Bauteilwandung 27 einzubringenden Zugangsbohrungen 29 reduziert werden kann. Die das pulverförmige Material 11 umfassende Kammer 3 wird mit nur einer Zugangsbohrung 29 versehen und die Kammer 3 wird unter Unterdruck gesetzt. Dazu ist der den flüssigen Kunststoff 33 aufweisende Behälter 31 beispielsweise über ein 3-Wege-Ventil 37 mit der Zugangsbohrung 29 verbunden, welches ebenfalls mit einer Vakuumpumpe 39 verbunden ist. Zur Erzeugung des Unterdrucks ist nur die Vakuumpumpe 39 über das 3-Wege-Ventil 37 mit der Kammer 3 verbunden. Ist der gewünschte Unterdruck erreicht, wird die Vakuumpumpe 39 durch das 3-Wege-Ventil 37 von der Kammer 3 getrennt und die Verbindung des Behälters 31 zur Kammer 3 geöffnet. Somit kann der flüssige Kunststoff 33 in das pulverförmige Material 11 eingebracht werden. Hierdurch können durch Entfernen der im pulverförmigen Material 11 vorhandenen Restluftgehalte besonders gute Füllgrade erreicht werden.Alternatively, it can be filled with the plastic 33 a vacuum filling process can also be used, as described in 4th is shown and in which the number of which in the outer component wall 27 access holes to be drilled 29 can be reduced. The the powdery material 11 comprehensive chamber 3 comes with only one access hole 29 provided and the chamber 3 is placed under negative pressure. In addition, it is the liquid plastic 33 having containers 31 for example via a 3-way valve 37 with the access hole 29 connected, which is also connected to a vacuum pump 39 connected is. Only the vacuum pump is used to generate the negative pressure 39 via the 3-way valve 37 with the chamber 3 connected. When the desired negative pressure is reached, the vacuum pump is activated 39 through the 3-way valve 37 from the chamber 3 disconnected and the connection of the container 31 to the chamber 3 open. Thus, the liquid plastic 33 into the powdery material 11 be introduced. This allows by removing the in the powdery material 11 Existing residual air contents particularly good degrees of filling can be achieved.

Mit der beschriebenen Lösung werden mechanisch belastbare Bauteile, die sowohl metallische bzw. keramische (bei Vorhandensein metallischer bzw. keramischer Stoffe im flüssigen Kunststoff 33) als auch Komposit-ähnliche Eigenschaften aufweisen, in einer kurzen Fertigungszeit hergestellt und bilden eine maßhaltige Außenkontur.With the solution described, mechanically resilient components, which are both metallic and ceramic (if metallic or ceramic substances are present in the liquid plastic 33 ) as well as composite-like properties, manufactured in a short production time and form a dimensionally stable outer contour.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

DE 102018104723 A1 [0002]

Claims

Generative manufacturing process for dimensionally stable components with a complex structure, especially in vehicle technology, in which the component (1, 15, 17, 19, 21) has at least one chamber (3, 5) and a powdery material (3, 5) filling the chamber (3, 5). 11) is produced by additive manufacturing, characterized in that the at least one chamber (3, 5) is made of solid wall structures (7, 9, 27) enclosing the powdery material (11) and then the powdery material (11) is made with a liquid plastic (33) is infiltrated, which is then cured.

Generative manufacturing process according to Claim 1 , characterized in that at least one filling opening (29) for the plastic (33) is formed in the fixed wall structure (7, 9, 27) of the otherwise closed chamber (3, 5).

Generative manufacturing process according to Claim 1 or 2 , characterized in that the filling opening (29) is formed during the additive manufacturing of the at least one chamber (3, 5).

Generative manufacturing process according to Claim 1 or 2 , characterized in that the filling opening (29) is formed in a subsequent mechanical processing, preferably by drilling, after the additive manufacturing of the chamber (3, 5) has been completed.

Generative manufacturing method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the at least one chamber (3, 5) has a negative pressure applied to it via the filler opening (29) to evacuate the air in the chamber (3, 5) after the additive manufacturing has been completed and then the liquid plastic (33) is fed to the chamber (3, 5).

Generative manufacturing process according to Claim 5 , characterized in that the pulverulent material (11) sucked off with the evacuation of the air from the chamber (3, 5) is returned to the chamber (3, 5) together with the liquid plastic (33).

Generative manufacturing method according to at least one of the preceding claims, characterized in that at least one support structure (13) is formed in the chamber (3, 5) during additive manufacturing.

Generative manufacturing method according to at least one of the preceding claims, characterized in that a method for selective laser sintering or a method for selective laser melting or a method for selective electron beam melting is used for generative manufacturing.

Generative manufacturing method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the powdery material (11) has polymeric and / or metallic and / or ceramic properties.

Generative manufacturing method according to at least one of the preceding claims, characterized in that the liquid plastic (33) has low-viscosity properties.