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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mittels sinterbasierter generativer Fertigung sowie ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einem mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Bauteils.
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Bei generativen bzw. additiven Fertigungsverfahren werden Pulverpartikel eines Ausgangsmaterials mithilfe einer Fertigungsanlage Schicht für Schicht jeweils an den Stellen miteinander verbunden, an denen sich Bauteilgeometrie befinden soll.
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Die Verbindung erfolgt entweder durch Verschmelzen, wobei relevante additive bzw. generative Fertigungsverfahren mit diesem Prinzip z.B. pulverbettbasiertes Schmelzen (Laserschmelzverfahren bzw. „Selective Laser Melting“, SLM, sowie „Electron Beam Melting“, EBM), Laser-Sintern („Selective Laser Sintering“, SLS) und „Multi-Jet Fusion“ (MJF) sind, oder durch Verkleben, z.B. mit dem sogenannten Bindemittelauftrag („Binder Jetting“, BJ).
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Nach Fertigstellung eines Baujobs, d.h. sobald Pulverpartikel in allen Schichten selektiv miteinander verbunden sind, folgt das sogenannte Post Processing, also eine Nachbearbeitung.
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Beim Binder-Jetting-Verfahren werden die metallischen Ausgangspulver schichtweise in Bauteilform mittels Binder verklebt. Die Schichten werden durch einen runden Roller aufgetragen, der einerseits rotiert und andererseits eine translatorische Bewegung durchführt, um Pulver über die gesamte Bauplattform aufzutragen. Danach trägt ein Druckkopf einen Binder auf. Das dabei entstehende Bauteil wird auch als Grünling bezeichnet und zeichnet sich durch eine begrenzte Festigkeit aus, da es zunächst lediglich durch den aufgebrachten Binder zusammengehalten wird. Bevor die Bauteile aus dem Pulverbett entnommen werden können, muss der Binder thermisch aktiviert und ausgehärtet werden, im sogenannten Curing-Prozess.
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In einem Nachbearbeitungsschritt wird der Binder herausgebrannt und die Pulverpartikel sintern in Bauteilform zusammen, bis eine möglichst hohe Dichte erreicht ist.
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Die
US 2013/0259732 A1 lehrt ein Verfahren zur Herstellung thermisch belasteter Motorkomponenten mit einer geometrisch komplexen Struktur durch Metallspritzgießen von Metallpulver, die zunächst als als Bräunlinge bezeichnete Zwischenprodukte vorliegen. An den Bräunlingen werden Vorsprünge und Aussparungen vorgesehen, die beim Sintern die Bräunlinge zueinander fixieren und aneinander ziehen.
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In ähnlicher Ausführung offenbart die
US 2010/0236688 A1 ein Verfahren zum Verbinden von Pulverspritzgussteilen, wobei Grünlinge jeweils in Form von Stufen einer Treppe hergestellt und in Eingriff gebracht werden, um einen engen Kontakt an den Treppenstufen herzustellen. In dieser Position werden sie gehalten und entbindert, um einen nahtlosen Körper zu erzeugen.
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Beim Sintervorgang schrumpfen die Bauteile um bis zu 20%.
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Beim Sintern ruht der Grünling des Bauteils auf einer Unterlage. Diese Sinterunterlage besteht konventionell aus einer Keramikplatte, die nicht mit dem Grünling reagiert und thermisch stabil bleibt. Beim Schrumpfungsprozess des Bauteils kommt es zur Reibung zwischen der in der Regel keramischen, nicht schrumpfenden Sinterunterlage und dem Bauteil, was zu einem Verzug an der Kontaktfläche oder gar Rissbildung im Bauteil führen kann.
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Teilweise werden die Sinterunterlagen ebenfalls pulvermetallurgisch hergestellt, um den Schrumpfungsgradienten zwischen Bauteil und Unterlage durch die Schrumpfung gering zu halten.
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Allerdings sind für große Bauteile entsprechend große Unterlagen vorzusehen, deren Herstellung zeit- und kostenintensiv ist.
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Die 1-3 zeigen einen herkömmlichen Grünling 10 eines Bauteils vor und nach dem Sinterprozess.
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1 zeigt dabei zunächst den Grünling 10 des Bauteils alleine. In 2 ist dieser Grünling 10 dargestellt, wobei hier mit den Pfeilen Schrumpfbewegungen 11 im Körper des Grünlings 10 angedeutet sind. Dadurch, dass der Grünling 10 wie beschrieben auf einer Unterlage haftet und bei Ausführung der Schrumpfbewegungen reibt, kommt es zu einer Abweichung der Form des Grünlings bzw. des daraus nach dem Sintern hergestellten Bauteils 12 in Bezug zu seiner Sollkontur 13, wie in 3 gezeigt. Neben der Abweichung der Form kann es auch zu Rissen oder unerwünschten Spannungen im Bauteil 12 kommen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem kostensparend und effizient auch größerer Bauteile sinterbasiert generativ hergestellt werden können.
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Die Aufgabe wird durch das Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mittels sinterbasierter generativer Fertigung gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen dieses Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2-9 angegeben. Ergänzend wird gemäß Anspruch 10 ein Kraftfahrzeug zur Verfügung gestellt, welches wenigstens ein gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Bauteil aufweist.
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Ein erster Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mittels sinterbasierter generativer Fertigung, bei dem mehrere Grünlinge von Unterlagenelementen mittels generativer Fertigung erzeugt werden. Die Grünlinge der Unterlagenelemente werden mechanisch miteinander verbunden, sodass sie eine Grünling-Unterlage ausbilden. Auf der Grünling-Unterlage wird ein mittels generativer Fertigung hergestellter Grünling des herzustellenden Bauteils angeordnet, und die Grünling-Unterlage und der Grünling des herzustellenden Bauteils werden gemeinsam einem Sintervorgang unterzogen. Danach werden die damit hergestellte Unterlage und das hergestellte Bauteil voneinander getrennt.
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Aufgrund dessen, dass sowohl die Grünling-Unterlage als auch der Grünling des herzustellenden Bauteils gesintert werden, möglichst im gleichen Vorgang, führen beim Sintern und/ oder in der Abkühlungsphase danach sowohl die Unterlage als auch das Bauteil im Wesentlichen dieselben Schrumpfung aus, sodass es zu keiner oder einer nur geringen Relativbewegung zwischen Unterlage und Bauteil kommt und demzufolge Spannungen und davon hervorgerufene Verformungen oder Beschädigungen verhindert werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren bietet den Vorteil, dass unterschiedlich große Unterlagen in nahezu beliebiger Größe flexibel durch die Anordnung und Verbindung von unterschiedlich vielen Unterlagenelementen bereitgestellt werden können. Die einzelnen Unterlagenelemente können dabei relativ klein und demzufolge fertigungstechnisch effizient und in geringen Zeiträumen mit hoher Stückzahl hergestellt werden. Durch mechanische Verbindung dieser Unterlagenelemente können sehr große Unterlagen für die Herstellung sehr großer und komplexer Bauteile zur Verfügung gestellt werden.
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Durch die geringe Baugröße der Unterlagenelemente lassen diese sich einfacher handhaben und unterliegen einem geringen Risiko der Beschädigung.
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Insbesondere erfolgt die generative Fertigung der Grünling-Unterlage mit dem gleichen Material und/oder Fertigungsparametern wie der generative Fertigungsprozess des Grünlings des Bauteils. Dabei kann der generative Fertigungsprozess der Grünlinge der Unterlagenelemente und deren Zusammensetzung zur Grünling-Unterlage dem generativen Fertigungsprozess des Bauteils unmittelbar vorausgehen.
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Zur Erleichterung der Trennung von Unterlage und Bauteil kann ein sinterhemmendes Material, wie z.B. ein Keramikpulver, zwischen Unterlage und Bauteil bzw. deren Grünlingen vor dem Sinterprozess auf die Grünling-Unterlage aufgebracht worden sein. Das generative Fertigungsverfahren kann dabei ein Binder-Jetting-Verfahren oder ein Metallpulverspritzgussverfahren sein.
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In der Verfahrensausgestaltung als Binder-Jetting-Verfahren kann das generative Fertigungsverfahren auch als additives Fertigungsverfahren bezeichnet werden.
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Das sogenannte Binder-Jetting-Verfahren ist ein additives Fertigungsverfahren, bei dem pulverförmiges Ausgangsmaterial an ausgewählten Stellen mit einem Binder verklebt wird, um so Werkstücke zu erzeugen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass der Grünling des Bauteils auf der Grünling-Unterlage mittels des sinterbasierten generativen Herstellungsverfahrens erzeugt wird.
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Insbesondere ist dabei vorgesehen, dass bei der generativen Fertigung der Grünlinge der Unterlagenelemente und der der generativen Fertigung des Grünlings des herzustellenden Bauteils keine feste stoffschlüssige Verbindung zwischen den Grünlingen der Unterlagenelemente und dem Grünling des herzustellenden Bauteils realisiert wird. Weiterhin sind die Grünlinge der Unterlagenelemente in vorteilhafter Ausführungsform im Wesentlichen zweidimensional ausgestaltet. Das heißt, dass ein Grünling eines Unterlagenelements eine Höhe aufweist, die maximal so groß ist wie 1/10 einer maximalen Länge einer Erstreckungsrichtung des Grünlings des Unterlagenelements senkrecht zu seiner Höhe. Entsprechend ist auch die Unterlage selbst im Wesentlichen zweidimensional ausgestaltet. Zur Ausbildung einer ausreichend stabilen Unterlage ist insbesondere vorgesehen, dass die Grünlinge der Unterlagenelemente mittels Formschluss miteinander verbunden werden. Dabei soll nicht ausgeschlossen sein, dass auch eine kraftschlüssige Verbindung neben dem Formschluss wirkt.
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In weiterer vorteilhafter Ausführung werden benachbarte, mechanisch miteinander gekoppelte Grünlinge der Unterlagenelemente derart miteinander verbunden, dass einem jeweiligen Grünling eines Unterlagenelements in Bezug zu seinem benachbarten Grünling eines Unterlagenelements beide parallel zu einer Ebene der Auflage der Grünlinge der Unterlagenelemente verlaufende translatorische Freiheitsgrade blockiert sind.
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Eine unmittelbare mechanische Kopplung benachbarter Grünlinge von Unterlagenelementen kann mittels jeweils eines Paares hinsichtlich Form und Größe komplementär ausgeführter Formelemente realisiert werden, wobei an einem ersten Grünling eines Unterlagenelements ein erstes Formelement dieses Paares als ein Vorsprung mit einer ersten Hinterschneidung ausgebildet ist, und das zweite Formelement dieses Paares an einem benachbarten, zweiten Grünling eines Unterlagenelements als eine Aussparung mit einer zweiten Hinterschneidung zur zumindest bereichsweisen Umschließung der ersten Hinterschneidung ausgebildet ist.
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Beispielsweise können die Formelemente dieses Paares entsprechend eines Puzzleteils ausgebildet sein, nämlich ein erstes Formelement als ein Zapfen, und ein zweites Formelement als eine Nut, z.B. mit einem Schwalbenschwanzprofil oder einem ähnlichen Profil, wobei Zapfen und Nut so ausgestaltet sind, dass eine Entfernung voneinander formschlüssig blockiert ist.
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Des Weiteren ist in vorteilhafter Ausgestaltung vorgesehen, dass winklig, insbesondere rechtwinklig, zu einer Haupterstreckungsrichtung eines jeweiligen Formelements der betreffende Grünling eines Unterlagenelements wenigstens eine Anlagekante aufweist, die zur Anlage an einer Anlagekante des benachbarten Grünlings eines Unterlagenelements dient, um somit auch eine Rotation der Grünlinge der Unterlagenelemente um die beiden Formelemente zu unterbinden.
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In alternativer Ausführungsform kann eine mittelbare mechanische Kopplung benachbarter Grünlinge von Unterlagenelementen mittels eines Verbinders realisiert werden, wobei die Kopplung zwischen dem Verbinder und einem jeweiligen Grünling eines Unterlagenelements mittels jeweils eines Paares hinsichtlich Form und Größe komplementär ausgeführter Formelemente realisiert wird. An dem Verbinder ist ein erstes Formelement dieses Paares als ein Vorsprung mit einer ersten Hinterschneidung ausgebildet, und das zweite Formelement dieses Paares ist an einem Grünling eines Unterlagenelements als eine Aussparung mit einer zweiten Hinterschneidung zur zumindest bereichsweisen Umschließung der ersten Hinterschneidung ausgebildet. Der Verbinder verbindet derart zueinander benachbarte Grünlinge von Unterlagenelementen, wobei der Verbinder mit zwei einander gegenüberliegenden ersten Formelementen in jeweils einem der beiden benachbarten Grünlingen von Unterlagenelementen eingehakt ist.
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Auch in dieser Ausführungsform können benachbarte Grünlinge von Unterlagenelementen einander zugewandte Anlagekanten aufweisen, die bei Verbindung der Grünlinge der Unterlagenelemente mittels des Verbinders zur Anlage aneinander kommen, um derart eine Rotation der Grünlinge der Unterlagenelemente um den Verbinder und in Bezug zueinander zu unterbinden.
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Durch die unmittelbare oder auch durch die mittelbare Kopplung benachbarter Grünlinge von Unterlagenelementen, die auch als ein „Zusammenpuzzlen“ der Grünlinge von Unterlagenelementen bezeichnet werden kann, lassen sich in flexibler Weise unterschiedliche Größen und auch Formen der Unterlage realisieren, um diese dem Querschnitt des herzustellenden Bauteils anzupassen.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Kraftfahrzeug, insbesondere Personenkraftwagen, welches wenigstens ein gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mittels sinterbasierter generativer Fertigung hergestelltes Bauteil umfasst.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert.
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Es zeigen
- 1: einen Grünling eines Bauteils,
- 2: den Grünling des Bauteils beim Sinterprozess,
- 3: das aus dem Grünling hergestellte Bauteil mit Verformungen,
- 4: einen Grünling eines Unterlagenelements,
- 5: eine aus mehreren Grünlingen von Unterlagenelementen hergestellte Grünling-Unterlage,
- 6: die Grünling-Unterlage aus 5 zusammen mit einem Grünling eines Bauteils beim Sintervorgang,
- 7: eine aus der Grünling-Unterlage entstandene Unterlage mit Bauteil,
- 8: ein Paar von Grünlingen von Unterlagenelementen mit Formelementen einer ersten Ausführungsform,
- 9: einen Grünling mit einem ersten Formelement einer zweiten Ausführungsform,
- 10: einen Grünling mit einem ersten Formelement einer dritten Ausführungsform,
- 11: einen Grünling mit einem ersten Formelement einer vierten Ausführungsform,
- 12: zwei benachbarte Grünlinge von Unterlagenelementen mit einem Verbinder einer ersten Ausführungsform, und
- 13: zwei benachbarte Grünlinge von Unterlagenelementen mit einem Verbinder einer zweiten Ausführungsform.
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Auf die 1-3 ist bereits zur Erläuterung des Standes der Technik eingegangen worden.
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4 zeigt einen Grünling eines Unterlagenelements 20. Es ist ersichtlich, dass dieser Grünling eines Unterlagenelements 20 in Form eines typischen Puzzleteils ausgeführt ist.
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5 zeigt eine Grünling-Unterlage 21, die aus mehreren Grünlingen von Unterlagenelementen 20 wie ein Puzzle zusammengesetzt ist.
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Diese Grünling-Unterlage 21 ist vorzugsweise aus demselben Material generativ erzeugt worden, wie ein Bauteil, welches mit oder nach generativer Herstellung auf der Grünlinge-Unterlage 21 platziert wird.
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Aus 5 ist zudem ersichtlich, dass durch die Anlehnung an eine Form eines Puzzleteils benachbarten Grünlingen der Unterlagenelemente 30 beide in der Ebene der Grünling-Unterlage 21 verlaufende translatorische Freiheitsgrade 31,32 in Bezug zueinander blockiert sind.
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Der Grünling des Bauteils 10 ist in 6 auf der Grünling-Unterlage 21 angedeutet. 6 zeigt die Grünling-Unterlage 21 zusammen mit dem Grünling des Bauteils 10 beim Sintervorgang. Auch hier finden wieder die mit den Pfeilen angedeuteten Schrumpfbewegungen 11 statt. Aufgrund dessen, dass die Grünling-Unterlage 21 aber im Wesentlichen dieselben Schrumpfbewegungen 11 ausführt wie der Grünling des Bauteils 10, kommt es, wie in 7 dargestellt, nicht oder nur unwesentlich zu Abweichungen der Form des hergestellten Bauteils 12 von der Sollkontur 13.
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Es ist ersichtlich, dass durch mehrere kleinere Grünlinge von Unterlagenelementen 20 insgesamt eine relativ große Grünling-Unterlage 21 und nach dem Sintern entsprechend eine Unterlage 22 zur Verfügung gestellt werden kann, wobei die mehreren Grünlinge von Unterlagenelementen 20 effizient und materialsparend erzeugt werden können.
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8 zeigt einen ersten Grünling eines Unterlagenelements 40 und einen zweiten Grünling eines Unterlagenelements 50 vor dem Eingriff ineinander. Es ist ersichtlich, dass der erste Grünling eines Unterlagenelements 40 ein erstes Formelement 41 in Form eines Vorsprungs aufweist. Dieses erste Formelement 41 bzw. dieser Vorsprung bildet gegenüber einer Anlagekante 60 eine erste Hinterschneidung 42 aus.
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Der zweite Grünling eines Unterlagenelements 50 bildet ein zweites Formelement 51 in Form einer hinsichtlich dem ersten Formelement 41 bzw. Vorsprung in Form und Größe komplementären Aussparung aus. Dieses zweite Formelement 51 bzw. diese Aussparung bildet ebenfalls gegenüber einer Anlagekante 60 eine zweite Hinterschneidung 52 aus.
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Durch das Eingreifen des ersten Formelements 41 in das zweite Formelement 51, wie es in 5 dargestellt ist, lassen sich die beiden Grünlinge von Unterlagenelementen 40,50 miteinander formschlüssig verbinden. Die Anlagekanten 60 kommen dabei aneinander zur Anlage, sodass neben den translatorischen Freiheitsgraden auch Rotation in der Ebene der Grünling-Unterlage 21 unterbunden sind.
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Die 9-11 zeigen unterschiedliche Ausführungsformen des ersten, als Vorsprung ausgebildeten Formelements 41. In 9 weist das erste Formelement die Querschnittsform eines T auf. In 10 weist das erste Formelement die Querschnittsform eines Winkels auf. In 11 weist das erste Formelement die Querschnittsform eines Pfeils auf.
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Dem Fachmann ist klar, dass das hierzu passende, hier nicht dargestellte, zweite Formelement hinsichtlich Form und Größe komplementär zum ersten Formelement 41 auszuführen ist.
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Die 12 und 13 zeigen Alternativen in der Herstellung der Grünling-Unterlage. In den in den 12 und 13 dargestellten Ausführungsformen wird jeweils ein Verbinder 70 genutzt, um benachbarte Grünlinge von Unterlagenelementen 30 miteinander zu verbinden.
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In beiden in den 12 und 13 dargestellten Ausführungsformen bildet der Verbinder 70 wenigstens zwei erste Formelemente 41 in Form von Vorsprüngen aus, die in entsprechenden als Aussparungen ausgestalteten zweiten Formelementen 51 in den Grünlingen Unterlagenelementen 20 anzuordnen sind. Nach dieser Anordnung und dadurch hergestellten formschlüssigen Verbindung kommen die Anlagekanten 60 der benachbarten Grünlinge der Unterlagenelemente 30 aneinander zur Anlage, sodass wieder sämtliche translatorische Freiheitsgrade als auch die Rotation in der Ebene der Grünling-Unterlage unterbunden sind.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Grünling des Bauteils
- 11
- Schrumpfbewegung
- 12
- Bauteil
- 13
- Sollkontur
- 20
- Grünling eines Unterlagenelements
- 21
- Grünling-Unterlage
- 22
- Unterlage
- 30
- Benachbarte Grünlinge der Unterlagenelemente
- 31
- Erster translatorischer Freiheitsgrad
- 32
- Zweiter translatorischer Freiheitsgrad
- 40
- erster Grünling eines Unterlagenelements
- 41
- erstes Formelement (Vorsprung)
- 42
- erste Hinterschneidung
- 50
- zweiter Grünling eines Unterlagenelements
- 51
- zweites Formelement (Aussparung)
- 52
- zweite Hinterschneidung
- 60
- Anlagekante
- 70
- Verbinder
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2013/0259732 A1 [0007]
- US 2010/0236688 A1 [0008]
