DE102021204009A1

DE102021204009A1 - Verfahren und System für die additive Herstellung von Objekten

Info

Publication number: DE102021204009A1
Application number: DE102021204009.8A
Authority: DE
Inventors: Alexander Rütjes; Anwar Shad; Sven Crull; Robert Stache
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2021-04-22
Filing date: 2021-04-22
Publication date: 2022-10-27

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System für die additive Herstellung von Objekten.Es ist vorgesehen, dass während der Herstellung von wenigstens einem Objekt (12) ein oder mehrere Netzstrukturen (18) eingelegt werden, welche jeweils zwischen wenigstens zwei Schichten aus dem ersten Material angeordnet werden. Die jeweiligen Netzstrukturen (18) werden mit eingedruckt und stabilisieren so das wenigstens eine Objekt (12), wenn das überschüssige Material entfernt wird. Die Netzstruktur (18) wird dabei von außen in den Herstellungsbereich (10) eingelegt. Zudem wird ein entsprechendes System (20) vorgestellt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System für die additive Herstellung von Objekten.
Unter den additiven Herstellungsverfahren sind insbesondere die 3D-Duckverfahren basierend auf einem pulvrigen Ausgangsmaterial, welches mit geeigneten Bindemitteln partiell gebunden wird, für die industrielle Anwendung von Interesse. Um dieses vorteilhafte Herstellungsverfahren in Zukunft noch wirtschaftlicher zu gestalten, sind insbesondere Forschungsansätze hinsichtlich einer massentauglichen Anwendung aktuell im Fokus.
Für eine massentaugliche Anwendung sind die einzelnen Prozessschritte zu beschleunigen, ohne dass dabei die Qualität der gedruckten Objekte leidet. Gleichzeitig sind Herstellungsschritte, wenn möglich, zusammenzulegen, um somit einen effizienteren Prozesstakt zu ermöglich, sodass in der gleichen Zeit eine größere Menge von fertigen Objekten herstellbar ist.
So ist es heute bereits bekannt, mehrere Objekte innerhalb eines Herstellungsbereichs gleichzeitig zu drucken. Der Herstellungsbereich ist dabei ein Bereich, in welchem die aktiven Prozesse des 3D-Druckens beziehungsweise des additiven Herstellungsprozesses stattfinden, insbesondere also das Bereitstellen von pulvrigem Ausgangsmaterial und von Bindemitteln. In industriellen Verfahren ist in diesem Zusammenhang etwa der Einsatz von Metallpulvern und der Einsatz von Lasereinheiten in 3D-Druckanlagen bekannt. Überschüssiges pulvriges Ausgangsmaterial, welches nicht mit dem Bindemittel oder in sonstiger Weise verfestigt wurde, ist nach der Erstellung eines Objektes zu entfernen.
Die automatisierte Entpulverung gestaltet sich nach wie vor herausfordernd. So ist es wünschenswert, eine vollständige Entpulverung von fertig gedruckten Objekten zu erreichen. Dieser Prozessschritt soll dabei schnell durchgeführt werden, wobei darauf zu achten ist, dass die fertigen Objekte keinen Schaden nehmen.
Beim Ablassen von überschüssigem Pulver, etwa über geeignete Druckplattformen, welche hierfür Öffnungen aufweisen, besteht die Gefahr, dass sich das fertig gedruckte Objekt innerhalb des Herstellungsbereichs in nicht gewünschter Weise bewegt. Insbesondere in dem Fall, wenn mehrere Objekte gleichzeitig in dem Herstellungsbereich gedruckt werden, kann beim Ablassen beziehungsweise beim Entfernen des pulvrigen Ausgangsmaterials eine gefährliche Verschiebung der Objekte und in deren Folge eine gegenseitige Beschädigung der Objekte auftreten. Aufgrund von komplexen Strukturen von den zu fertigenden Objekten ist somit eine standardisierte Entpulverung, welche für eine Beschleunigung des Prozesstakts vorteilhaft wäre, meist nicht praktikabel. Eine örtliche Fixierung der Objekte ist in den bisher häufig eingesetzten Prozessen nicht vorgesehen, sodass beim Pulverablassen die Objekte aufeinander absinken können. In Folge können insbesondere fragile Bereiche oder Kanten von den gedruckten Objekten beschädigt werden. Eine bisher häufig anzutreffende Praxis besteht deswegen darin, eine händische Entnahme der Objekte während der Entpulverung vorzunehmen, was allerdings sehr zeitaufwendig ist und somit für eine industrielle Massenfertigung entweder nicht praktikabel oder als zu kostenintensiv anzusehen ist.
In neueren Ansätzen werden im Stand der Technik Lösungen favorisiert, welche etwa eingedruckte Unterstützungsstrukturen vorsehen, um gefertigte Objekte lokal zu fixieren. Die dabei einhergehende Schwächung von Strukturen innerhalb des gefertigten Objektes wird dabei in Kauf genommen. Nachfolgend werden von diesen Lösungen einige aus dem Stand der Technik stellvertretend vorgestellt.
So ist aus der Druckschrift US 2017 326789 A1 eine Herstellungsmethode und eine Herstellungsvorrichtung sowie eine Datenverarbeitungsmethode, eine Datenverarbeitungsvorrichtung und ein entsprechender Datenträger als bekannt zu entnehmen. Das bereitgestellte Verfahren ist dabei zur Herstellung eines Objekts geeignet. Das Verfahren umfasst das Abscheiden einer ersten Schicht Baumaterial auf einer Bauplattform. Das Verfahren umfasst das Abscheiden von Bindemittel auf der ersten Schicht aus Baumaterial, um mindestens einen Bereich der ersten Schicht zusammenzubinden, um eine Trägerschicht zu bilden. Das Verfahren umfasst das Abscheiden einer zweiten Schicht aus Baumaterial auf der Trägerschicht, um eine Abstandsschicht zu bilden. Das Verfahren umfasst das Abscheiden einer dritten Schicht Baumaterial auf der Abstandsschicht. Das Verfahren umfasst das selektive Abscheiden von Bindemittel auf der dritten Schicht, um einen oder mehrere Bereiche der dritten Schicht zusammenzubinden, um eine erste Schicht des Objekts zu bilden. Ebenfalls bereitgestellt werden Datenverarbeitungsverfahren, Programmträger, Datenverarbeitungsvorrichtungen und Herstellungsvorrichtungen zum Implementieren des Verfahrens.
Aus der Druckschrift US 2019 375009 A1 ist zudem eine Herstellungsmethode, eine Herstellungsvorrichtung sowie eine Datenmethode zur Bildung einer mehrschichtigen Sinterobjektunterstützungsstruktur als bekannt zu entnehmen. Dabei werden Trägersubstrate in bestimmten additiven Herstellungsprozessen verwendet, um die Verarbeitung eines Objekts zu ermöglichen. Für additive Herstellungsprozesse mit Materialien, die zu einem endgültigen Teil gesintert werden, wird ein mehrschichtiges Trägersubstrat aus verschachtelten Träger- und Grenzflächenschichten hergestellt, um ein Objekt zu tragen, während ein Einfluss der Reibung auf das Schrumpfen des Teils während des Sinterprozesses verringert wird.
Und aus der Druckschrift WO 2020 091858 A1 sind zudem additiv hergestellte Artikel mit Gitterstützen als bekannt zu entnehmen. Zusätzlich wird ein Verfahren und ein System für die Herstellung solcher Artikel offenbart. Es werden Artikel mit Gitterträgern bereitgestellt, die zur chemischen Entfernung befähigt sind sowie Verfahren und Systeme zu deren Herstellung. Das Verfahren umfasst das Bilden eines Teils in einem Pulverbettabscheidungsbereich einer additiven Herstellungsvorrichtung aus einem Pulver. Ein offenzelliges Gitter, das einen ungebundenen Bereich und einen gebundenen Bereich umfasst, wird in Verbindung mit mindestens einem Teil des Teils gebildet. Das offenzellige Gitter ist angepasst, um den Teil im Pulverbettabscheidungsbereich zurückzuhalten. Der ungebundene Bereich ist angepasst, um einen Hohlraum zu bilden, der ein Ätzmittel aufnehmen kann.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren für die additive Herstellung von Objekten bereitzustellen, welches gewährleistet, dass gefertigte Objekte während und nach der Entpulverung im Herstellungsbereich stabilisiert werden.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Verfahren für die additive Herstellung von Objekten bereitgestellt wird. Dabei umfasst das Verfahren die folgenden Schritte:

Zunächst wird eine Plattformeinheit mit aktivem Herstellungsbereich von einer 3D-Druckanlage für die Fertigung von wenigstens einem Objekt mittels eines additiven Herstellungsverfahrens bereitgestellt. Es wird wenigstens ein Objekt aus einzelnen Schichten eines ersten pulvrigen Materials in dem aktiven Herstellungsbereich unter zumindest teilweiser Verwendung eines Bindermittels mittels der 3D-Druckanlage hergestellt. Es wird dabei wenigstens eine Netzstruktur aus einem zweiten, sich von dem ersten Material unterscheidenden Material eingelegt, welche jeweils zwischen wenigstens zwei Schichten aus dem ersten Material angeordnet wird. Die Netzstruktur ist dabei ausgelegt, bereits erstellte Schichten des wenigstens einen Objekts zumindest teilweise überlappend zu bedecken und wenigstens einen Freibereich aufzuweisen, sodass die jeweils an der Netzstruktur anliegenden Schichten aus dem ersten Material zumindest teilweise in den jeweiligen Freibereichen miteinander verbunden werden.

Auf diese Weise ist es möglich, ein Verfahren für die additive Herstellung von Objekten bereitzustellen, welches gewährleistet, dass gefertigte Objekte während und nach der Entpulverung im Herstellungsbereich stabilisiert werden. Die Netzstrukturen werden dabei als externe Bestandteile in den Herstellungsbereich von außen hinzugefügt beziehungsweise von außen eingelegt. Im einfachsten Fall wird beispielsweise nur eine Netzstruktur eingelegt und während des Herstellungsverfahrens mit eingedruckt.
Auch können mehrere Netzstrukturen vorgesehen sein, welche dann beispielsweise in gleichmäßigen Abständen beziehungsweise jeweils nach einer definierten Anzahl von Schichten eingelegt werden. Die jeweilige Netzstruktur dient somit einer Fixierung zur Verbesserung einer Handhabung der gefertigten Objekte, welche etwa Bauteile für jegliche Zwecke sein können. Solch eine Fixierung dient beispielsweise einer beschädigungsfreien Entnahme der Objekte aus dem Herstellungsbereich, welcher auch als Pulverbett bezeichnet werden kann. Mit anderen Worten werden die jeweiligen Netzstrukturen beispielsweise während eines Druckprozesses zur Fixierung von Bauteilen von außen eingelegt, wobei anliegende Schichten, also Schichten des Druckprozesses welche unterhalb und oberhalb der Netzstruktur hervorgebracht werden, durch die Freibereiche hindurch miteinander verbunden werden.
Insofern werden die jeweiligen Netzstrukturen während des Herstellungsprozesses eingedruckt und stabilisieren somit das wenigstens eine herzustellende Objekt, insbesondere dann, wenn der eigentliche Herstellungsprozess vollzogen ist und anschließend weitere Fertigungsschritte anstehen. Dies kann beispielsweise das Entfernen von überschüssigem ersten Material sein, welches nicht gebunden wurde. Insbesondere dann, wenn das überschüssige erste Material automatisiert abgelassen wird, etwa über Öffnungsbereiche im Plattformboden, sind die eingedruckten Netzstrukturen auf überraschend einfache Weise geeignet, ein oder mehrere Objekte während dieses Vorgangs zu stabilisieren beziehungsweise lokal zu fixieren, sodass ein ungewolltes Absinken der Bauteile beziehungsweise der Objekte aufeinander zuverlässig vermieden werden kann. Somit kann vermieden werden, dass feinere Bauteilabschnitte beschädigt werden. Derzeit erfolgt bei bekannten Verfahren eine Entnahme der fertigen Bauteile aus dem Pulverbett nach dem Drucken auf archäologische Art und Weise manuell mit Druckluft und Pinsel. Um diese Verfahren wirtschaftlicher zu machen, arbeiten verschiedene Parteien derzeit an Lösungskonzepten, welche ein automatisiertes Ablassen des Pulvers erlauben.
Das nun vorgestellte Verfahren verhindert bei diesem automatisierten Ablassen des Pulvers, dass das zumindest eine gefertigte Objekt beschädigt wird. Insbesondere dann, wenn mehrere Objekte gleichzeitig im Herstellungsbereich gefertigt wurden, verhindert das vorgestellte Verfahren, dass die fertigen Objekte unkontrolliert aufeinander absinken oder sogar stürzen oder dergleichen, da sie nunmehr über die Netzstruktur (oder auch mehrere Netzstrukturen) gewissermaßen fixiert im Pulverbett beziehungsweise im Herstellungsbereich vorliegen.
Es kann somit auf einfache Weise mittels des vorgestellten Verfahrens verhindert werden, dass gefertigte Objekte Kratzer bekommen oder Ecken oder andere Besonderheiten der Objektstruktur wegbrechen. Die Netzstruktur als separates Bauteil, welches von außen eingelegt wird, kann auf jegliche erdenkliche Weise hergestellt werden. Beispielsweise kann sie selbst auch das Produkt eines additiven Herstellungsprozesses sein. Auch kann die jeweilige Netzstruktur durch jegliches anderes Fertigungsverfahren hervorgebracht werden. Beispielsweise kann die Netzstruktur auch gewebt oder auf jegliche andere Weise mittels einer Verknüpfung von Fäden oder dergleichen hervorgebracht werden. Je nach Anwendungsfall ist eine individuelle Form und Dimensionierung der Netzstruktur vorstellbar, solange ein entsprechend gewünschter Stabilisierungseffekt erreicht wird.
Eine jeweilige Netzstruktur wird also zwischen wenigstens zwei Schichten, welche gedruckt werden, eingelegt. Mit anderen Worten können beispielsweise erst zehn Schichten gefertigt werden, dann eine Netzstruktur von außen eingelegt werden, um anschließend wieder eine definierte Anzahl von Schichten des Objekts zu drucken. An die Netzstruktur anliegende Schichten sind durch die Freibereiche hindurch miteinander verbindbar.
Eine Plattformeinheit ist dabei insbesondere ein im Wesentlichen ebener Arbeitsbereich, wobei ein aktiver Herstellungsbereich der Bereich ist, in welchem aktive Fertigungsschritte ausgeführt werden. Hierzu zählen beispielsweise das Auftragen und Bearbeiten des ersten Materials in jeglicher Form, sodass das wenigstens eine Objekt mit den jeweiligen Schichten hervorgebracht wird. Als Plattformeinheit sind dabei verschiedene Varianten bereits im Einsatz, welche beispielsweise über koppelbare, zumindest teilweise absenkbare Einheiten mit entsprechenden Begrenzungselementen in Randbereichen des Herstellungsbereiches. Auch sind Plattformeinheiten bekannt, welche ausgelegt sind, das überschüssige erste Material über entsprechende Öffnungen abzulassen, nachdem das wenigstens eine Objekt fertig erstellt wurde.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein System für die additive Herstellung von Objekten bereitgestellt wird. Solch ein System umfasst dabei eine 3D-Druckanlage für die Fertigung von wenigstens einem Objekt und eine Einlegevorrichtung zum zumindest teilweise automatischen Einlegen von Netzstrukturen während des Herstellungsprozesses des wenigstens einen Objektes. Das vorgestellte System ist für die Durchführung des Verfahrens gemäß den Ansprüchen 1 bis 9 ausgelegt. Die zuvor genannten Vorteile gelten, soweit übertragbar, auch für das vorgestellte System.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
So ist in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das jeweilige Einlegen der wenigstens einen Netzstruktur händisch oder zumindest teilweise automatisiert durchgeführt wird.
Ein händisches Einlegen bietet den Vorteil, dass die Netzstruktur individuell eingelegt wird und somit eine individuelle Qualitätskontrolle möglich ist. Eine möglicherweise nötige Verbesserung ist zudem somit von einem ausübenden Menschen direkt durchführbar. Die händische Einlegung ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die verwendete Netzstruktur vor dem Eindrucken alleine eine gewisse Fragilität aufweist. Händisch ist es dann möglich, diese Netzstruktur beispielsweise auszurollen oder dergleichen. Wenn diese Netzstruktur (oder auch mehrere) eingearbeitet ist/sind, entfaltet sich der stabilisierende Effekt.
Ein zumindest teilweise automatisierter Einlegevorgang bietet den Vorteil, dass das Verfahren somit weiter beschleunigt werden kann und sich somit eine effiziente industrielle Fertigung realisieren lässt. Insbesondere dann, wenn die Netzstruktur eine gewisse Grundstabilität aufweist, um auch einem einzelnen Objekt eine ausreichende Stabilität zu bieten, ist eine automatisierte Fertigung vorteilhaft realisierbar.
Auch ist in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das erste Material ein Metallpulver umfasst, wobei das Metallpulver ausgewählt ist aus: Metallpulver umfassend Edelstahl, vorzugsweise Edelstahl 316L und/oder Edelstahl 17-4PH, Metallpulver umfassend Werkzeugstahl, vorzugsweise Werkzeugstahl DP600, Metallpulver umfassend Kupferlegierungen, Metallpulver umfassend Aluminiumlegierungen, vorzugsweise AISi10Mg oder wobei das erste Material Sand oder eine technische Keramik, vorzugsweise eine technische Keramik umfassend Al₂O₃, vorzugsweise eine technische Keramik umfassend ZRO₂, umfasst.
Insofern ist das vorgestellte Verfahren in dieser Variante ausgelegt, für die Fertigung von entsprechenden Metallbauteilen eingesetzt zu werden. Beispielsweise ist es vorstellbar, dass das vorgestellte Verfahren in Kombination oder als Ergänzung für ein Binder Jetting Verfahren eingesetzt wird. Binder Jetting Verfahren zeichnen sich dadurch aus, dass metallisches Ausgangspulver (erstes Material) schichtweise in Bauteilform mittels Binder beziehungsweise Bindermittel verklebt wird. Das dabei entstehende Bauteil wird auch als Grünteil bezeichnet und zeichnet sich durch eine begrenzte Festigkeit aus, da es lediglich durch den aufgebrachten Binder zusammengehalten wird. Bevor die Bauteile aus dem Pulverbett entnommen werden können, muss der Binder meist noch thermisch aktiviert und ausgehärtet werden. Dies ist etwa als Curing-Prozess bekannt. Eine finale Festigkeit wird durch einen sich anschließenden Sinterprozess am Ende des gesamten Fertigungsprozesses erreicht.
Zudem ist in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das zweite Material aus einem Kunststoff gefertigt ist, wobei der Kunststoff ausgewählt ist aus: Kunststoff umfassend Kunststoff PA12, Kunststoff umfassend Kunststoff PA12 GF/GB, Kunststoff umfassend Kunststoff TPU 90A.
Der Einsatz von Kunststoff bietet den Vorteil, dass die Netzstruktur (oder mehrere Netzstrukturen) zum einen eine ausreichende Stabilität bieten können und zum anderen sich leicht handhaben lassen. Eine aus Kunststoff gefertigte Netzstruktur ist ausreichend leicht, sodass der Einlegeprozess keine besonders schwierige Aufgabe darstellt und somit auch mit einem überschaubaren Aufwand teilautomatisiert werden kann. Zudem erleichtert der Werkstoff Kunststoff einen späteren zumindest teilweisen Entfernungsschritt. Beispielsweise lässt sich eine Netzstruktur aus Kunststoff partiell leicht zertrennen oder zerreißen, wenn der Stabilitätseffekt nicht mehr benötigt wird und das oder die Objekte aus dem Herstellungsbereich entnommen werden sollen.
Ferner ist in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Netzstruktur ein Netz aus Fäden umfasst, welche jeweilige Freibereiche definieren, wobei die Fäden vorzugsweise eine Dicke von 0,001 mm bis 2 mm, vorzugsweise eine Dicke von 0,001 mm bis 1 mm, vorzugsweise eine Dicke von 0,001 mm bis 0,5 mm, vorzugsweise eine Dicke von 0,001 mm bis 0,1 mm aufweisen, , wobei die Freibereiche eine Fläche von 0,5 mm² bis 400 mm², vorzugsweise eine Fläche von 3 mm² bis 200 mm², vorzugsweise eine Fläche von 15 mm² bis 100 mm² aufweisen und/oder wobei der aktive Herstellungsbereich der Plattformeinheit eine Größe von 1.600 x 1.200 mm, vorzugsweise von 1.000 x 500 mm, vorzugsweise von 430 x 320 mm aufweist und/oder wobei der aktive Herstellungsbereich der Plattformeinheit hinsichtlich seiner Größe benutzerdefiniert skalierbar ist.
Je nach Einsatzgebiet im Sinne von zu fertigenden Objekten und den damit einhergehenden Komplexitäten ist eine jeweilige Netzstruktur somit bereitstellbar. Auch ist die Verwendung einer Netzstruktur vorstellbar, welche aus unterschiedlichen Fäden hinsichtlich Beschaffenheit und Dicke hergestellt ist. Wenn besonders feine Fäden eingesetzt werden, sind beispielsweise entsprechend mehr jeweilige Netzstrukturen einzudrucken. Feinere Fäden sind somit die Basis für eine besonders fragile Netzstruktur, welche somit zwar nur eine bedingte Stabilität bereitstellt, sich später aber auch leichter entfernen lässt. Diese Abwägung ist somit bei den jeweiligen Einsätzen ausschlaggebend für die jeweilige Auswahl. Es ist vorstellbar, dass dies mit einem rechnergestützten Prozess im Vorfeld eruiert beziehungsweise basierend auf einer rechnergestützten Simulation ermittelt wird, sodass eine passgenaue Netzstruktur (oder mehrere) und eine adäquate Anzahl von Netzstrukturen mit den jeweils richtigen Abständen vorgesehen wird. Solch ein Simulationsprozess kann beispielsweise die jeweilige Geometrie des zu fertigenden Objekts mit einbeziehen oder entsprechend, wenn mehrere Objekte gedruckt werden, die Anzahl und die Verortung der Netzstrukturen ermitteln. In diesem Sinne lassen sich auch die passenden Freibereiche ermitteln. Die Freibereiche, welche innerhalb der Netzstruktur jegliche Form von Maschen aufweisen können, lassen sich individuell gestalten und insbesondere dort vorsehen, wo das zu druckende Objekte eine besondere Festigkeit benötigt. Auf diese Weise ist es somit möglich, einen stabilisierenden Effekt der Netzstruktur bereitzustellen, ohne dass dabei die Festigkeitsstruktur der zu fertigenden Objekte übermäßig oder gar nicht beeinträchtigt wird. Je nach Anzahl der Objekte oder nach Form und Gestaltung des einzelnen zu fertigenden Objekts ist zudem eine passende Dimensionierung des aktiven Herstellungsbereichs der Plattformeinheit auswählbar. Eine jeweilige Beschaffenheit und Anzahl der Netzstrukturen lässt sich zudem je nach Größe des aktiven Herstellungsbereichs der Plattformeinheit bereitstellen.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schichten aus dem ersten Material eine Dicke von 10 µm bis 200 µm , vorzugsweise eine Dicke von 20 µm bis 150 µm , vorzugsweise eine Dicke von 30 µm bis 120 µm , vorzugsweise eine Dicke von 35 µm bis 100 µm aufweisen.
Je nachdem, für welchen Zweck die zu fertigenden Objekte hergestellt werden, werden mittels des Verfahrens somit verschiedene Dicken hervorgebracht. Auch ist vorstellbar, dass die verwendeten Dicken innerhalb des jeweils herzustellenden Objekts variieren und/oder jeweils in den Bereichen, welche sich in der Nähe oder sogar im direkten Kontakt mit den Netzstrukturen befinden, eine gesonderte Dicke aufweisen, sodass ein Stabilitätseffekt der eingedruckten Netzstrukturen besonders wirksam bereitstellbar ist. Beispielsweise sind anliegende Schichten je nach Dicke der eingedruckten Netzstruktur vorgesehen.
Mit anderen Worten ist vorstellbar, dass dieser Vorgang im Vorfeld mittels dafür geeigneter Simulationsverfahren berechnet wird, sodass die gewünschten Effekte in dafür vorgesehener Weise und in einem dafür geeigneten Maße mittels des vorgestellten Verfahrens hervorbringbar sind.
Ferner ist in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass Anteile der Netzstruktur, welche über jeweilige Randbereiche des wenigstens einen hergestellten Objekts nach einem Entfernen von nicht gebundenem ersten Material hervorstehen, händisch oder zumindest teilweise automatisiert entfernt werden.
Auf diese Weise ist es möglich, die Netzstruktur (oder auch mehrere) beispielsweise schnell händisch zu entfernen. Für diese Zwecke ist die Beschaffenheit der Netzstruktur beispielsweise derart ausgelegt, sodass ein händischer Vorgang ohne einen übermäßigen Kraftaufwand möglich ist. Zum Beispiel können mehrere Netzstrukturen zunächst für den Stabilisierungseffekt vorgesehen werden, wobei diese Netzstrukturen so beschaffen sind, dass sie anschließend durch händisches Zerreißen rund um das Objekt entfernt werden können. Die Netzstrukturen können auch hierfür vorgesehene Bereiche aufweisen, welche diesen Prozess unterstützen oder sogar einem Benutzer visuell darstellen. Ein zumindest teilweise automatisierter Vorgang ist deswegen vorteilhaft, da somit das Verfahren effizienter gestaltbar ist.
Zudem ist in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass für das Entfernen ein Schneidwerkzeug verwendet wird. Ein dafür ausgelegtes Schneidwerkzeug kann dabei je nach eingesetzter Netzstruktur eingesetzt beziehungsweise verwendet werden. Ein Schneidwerkzeug bietet die Möglichkeit, den Entfernungsschritt nicht nur zu erleichtern und zu beschleunigen, sondern sorgt auch dafür, dass saubere Kanten entstehen. Dies kann somit den Vorteil aufweisen, dass keine eingerissenen Enden den Prozess unvorteilhaft erschweren.
Schlussendlich ist in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass ein thermisches Verfahren zum Entfernen von hervorstehenden jeweiligen Anteilen der Netzstruktur und/oder vorhandenen Anteilen der Netzstruktur in dem wenigstens einen hergestellten Objekt eingesetzt wird und/oder wobei ein chemisches Verfahren zum zumindest teilweisen Auflösen der Netzstruktur verwendet wird.
Solch ein thermisches Verfahren kann entweder gesondert vorgesehen sein oder in Kombination mit einem sich anschließenden Sinterverfahren verbunden werden. Auch ist vorstellbar, dass ein sich anschließendes Sinterverfahren allein dieses thermische Verfahren darstellt, sodass während dieses sowieso stattfindenden Prozesses somit jeweilige Reste beziehungsweise Anteile restlos entfernt werden. Dieser Vorgang ist somit eine Verbrennung der übrig gebliebenen Anteile der Netzstrukturen. Es ist ebenfalls vorstellbar, dass ein für diese Zwecke ausgelegtes chemisches Verfahren eingesetzt wird. Auch ist vorstellbar, dass erst ein chemisches Verfahren eingesetzt wird und letzte Reste dann während des thermischen Verfahrens entfernt werden. Ein chemisches Verfahren bietet ebenfalls den Vorteil, einer effizienten und schnellen Entfernung und kann beispielsweise im Sinne eines Tauchverfahrens durchgeführt werden, wobei in diesem Zusammenhang eine zumindest teilweise Automatisierung realisierbar ist.
Das vorgestellte Verfahren und das vorgestellte System sind beispielsweise für Bauteillösungen einsetzbar, die mittels Binder Jetting oder dergleichen hergestellt werden. Prinzipiell ist das vorgestellte Verfahren und das vorgestellte System überall dort einsetzbar, wo Binder Jetting Teile gefertigt werden.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Schnittdarstellung eines Herstellungsbereichs von einem additiven Herstellungsverfahren gemäß dem Stand der Technik vor und nach der Entpulverung;
2 eine schematische Schnittdarstellung eines Herstellungsbereichs von einem additiven Herstellungsverfahren gemäß vorliegender Erfindung vor und nach der Entpulverung;
3 ein Verfahrensablaufdiagramm von einem Verfahren für die additive Herstellung von Objekten;
4 eine schematische Darstellung von einem System für die additive Herstellung von Objekten.

1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Herstellungsbereichs 10 von einem additiven Herstellungsverfahren gemäß dem Stand der Technik vor und nach der Entpulverung. Bezogen auf die Bildebene sind auf der linken Seite insgesamt sechs gefertigte Objekte 12 in einem Pulverbett 14 dargestellt. Der Herstellungsbereich 10 ist dabei auf einer Plattformeinheit 16 vorgesehen, wobei diese Plattformeinheit 16 mit diesem aktiven Herstellungsbereich 10 Bestandteile einer nicht näher dargestellten 3D-Druckanlage für die Fertigung von wenigstens einem Objekt 12 mittels eines additiven Herstellungsverfahrens sind. Das Pulverbett 14 besteht dabei überwiegend aus einem ersten Material, welches partiell mittels eines Bindermittels mittels der 3D-Druckanlage zu den Objekten 12 verbunden ist.
Das additive Herstellungsverfahren ist beispielsweise als Binder-Jetting-Verfahren vorgesehen, welches für die Herstellung von Metallteilen geeignet ist. Insofern kann das in dem Pulverbett 14 vorhandene Pulver ein metallisches Ausgangspulver sein. Dabei werden die metallischen Ausgangspulver schichtweise in Bauteilform beziehungsweise Objektform mittels des Bindermittels verklebt. Die dabei entstehenden Objekte werden auch als Grünteil bezeichnet und zeichnen sich durch eine begrenzte Festigkeit aus, da es lediglich durch aufgebrachte Mengen an Bindermittel zusammengehalten wird. Bevor die Bauteile aus dem Pulverbett 14 entnommen werden können, muss das Bindermittel (oder allgemein der Binder) thermisch aktiviert und ausgehärtet werden. Dieser Verfahrensschritt wird auch als Curing-Prozess bezeichnet. Die finale Festigkeit wird durch einen Sinterprozess am Ende erreicht.
Auf der rechten Seite ist die Situation dargestellt, wie sie sich nach dem Ablassen des überschüssigen ersten Materials aus dem Pulverbett 14 derzeit darstellt. Die Objekte 12 sind beim Ablassen des Pulvermaterials aufeinander abgesunken. Die dargestellten Blitzsymbole verdeutlichen die mögliche Gefahr einer Beschädigung bei diesem unkoordinierten Vorgang.
2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Herstellungsbereichs 10 von einem additiven Herstellungsverfahren gemäß vorliegender Erfindung vor und nach der Entpulverung. Die dargestellte Situation ist hinsichtlich des Herstellungsbereichs 10 und den darin sich befindlichen Objekten 12 von 1 übernommen. Allerdings sind in diesem Falle acht Netzstrukturen 18 während des Herstellungsprozesses in die Objekte 12 eingedruckt. Dabei sind die acht Netzstrukturen 18 im Wesentlichen parallel zueinander und parallel zu einer Plattformeinheit 16 vorgesehen. Vorstellbar ist jedoch, dass weniger Netzstrukturen 18 oder mehr als acht Netzstrukturen 18 vorgesehen sind. Im Extremfall ist vorstellbar, dass nur eine für diesen Extremfall ausgelegte Netzstruktur 18 vorgesehen ist. Statt einer im Wesentlichen parallelen Einlegung der Netzstrukturen 18 ist ebenfalls vorstellbar, dass zumindest eine Netzstruktur 18 nicht im Wesentlichen parallel eingelegt wird, um auf diese Weise eine zusätzliche Stabilität zwischen gesonderten Objekten 12 bereitzustellen. In jedem Falle stabilisieren die Netzstrukturen 18 die verschiedenen Objekte 12, welche auch als Bauteile bezeichnet werden können, derart, sodass sie nach dem Ablassen von überschüssigem Material (siehe Situation auf der rechten Seite bezogen auf die Bildebene) nicht ineinander fallen und somit eine Beschädigung oder sonstige negative Auswirkungen zuverlässig unterbunden werden.
Mit anderen Worten liegen die Netzstrukturen 18, welche auch kurz als Netze bezeichnet werden können, gleichfalls innerhalb von Bauteilbereichen und werden mit in die Bauteile eingedruckt. Beim Ablassen des Pulvers (erstes Material) sorgen die Netze dann dafür, dass die Bauteile an ihren vordefinierten Punkten im Bauraum beziehungsweise im Herstellungsbereich 10 bleiben, da sie durch die Netze dort regelrecht aufgespannt werden. Mittels des vorgestellten Verfahrens und des vorgestellten Systems ist also jeweils vorgesehen, dass im Druckprozess selber im Abstand einer definierten Schichtzahl feine Netze, die, wie dargestellt, den gesamten Bauraum überspannen, eingelegt werden und während des Herstellungsvorgangs dann eingedruckt werden. Im Anschluss an die vollständige Befreiung von Pulver werden die Netze beziehungsweise die Netzstrukturen 18 dann beispielsweise mittels Schneidwerkzeugen nah an den gedruckten Bauteilen beziehungsweise Objekten 12 abgeschnitten und die Bauteile so entnommen. Zudem ist beispielsweise vorstellbar, dass die Netzstrukturen 18 (beziehungsweise die übrig gebliebenen Reste dieser) an den Objekten 12 im Anschluss, zum Beispiel in einem Sinterprozess oder dergleichen, verbrannt oder anderweitig herausgelöst werden. Insofern ist beispielsweise ein Auflösen beziehungsweise Entfernen der Netzstrukturen 18 durch zum Beispiel rückstandsfreies Verbrennen in einem sich anschließenden Sinterprozess vorstellbar.
Es ist vorstellbar, dass die Netzstrukturen 18 aus nicht näher dargestellten Fäden oder dergleichen hergestellt sind, welche jeweilige ebenfalls nicht näher dargestellte Freibereiche umgeben beziehungsweise jeweils einrahmen. Die Fäden können beispielsweise aus mehreren Einzelfäden zusammengeführt sein oder aus einzelnen Bestandteilen hervorgebracht werden. Auch ist vorstellbar, dass die Netzstrukturen 18, welche jeweils aus einem zweiten Material, sich von dem ersten Material unterscheidenden Material, beschaffen sind, im Vorfeld mittels eines gesonderten 3D-Druckverfahrens herstellbar sind. Auch ist vorstellbar, dass diese Netzstruktur 18 aus einer flächigen Matte oder dergleichen herausgestanzt werden. Auch ist vorstellbar, dass die Netzstrukturen 18 mittels eines Spritzgussverfahrens herstellbar sind. Die Fäden können regelmäßig oder zumindest bereichsweise regelmäßig angeordnet sein. Auch ist vorstellbar, dass eine individuelle, auf den Einsatzbereich abgestimmte, Anordnung der Fäden vorgesehen ist. In diesem Zusammenhang ist es vorstellbar, dass jeweilige Freibereiche hinsichtlich Form und Lage regelmäßig oder zumindest bereichsweise regelmäßig angeordnet sind. Auch ist vorstellbar, dass die Freibereiche beispielsweise im Wesentlichen rechteckige Formen aufweisen oder jegliche andere vieleckige Formen aufweisen. Auch ist vorstellbar, dass die Freibereiche im Wesentlichen kreisförmige Formen aufweisen. Auch eine jegliche Mischung der verschiedenen vorgestellten Formen ist vorstellbar. Auch ist vorstellbar, dass je nach Anzahl der zu fertigenden Objekte 12 und deren Beschaffenheit, Form und gegenseitige Lage der Netzstrukturen 18 im Pulverbett im Vorfeld berechnet und hergestellt werden.
Mit anderen Worten ist beispielsweise vorstellbar, dass die Form und Lage der einzelnen Fäden oder vergleichbarer Bestandteile der Netzstrukturen 18 und die resultierenden Freibereiche individuell geschaffen werden, sodass ein optimaler Stützeffekt resultiert.
3 zeigt ein Verfahrensablaufdiagramm 100 von einem Verfahren für die additive Herstellung von Objekten 12. In einem ersten Schritt 110 wird eine Plattformeinheit 16 mit aktivem Herstellungsbereich 10 von einer 3D-Druckanlage 22 für die Fertigung von wenigstens einem Objekt 12 mittels eines additiven Herstellungsverfahrens bereitgestellt. In einem zweiten Schritt 120 wird wenigstens ein Objekt 12 aus einzelnen Schichten eines ersten pulvrigen Materials in dem aktiven Herstellungsbereich 10 unter zumindest teilweiser Verwendung eines Bindermittels mittels der 3D-Druckanlage 22 hergestellt. In einem dritten Verfahrensschritt 130 wird wenigstens eine Netzstruktur 18 aus einem zweiten, sich von dem ersten Material unterscheidenden Material eingelegt, welche jeweils zwischen wenigstens zwei Schichten aus dem ersten Material angeordnet wird. Die Netzstruktur 18 ist dabei ausgelegt, bereits erstellte Schichten des wenigstens einen Objekts 12 zumindest teilweise überlappend zu bedecken.
Ferner ist die Netzstruktur 18 dabei ausgelegt, wenigstens einen Freibereich aufzuweisen, sodass die jeweils an der Netzstruktur 18 anliegenden Schichten aus dem ersten Material zumindest teilweise in den jeweiligen Freibereichen miteinander verbunden werden.
4 zeigt eine schematische Darstellung von einem System 20 für die additive Herstellung von Objekten 12. Das System 20 ist dabei mit einer 3D-Druckanlage 22 für die Fertigung von wenigstens einem Objekt 12 und einer Einlegevorrichtung 24 zum zumindest teilweise automatischen Einlegen von Netzstrukturen 18 während des Herstellungsprozesses des wenigstens einen Objektes 12 dargestellt. Das dargestellte System 20 ist für die Durchführung des Verfahrens gemäß den Ansprüchen 1 bis 9 ausgelegt.
Bezugszeichenliste

10: Herstellungsbereich
12: Objekt
14: Pulverbett
16: Plattformeinheit
18: Netzstruktur
20: System
22: 3D-Druckanlage
24: Einlegevorrichtung
100: Verfahrensablaufdiagramm
110: erster Verfahrensschritt
120: zweiter Verfahrensschritt
130: dritter Verfahrensschritt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2017326789 A1 [0008]
US 2019375009 A1 [0009]
WO 2020091858 A1 [0010]

Claims

Verfahren für die additive Herstellung von Objekten (12) umfassend die folgenden Schritte: • Bereitstellen einer Plattformeinheit (16) mit aktivem Herstellungsbereich (10) von einer 3D-Druckanlage für die Fertigung von wenigstens einem Objekt (12) mittels eines additiven Herstellungsverfahrens; • Herstellen des wenigstens einen Objekts (12) aus einzelnen Schichten eines ersten pulvrigen Materials in dem aktiven Herstellungsbereich (10) unter zumindest teilweiser Verwendung eines Bindermittels mittels der 3D-Druckanlage, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden weiteren Schritte umfasst: • Einlegen wenigstens einer Netzstruktur (18) aus einem zweiten, sich von dem ersten Material unterscheidenden Material, welche jeweils zwischen wenigstens zwei Schichten aus dem ersten Material angeordnet wird, wobei die Netzstruktur (18) ausgelegt ist, bereits erstellte Schichten des wenigstens einen Objekts (12) zumindest teilweise überlappend zu bedecken und wenigstens einen Freibereich aufzuweisen, sodass die jeweils an der Netzstruktur (18) anliegenden Schichten aus dem ersten Material zumindest teilweise in den jeweiligen Freibereichen miteinander verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das jeweilige Einlegen der wenigstens einen Netzstruktur (18) händisch oder zumindest teilweise automatisiert durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das erste Material ein Metallpulver umfasst, wobei das Metallpulver ausgewählt ist aus: Metallpulver umfassend Edelstahl, vorzugsweise Edelstahl 316L und/oder Edelstahl 17-4PH, Metallpulver umfassend Werkzeugstahl, vorzugsweise Werkzeugstahl DP600, Metallpulver umfassend Kupferlegierungen, Metallpulver umfassend Aluminiumlegierungen, vorzugsweise AISi10Mg oder wobei das erste Material Sand oder eine technische Keramik, vorzugsweise eine technische Keramik umfassend Al₂O₃, vorzugsweise eine technische Keramik umfassend ZR0₂, umfasst.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das zweite Material aus einem Kunststoff gefertigt ist, wobei der Kunststoff ausgewählt ist aus: Kunststoff umfassend Kunststoff PA12, Kunststoff umfassend Kunststoff PA12 GF/GB, Kunststoff umfassend Kunststoff TPU 90A.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Netzstruktur (18) ein Netz aus Fäden umfasst, welche jeweilige Freibereiche definieren, wobei die Fäden vorzugsweise eine Dicke von 0,001 mm bis 2 mm, vorzugsweise eine Dicke von 0,001 mm bis 1 mm, vorzugsweise eine Dicke von 0,001 mm bis 0,5 mm, vorzugsweise eine Dicke von 0,001 mm bis 0,1 mm, , wobei die Freibereiche eine Fläche von 0,5 mm² bis 400 mm², vorzugsweise eine Fläche von 3 mm² bis 200 mm², vorzugsweise eine Fläche von 15 mm² bis 100 mm² aufweisen und/oder wobei der aktive Herstellungsbereich (10) der Plattformeinheit (16) eine Größe von 1.600 x 1.200 mm, vorzugsweise von 1.000 x 500 mm, vorzugsweise von 430 x 320 mm aufweist und/oder wobei der aktive Herstellungsbereich (10) der Plattformeinheit (16) hinsichtlich seiner Größe benutzerdefiniert skalierbar ist.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Schichten aus dem ersten Material eine Dicke von 10 µm bis 200 µm , vorzugsweise eine Dicke von 20 µm bis 150 µm , vorzugsweise eine Dicke von 30 µm bis 120 µm , vorzugsweise eine Dicke von 35 µm bis 100 µm aufweisen.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei Anteile der Netzstruktur (18), welche über jeweilige Randbereiche des wenigstens einen hergestellten Objekts (12) nach einem Entfernen von nicht gebundenem ersten Material hervorstehen, händisch oder zumindest teilweise automatisiert entfernt werden.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei für das Entfernen ein Schneidwerkzeug verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 7 oder 8, wobei ein thermisches Verfahren zum Entfernen von hervorstehenden jeweiligen Anteilen der Netzstruktur (18) und/oder vorhandenen Anteilen der Netzstruktur (18) in dem wenigstens einen hergestellten Objekt (12) eingesetzt wird und/oder wobei ein chemisches Verfahren zum zumindest teilweisen Auflösen der Netzstruktur (18) verwendet wird.
System (20) für die additive Herstellung von Objekten (12) umfassend eine 3D-Druckanlage (22) für die Fertigung von wenigstens einem Objekt (12) und einer Einlegevorrichtung (24) zum zumindest teilweise automatischen Einlegen von Netzstrukturen (18) während des Herstellungsprozesses des wenigstens einen Objektes (12), wobei das System (20) für die Durchführung des Verfahrens gemäß den Ansprüchen 1 bis 9 ausgelegt ist.