DE102021105228A1 - Entfernen der Stützstruktur mit einem auf einem Roboterarm integrierten Laserstrahll - Google Patents

Entfernen der Stützstruktur mit einem auf einem Roboterarm integrierten Laserstrahll Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen generativ gefertigten Gegenstand (1) mit mindestens einem Funktionsbereich mit stützender Funktion (2), der nach der Fertigung mit einem Werkzeug entfernt wird. Der Funktionsbereich mit stützender Funktion (2) wird mit einer Strahlungsquelle entfernt.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen generativ gefertigten Gegenstand mit mindestens einem Funktionsbereich mit stützender Funktion, der nach der Fertigung mit einem Werkzeug entfernt wird.
  • Bei einem solchen generativ gefertigten Gegenstand kann es sich beispielsweise um einen Teil einer Kreiselpumpe, gewissermaßen um ein Laufrad oder ein Pumpengehäuse bzw. um einen Teil einer Armatur, beispielhaft um einen Absperrkörper oder ein Ventilgehäuse, handeln.
  • Bei der generativen Fertigung von Gegenständen wird der jeweilige Gegenstand Schicht für Schicht aus einem Aufbaumaterial aufgebaut, das auf eine Unterlage aufgebracht wird. Der Aufbauwerkstoff liegt meist in Pulverform vor. Der pulverförmige Werkstoff wird mittels Strahlung an den jeweiligen Stellen lokal vollständig aufgeschmolzen und bildet nach einer Erstarrung eine feste Materialschicht. Anschließend wird die Grundplatte, auf der sich der pulverförmige Werkstoff befindet, um den Betrag einer Schichtdicke abgesenkt und es wird erneut Pulver aufgetragen. Dieser Zyklus wird solange wiederholt, bis alle Schichten hergestellt sind. Der fertige Gegenstand wird vom überschüssigen Pulver gereinigt.
  • Die Daten zur Führung der Strahlung werden auf der Grundlage eines 3D-CAD-Körpers mittels einer Software erzeugt. Als Strahlung kann beispielsweise ein Laserstrahl zum Einsatz kommen. Alternativ zu einem selektiven Laserschmelzen kann ebenfalls ein Elektronenstrahl (EBM) zum Einsatz kommen.
  • Pro Schicht werden selektiv die Bereiche aufgeschmolzen, welche die Strukturen des Gegenstands bilden. Um im nächsten Schritt die darunterliegende Schicht mit der darüber liegenden Schicht zu verbinden, schmilzt die Strahlung bis zu drei darunterliegende Schichten auf, die anschließend beim raschen Abkühlprozess mit der obersten Schicht fusionieren.
  • Dieser Vorgang führt dazu, dass neue Schichten in der Regel nur auf bereits existierenden Schichten platziert werden können. Andernfalls kann es dazu kommen, dass der Laser Bereiche aufschmilzt, die nicht zum Gegenstand gehören. An der Unterseite eines Überhangs kann es beispielsweise zu sehr rauen Flächen kommen. Bei besonders steileren Überhängen können massive Fehlbildungen im Bauteil auftreten, da die darüber liegende Schicht auf einer Schicht aufbauen muss, die zu uneben ist.
  • Es ist daher wichtig, dass solche Überhänge mit einer Stützstruktur, die auch als Supportstruktur bezeichnet wird, gestützt werden. Weiterhin dient die Stützstruktur auch einer kontrollierten Wärmeabfuhr und trägt somit zur Prozesssicherheit bei. Da das in Pulverform vorliegende Aufbaumaterial isolierend wirkt, könnte es andernfalls bei zu starken Erwärmungen im Bauteil zu Überhitzungen kommen. Außerdem verhindert die Supportstruktur, dass sich das Bauteil durch prozessbedingte Spannungen, die durch das rasche Aufheizen und anschließende Abkühlen auftreten, verzieht.
  • Da die Supportstruktur nicht zum eigentlichen Gegenstand gehört, muss diese nach dem Fertigungsprozess entfernt werden. Dies stellt sich insbesondere bei schwer erreichbaren Supportstrukturen als äußerst schwierig und zeitaufwändig dar. Zum Teil ist die Supportstruktur durch massive Anbindungen am Gegenstand auch nicht mehr zu 100 % entfernbar, sodass die Oberflächen, an denen die Supportstruktur befestigt war, minderwertige Qualitäten aufweisen.
  • Die strategisch sinnvolle Platzierung der Stützstruktur, die richtige Orientierung im Bauraum, um mit möglichst wenig Stützstrukturen auszukommen, sowie die anschließende Entfernung des Supports stellen einen der größten Zeitfaktoren und somit einen Hauptkostenträger von generativen Verfahren dar.
  • Die DE 102 19 983 B4 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen metallischer oder nichtmetallischer Produkte durch Freiform-Lasersintern. Dabei werden die Produkte mittels eines datengesteuert geführten Laserstrahls aus einem pulverförmigen Werkstoff auf einer Substratplatte schichtweise senkrecht aufgebaut. Zwischen der Substratplatte und der Außenfläche des Produkts wird mindestens eine Stütze aufgebaut, die über eine Sollbruchstelle mit der Außenfläche des Produkts verbunden ist. Die Sollbruchstelle wird durch eine Verringerung der Festigkeit der Stütze entlang der Außenkontur des Produkts gebildet. Dabei wird zur Verringerung der Festigkeit der Querschnitt der Stütze verringert.
  • In der DE 10 2007 033 434 A1 wird ein Verfahren zum Herstellen dreidimensionaler Bauteile beschrieben. Dabei wird bei einem Aufbau von Bauteilen über eine Erstreckung des Bauteils hinaus zusätzlich eine Hilfsstruktur ausgebildet. An Verbindungsstellen zwischen dem Bauteil und der Hilfsstruktur werden Sollbruchstellen vorgesehen.
  • Die DE 10 2013 011 630 A1 beschreibt ein Verfahren zum Berechnen einer oder mehrerer Stützstreben für ein dreidimensionales Objekt auf einer Plattform, das durch ein Fertigungsverfahren aus Schichten aufgebaut wird. Die Stützelemente bilden dabei nicht nur stabile Verbindungspunkte, sondern weisen auch Sollbruchstellen auf. Die Stützstruktur soll leicht vom Objekt abgelöst werden können, ohne dass an der Objektoberfläche Krater entstehen.
  • Die für den Aufbau eines Gegenstands notwendigen Stützstrukturen müssen nach der Fertigung im generativen Verfahren händisch und mechanisch entfernt werden. Dies führt zu einem erheblichen personellen und finanziellen Aufwand, der die Implementierung generativer Fertigung in der großindustriellen Fertigung hemmen kann. Ein generatives Fertigungsverfahren mit manueller Nachbearbeitung steht hier in Konkurrenz zu hoch ausgereiften und ökonomisch optimierten, konventionellen Fertigungsprozessen.
  • Die DE 10 2015 218 753 A1 beschreibt ein Verfahren zur additiven Herstellung eines Bauteils, bei dem mithilfe eines Energiestrahls unterschiedliche Pulver zu Schichten verschmolzen werden. Zur maschinellen Fertigung ist das Verfahren um eine Saugvorrichtung erweitert, um überschüssiges Pulver zu entfernen. Dieser Ansatz kann zu einer Reduktion von manuellen Nacharbeiten führen.
  • Einen anderen Ansatz beschreibt die DE 10 2019 002 292 A1 . Um auf Stützstrukturen und deren händische Entfernung komplett zu verzichten, werden die Aufbauschichten auf einer Basissegmentplatte gedruckt. Dies funktioniert bei Laufrädern für Kreiselpumpen, da hier keine Überhänge aufgebracht werden müssen. Der Aufbau findet in diesem Beispiel nur auf der Fläche der Basissegmentplatte statt.
  • Unabhängig vom manuellen Aufwand der Entfernung der Stützstrukturen, sind die überbleibenden Oberflächen der generativ erzeugten Gegenstände sowohl optisch nicht immer ansprechend als auch nicht für die spätere Verwendung optimal ausgestaltet. Hier erfolgt oftmals ein weiterer Bearbeitungsschritt zur Aufbereitung der Oberflächen des generativ gefertigten Gegenstands, der sich wiederum ökonomisch nachteilig auf die Konkurrenzfähigkeit der generativen Fertigung auswirkt.
  • Ein entwicklungsfähiger Ansatz beschreibt die DE 10 2015 202 417 A1 . Ein strömungsführendes Bauteil mit unterschiedlichen Funktionsbereichen wird generativ gefertigt. Durch Variation der Strahlung und des Energieeintrags werden unterschiedliche Funktionsbereiche aus einem pulverförmigen metallischen Werkstoff ausgebildet.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, einen generativ gefertigten Gegenstand anzugeben, der ohne manuelle, händische Nacharbeit gefertigt werden kann. Dabei sollen die Oberflächen des generativ gefertigten Gegenstands optisch ansprechend und besonders verschleißbeständig ausgebildet sein. Auf eine Nachbearbeitung der Oberflächen des generativ gefertigten Gegenstands soll verzichtet werden können. Der generativ gefertigte Gegenstand soll sich durch eine lange Lebensdauer und eine zuverlässige Verwendungsweise auszeichnen. Weiterhin soll das Bauteil gut recycelfähig sein.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen generativ gefertigten Gegenstand gelöst und einem Verfahren zu dessen Erzeugung. Bevorzugte Varianten sind den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen.
  • Erfindungsgemäß wird der Funktionsbereich mit stützender Funktion eines generativ gefertigten Gegenstands mit einer Strahlungsquelle entfernt.
  • Als Strahlungsquelle bzw. als Strahlung kann beispielsweise ein Laserstrahl oder ein Elektronenstrahl und dessen Geräte zur Erzeugung der Strahlung zum Einsatz kommen. Die Daten zur Führung der Strahlung werden auf Grundlage des 3D-CAD-Körpers des generativ gefertigten Gegenstands mithilfe der Verfahrenssoftware erzeugt. Dadurch sind der Funktionsbereich mit stützender Funktion und die Oberflächen des generativ gefertigten Gegenstandes exakt bekannt. Vorteilhafterweise kann man mit eben diesen Daten und der gleichen Strahlungsquelle bzw. Strahlung die nicht mehr benötigten Stützstrukturen entfernen und die Morphologie der Oberfläche verändern, so dass sie optisch ansprechend und ideal für die spätere Verwendung modifiziert ist. Auf eine manuelle Nachbearbeitung kann bei dem erfindungsgemäßen Gegenstand und durch das erfindungsgemäße Verfahren gänzlich verzichtet werden.
  • Beim selektiven Laserschmelzen wird der generativ gefertigte Gegenstand nach einem Verfahren hergestellt, bei dem zunächst eine Schicht eines Aufbaumaterials auf eine Unterlage aufgebracht wird. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Aufbaumaterial zur Herstellung des generativ gefertigten Gegenstands um metallische Pulverteilchen. Bei einer Variante der Erfindung werden dazu eisenhaltige und/oder kobalthaltige Pulverpartikel eingesetzt. Diese können Zusätze wie Chrom, Molybdän oder Nickel enthalten. Der metallische Aufbauwerkstoff wird in Pulverform in einer dünnen Schicht auf eine Platte aufgebracht. Dann wird der pulverförmige Werkstoff mittels einer Strahlung an den jeweils gewünschten Stellen lokal vollständig aufgeschmolzen und es bildet sich nach der Erstarrung eine feste Materialschicht. Anschließend wird die Unterlage um den Betrag einer Schichtdicke abgesenkt und es wird erneut Pulver aufgetragen. Dieser Zyklus wird solange wiederholt, bis alle Schichten hergestellt sind und der fertige Gegenstand entstanden ist. Erfindungsgemäß werden dabei unterschiedliche Funktionsbereiche des Gegenstands ausgebildet, insbesondere auch der Funktionsbereich mit stützender Funktion.
  • Ein Elektronenstrahl ist ein technisch erzeugtes Strahlenbündel aus Elektronen. Elektronenstrahlen wechselwirken stark mit Materie. So erhitzt sich beispielsweise ein Festkörper, insbesondere ein metallischer Festkörper, wenn er mit Elektronenstrahlen bestrahlt wird. Ausgenutzt wird dies unter anderem zum Aufschmelzen von metallischem Aufbaumaterial, beispielsweise beim Elektronenstrahlschmelzen. Über eine entsprechende Strahlführung lassen sich Strukturen im Mikrometer- bis Nanometerbereich leicht beeinflussen. In der Metallbearbeitung werden Elektronenstrahlen mit hoher Leistung zum Schmelzen, Härten, Glühen, Gravieren und Schweißen eingesetzt. Die Bearbeitung mit einem Elektronenstrahl geschieht vorzugsweise im Vakuum.
  • Gemäß der Erfindung wird die Oberfläche des generativ gefertigten Bauteils in ihrer Morphologie verändert. Die Morphologie ist ein Begriff aus der Metallurgie und der Kristallografie und beschreibt die Form eines Metallgitters bzw. Kristalls, der aus geometrisch bestimmten Flächen, Kanten und Ecken besteht.
  • Vorteilhafterweise wird die Oberfläche des generativ gefertigten Gegenstands, der nach dem Entfernen des Funktionsbereichs mit stützender Funktion uneben und rau ausgebildet ist, mithilfe der Strahlungsquelle optimiert. Insbesondere die Glattheit und Rauigkeit der Gegenstandsoberfläche werden einerseits den optischen Anforderungen und andererseits an die Verwendungsansprüche angepasst.
  • Idealerweise kann die Härte der Oberfläche beispielsweise bei der Verwendung als Funktionsbereich mit Kontakt zu abrasiven Medien gesteigert werden, um eine verschleißbeständige Kontaktfläche zu erzeugen.
  • Erfindungsgemäß wird der Funktionsbereich mit stützender Funktion, insbesondere die Stützstrukturen, schichtweise abgetragen. Die Daten zur Führung der Strahlung liegen in Form eines 3D-CAD-Körpers vor, der schichtweise durch Aufschmelzen von Pulvergranulat erzeugt wird. Eben diese Daten sind Grundlage für das Entfernen der Stützstrukturen, das ebenfalls schichtweise erfolgt. Die schichtweise Entfernung ist besonders ideal, weil sie äußerst präzise und exakt schichtdefiniert arbeitet. Dadurch lässt sich im Vergleich zur manuellen Entfernung der Stützstruktur viel genauer und schonender arbeiten, was zu einem hochwertigen Qualitätsprodukt führt.
  • In einer besonders vorteilhaften Variante der Erfindung wird die Morphologie des generativ gefertigten Gegenstandss unmittelbar beim Entfernen des Funktionsbereichs mit stützender Funktion verändert. Dabei überzeugt die generative Fertigung eines Gegenstands mit der vollständigen und unmittelbaren Fertigstellung des Gegenstands, wodurch auf eine händische Nacharbeit oder einen anschließenden Bearbeitungsschritt mit entsprechender Maschinenvorbereitung komplett verzichtet werden kann.
  • Erfindungsgemäß wird ein generativ gefertigter Gegenstand in einem integrativen Fertigungsverfahren gebildet. Die 3D-Form des Gegenstands ist in einer Software als Datensatz hinterlegt. An den Stellen, an denen der Gegenstand ausgebildet werden soll, wirkt ein Roboterarm, der über Werkzeuge unterschiedlicher generativer Aufbauprozesse verfügt und bildet Schicht für Schicht die Funktionsbereiche des Gegenstands, insbesondere den Funktionsbereich mit stützender Funktion, aus. Vorteilhafterweise kann für jede Schicht nacheinander oder gleichzeitig der geeignete Aufbauprozess für jedes Aufbaumaterial ausgeführt werden, so dass ein komplexer Gegenstand auch aus unterschiedlichen Werkstoffen entsteht, dessen Bereiche optimal an die Anforderungen des späteren Einsatzes angepasst sind.
  • In einer Variante der Erfindung ist vorstellbar, dass Funktionsbereiche des Gegenstands schichtweise, auch in Form einer Gitterstruktur, mit einem Schmelzschicht-Werkzeug des generativen Fertigungsverfahrens erzeugt werden, bei dem aus schmelzfähigern Kunststoff ein Raster von Punkten auf eine Fläche aufgetragen wird. Durch Extrudieren mittels einer Düse sowie einer anschließenden Erhärtung durch Abkühlung an der gewünschten Position wird ein tragfähiger Aufbau, insbesondere in Form eines Gitters und/oder in Form von Waben erzeugt. Indem der stützende Bereich eines Gegenstands beispielsweise hohlraumbildend mit besonders tragfähiger Struktur erzeugt wird, weist ein Gegenstand eine enorme Festigkeit bei gleichzeitig sehr geringer Masse auf. Der Aufbau eines Gegenstands erfolgt üblicherweise, indem wiederholt jeweils zeilenweise eine Arbeitsebene abgefahren und dann die Arbeitsebene stapelnd nach oben verschoben wird, sodass der Gegenstand mit seinen Funktionsbereichen, insbesondere mit dem Funktionsbereich mit stützender Funktion, entsteht.
  • In einer besonders vorteilhaften Variante der Erfindung wird der generativ gefertigte Gegenstand aus einem Aufbaumaterial durch aufeinanderfolgendes Schmelzen und Erstarren von Schichten mittels Strahlung hergestellt. Die unterschiedlichen Eigenschaften der Funktionsbereiche eines generativ gefertigten Gegenstands werden dabei durch Variationen der Strahlung, der Strahlungsenergie und der Strahlungsintensität generiert. Durch gezielte Steuerung der lokalen Wärmeeinbringung, auch über die Scangeschwindigkeit der Strahlung, wird bereits beim Aufbau des generativ gefertigten Gegenstands eine Modifizierung der Werkstoffeigenschaften vorgenommen. Dadurch gelingt es in einem Bereich des Gegenstands, insbesondere in der Morphologie der Oberfläche, Zonen und Gefüge unterschiedlicher Werkstoffzustände eines chemisch-homogenen Werkstoffs und damit unterschiedlicher Eigenschaften zu erzeugen.
  • Der metallische Aufbauwerkstoff wird in Pulverform in einer dünnen Schicht auf eine Platte aufgebracht. Der pulverförmige Werkstoff wird mittels Strahlung an den jeweils gewünschten Stellen lokal vollständig aufgeschmolzen und bildet nach der Erstarrung eine feste Materialschicht. Anschließend wird diese Grundplatte um den Betrag einer Schichtdicke abgesenkt und es wird erneut Pulver aufgetragen. Dieser Zyklus wird solange wiederholt, bis alle Schichten hergestellt sind. Das überschüssige Pulver wird vom fertigen Gegenstand mithilfe des integrativen Fertigungswerkzeugs abgesaugt.
  • Im Anschluss wird der Funktionsbereich mit stützender Funktion, der insbesondere für überhängend gefertigte Gegenstände unabdinglich ist, schichtweise durch Einwirken von Strahlung abgetragen. Erfindungsgemäß wird die Strahlungsquelle des Lasers des integrativen Fertigungswerkzeugs durch den Datensatz des 3D-CAD-Körpers geführt, wodurch äußerst präzise die Funktionsbereiche mit stützender Funktion des generativ gefertigten Gegenstands abgetragen werden.
  • Vorteilhafterweise wird gleichzeitig und unmittelbar beim Entfernen des Funktionsbereichs mit stützender Funktion durch Variation der Strahlungsenergie, der Strahlungsintensität und der Scangeschwindigkeit der Strahlung die Morphologie der Oberfläche des generativ gefertigten Gegenstands optimiert. Idealerweise kann die Fertigung des generativ gefertigten Gegenstands in einer integrativen Fertigungseinheit vollständig ausgeführt werden. Dadurch werden die Kosten für die generative Fertigung eines Gegenstands erheblich gesenkt, der Einsatz von Arbeitskräften für eine Nachbearbeitung vollständig reduziert und die Oberflächenqualität des fertigen Gegenstands enorm verbessert.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung und aus der Zeichnung selbst.
  • Dabei zeigt:
    • 1 einen generativ gefertigten Gegenstand mit einem Funktionsbereich mit stützender Funktion,
    • 2 einen weiteren generativ gefertigten Gegenstand mit einem Funktionsbereich mit stützender Funktion.
  • In der 1 ist ein generativ gefertigter Gegenstand 1 dargestellt, der über mindestens einen Funktionsbereich mit stützender Funktion 2 verfügt. In diesem Ausführungsbeispiel sind der generativ gefertigte Gegenstand 1 als Spaltring und der Funktionsbereich mit stützender Funktion 2 als Stützstruktur ausgebildet. Die Stützstruktur ist nötig, um den generativ gefertigten Gegenstand 1 in seiner Form beim schichtweisen Aufbau zu bilden und ebenfalls zu halten. Die Stützstruktur wird nach der Ausbildung des generativ gefertigten Gegenstands 1 schichtweise durch die Strahlung abgetragen. Die Oberfläche 3 des Gegenstands 1, insbesondere die Oberfläche 3 an die zuvor die Stützstruktur angeformt war, wird durch die Strahlung unmittelbar beim Entfernen der Stützstruktur in ihrer Morphologie optimiert. Auf eine händische Nacharbeit, ein manuelles Entfernen der Stützstruktur und eine Verbesserung des generativ gefertigten Gegenstands 1 kann verzichtet werden.
  • In der 2 ist ein weiterer generativ gefertigter Gegenstand 1 mit einem Funktionsbereich mit stützender Funktion 2 dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel sind der generativ gefertigte Gegenstand 1 als wandförmiges Bauteil und der Funktionsbereich mit stützender Funktion 2 als Stützstruktur ausgebildet. Die Stützstruktur wird nach der Ausbildung des generativ gefertigten Gegenstands 1 schichtweise durch die Strahlung abgetragen, während unmittelbar beim Entfernen der Stützstruktur die Oberfläche 3 des generativ gefertigten Gegenstands in ihrer Morphologie für die Anwendung des Gegenstands 1 optimiert wird.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 10219983 B4 [0010]
    • DE 102007033434 A1 [0011]
    • DE 102013011630 A1 [0012]
    • DE 102015218753 A1 [0014]
    • DE 102019002292 A1 [0015]
    • DE 102015202417 A1 [0017]

Claims (7)

  1. Generativ gefertigter Gegenstand (1) mit mindestens einem Funktionsbereich mit stützender Funktion (2), der nach der Fertigung mit einem Werkzeug entfernt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Funktionsbereich mit stützender Funktion (2) mit einer Strahlungsquelle entfernt wird.
  2. Generativ gefertigter Gegenstand (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Funktionsbereich mit stützender Funktion (2) schichtweise abgetragen wird.
  3. Generativ gefertigter Gegenstand (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Morphologie der Oberfläche (3) des generativ gefertigten Bauteiles (1) unmittelbar beim Entfernen des Funktionsbereichs mit stützender Funktion (2) verändert wird.
  4. Verfahren zur Fertigung eines generativen Gegenstands (1) mit folgenden Schritten: - selektives Einwirken einer Strahlung auf ein Aufbaumaterial, - Bildung von Funktionsbereichen des Gegenstands (1), - Selektives Einwirken einer Strahlung auf die Funktionsbereiche.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Funktionsbereich mit stützender Funktion (2) schichtweise durch Einwirken von Strahlung abgetragen wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Strahlung um einen datengeführten Laserstrahl handelt.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie, die Intensität und die Scangeschwindigkeit der Strahlung zum Verändern der Morphologie der Oberfläche (3) des generativ gefertigten Gegenstands (1) variiert werden.
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