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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenbearbeitung eines additiv hergestellten Bauteils. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Oberflächenbearbeitung wenigstens eines additiv hergestellten Bauteils sowie ein Fahrzeug mit wenigstens einem Bauteil, wobei wenigstens eine Oberfläche des Bauteils mittels eines derartigen Verfahrens und/oder einer derartigen Vorrichtung bearbeitet ist.
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Im Fahrzeugbau werden zur Herstellung von Bauteilen zunehmend sogenannte additive Fertigungsverfahren, die auch als Additive Manufacturing (AM), generative Fertigungsverfahren, 3D-Druckverfahren oder Rapid Technologien bezeichnet werden können, eingesetzt, da damit vielfältige, insbesondere komplexe Geometrien umgesetzt werden können. Beim additiven Fertigungsverfahren werden Bauteile durch schichtweisen Auftrag eines schmelzbaren Werkstoffs erzeugt. Üblicherweise werden bei der additiven Fertigung als schmelzbare Werkstoffe Metall, insbesondere Aluminium, und Kunststoff eingesetzt.
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In der Nachbearbeitung von additiv gefertigten Metallbauteilen wird der sogenannte Gleitschleifprozess als aktuell wirtschaftlichstes Verfahren zum Entgraten und Nachbearbeiten von Oberfläche eingesetzt. Beim Gleitschleifen werden die Bauteile in ein mit Schleifkörpern versehenes Behältnis gegeben. Durch Anregung der Schleifkörper mittels Vibrationen entstehen Relativbewegungen zwischen den Bauteilen und den Schleifkörpern, die einen Materialabtrag am Bauteil und somit ein Schleifen verursachen. Durch die Wahl der Schleifkörperwerkstoffe und - geometrie kann ein breites Feld abgedeckt werden. Das bekannte Verfahren beruht hauptsächlich auf empirischen Wissen, was die Prozessführung betrifft.
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Bauteile aus der additiven Fertigung besitzen durch ihren Vorteil der Geometriefreiheit oft komplexe Strukturen, die mittels dem bekannten Schleifprozess nur schwer nachbearbeitet werden können. Dies liegt an der Zugänglichkeit der Geometrie des Schleifkörpers zur Geometrie des Bauteils. Insbesondere Bohrungen oder kleine Radien einer beispielsweise topologieoptimierten Struktur sind so nicht zu erreichen.
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Zur Umgehung dieses Nachteils schlägt
EP 3 881 959 A1 ein Verfahren zur Oberflächenbearbeitung von Werkstücken vor. Bei dem Verfahren kommt das Werkstück in ein Behältnis bevor oder nachdem das Behältnis mit einem Medium befüllt wird, das eine physikalisch/mechanische, chemische, chemisch-physikalische, chemisch-mechanische oder eine elektro-chemische Bearbeitungszutat aufweist. Anschließend wird das Medium einem Druckschwankungsprozess, der auch unter dem Namen zyklische Nukleation bekannt ist, ausgesetzt, indem das Medium abwechselnd mittels eines Niederdruckventils mit einem Niederdruck und mittels eines Hochdruckventils mit einem Hochdruck beaufschlagt wird.
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Des Weiteren geht aus
WO 2020/064444 A1 ein Verfahren zur Oberflächenbearbeitung eines Bauteils durch Strömungsschleifen hervor, bei dem die Oberflächen eines Rohlings mit einem Schleifpartikel enthaltenden fließfähigen Trägermaterial überströmt wird.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung sowie ein Fahrzeug zu schaffen, die eine wirtschaftliche Oberflächennachbearbeitung von komplexen Strukturen ermöglichen.
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Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruch1, eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 6 und ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 10 vorgeschlagen.
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Vorteilhafte Ausgestaltrungen des Verfahrens und der Vorrichtung sind Gegenstand der jeweils abhängigen Ansprüche.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Oberflächenbearbeitung eines additiv hergestellten Bauteils vorgeschlagen. Bei dem Verfahren wird das Bauteil in ein Medium, das abrasive Partikel aufweist, eingetaucht. Anschließend werden Ultraschallwellen mittels einer Schwingvorrichtung in das Medium eingeleitet, um Kavitation an dem Bauteil zu erzeugen. Schließlich wird das Bauteil aus dem Medium entnommen.
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Die Erfindung basiert auf dem Gedanken zum Schleifen ein mit abrasiven Partikeln versetztes Mediums anstatt Schleifkörper einzusetzen und das Medium mittels Ultraschallwellen anzuregen, um eine Schleifwirkung am Bauteil zu erzeugen. Das Medium sowie die darin enthaltenen abrasiven Partikel sind in der Lage alle Bereiche des Bauteils zu erreichen und somit alle Bereiche abzuschleifen. Die Anregung des Mediums geschieht durch Einleiten von Ultraschallwellen mittels einer Schwingvorrichtung. Die eingeleiteten Ultraschallwellen werden an das Medium weitergegeben, wodurch am Bauteil Bereiche mit höherem Druck und niedrigerem Druck entstehen, die zu Dampfblasen im Medium führen. Die Dampfblasen fallen schlagartig in sich zusammen, wodurch der vorher benötigte Raum schlagartig kleiner wird. Das Medium muss diesen Raum wieder ausfüllen und strömt implosionsartig in diesen Raum, wodurch im Medium starke - wenn auch kurzzeitige - Druckstöße entstehen. Dadurch entstehen Druckwellen mit hohen Druckspitzen. Dieser Effekt wird als Kavitation bezeichnet. Befinden sich die Dampfblasen in der Nähe oder direkt an einer Oberfläche des Bauteils, so entsteht bei der Implosion ein Mediumstrahl, der mit hoher Geschwindigkeit auf die Oberfläche trifft. Die im Mediumstrahl enthaltenen abrasiven Partikel sorgen für eine Schleifwirkung. Zudem sorgt der Mediumstrahl für einen Abtransport der abgeschliffenen Partikel. Folglich lassen sich mit dem Verfahren komplexe Oberflächengeometrien wirtschaftlich nachbearbeiten.
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Das Bauteil kann ein Fahrzeugteil, wie beispielsweise ein Interieurteil oder Exterieurteil sein.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Stärke des Schleifens durch die Viskosität des Mediums, eine Form der abrasiven Partikel, eine Größe der abrasiven Partikel und/oder einer Anzahl der abrasiven Partikel, der Intensität des Ultraschalls und der Dauer bestimmt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das additive Fertigungsverfahren zur Erzeugung des additiven Bauteils ein Stereolithographieverfahren (SL), ein Lasersinterverfahren (LS), ein Laserstrahlschmelzverfahren (LBM), insbesondere ein selektives Laserschmelzverfahren (SLM), ein Elektronenstrahlschmelzverfahren (EBN), ein Fused-Layer-Modeling/Manufacturing-Verfahren (FLM/FFF), ein Fused-Deposition-Modeling-Verfahren (FDM), ein Multijet-Modeling-Verfahren (MJM), ein Polyjet-Modeling-Verfahren (PJM), ein Binder-Jetting-Verfahren, ein Layer-Laminated-Manufacturing-Verfahren (LLM), ein Digital-Light-Processing-Verfahren (DLP), ein Thermotransfersinterverfahren (TTS) und/oder ein Digital-Light-Synthesis-Verfahren (DLS).
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Vorteilhaft wird das Bauteil in dem Medium in einem Korb und/oder durch eine Schnur fixiert.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Medium eine viskose Flüssigkeit. Das viskose Medium dient als Trägermedium für die abrasiven Partikel, um schwer zugängliche Oberflächenbereiche oder -strukturen zu erreichen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung weisen die abrasiven Partikel eine Größe zwischen 1 µm und 1 mm auf. Somit sind die abrasiven Partikel als feine filigrane Partikel ausgebildet, so dass nur geringe Mengen an Oberflächenpartikel von dem Bauteil abgetragen werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird das Medium während dem Einleiten der Ultraschallwellen in das Medium zusätzlich durchmischt. Eine gleichzeitige Durchmischung erzeugt ebenfalls eine Schleifwirkung durch die abrasiven Partikel in Kombination mit der durch die Ultraschallwellen hervorgerufenen Kavitation. Darüber hinaus sorgt die Durchmischung für einen Abtransport von abgeschliffenen Oberflächenpartikeln. Vorteilhaft erfolgt die Durchmischung mittels einer Durchmischeinrichtung. Vorteilhaft weist die Durchmischeinrichtung ein angetriebenes Schaufelrad auf, welches für eine Durchmischung und einen Abtransport der abgeschliffenen Oberflächenpartikel sorgt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird das Medium gefiltert, um abgetragene Oberflächenpartikel von einer Bauteiloberfläche aus dem Medium herauszufiltern. Dadurch kann das Medium frei von Verschmutzungen gehalten werden. Vorteilhaft erfolgt das Herausfiltern mittels einer Pumpe, die das Medium durch einen Abscheider fördert, der die abgetragenen Oberflächenpartikel filtert.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Bauteil aus Metall, Kunststoff oder Keramik. Ein Bauteil aus Metall, Kunststoff oder Keramik kann mittels eines addtiven Fertigungsverfahrens hergestellt werden. Vorteilhaft ist das Metall Aluminium. Weiterhin vorteilhaft ist der Kunststoff ein faserverstärkter Kunststoff, wie beispielsweise Polyamid 11 (PA 11) oder Polyamid 12 (PA 12).
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Oberflächenbearbeitung wenigstens eines additiv hergestellten Bauteils vorgeschlagen. Die Vorrichtung weist ein Behältnis zur Aufnahme eines Mediums mit abrasiven Partikeln und des Bauteils und eine Schwingvorrichtung zum Erzeugen und Einleiten von Ultraschallwellen in das Medium auf, um Kavitation an dem Bauteil zu erzeugen.
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Vorteilhaft ist das Medium ein viskoses Medium. Das viskose Medium dient als Trägermedium für die abrasiven Partikel.
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Vorteilhaft ist die Größe des Behältnisses skalierbar, was eine wirtschaftliche Oberflächenbearbeitung für komplexe Bauteile darstellt. Vorteilhaft ist das Behältnis ein Becken.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Vorrichtung wenigstens eine Filtervorrichtung, die abgetragene Oberflächenpartikel aus dem Medium filtert, auf. Dadurch kann das Medium frei von Verschmutzungen gehalten werden. Vorteilhaft weist die Filtervorrichtung eine Pumpe und einen Abscheider auf, wobei die Pumpe das Medium durch den Abscheider fördert, der die abgetragenen Oberflächenpartikel aus dem Medium filtert.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Vorrichtung eine Durchmischeinrichtung zum Durchmischen des Mediums und/oder Abtransport der abgetragenen Oberflächenpartikeln auf. Eine gleichzeitige Durchmischung erzeugt ebenfalls eine Schleifwirkung durch die abrasiven Partikel in Kombination mit der durch die Ultraschallwellen hervorgerufenen Kavitation. Darüber hinaus sorgt die Durchmischeinrichtung für einen Abtransport von abgeschliffenen Oberflächenpartikeln. Vorteilhaft weist die Durchmischeinrichtung ein angetriebenes Schaufelrad auf, welches für eine Durchmischung und einen Abtransport der abgeschliffenen Oberflächenpartikel sorgt. Eine Schaufelgeomterie des Schaufelrades ist derart angepasst, dass eine vorteilhafte Durchmischung und ein Abtransport der abgeschliffenen Oberflächenpartikel erzielt werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Schwingvorrichtung wenigstens einen Plattenschwinger und/oder wenigstens einen Tauchschwinger auf. Mittels eines Plattenschwingers und/oder Tauchschwingers lassen sich Ultraschallwellen erzeugen und in das Medium einleiten. Ein Plattenschwinger ist in einer Wand des Behältnisses angeordnet, wohingegen ein Tauschwinger in das Medium eingetaucht ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Bauteil für ein Fahrzeug vorgeschlagen, wobei wenigstens eine Oberfläche des Bauteils mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bearbeitet ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Fahrzeug mit wenigstens einem Bauteil vorgeschlagen, wobei wenigstens eine Oberfläche des Bauteils mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bearbeitet ist.
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Nachfolgend werden ein Fahrzeug, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Oberflächenbearbeitung sowie weitere Merkmale und Vorteile anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben, das in den Figuren schematisch dargestellt ist. Hierbei zeigt:
- 1 ein Fahrzeug; und
- 2 eine Vorrichtung zur Oberflächenbearbeitung eines Bauteils.
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In 1 ist ein Fahrzeug 10 gezeigt, das das in 2 dargestellte Bauteil 12 aufweist. Das Fahrzeug 10 kann ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und/oder einer als Elektromotor ausgebildeten Antriebsmaschine sein.
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Das Bauteil 12 ist aus Metall, insbesondere Aluminium, Kunststoff, insbesondere faserverstärktem Kunststoff, oder Keramik und mittels eines additiven Fertigungsverfahrens hergestellt. Das Bauteil 12 kann ein Interieurteil oder ein Exterieurteil für das Fahrzeug 10 sein.
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Zur Nachbearbeitung einer Oberfläche 14 des Bauteils 12 wird die Oberfläche 14 mittels der in 2 dargestellten Vorrichtung 16 geschliffen. Die Vorrichtung 16 weist ein Behältnis 18 mit einem Medium 20, eine Schwingvorrichtung 22, wenigstens eine Durchmischeinrichtung 24 und wenigstens eine Filtervorrichtung 26 auf.
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Das Behältnis 18 ist ein Becken 28, in das das Medium 20 eingefüllt ist. Die Größe des Beckens 28 ist skalierbar, was eine wirtschaftliche Oberflächennachbearbeitung der Bauteile 12 darstellt.
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Das Medium 20 ist eine viskose Flüssigkeit, die abrasive Partikel 30 aufweist. Die abrasiven Partikel 30 weisen eine Größe zwischen 1 µm und 1 mm auf.
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Die Schwingvorrichtung 22 erzeugt Ultraschallwellen 32 und leitet diese in das Medium 20 ein. Vorliegend weist die Schwingvorrichtung 22 wenigstens ein Plattenschwinger 34, der im Bereich eines Bodens 36 des Beckens 28 angeordnet ist, auf. Alternativ oder zusätzlich kann die Schwingvorrichtung 22 einen Tauchschwinger aufweisen, der in das Medium 20 eintaucht.
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Die Durchmischeinrichtung 24 mischt das Medium 20 durch und transportiert abgetragene Oberflächenpartikel ab. Die Durchmischeinrichtung 24 weist ein über eine nicht dargestellte Antriebseinrichtung, wie beispielsweise einen Elektromotor, angetriebenes Schaufelrad 38 auf, welches für eine Durchmischung und einen Abtransport der abgeschliffenen Oberflächenpartikel sorgt.
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Die Filtervorrichtung 26 filtert die abgeschliffenen Oberflächenpartikel aus dem Medium 20. Die Filtervorrichtung 26 weist eine nicht dargestellte Pumpe und einen nicht dargestellten Abscheider auf. Die Pumpe fördert das Medium 22 durch den Abscheider, der die abgeschliffenen Oberflächenpartikel filtert.
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Im Folgenden wird ein Verfahren zur Oberflächenbearbeitung des Bauteils 12 mittels der Vorrichtung 16 erläutert. Bei dem Verfahren wird das Bauteil12 in das Medium 20 eingetaucht. Das Bauteil 12 kann dabei entweder in einem nicht dargestellten Korb und/oder durch eine nicht dargestellte Schnur in dem Medium 22 fixiert werden.
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Anschließend werden mittels der Schwingvorrichtung 22 Ultraschallwellen 32 erzeugt und in das Medium 20 eingeleitet. Dadurch entstehen am Bauteil 12 Bereiche mit höherem Druck und niedrigerem Druck, die zu Dampfblasen in dem Medium 20 führen, welche schlagartig in sich zusammenfallen. Der vorher benötigte Raum wird dadurch schlagartig kleiner, das Medium 20 muss diesen Raum wieder ausfüllen und strömt implosionsartig in diesen Raum, wodurch im Medium 20 starke - wenn auch kurzzeitige - Druckstöße entstehen. Infolgedessen entstehen Druckwellen mit hohen Druckspitzen. Dieser Effekt wird als Kavitation bezeichnet. Befinden sich die Dampfblasen in der Nähe oder direkt an einer Oberfläche 14 des Bauteils 12, so entsteht bei der Implosion ein Flüssigkeitsstrahl, der die abrasiven Partikel 30 umfasst, und der mit hoher Geschwindigkeit auf die Oberfläche 12 trifft. Dadurch wird die Oberfläche 14 des Bauteils 12 abgeschliffen. Zudem sorgt der Flüssigkeitsstrahl für einen Abtransport von abgeschliffenen Oberflächenpartikeln sorgt. Die viskose Flüssigkeit und die darin enthaltenen abrasiven Partikel 30 sind so in der Lage alle Bereiche der Oberfläche 14 des Bauteils 12 zu erreichen.
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Gleichzeitig sorgt das Schaufelrad 36 für eine Durchmischung des Mediums 20, was ebenfalls eine Schleifwirkung durch die abrasiven Partikel 30 in Kombination mit der Kavitation erzeugt. Zudem transportiert das Schaufelrad 36 die abgeschliffenen Oberflächenpartikel ab.
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Um das Medium 20 frei von Verschmutzung zu halten, fördert die nicht dargestellte Pumpe der Filtervorrichtung 26 das Medium 20 durch den nicht dargestellten Abscheider der Filtervorrichtung 26, der die abgeschliffenen Oberflächenpartikel filtert.
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Die Stärke der Oberflächenbearbeitung, insbesondere des Schleifens der Oberfläche 14 wird durch die Viskosität des Mediums 20, eine Form der abrasiven Partikel 30, die Größe der abrasiven Partikel 30 und/oder der Anzahl der abrasiven Partikel 30, der Intensität des Ultraschalls und der Dauer bestimmt.
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Mittels der Vorrichtung 16 und dem Verfahren können komplexe Geometrien, wie beispielsweise Bohrungen oder kleine Radien, additiv hergestellter Bauteile 12 wirtschaftlich nachbearbeitet, insbesondere abgeschliffen werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Fahrzeug
- 12
- Bauteil
- 14
- Oberfläche
- 16
- Vorrichtung
- 18
- Behältnis
- 20
- Medium
- 22
- Schwingvorrichtung
- 24
- Durchmischeinrichtung
- 26
- Filtervorrichtung
- 28
- Becken
- 30
- abrasive Partikel
- 32
- Ultraschallwellen
- 34
- Plattenschwinger
- 36
- Boden
- 38
- Schaufelrad
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 3881959 A1 [0005]
- WO 2020064444 A1 [0006]
