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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum additiven Herstellen eines Bauteils, bei dem das Bauteil aus Schichten aus unterschiedlichen Materialien hergestellt wird. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Stand der Technik
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Verfahren zum additiven Herstellen von Bauteilen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Üblich ist es zum einen, Bauteile durch schichtweisen Aufbau von Metallpulver und selektives Aufschmelzen der aufgebrachten Schicht(en) und anschließendes Erstarren des aufgeschmolzenen Materials herzustellen. Dies ist beispielsweise aus der
DE 10 2019 205 190 A1 bekannt. Auch sind Verfahren bekannt, schichtweise aufgebrachtes Material durch ein Bindemittel zur Herstellung eines sogenannten Grünteils selektiv miteinander zu verbinden, und anschließend beispielsweise durch einen Sinterprozess das Bauteil fertig zu stellen. Dies ist beispielsweise aus der
DE 10 2018 217 129 A1 bekannt.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum additiven Herstellen eines Bauteils mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass der Verbrauch des von dem Grundmaterial bzw. dem wenigstens einen ersten Material unterschiedlichen wenigstens einen zweiten Materials minimiert werden kann. Dies erleichtert ein Recycling des ersten Materials bzw. ermöglicht es, gegebenenfalls auf ein Recycling des zweiten Materials aufgrund der reduzierten Menge des verwendeten Materials zu verzichten, wenn dieses beispielsweise relativ aufwendig bzw. teuer ist.
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Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, das wenigstens eine zweite Material lokal lediglich in den Bereichen des Bauteils zu dosieren bzw. schichtweise aufzubringen, in denen sich der Querschnitt des herzustellenden Bauteils befindet. Dadurch wird vermieden, dass das wenigstens eine zweite Material außerhalb des Querschnitts des Bauteils gelangt bzw. aufgebracht wird, was die entsprechende Minimierung an Materialverbrauch des wenigstens einen zweiten Materials ermöglicht bzw. eine Vermischung mit dem ersten Material außerhalb des Querschnitts der Bauteile zumindest minimiert.
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Vor dem Hintergrund der obigen Erläuterungen ist es daher bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum additiven Herstellen eines Bauteils mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgesehen, dass das wenigstens eine vom ersten Material verschiedenes, zweite Material als örtlich begrenzte Schicht im Bereich des Querschnitts des zu erzeugenden Bauteils aufgebracht wird, wobei das Aufbringen des wenigstens einen zweiten Materials vorzugsweise durch eine Applikationseinrichtung erfolgt, bei der die Applikationseinrichtung zur Abgabe des wenigstens einen zweiten Materials in der Ebene des Querschnitts des Bauteils bewegt wird. Das erste und/oder das zweiten Material ist vorzugsweise ein Metall und/oder eine Metalllegierung. Das erste Material ist beispielsweise ein Stahl, insbesondere ein austenitischer Stahl, und/oder eine Nickellegierung und/oder eine Kobaltlegierung und/oder eine Titanlegierung und/oder Kupfer. Das zweite Material ist beispielsweise ein vom ersten Material verschiedener Stahl und/oder eine Nickellegierung und/oder eine Kobaltlegierung und/oder eine Titanlegierung.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum additiven Herstellen eines Bauteils sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
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Eine erste bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass vor dem Aufbringen des wenigstens einen zweiten Materials im vorgesehenen Bereich für das zweite Material eine Vertiefung durch Räumen bzw. Entfernen von erstem Material erzeugt wird. Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass durch Ausbilden einer entsprechenden (insbesondere muldenartigen) Vertiefung in dem zuvor aufgebrachten ersten Material das zuvor aufgebrachte erste Material entfernt wird und dadurch die Möglichkeit geschaffen wird, das entfernte (erste) Material im Bereich der Vertiefung durch zweites Material zu ersetzen.
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In einer hierzu alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es vorgesehen sein, dass nach dem (lokalen) Aufbringen von zweitem Material erstes Material (vollflächig) aufgebracht wird, und dass nach dem Aufbringen des ersten Materials auf dem zweiten Material aufgebrachtes, eine Überhöhung ausbildendes erstes Material entfernt wird.
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Wie bereits einführend erläutert, können grundsätzlich zwei Methoden zum additiven Herstellen eines Bauteils voneinander unterschieden werden. Das erfindungsgemäße Verfahren hat den weiteren Vorteil, dass es sich grundsätzlich für beide beschriebenen Methoden eignet. Insbesondere kann es daher vorgesehen sein, dass in einer ersten Ausgestaltung die Schichten des wenigstens einen ersten Materials zum Ausbilden von starren Schichten selektiv aufgeschmolzen werden, und dass die Schichten des wenigstens einen zweiten Materials selektiv oder vollflächig aufgeschmolzen werden. Das selektive Aufschmelzen von Schichten des wenigstens einen zweiten Materials erfolgt immer dann, wenn der entsprechende Querschnitt des Bauteils Lücken aufweisen soll. Zum Aufschmelzen des Materials findet vorzugsweise ein Laserstrahl Verwendung, insbesondere mittels selektiven Laserstrahlschmelzen.
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In alternativer Ausgestaltung des Verfahrens kann es vorgesehen sein, dass die Schichten des wenigstens einen ersten Materials zum Ausbilden von starren Schichten selektiv mit einem Bindemittel behandelt werden, und dass die Schichten des wenigstens einen zweiten Materials selektiv oder vollflächig mit einem Bindemittel behandelt werden. Dadurch lässt sich ein sogenanntes Grünteil als Zwischenprodukt herstellen, aus dem sich anschließend beispielsweise durch einen Sintervorgang das Bauteil fertigstellen lässt.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zur Optimierung der Materialeigenschaften des Bauteils sieht vor, dass mehrere unterschiedliche zweite Materialien entweder jeweils als separate Schichten oder aber als Mischungen von unterschiedlichen zweiten Materialien aufgebracht werden.
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Bevorzugt ist es darüber hinaus, dass Bauteile erzeugt werden, die als Bestandteil elektronischer oder mikroelektronischer Einheiten dienen.
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Weiterhin umfasst die Erfindung auch eine Vorrichtung zum Durchführen eines soweit beschriebenen, erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Vorrichtung umfasst eine Applikationseinrichtung für wenigstens ein zweites Material, wobei die Applikationseinrichtung zumindest in der Ebene der Aufbaufläche, vorzugsweise zusätzlich senkrecht zur Ebene der Aufbaufläche, beweglich angeordnet ist.
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In bevorzugter Weiterbildung der Vorrichtung ist es vorgesehen, dass die Applikationseinrichtung ein separates oder mit der Applikationseinrichtung verbundenes Räumwerkzeug zum Entfernen von erstem Material aufweist. Vorzugsweise ist das Räumwerkzeug im zuletzt genannten Fall zusätzlich unabhängig von der Applikationseinrichtung beweglich angeordnet.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Applikationseinrichtung eine kanülenartige Abgabeeinrichtung für wenigstens ein zweites Material aufweist.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung sowie anhand der Zeichnungen.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine vereinfachte Darstellung einer Vorrichtung zum additiven Herstellen eines Bauteils aus unterschiedlichen Materialien,
- 2 die Vorrichtung gemäß 1 während des Aufbaus von Bauteilen im Bereich einer Aufbaufläche,
- 3 eine vereinfachte Darstellung einer Applikationseinrichtung zum Aufbringen eines zweiten Materials,
- 4 eine Kombination einer Applikationseinrichtung mit einem Räumwerkzeug in einer vereinfachten Darstellung und
- 5 bis 7 jeweils in vereinfachten Darstellungen, eine alternative Ausführungsform zum Räumen vom ersten Material.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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In der 1 ist eine Vorrichtung 100 zum additiven Herstellen von insbesondere in der 2 erkennbaren Bauteilen 1 stark vereinfacht dargestellt. Die Vorrichtung 100 umfasst eine in Richtung des Doppelpfeils 12 vertikal heb- und senkbar angeordnete, im Ausführungsbeispiel mittels Heizkanälen 13 beheizbare Plattform 14, die an ihrer Oberseite eine Aufbaufläche 16 für die Bauteile 1 ausbildet. Die Aufbaufläche 16 ist rand- bzw. umfangsseitig von einer Wand 18 umfasst bzw. begrenzt, die ortsfest angeordnet ist.
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Die Bauteile 1 werden durch schichtweisen Aufbau aus wenigstens einem ersten Material 3 und wenigstens einem zweiten Material 4 hergestellt. Bei den unterschiedlichen Materialien 3 und 4 handelt es sich insbesondere, aber nicht einschränkend, um unterschiedliche Metalle, die in Pulverform aus Metallpulverpartikeln ausgebildet sind. Die Partikelgröße der Materialien 3 und 4 entspricht gängigen, bei additiven Herstellverfahren verwendeten Größenordnungen. Während das wenigstens eine erste Material 3 typischerweise ein Grundmaterial für die Bauteile 1 bildet, wird das wenigstens eine zweite Material 4 eingesetzt, um lokal unterschiedliche Eigenschaften des Bauteils 1 erzeugen zu können. Hierzu wird wenigstens eine Schicht am Bauteil 1 aus dem zweiten Material 4 ausgebildet, d.h. dass in diesem Bereich des Bauteils 1 der Querschnitt ausschließlich aus dem wenigstens einen zweiten Material 4 besteht.
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Ergänzend wird erläutert, dass bei der Verwendung mehrerer unterschiedlicher zweiter Materialien 4 durch Einstellung unterschiedlicher Mischungsverhältnisse der zweiten Materialien 4 auch lokal unterschiedliche bzw. angepasste Eigenschaften am Bauteil 1 generiert werden können, auch innerhalb einer Schicht des Bauteils 1. Im Weiteren wird der Einfachheit halber in der folgenden Beschreibung jedoch davon ausgegangen, dass lediglich ein einziges erstes Material 3 und ein einziges zweites Material 4 verwendet wird. Auch ist das wenigstens eine zweite Material 4 nicht auf ein metallisches Pulver beschränkt. So kann unter einem zweiten Material 4 beispielsweise auch ein chemisches Additiv o.ä. verstanden werden, das die Eigenschaften des zweiten Materials 4 beeinflusst.
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Zum vollflächigen Aufbringen von Schichten aus dem ersten Material 3 weist die Vorrichtung 100 eine Pulverdosierstation 20 auf, die entsprechend des Doppelpfeils 21 horizontal oberhalb der Aufbaufläche 16 beweglich angeordnet ist. Das wenigstens eine zweite Material 4, das lediglich lokal im Bereich des Querschnitts der Bauteile 1 aufgebracht wird, wird mittels einer Applikationseinrichtung 10 aufgebracht, die entsprechend der Darstellung der 1 und 3 beispielhaft eine kanülenartige Abgabeeinrichtung 22 in Form eines (dünnen) Rohres aufweist, das vorzugsweise mittels eines Verschlusselements 24 verschließbar ist, um eine (ungewollte) Abgabe von zweitem Material 4 zu vermeiden. Die Applikationseinrichtung 10 ist darüber hinaus beispielhaft über Zuführleitungen 26, 27 mit Vorratsbehältern 28, 30 für das wenigstens eine zweite Material 4 gekoppelt.
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Ergänzend wird erwähnt, dass für den Fall, dass Schichten mit Mischungen aus unterschiedlichen zweiten Materialen 4 erzeugt werden sollen, die Applikationseinrichtung 10 eine nicht gezeigte Mischeinrichtung zum Erzeugen von einstellbaren Mischverhältnissen zwischen zweiten Materialien 4 aufweist.
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Die Applikationseinrichtung 10 bzw. die Abgabeeinrichtung 22 ist darüber hinaus zumindest in der Ebene der Aufbaufläche 16 (horizontal) beweglich, vorzugsweise zusätzlich senkrecht zur Aufbaufläche 16 in Richtung des Doppelpfeils 32 (3). Zur Verstellung bzw. Bewegung der Abgabeeinrichtung 22 dient eine im Einzelnen nicht dargestellte Verstelleinrichtung 34.
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Bei dem in der 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist im Bereich der Abgabeeinrichtung 22a zusätzlich ein in Art eines Pflugs ausgebildetes Räumwerkzeug 36 angeordnet. Das Räumwerkzeug 36 ist in Richtung des Doppelpfeils 38 unabhängig von der Abgabeeinrichtung 22a hubbeweglich angeordnet. Durch die Kopplung mit der Abgabeeinrichtung 22a bzw. der Verstelleinrichtung 34 ist darüber hinaus das Räumwerkzeug 36 (zusammen) mit der Abgabeeinrichtung 22a sowohl horizontal, als auch vertikal beweglich angeordnet.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel werden die einzelnen Schichten aus den Materialien 3 und 4 mittels eines Bindemittels 5 lokal im Bereich des Querschnitts der Bauteile 1 zur Erzeugung eines sogenannten Grünteils vorverfestigt, um anschließend, nach Entnahme der Grünteile aus der Vorrichtung 100 und Entfernen nicht den Querschnitt der Bauteile 1 bildenden Materialien 2, 4, beispielsweise durch einen Sinterprozess die Materialien 2, 4 der Bauteile 1 zu verfestigen. Zum Aufbringen des Bindemittels 5 ist entsprechend der Darstellung der 1 ein Bindemittelapplikator 40 vorgesehen, der zumindest horizontal, vorzugsweise zusätzlich vertikal beweglich angeordnet ist.
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Ergänzend wird erwähnt, dass für den Fall, dass das additive Herstellen der Bauteile 1 durch ein selektives Aufschmelzen und anschließendes Erstarren der Materialien 2 und 4 erfolgt, eine Laserstrahleinrichtung 50 (1) zur Erzeugung eines Laserstrahls 2 zum selektiven Aufschmelzen der Materialien 3 und 4 vorgesehen ist.
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Das Erzeugen von Bauteilen 1 wird nachfolgend an einem Beispiel erläutert, bei dem die Bauteile 1 neben Schichten aus dem ersten Material 3, die das Grundmaterial der Bauteile 1 ausbilden, zusätzlich aus Schichten eines einzigen zweiten Materials 4 bestehen. Hierzu wird mit Blick auf die 4 eine erste Variante dahingehend erläutert, dass zunächst eine oder mehrere Schichten von erstem Material 3 mittels der Pulverdosierstation 20 auf an sich bekannt Art und Weise vollflächig auf die Aufbaufläche 16 aufgebracht werden. Anschließend erfolgt vorzugsweise das lokale Aufbringen von Bindemittel 5 auf das erste Material 3 mittels des Bindemittelapplikators 40 im Bereich der Schichten bzw. Querschnitte der Bauteile 1, die das erste Material 3 aufweisen. Anschließend kommt die Applikationseinrichtung 10 bzw. die Abgabeeinrichtung 22 zur Anwendung. Diese taucht mit ihrem Räumwerkzeug 36 in Schichten des ersten Materials 3 ein bis in eine Tiefe ein, an der zweites Material 4 verwendet werden soll. Das Räumwerkzeug 36 räumt nachfolgend durch eine entsprechende Horizontalbewegung erstes Material 3 Bewegung beiseite, sodass eine Vertiefung in Form einer Kuhle 6 ausgebildet wird. In diese Kuhle 6 wird zweites Material 4 mittels der Abgabeeinrichtung 22a eingebracht. Anschließend erfolgt wiederum ein lediglich lokales Aufbringen von Bindemittel 5 mittels des Bindemittelapplikators 40 im Bereich der Bauteile 1, wo das zweite Material 4 (lokal) aufgebracht wurde. Anschließend kann gegebenenfalls weiteres erstes Material 3 durch vollflächiges Aufbringen im Bereich der Aufbaufläche 16 auf das zweite Material 4 aufgebracht werden.
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In der Figurenfolge der 5 bis 7 ist eine abgewandelte Methode dargestellt. Hierbei wird lokal auf das erste Material 3 mittels der Abgabeeinrichtung 22 zweites Material 4 aufgebracht. Anschließend erfolgt entsprechend der 5 mittels der Pulverdosierstation 20 ein vollflächiges Aufbringen einer oder mehrerer Schichten von erstem Material 3. Dadurch, dass vorher lokal zweites Material 4 im Bereich des Querschnitts der auszubildenden Bauteile 1 aufgebracht wurde, ergibt sich entsprechend der Darstellung der 6 zunächst eine Überhöhung 7 im Bereich des zweiten Materials 3. Diese Überhöhung wird anschließend entsprechend der 7 mittels eines weiteren Räumwerkzeugs bzw. Schiebers 42 entfernt bzw. eingeebnet.
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Das soweit beschriebene Verfahren zum additiven Herstellen von Bauteilen 1 bzw. die Vorrichtung 100 können in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102019205190 A1 [0002]
- DE 102018217129 A1 [0002]
