DE102022110154A1 - Method for producing a component with an integrated cathode for the electrochemical post-processing process and removing the cathode from the component - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung umfasst ein Herstellungsverfahren eines Bauteils (2) mit wenigstens einem sich in das Bauteil (2) erstreckenden Kanal (4). Das Verfahren umfasst einen Schritt A: des Herstellens einer Anordnung (1), umfassend das Bauteil (2) und zumindest eine sich in den Kanal (4) des Bauteils (2) erstreckende Kathode (3), in additiver Fertigung, den Schritt B der elektrochemischen Nachbearbeitung des Bauteils (2) durch Erzeugen eines geschlossenen Stromkreises über das Bauteil (2) als Anode und die Kathode (3) mittels eines Elektrolyt-Mediums, vorzugsweise durch Positionierung der Anordnung (1) in einem Elektrolyt-Tauchbad und/oder durch eine Elektrolyt-Durchspülung des Kanals (4), und den Schritt C des Entfernens der Kathode (3) aus dem Kanal (4).The present invention comprises a manufacturing method of a component (2) with at least one channel (4) extending into the component (2). The method comprises a step A: producing an arrangement (1) comprising the component (2) and at least one cathode (3) extending into the channel (4) of the component (2), in additive manufacturing, step B electrochemical post-processing of the component (2) by generating a closed circuit via the component (2) as an anode and the cathode (3) by means of an electrolyte medium, preferably by positioning the arrangement (1) in an electrolyte immersion bath and/or by an Electrolyte flushing of the channel (4), and step C of removing the cathode (3) from the channel (4).
Description
Technisches GebietTechnical area
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fertigung eines Bauteils mit integrierter Kathode für den elektrochemischen Nachbearbeitungsprozess und Entfernung der Kathode aus dem Bauteil.The present invention relates to a method for producing a component with an integrated cathode for the electrochemical post-processing process and removal of the cathode from the component.
Bei der Bearbeitung von Bauteiloberflächen haben sich Verfahren der elektrochemischen Nachbearbeitung bewährt. Diese Verfahren sind auf einem breiten Spektrum von Bauteilen und Werkstoffen anwendbar. Ein Beispiel für eines dieser Verfahren ist das Elektropolieren. Unter Elektropolieren versteht man eine elektrochemische Behandlung, die zur Einebnung, zum Glänzen, Passivieren und zur Oberflächenveredlung einer metallischen Fläche führt, die ursprünglich matt und rau ist.Electrochemical post-processing processes have proven to be effective when processing component surfaces. These processes can be used on a wide range of components and materials. An example of one of these processes is electropolishing. Electropolishing is an electrochemical treatment that results in the leveling, shining, passivation and surface refinement of a metallic surface that is originally dull and rough.
Das Elektropolieren ist ein abtragendes Fertigungsverfahren. Dabei wird in einem speziell auf das Material des Bauteils abgestimmten Elektrolyten Metall anodisch abgetragen. Das heißt, das metallische Bauteil bildet den Pluspol (Anode), während eine Kathode innerhalb des Elektrolyten den Minuspol bildet. Die Kathode muss dabei kontaktfrei, also beabstandet, in die Nähe des Bauteils gebracht werden. Das Elektropolieren trägt ohne mechanische oder thermische Belastung der Teile durch anodische Auflösung eine dünne Werkstoffschicht von der Bauteiloberfläche ab. Der dadurch entstehende elektrochemische Prozess führt zu einem Abtrag der Rauheitsspitzen des Bauteils und folglich zu glänzenden Oberflächen.Electropolishing is an abrasive manufacturing process. Metal is removed anodically in an electrolyte that is specially tailored to the material of the component. This means that the metallic component forms the positive pole (anode), while a cathode within the electrolyte forms the negative pole. The cathode must be brought close to the component without contact, i.e. at a distance. Electropolishing removes a thin layer of material from the component surface through anodic dissolution without mechanical or thermal stress on the parts. The resulting electrochemical process leads to a removal of the roughness peaks of the component and consequently to shiny surfaces.
Herkömmliche Nachbearbeitungsprozesse dieser Art eignen sich nur bedingt für Innenkanäle, da die Kathode ohne Hindernis durch den Elektrolyten mit einer zu bearbeiteten Oberfläche zusammenwirken muss. Gleichzeitig ist es Voraussetzung für den Prozess, dass es zu keinem direkten Kontakt zwischen Kathode und Anode kommt. Dies erschwert die Möglichkeit der Einführung einer Kathode in komplexe Innenkanalgeometrien des Bauteils. Lediglich bis zu einem gewissen Durchmesser und bei entsprechend einfacher Innenkanalgeometrie ist das Einführen von Kathoden in den Kanal überhaupt möglich.Conventional post-processing processes of this type are only suitable to a limited extent for internal channels, as the cathode must interact with a surface to be processed without being hindered by the electrolyte. At the same time, it is a prerequisite for the process that there is no direct contact between cathode and anode. This makes it difficult to introduce a cathode into complex inner channel geometries of the component. It is only possible to insert cathodes into the channel up to a certain diameter and with a correspondingly simple inner channel geometry.
Beschreibung des Stands der TechnikDescription of the prior art
Bearbeitungsverfahren zur elektrochemischen Nachbearbeitung sind im Stand der Technik bekannt. Für das Problem der Erreichbarkeit von Innenkanalgeometrien stellt der Stand der Technik bereits vereinzelt Lösungen bereit.Processing methods for electrochemical post-processing are known in the prior art. The state of the art already provides isolated solutions to the problem of accessibility of inner channel geometries.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum elektrolytischen Polieren von Innenseiten einer Ausnehmung in einem Bauteil ist beispielsweise aus der
Bei diesem Verfahren wird eine den Innenseiten der Ausnehmung des Werkstücks angepasste Kathode in die Ausnehmung eingebracht und die Innenseite der Ausnehmung unter Verwendung eines Elektrolyts poliert. Um einen Kontakt der Kathode mit der Innenseite der Ausnehmung zu verhindern, sind mehrere elektrisch isolierende Abstandshalter an der Kathode befestigt.In this method, a cathode adapted to the inside of the recess of the workpiece is introduced into the recess and the inside of the recess is polished using an electrolyte. In order to prevent the cathode from coming into contact with the inside of the recess, several electrically insulating spacers are attached to the cathode.
Das oben beschriebene Bearbeitungsverfahren bringt allerdings einige Nachteile mit sich: Die Ausnehmung stellt lediglich eine konische Vertiefung dar, in welche die Kathode eingeführt wird. Die Ausnehmung darf dabei keine Hinterschneidungen oder komplexe Geometrien aufweisen, da die Kathode nicht weiter in die Ausnehmung eingeführt werden kann. Außerdem stellen die nötigen isolierenden Abstandshalter Widerstände für den elektrochemischen Prozess dar und können eine Verringerung des Poliereffekts bewirken. Zudem führen Abstandshalter zu einer inhomogenen Bearbeitung der Bauteiloberfläche, da der Polierprozess Bereiche ohne Abstandshalter besser erreichen kann.However, the processing method described above has some disadvantages: The recess is merely a conical depression into which the cathode is inserted. The recess must not have any undercuts or complex geometries, since the cathode cannot be inserted further into the recess. In addition, the necessary insulating spacers represent resistance for the electrochemical process and can reduce the polishing effect. In addition, spacers lead to inhomogeneous processing of the component surface, as the polishing process can better reach areas without spacers.
Ein weiteres Verfahren zum elektrolytischen Polieren von Innengeometrien eines Bauteils ist aus der
Hierbei treten die Nachteile auf, dass auch hier Abstandshalter benötigt werden, die wie oben erwähnt, zu Inhomogenität und Herabsetzung des Poliereffekts führen. Zudem kann bei der Entfernung des Drahts durch Reibung der Abstandshalter an der polierten Oberfläche zusätzlich eine Herabsetzung der Oberflächenstruktur, wie Verkratzen entstehen.The disadvantage here is that spacers are also required here, which, as mentioned above, lead to inhomogeneity and a reduction in the polishing effect. In addition, when the wire is removed, friction between the spacers and the polished surface can also cause a reduction in the surface structure, such as scratching.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme zu lösen und ein Herstellungsverfahren für ein Bauteil mit elektrochemischer Nachbearbeitung bereitzustellen, welches ein homogenes und zuverlässiges Polierergebnis in einer komplexen Innengeometrie des Bauteils liefert.The present invention is based on the object of solving the problems known from the prior art and of providing a manufacturing method for a component with electrochemical post-processing, which delivers a homogeneous and reliable polishing result in a complex internal geometry of the component.
Zur Lösung der vorstehend definierten Aufgabe offenbart die vorliegende Erfindung das Herstellungsverfahren nach Anspruch 1. Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Herstellung eines Bauteils mit wenigstens einem sich in das Bauteil erstreckenden Kanal und enthält folgende Schritte: Einen Schritt A des Herstellens einer Anordnung, umfassend das Bauteil und zumindest eine sich in den Kanal des Bauteils erstreckende Kathode, in additiver Fertigung, einen Schritt B der elektrochemischen Nachbearbeitung des Bauteils durch Erzeugen eines geschlossenen Stromkreises über das Bauteil als Anode und die Kathode, mittels eines Elekrolyt-Mediums, vorzugsweise durch Positionierung der Anordnung in einem Elektrolyt-Tauchbad und/oder durch eine Elektrolyt-Durchspülung des Kanals und einen Schritt C des Entfernens der Kathode aus dem Kanal.To solve the problem defined above, the present invention discloses the manufacturing method according to
Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass der Kanal und die zum Elektropolieren dieses Kanals benötigte Kathode gleichzeitig geformt werden können. Durch den schichtweisen Aufbau von Strukturen mittels additiver Fertigung, können der Kanal des Bauteils und die Kathode Schicht für Schicht gefertigt werden und somit die Kathode selbst in die komplexeste Geometrie des Kanals integriert werden. Dies ermöglicht die Ausführung des Elektropolierens im Kanal bei anschließender Entfernbarkeit der Kathode aus dem Kanal. Dies führt somit zu einem zuverlässigen Polierergebnis mit hoher Oberflächenqualität innerhalb des Kanals. Unter additiver Fertigung fällt die schichtweise Herstellung des Bauteils auf Basis eines 3D-CAD-Modells des Bauteils. Dabei wird eine Materialschicht aus einem unverfestigten, z.B. pulver- oder harzförmigen Ausgangsmaterial verfestigt und danach die nächste Materialschicht obendrauf aufgetragen und verfestigt, bis ein vollständiges Bauteil entsprechend dem 3D-CAD-Modell entstanden ist. Die Verfestigung erfolgt dabei verfahrensabhängig z.B. mit einem Laser, Bindemittel, durch Belichtung mit UV-Licht oder durch ein Anschmelzen des Materials. Beispielhafte additive Fertigungsverfahren sind insbesondere das selektive Lasersintern/- schmelzen (SLS/SLM), das Fused Deposition Modelling (FDM) bzw. Fused Filament Fabrication (FFF), das Poly- und MultiJet Modelling (MJM) oder auch der 3D-Druck. Die Grundlage für die additive Fertigung bildet das 3D-CAD-Modell des Bauteils, welches beispielsweise mittels CAD-Software gezeichnet oder durch Abscannen eines bereits vorhandenen Bauteils erstellt werden kann. Mit der additiven Fertigung können Bauteile aus elektrisch leitenden Materialien wie Metall hergestellt werden. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstände der abhängigen Ansprüche.This has the advantage that the channel and the cathode required for electropolishing this channel can be formed at the same time. By building structures layer by layer using additive manufacturing, the channel of the component and the cathode can be manufactured layer by layer and thus the cathode can be integrated into the most complex geometry of the channel. This allows electropolishing to be carried out in the channel with subsequent removal of the cathode from the channel. This leads to a reliable polishing result with high surface quality within the channel. Additive manufacturing involves the layer-by-layer production of the component based on a 3D CAD model of the component. A layer of material made from an unsolidified, e.g. powder or resinous starting material is solidified and then the next layer of material is applied on top and solidified until a complete component is created according to the 3D CAD model. Depending on the process, the solidification takes place, for example with a laser, binder, by exposure to UV light or by melting the material. Examples of additive manufacturing processes include selective laser sintering/melting (SLS/SLM), fused deposition modeling (FDM) or fused filament fabrication (FFF), poly and multijet modeling (MJM) or 3D printing. The basis for additive manufacturing is the 3D CAD model of the component, which can be drawn using CAD software or created by scanning an existing component, for example. With additive manufacturing, components can be made from electrically conductive materials such as metal. Advantageous developments of the invention are the subject of the dependent claims.
Es kann von Vorteil sein, wenn die Kathode und das Bauteil durch 3D-Druck gefertigt werden. Somit kann das Verfahren auf gängigen 3D-Druckern angewendet werden.It can be advantageous if the cathode and the component are manufactured using 3D printing. This means that the process can be used on common 3D printers.
Es kann sich als nützlich erweisen, wenn die Kathode in Schritt B kontaktfrei zum Bauteil innerhalb des Kanals in Position gehalten wird, wobei vorzugsweise zwischen der Kathode und dem Bauteil ein Abstand besteht, wobei der Abstand bevorzugt zumindest in mehreren Abschnitten des Kanals gleich ist. Der Begriff „kontaktfrei“ ist im Rahmen der Erfindung so zu verstehen, dass in Schritt B zumindest innerhalb des Kanals keinerlei Kontakt zwischen der Kathode und dem Bauteil besteht, auch nicht über Abstandshalter, Stützstrukturen oder dergleichen, sodass innerhalb des Kanals zwischen Kathode und Bauteil ein vollkommen freier bzw. luftgefüllter Ringraum verbleibt, der sich über die gesamte Länge des Kanals erstreckt, jedenfalls soweit sich die Kathode in den Kanal hin erstreckt. Die Kathode darf während des elektrochemischen Nachbearbeitungsvorganges, auch außerhalb des Kanals keinen elektrisch leitenden Kontakt zu dem Bauteil haben. Durch den gewährleisteten Abstand zwischen Anode (Bauteil) und Kathode kann eine sachgemäße Nachbearbeitung durch Elektropolieren stattfinden, ohne dass sich Anode und Kathode berühren und es zu einem Kurzschluss kommt. Durch den zumindest abschnittsweise gleichen Abstand zwischen der Kathode und dem Bauteil kann ein homogenes Polierergebnis erzielt werden, da die Kathode das Metall gleichmäßig abträgt. Dieses homogene Polierergebnis wird auch nicht durch Abstandshalter oder Stützstrukturen beeinträchtigt, da die den Kanal definierende Innenwand des Bauteils vollkommen freiliegt.It may prove useful if the cathode is held in position within the channel in step B without contact with the component, preferably with a distance between the cathode and the component, the distance preferably being the same at least in several sections of the channel. The term “contact-free” is to be understood in the context of the invention to mean that in step B, at least within the channel, there is no contact between the cathode and the component, not even via spacers, support structures or the like, so that there is a contact between the cathode and the component within the channel completely free or air-filled annular space remains, which extends over the entire length of the channel, at least as far as the cathode extends into the channel. The cathode must not have any electrically conductive contact with the component during the electrochemical post-processing process, even outside the channel. Due to the guaranteed distance between the anode (component) and cathode, proper post-processing by electropolishing can take place without the anode and cathode touching each other and a short circuit occurring. Due to the at least partially equal distance between the cathode and the component, a homogeneous polishing result can be achieved since the cathode removes the metal evenly. This homogeneous polishing result is not affected by spacers or support structures, since the inner wall of the component that defines the channel is completely exposed.
Es kann nützlich sein, wenn die Anordnung in Schritt A einstückig hergestellt wird und die Kathode vor Schritt B vom Bauteil getrennt wird, wobei vorzugsweise die Kathode in Schritt A mit einer Stützstruktur in Kontakt zum Bauteil hergestellt wird, die vor Schritt B mittels mechanischem Aufbrechen, Schalleinwirkung oder ätzenden Prozessen strukturell entfernt wird. Damit wird ein Verwackeln der Kathode während des additiven Herstellungsprozesses ausgeschlossen.It may be useful if the arrangement is manufactured in one piece in step A and the cathode is separated from the component before step B, preferably the cathode is manufactured in step A with a support structure in contact with the component, which is broken before step B by means of mechanical breaking, is structurally removed by sound or corrosive processes. This prevents the cathode from shaking during the additive manufacturing process.
Es kann sich als vorteilhaft erweisen, wenn die Anordnung in Schritt A derart gefertigt und/oder in Schritt B derart positioniert wird, dass die Kathode aus wenigstens einer Mündung des Kanals über das Bauteil vorsteht. Somit kann die Kathode von außerhalb des Bauteils gehalten werden ohne das weitere Abstandshalter benötigt werden. Ein Verwackeln und Berühren der Kathode mit dem Bauteil wird ausgeschlossen. Idealerweise ist der Kanal als Durchgang ausgebildet, welcher das Bauteil durchdringt, wobei die Kathode vollständig über die beiden Enden bzw. Mündungen des Kanals vorsteht. So kann die Kathode zweiseitig eingespannt werden, was die Stabilität der Anordnung erhöht. Es ist aber auch möglich, dass eine Kathode nur einseitig eingespannt wird (Cantilever-Prinzip). Das gilt insbesondere für Kathoden, die sich in einen im Bauteil endenden Kanal erstrecken, ist aber auch möglich für Kathoden, die sich in einem das Bauteil durchdringenden Kanal über das Bauteil hinaus erstrecken.It may prove to be advantageous if the arrangement is manufactured in step A and/or positioned in step B in such a way that the cathode protrudes from at least one mouth of the channel over the component. This means that the cathode can be held from outside the component without the need for additional spacers. Shaking and touching of the cathode with the component is excluded. Ideally, the channel is designed as a passage that penetrates the component, with the cathode protruding completely beyond the two ends or mouths of the channel. The cathode can be clamped on both sides, which increases the stability of the arrangement. However, it is also possible for a cathode to only be clamped on one side (cantilever principle). This applies in particular to cathodes that extend into a channel that ends in the component, but is also possible for cathodes that extend beyond the component in a channel that penetrates the component.
Es kann nützlich sein, wenn der Kanal mindestens eine lineare Unstetigkeit aufweist, vorzugsweise wenigstens eine Hinterschneidung und/oder wenigstens einen Knick und/oder wenigstens eine Krümmung und/oder wenigstens eine Verzweigung. Somit eignen sich auch Bauteile mit komplexer Innengeometrie für eine elektrochemische Nachbearbeitung wie Elektropolieren mit dem erfindungsgemäßen Verfahren. Außerdem kann die Kathode so durch die Umkehrpunkte innerhalb des Kanals nachträglich herausbefördert werden.It can be useful if the channel has at least one linear discontinuity, preferably at least one undercut and/or at least one bend and/or at least one curvature and/or at least one branch. Components with complex internal geometry are therefore also suitable for electrochemical post-processing such as electropolishing using the method according to the invention. In addition, the cathode can be subsequently transported out through the reversal points within the channel.
Es kann praktisch sein, wenn das Bauteil unter Verwendung einer mehrteiligen Fertigungsstruktur mit wenigstens zwei mechanisch gekoppelten und elektrisch entkoppelten Abschnitten hergestellt wird, wobei die Anordnung in Schritt A auf der mehrteiligen Fertigungsstruktur gefertigt wird oder zur Durchführung des Schrittes B mit einer solchen mehrteiligen Fertigungsstruktur verbunden wird, sodass das Bauteil mit einem der Abschnitte verbunden ist und die Kathode mit einem anderen der Abschnitte verbunden ist, um das Bauteil und die Kathode kontaktfrei in Position zu halten. Somit kann eine starre Fixierung des Bauteils mit der Kathode und gleichzeitig deren konsequente elektrische Trennung sichergestellt werden.It may be practical if the component is manufactured using a multi-part manufacturing structure with at least two mechanically coupled and electrically decoupled sections, the arrangement being manufactured in step A on the multi-part manufacturing structure or being connected to such a multi-part manufacturing structure to carry out step B , so that the component is connected to one of the sections and the cathode is connected to another of the sections to hold the component and the cathode in position without contact. This ensures a rigid fixation of the component with the cathode and at the same time their consistent electrical separation.
Es kann sich als vorteilhaft erweisen, wenn die wenigstens zwei Abschnitte der mehrteiligen Fertigungsstruktur durch eine Isolationsschicht, bevorzugt eine Kunststoffschicht, elektrisch voneinander isoliert sind und/oder durch mindestens eine nichtleitende, lösbare Befestigung, insbesondere eine Kunststoffschraube, mechanisch verbunden sind. Somit wird die elektrische Isolation zwischen den beiden Abschnitten gewährleistet, selbst wenn die Abschnitte aus leitendem Material bestehen. Die für die elektrische Nachbearbeitung notwendige elektrische Trennung von Kathode und Bauteil (Anode) wird gewährleistet.It can prove to be advantageous if the at least two sections of the multi-part manufacturing structure are electrically insulated from one another by an insulating layer, preferably a plastic layer, and/or are mechanically connected by at least one non-conductive, detachable fastening, in particular a plastic screw. This ensures electrical isolation between the two sections, even if the sections are made of conductive material. The electrical separation of cathode and component (anode) necessary for electrical post-processing is guaranteed.
Es kann sich als sinnvoll erweisen, wenn wenigstens einer der Abschnitte der mehrteiligen Fertigungsstruktur eine Aufnahme für einen anderen der Abschnitte bildet und/oder dass wenigstens einer der Abschnitte der mehrteiligen Fertigungsstruktur mindestens einen Befestigungsabschnitt, insbesondere ein Bohrloch zur Befestigung an einer additiven Fertigungsmaschine, beispielsweise einem 3D-Drucker, aufweist. Dies gewährleistet eine formschlüssige Anordnung der Abschnitte zueinander und sorgt für eine rutschsichere Anbringung der Abschnitte auf der additiven Fertigungsmaschine.It may prove to be useful if at least one of the sections of the multi-part manufacturing structure forms a receptacle for another of the sections and/or that at least one of the sections of the multi-part manufacturing structure has at least one fastening section, in particular a drill hole for fastening to an additive manufacturing machine, for example a 3D printer. This ensures a positive arrangement of the sections to one another and ensures that the sections are attached to the additive manufacturing machine in a non-slip manner.
Es kann sich als vorteilhaft erweisen, wenn die Kathode in Schritt B durch mindestens ein elektrisch isolierendes Halteglied innerhalb des Kanals mit Abstand zum Bauteil gehalten wird, wobei vorzugsweise das Haltglied an einer Mündung des Kanals angeordnet ist. Das elektrisch isolierende Halteglied kann einen unmittelbaren Kontakt zwischen Bauteil und Kathode vermeiden, sodass die Innenwand des Kanals bestmöglich für die elektrochemische Nachbearbeitung zugänglich bleibt.It can prove to be advantageous if the cathode is held in step B by at least one electrically insulating holding member within the channel at a distance from the component, the holding member preferably being arranged at an opening of the channel. The electrically insulating holding member can avoid direct contact between the component and the cathode, so that the inner wall of the channel remains as accessible as possible for electrochemical post-processing.
Es kann praktisch sein, wenn jedes Haltglied den Kanal fluiddicht abdichtet und vorzugsweise als elastischer Stopfen geformt ist. Durch ein fluiddicht abdichtendes Haltglied entsteht ein abgedichteter Innenraum, der mit Elektrolyt-Medium gefüllt werden kann. Somit kann eine Nachbearbeitung ausschließlich an der Innenwand des Kanals durchgeführt werden. Bei dieser Ausführung muss ein möglicher Elektrolytaustausch im Kanal sichergestellt werden.It may be practical if each retaining member seals the channel in a fluid-tight manner and is preferably shaped as an elastic plug. A fluid-tight holding member creates a sealed interior that can be filled with electrolyte medium. This means that post-processing can only be carried out on the inner wall of the channel. With this design, a possible electrolyte exchange in the channel must be ensured.
Es kann von Vorteil sein, wenn das das Elektrolyt-Medium durch wenigstens ein Halteglied und/oder die Kathode in den Kanal eingeführt und/oder aus dem Kanal ausgeführt wird. Das Elektrolyt-Medium kann insbesondere durch im Stopfen vorgesehene Anschlüsse in den Kanal gepumpt werden. Alternativ oder zusätzlich erfolgt eine Elektrolyteinspeisung in den Kanal über die Kathode. Dazu sollte die Kathode innen hohl ausgelegt werden und Anschlussmöglichkeiten aufweisen. Aus der Kathode kann das Elektrolyt-Medium aus vorgesehenen Öffnungen in den Kanal austreten.It can be advantageous if the electrolyte medium is introduced into the channel and/or removed from the channel through at least one holding member and/or the cathode. The electrolyte medium can be pumped into the channel in particular through connections provided in the plug. Alternatively or additionally, electrolyte is fed into the channel via the cathode. For this purpose, the cathode should be hollow on the inside and have connection options. The electrolyte medium can emerge from the cathode through openings provided into the channel.
Es kann aber auch von Nutzen sein, wenn die Kathode als Gitterstruktur gefertigt wird, vorzugsweise mit wenigstens einer strukturellen Schwachstelle an mindestens einer linearen Unstetigkeit des Kanals, wobei die Kathode bevorzugt mit einer, insbesondere einer porös aufgebauten Struktur oder einer Sollbruchstelle ausgebildet wird. Eine derartige Kathode kann im Schritt C mittels an den Schwachstellen oder gesamtheitlich leicht aufgebrochen werden. Die Gitterstruktur kann im Nachhinein durch ätzende Flüssigkeiten aufgelöst werden. Die Bruchstücke ermöglichen eine einfache Entfernung der Kathode aus dem Kanal bei komplexer Kanalgeometrie.However, it can also be useful if the cathode is manufactured as a lattice structure, preferably with at least one structural weak point on at least one linear discontinuity of the channel, the cathode preferably being designed with a structure, in particular a porous structure, or a predetermined breaking point. Such a cathode can be easily broken open in step C at the weak points or in its entirety. The lattice structure can be subsequently dissolved using caustic liquids. The fragments enable the cathode to be easily removed from the channel with complex channel geometry.
Es kann praktisch sein, wenn die Kathode in Schritt C mittels mechanischem Aufbrechen, Schalleinwirkung oder ätzenden Prozess strukturell gelöst oder zerteilt wird, sodass die Kathode aus dem Kanal entfernt werden kann. Dies ermöglicht ein rückstandsloses Entfernen der Kathode aus dem Bauteil.It may be convenient if the cathode is structurally disintegrated or broken in Step C by mechanical fracturing, sonication, or caustic processes so that the cathode can be removed from the channel. This enables the cathode to be removed from the component without leaving any residue.
Weitere bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich durch Kombinationen der Merkmale, die in der Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offenbart sind.Further preferred developments of the invention result from combinations of the features that are disclosed in the description, the claims and the figures.
Kurze Beschreibung der FigurenShort description of the characters
Es zeigen:
-
1 eine perspektivische Ansicht einer additiv gefertigten Anordnung, umfassend ein Bauteil mit einer Kathode, die durch einen das Bauteil durchdringenden Kanal verläuft. -
2 eine perspektivische Ansicht der Anordnung aus1 , die auf einer mehrteiligen Fertigungsstruktur mit zwei mechanisch gekoppelten und elektrisch entkoppelten Abschnitten in Gestalt einer Hauptbauplatte und einer Nebenbauplatte positioniert ist. -
3 eine perspektivische Ansicht einer Kathode mit strukturellen Schwachstellen. -
4 eine perspektivische Ansicht einer Kathode mit einer Gitterstruktur aus Gittergeflecht. -
5 eine Schnittansicht durch eine Anordnung aus Bauteil und Kathode, wobei das Bauteil einen durchgehenden Kanal aufweist und die Kathode mittels endseitigen Stopfen als Haltegliedern und Stützstrukturen im Abstand von der Innenwand des Kanals gehalten wird.
-
1 a perspective view of an additively manufactured arrangement, comprising a component with a cathode that runs through a channel penetrating the component. -
2 a perspective view of thearrangement 1 , which is positioned on a multi-part manufacturing structure with two mechanically coupled and electrically decoupled sections in the form of a main building board and a secondary building board. -
3 a perspective view of a cathode with structural weak points. -
4 a perspective view of a cathode with a lattice structure made of mesh. -
5 a sectional view through an arrangement of component and cathode, wherein the component has a continuous channel and the cathode is held at a distance from the inner wall of the channel by means of end plugs as holding members and support structures.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten AusführungsbeispieleDetailed description of the preferred embodiments
Der Kanal 4 weist lineare Unstetigkeiten wie Hinterschneidungen H oder Knicke K auf. Außerdem weist der Kanal 4 eine Krümmung auf. Der Kanal 4 kann auch zusätzlich eine Verzweigung aufweisen (nicht gezeigt). Die Kathode 3 ist entsprechend des Kanals 4 geformt, sodass die Kathode 3 innerhalb des Kanals 4 von dem Bauteil 2 beabstandet ist. Zwischen der Kathode 3 und dem Bauteil 2 besteht ein Abstand D, sodass sich über die gesamte Länge des Kanals 4 ein luftgefüllter Ringraum zwischen der Kathode 3 und dem Bauteil 2 ergibt. Dieser luftgefüllte Ringraum ist unmittelbar nach dem 3D-Druckprozess noch mit Metallpulver (ca. 10-45 µm) gefüllt. Dieses Metallpulver kann während der Entnahme des Bauteils 2 aus dem 3D-Drucker durch Drehen des Bauteils 2 oder Ausblasen entfernt werden. Der Abstand D ist zumindest in mehreren Abschnitten des Kanals 4 gleich. Das Bauteil 2 kann mehrere Kanäle 4 enthalten. In jedem dieser Kanäle 4 kann eine entsprechende Kathode 3 angeordnet sein.
Die Anordnung 1 aus Bauteil 2 und Kathode 3 wird im Schritt A des erfindungsgemäßen Verfahrens nach einem 3D-Modell mittels additiver Fertigung, beispielsweise 3D-Druck hergestellt. Eine derartige Fertigung erstellt das Bauteil 2 und die Kathode 3 schichtweise durch Verfestigung eines zunächst unverfestigten Materials, beginnend auf der Standebene des Bauteils 2.The
Die Nebenbauplatte 6 ist hier ein plattenförmiger zweiter Abschnitt 6, kann aber auch jede andere geeignete Form aufweisen. Die Nebenbauplatte 6 dient in Schritt A als Basis bzw. das Substrat zur additiven Fertigung der Kathode 2, so dass die Kathode 3 nach Abschluss der additiven Fertigung mit der Nebenbauplatte 6 verbunden ist. Die Kathode 3 ist dann auf der Nebenbauplatte 6 angeordnet. Beginnend in einem Fußpunkt F erstreckt sich die Kathode 3 senkrecht zur Nebenbauplatte 6.The
Die Hauptbauplatte 5 weist eine Aufnahme 5a auf, die derart geformt ist, dass sie die Nebenbauplatte 6 aufnehmen kann. Zwischen der Hauptbauplatte 5 und der Nebenbauplatte 6 ist eine Isolationsschicht 7 angeordnet, die die Hauptbauplatte 5 und die Nebenbauplatte 6 elektrisch voneinander entkoppelt bzw. isoliert. Die Isolationsschicht 7 ist eine Schicht aus Kunststoff, kann aber auch eine Schicht oder ein Bauteil aus einem anderen nichtleitenden Material sein, das die Hauptbauplatte 5 und die Nebenbauplatte 6 voneinander elektrisch entkoppelt bzw. isoliert. Die Hauptbauplatte 5 und die Nebenbauplatte 6 sind mit der dazwischenliegenden Isolationsschicht 7 aneinander befestigt bzw. mechanisch gekoppelt. Nichtleitende, lösbare Befestigungen, beispielsweise eine Kunststoffschrauben 8, verbinden die Hauptbauplatte 5 und die Nebenbauplatte 6 mechanisch in lösbarer Weise.The
Die Hauptbauplatte 5, die Nebenbauplatte 6 und die Isolationsschicht 7 bilden somit die mehrteilige Fertigungsstruktur mit zwei mechanisch gekoppelten und elektrisch entkoppelten Abschnitten 5, 6. Die horizontale Fläche der Hauptbauplatte 5 und der Nebenbauplatte 6 schließen in einem aneinander befestigen Zustand auf einer gleichen Höhe mit einander ab, so dass eine plane Fertigungsebene entsteht. Zwischen der Hauptbauplatte 5 und der Nebenbauplatte 6 besteht ein Spalt S um die Isolation voneinander zu gewährleisten. Der Schichtaufbau zur additiven Fertigung des Bauteils 2 beginnt auf den idealerweise zueinander bündigen Oberflächen der Hauptbauplatte 5 und der Nebenbauplatte 6.The
Die Anordnung 1 aus Bauteil 2 und Kathode 3 wird auf der mehrteiligen Fertigungsstruktur gefertigt, sodass das Bauteil 2 mit der Hauptbauplatte 5 verbunden ist und die Kathode 3 mit Nebenbauplatte 6 verbunden ist. Die Fertigungsstruktur dient dazu, das Bauteil 2 und die Kathode 3 kontaktfrei in Position zu halten. Die Anordnung 1 aus Bauteil 2 und Kathode 3 kann auch separat gefertigt und erst zur Durchführung des Schrittes B des erfindungsgemäßen Verfahrens mit der mehrteiligen Fertigungsstruktur verbunden werden.The
Durch Trennen der Kathode 3 in mehrere kleine Einheiten, die vorzugsweise kleiner sind als der (kleinste) Durchmesser des Kanals 4, kann die Kathode 3 bzw. deren Fragmente oder Reste in Schritt C des erfindungsgemäßen Verfahrens leichter aus dem Kanal 4 entfernt werden. Optional kann die Kathode 3 nach Durchführung des Schrittes B des erfindungsgemäßen Verfahrens auch vollständig zerstört und aufgelöst werden, da die Kathode 3 dann nicht mehr benötigt wird.By separating the
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst zusammengefasst das Herstellen einer oben dargestellten Anordnung 1, umfassend das Bauteil 2 und zumindest eine sich in den Kanal 4 des Bauteils 2 erstreckende Kathode 3, mittels additiver Fertigung (Schritt A). Die Kathode 3 und das Bauteil 2 können dabei gleichzeitig gefertigt werden. Die Kathode 3 wird ohne dauerhaften Kontakt zum Bauteil 2 innerhalb des Kanals 4 gefertigt. Das kann z.B. dadurch erreicht werden, dass in Schritt A des erfindungsgemäßen Verfahrens der gesamte Zwischenraum zwischen dem Bauteil 2 und der Kathode 3 im Bereich des Kanals 4 unverfestigt bleibt. Beim Entfernen des unverfestigten Ausgangsmaterials nach Abschluss des Schrittes A des erfindungsgemäßen Verfahrens aus dem Zwischenraum zwischen dem zwischen dem Bauteil 2 und der Kathode 3 entsteht dann ein luftgefüllter Ringraum, der sich über die gesamte Länge des Kanals 4 erstreckt, jedenfalls soweit sich die Kathode 3 in den Kanal 4 hinein erstreckt. Die gefertigte Anordnung 1 kann in Gesamtheit mit der Fertigungsstruktur von dem Ort der Fertigung entnommen werden, sodass die kontaktfreie Positionierung zwischen dem Bauteil 2 und der Kathode 3 auch nach dem Entfernen des unverfestigten Ausgangsmaterials erhalten bleibt.In summary, the method according to the invention comprises producing an
Die Anordnung 1 wird dann samt isolierender Fertigungsstruktur zur elektrochemischen Nachbearbeitung in ein Elektrolyt-Tauchbad eingelegt. Bei der elektrochemischen Nachbearbeitung des Bauteils 2 in Schritt B des erfindungsgemäßen Verfahrens wird durch Erzeugen eines geschlossenen Stromkreises über das Bauteil 2 als Anode und die Kathode 3 die Oberfläche des Bauteils 2 um die Kathode poliert. Dabei wird die Kathode 3 ohne Kontakt zum Bauteil 2 innerhalb des Kanals 4 in Position gehalten. Zwischen der Kathode 3 und dem Bauteil 2 bleibt der Abstand D bestehen. Der zuvor luftgefüllte Ringraum zwischen der Kathode 3 und dem Bauteil 2 wird beim Einbringen der Anordnung 1 in das Elektrolyt-Tauchbad vollständig mit dem Elektrolyt-Medium befüllt. Im Ergebnis wird die gesamte, den Kanal 4 bildende Innenwand des Bauteils 2 vollständig und lückenlos elektrochemisch nachbearbeitet.The
Anschließend wird die Kathode 3 in Schritt C des erfindungsgemäßen Verfahrens insbesondere mittels mechanischen Aufbrechens, Schalleinwirkung oder ätzender Prozesse strukturell gelöst oder zerteilt und aus dem Kanal 4 entfernt.The
Die Halteglieder 13 sind vorzugsweise elastisch geformt und werden mittels Formschluss in die Mündungen 4a, 4b des Kanals 4 eingesetzt, um den Innenraum des Kanals 4 abzudichten. Mindestens ein Halteglied 13 weist ein Einlassventil (nicht gezeigt) auf, damit ein Elektrolyt-Medium in den abgedichteten Kanal 4 eingebracht werden kann. Alternativ oder zusätzlich dazu kann das Elektrolyt-Medium durch die Katode 3 in den Kanal 4 eingeleitet oder aus diesem entfernt werden. Somit ist die elektrochemische Nachbearbeitung des Bauteils 2 ausschließlich an der Innenwand des Kanals 4 möglich, ohne die gesamte Anordnung 1 einem Tauchbad zu unterziehen.The holding
Für die zweite Ausführungsform können das Bauteil 2 und die Kathode 3 einstückig hergestellt werden. Eine Fertigung auf voneinander isolierten Bauplatten, wie in der ersten Ausführungsform, kann vermieden werden. Um eine zielgerichtete Positionierung der Kathode 3 im Kanal 4 zu garantieren, wird die Kathode 3 mittels Stützstrukturen 14 in den Kanal 4 gefertigt.
Somit wird die Kathode 3 in Schritt A mit der auf den Kanal 4 ausgelegten Stützstruktur 14 in Kontakt zum Bauteil 2 einstückig hergestellt. Die Stützstrukturen werden vor Schritt B (gezeigter Zustand in
Solange der elektrochemische Prozess nicht angewendet wird, ist ein Kontakt zwischen Kathode 3 und Bauteil 2 unproblematisch. Bevor das Bauteil 2 zur Nachbearbeitung in eine elektrochemische Anlage angeschlossen werden kann, müssen die Stützstrukturen 14 aber entfernt werden. Ohne das Entfernen der Stützstrukturen 14 wäre eine elektrochemische Nachbearbeitung wegen eines Kurzschlusses nicht möglich. Nach dem Entfernen der Stützstrukturen 14 halten die Halteglieder 13 die Kathode 3 in Position und stellen die elektrische Separation von Kathode 3 und Bauteil 2 während der elektrochemischen Nachbearbeitung sicher. Die in
Obwohl die Erfindung in Bezug auf spezifische Ausführungsformen für eine vollständige und klare Offenbarung beschrieben wurde, sind die beigefügten Ansprüche nicht auf diese Weise zu beschränken. Vielmehr umfasst die Erfindung alle Modifikationen und alternativen Konstruktionen im Schutzbereich der Patentansprüche. Zusätzlich können die Merkmale verschiedener Ausführungsformen und Verfahrensschritte kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden.Although the invention has been described with respect to specific embodiments for complete and clear disclosure, the appended claims are not to be so limited. Rather, the invention includes all modifications and alternative constructions within the scope of the claims. Additionally, the features of various embodiments and method steps may be combined to form further embodiments of the invention.
Es kann sinnvoll sein, wenn bei kleinem Durchmesser des Kanals 4 das Elektrolyt-Medium nicht durch ein Tauchbad, sondern durch Durchspülen oder Einpumpen in den Kanal 4 gelangt. Somit kann garantiert werden, dass die Kathode 3 vollständig von Elektrolyt-Medium umgeben ist.If the diameter of
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 11
- Anordnungarrangement
- 22
- BauteilComponent
- 33
- Kathodecathode
- 44
- Kanalchannel
- 4a, 4b4a, 4b
- Mündungmouth
- 55
- erster Abschnitt, Hauptbauplattefirst section, main building panel
- 5a5a
- AufnahmeRecording
- 5b5b
- Befestigungsabschnitt, BohrlochFastening section, drill hole
- 66
- zweiter Abschnitt, Nebenbauplattesecond section, annex panel
- 77
- Isolationsschicht, KunststoffschichtInsulation layer, plastic layer
- 88th
- Befestigung, KunststoffschraubeFastening, plastic screw
- 99
- strukturelle Schwachstelle, porös aufgebaute Strukturstructural weak point, porous structure
- 1010
- strukturelle Schwachstelle, Sollbruchstellestructural weak point, predetermined breaking point
- 1111
- GitterstrukturGrid structure
- 1212
- KnickpunkteBreak points
- 1313
- Halteglied, Stopfenretaining member, plug
- 1414
- StützstrukturSupport structure
- DD
- AbstandDistance
- FF
- Fußpunktfoot point
- HH
- Hinterschneidung,undercut,
- KK
- Knickkink
- SS
- Spaltgap
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- US 10413983 [0009]US 10413983 [0009]
Claims (14)
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Also Published As
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