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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung wenigstens eines Bauteiles mittels generativer Fertigung sowie ein Kraftfahrzeug umfassend zumindest ein mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestelltes Bauteil.
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Bei der Herstellung von Gegenständen oder Teilen von Gegenständen mittels generativer bzw. additiver Herstellungsverfahren wird der herzustellende Gegenstand schichtweise aus einem formlosen beziehungsweise pulverförmigen Material aufgebaut. In einer jeweiligen Schicht wird zwecks Verfestigung bereichsweise Bindemittel oder thermische Energie eingebracht. Danach wird das vorhandene pulverförmige Material, das nicht verfestigt wurde, entfernt.
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Um die Produktivität derartiger Verfahren zu erhöhen, stehen zunehmend kontinuierliche Prozesskonzepte im Mittelpunkt der technischen Entwicklung. Die herzustellenden Gegenstände sollen die vorgesehenen Produktionsschritte überwiegend automatisiert durchlaufen, wobei der jeweilige Transport zu den einzelnen Bearbeitungsstationen durch entsprechend automatisierte Transporteinrichtungen erfolgen soll.
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1 veranschaulicht eine schematische Draufsicht eines Bauteils 1, hergestellt mittels einer üblichen generativen Fertigung. Das Bauteil 1 kann mit einem Binder-Jetting-Verfahren hergestellt werden. Wie allgemein bekannt, kann bei einem Binder-Jetting-Verfahren ein Bindemittel auf das Pulverbett aufgetragen werden, um das Pulvermaterial, z. B. Metallpulver, Schicht für Schicht zu binden, so dass ein so genanntes „Grünteil“ entsteht. Die Grünteile haben jedoch eine hohe Porosität und weisen geringe Festigkeitseigenschaften auf. Um die mechanischen Eigenschaften der Grünteile zu verbessern, werden sie einer thermischen Behandlung unterzogen, zum Beispiel einem Sinterprozess in einer Sintervorrichtung, beziehungsweise einem Sinterofen. Während des Sinterprozesses kommt es zu einer Verringerung der Porosität und damit zu einer Schrumpfung des gedruckten Teils. Bei der Schrumpfung kann es aufgrund verschiedener Effekte wie Schwerkraft und Reibung zu unerwünschten Rissen 2 oder Verformungen 3, wie in 2 dargestellt, kommen. Um dies zu vermeiden, werden verschiedene Methoden wie geometrische Kompensation und Prozessmodifikationen eingesetzt. Diese Modifikationen sind jedoch zeitaufwendig und kostenintensiv.
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Die
US 2021/0078259 A1 offenbart Systeme und Verfahren zur Herstellung eines Objekts durch additive Fertigung. Ein Verfahren umfasst den Empfang eines digitalen Modells des Objekts, die Vorhersage einer Schrumpfungscharakteristik oder den Empfang einer vorhergesagten Schrumpfungscharakteristik des Objekts, die während der thermischen Verarbeitung des Objekts auftritt, sobald es geformt ist.
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Die
US 2019/0375009 A1 offenbart ein Verfahren für additive Herstellungsprozesse mit Materialien, die anschließend zu einem endgültigen Teil gesintert werden, wobei eine Grenzflächenschicht zwischen dem Objekt und dem Träger hergestellt wird, um das Verkleben zwischen benachbarten Oberflächen der Trägerstruktur und dem Objekt während des Sinterns zu verhindern.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung wenigstens eines Bauteiles mittels generativer Fertigung zur Verfügung zu stellen, mit dem die Herstellung von qualitativen Bauteilen in effizienter sowie kostengünstiger Weise ermöglicht wird.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Herstellung wenigstens eines Bauteils mittels generativer Fertigung gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens werden in den Unteransprüchen 2-9 aufgezeigt. Ergänzend wird ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Personenkraftwagen, umfassend zumindest ein mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestelltes Bauteil, zur Verfügung gestellt.
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Ein erster Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung wenigstens eines Bauteiles mittels generativer Fertigung, wobei dem Bauteil bei der generativen Fertigung eine Stützstruktur gegeben wird, die in ihrer Auflagefläche auf einer Unterlage in Bezug zum Querschnitt der mit der Stützstruktur abgestützten Struktur oder der Stützstruktur selbst in einem Abstand zur Unterlage einen verringerten Querschnitt aufweist.
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Die generative Fertigung kann eine pulverbettbasierte generative Fertigung sein, gemäß dem pulverförmiges Material zur Herstellung wenigstens eines Bauteils in einem Prozessraum einer Druckvorrichtung eingebracht wird und in dem Partikel des pulverförmigen Materials zwecks Herstellung des mindestens einen Bauteils bereichsweise verbunden werden können. Entsprechend kann das generative Herstellungsverfahren ein additives Herstellungsverfahren sein.
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Ein pulverförmiges Material im Sinne der Erfindung ist ein formloses Material, z. B. ein Pulver oder ein Schüttgut, das im Wesentlichen aus kleineren Partikeln besteht, wie zum Beispiel Metallpulver.
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Durch pulverbettbasierte generative Fertigung wird im Prozessraum durch Schichtaufbau mindestens ein Gegenstand aus dem pulverförmigen Material schichtweise hergestellt.
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Es können verschiedene generative Fertigungsverfahren wie etwa Stereolithografie, Laserstrahlschmelzen, Lasersintern, Elektronenstrahlschmelzen, Fused Layer Modelling und Digital Light Processing zum Einsatz kommen, die unterschiedliche pulverförmige Materialien verarbeiten und die somit auch für unterschiedliche Anwendungen geeignet sind.
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Zumindest auf die Oberfläche des pulverförmigen Materials kann ein Verfestigungsmittel aufgebracht werden, so dass bereichsweise die Verbindung von Partikeln des pulverförmigen Materials zwecks Herstellung von mindestens einem Bauteil verstärkt wird. Dabei ist nicht ausgeschlossen, dass das Verfestigungsmittel teilweise in das pulverförmige Material bzw. in den Grünling eindringt.
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Ein Verfestigungsmittel kann im Kontext pulverbettbasierter generativer Fertigung, insbesondere beim Binder-Jetting-Verfahren, auch als Binder bezeichnet werden. Es dient dazu, in dem Bereich, in dem es auf- oder eingetragen wird, die Partikeln des pulverförmigen Materials miteinander zu verbinden. Das Verfestigungsmittel wird bereichsweise auf die Oberfläche des pulverförmigen Materials aufgetragen, nämlich in den Bereichen, in denen ein Abschnitt oder eine Schicht des Gegenstands ausgebildet werden soll.
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Ferner wird mittels einer Materialverstärkungseinheit, die zum Beispiel als eine thermische Vorrichtung ausgebildet sein kann, bereichsweise thermische Energie in das ausgebrachte formlose Material bzw. in die Oberfläche des pulverförmigen Materials eingebracht. Mittels der thermischen Energie kann das pulverförmige Material bereichsweise aufgeschmolzen oder wenigstens angeschmolzen werden, sodass ein Abschnitt oder eine Schicht des herzustellenden Gegenstandes durch anschließende Erstarrung des zuvor aufgeschmolzenen Materials erzeugt wird.
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Erfindungsgemäß wird dem Bauteil bei der generativen Fertigung eine Stützstruktur gegeben, die in ihrer Auflagefläche auf einer Unterlage einen verringerten Querschnitt gegenüber dem Querschnitt der damit abgestützten Struktur oder der Stützstruktur selbst in einem Abstand von der Unterlage aufweist. Mit anderen Worten wird die Kontaktfläche zwischen der gedruckten Struktur oder der gedruckten Stützstruktur und der Oberfläche der Unterlage, z. B. der Oberfläche der Sintervorrichtung verringert. Durch die Verringerung des Querschnitts der Auflagefläche zwischen der gedruckten Struktur und der Unterlage werden die Klebe- oder Adhäsionserscheinungen während des Sinterns bei hohen Temperaturen, bei denen das Material der gedruckten Struktur fast vollständig viskoses Verhalten zeigt, minimiert. Zwar findet weiterhin ein Schrumpfungsprozess statt, aber die verringerte Auflagefläche bewirkt geringe Anhaft/-Reibkräfte auf der Unterlage.
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Die Auflagefläche ist kleiner als die Fläche des Querschnitts der mit der Stützstruktur abgestützten Struktur oder der Stützstruktur selbst in einem Abstand zur Unterlage. Das bedeutet, dass zumindest in einem Querschnitt, der im Wesentlichen parallel zur Auflagefläche bzw. zur Ebene der Unterlage verläuft, die mit der Stützstruktur abgestützte Struktur oder die Stützstruktur selbst eine größere Querschnittsfläche aufweist als die Auflagefläche. Gegebenenfalls kann die Auflagefläche geringer sein als alle Querschnittsflächen durch die die mit der Stützstruktur abgestützte Struktur oder durch die Stützstruktur selbst, die in Querschnitten verlaufen, die sich in einem Projektionsbereich der Auflagefläche auf die Ebene der Unterlage befinden.
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Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass nach dem generativen Verfahren ein Sinterprozess des Bauteils durchgeführt wird. Dies ist von Vorteil, da das Sintern auf alle Materialien angewendet werden kann, die sich thermoplastisch verhalten. Im Vergleich zur Stereolithographie eröffnen die Sinterprozesse damit eine Anwendung auf eine wesentlich breitere Auswahl an Materialien. Die entstehenden Bauteile sind mechanisch und thermisch belastbar. Je nach Material und Anwendung können sie als Funktionsmuster, oft sogar als Endprodukt eingesetzt werden. Der Sinterprozess ist daher sowohl für die direkte Herstellung von Werkzeugen und Werkzeugeinsätzen, als auch für die generative Herstellung von Endprodukten, einsetzbar.
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Durch die verringerte Auflagefläche wirken beim Sinterprozess verringerte Kräfte auf das Bauteil.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Auflagefläche als eine im Wesentlichen linienförmige Berührungsfläche realisiert wird. Die linienförmige Berührungsfläche kann in einer länglichen Form der Auflagefläche mit minimaler Breite realisiert werden. Die linienförmige Berührungsfläche ermöglicht eine Reduzierung der Klebe- und/ oder Haftkräfte auf der Berührungsfläche.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Längsrichtung der linienförmige Berührungsfläche entlang einer Richtung verläuft, in der eine Haupt-Schrumpfung des hergestellten Bauteils erfolgt bzw. zu erwarten ist.
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Gegebenenfalls kann dies die Haupterstreckungsrichtung der abgestützten Struktur sein.
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Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass die im Wesentlichen linienförmige Berührungsfläche Berührung durch einen in Richtung auf die Unterlage vorstehende Rippe realisiert wird. Die im Wesentlichen linienförmige Berührungsfläche kann auch durch eine Einbringung von Schlitzen realisiert werden, die einen zwischen den Schlitzen befindlichen Steg bzw. eine Rippe ausbilden. Dadurch ist es möglich, auf einfache Weise die Klebe- und Haftkräfte an der Berührungsfläche zu verringern.
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In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass die im Querschnitt verringerte Stützstruktur an einem Überhang-Bereich des herzustellenden Bauteils realisiert wird. Insbesondere bei einem Metall als Pulver nutzendem Verfahren wird mindestens eine Stützstruktur, vor allem in einem Überhang-Bereich des herzustellenden Teils, zur Abstützung des Überhangsbereichs und zur Aufnahme der thermisch induzierten mechanischen Spannungen eingesetzt. Die Stützstruktur kann mechanisch entfernt werden. Bei Bauteilen, die im Binder-Jetting-Verfahren hergestellt werden, sollten zusätzliche Stützstrukturen zur Abstützung der Überhang-Bereiche vorgesehen werden. Im Allgemeinen bieten Rippen oder Versteifungsstrukturen eine ausreichende Unterstützung für die Überhänge. Die Unterseiten der Auflageflächen der Strukturen kommen in Kontakt mit der Unterlage, zum Beispiel mit einer Unterlage der Sintervorrichtung. Durch die Verwendung einer Stützstruktur mit reduziertem Querschnitt in einem Überhang-Bereich des herzustellenden Bauteils wird eine Verringerung der Klebe- und Haftkräfte an der Berührungsfläche ermöglicht.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass nach der generativen Fertigung, gegebenenfalls nach einem Sinterprozess, die Stützstruktur entfernt wird. Die Stützstruktur kann mechanisch entfernt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Position und/oder geometrischen Maße der im Querschnitt verringerten Stützstruktur durch numerische Simulation bestimmt wird. Die numerische Simulation kann ausgeführt werden, um potenzielle Bereiche für die Verringerung der Berührungsfläche der Stützstrukturen zu lokalisieren bzw. zu definieren. Die numerische Simulation kann eine numerische Sintersimulation von Bauteilen sein. Mit Hilfe der numerischen Simulation kann eine Minimierung von Trial-and-Error-Versuchen zur Erreichung von Maßgenauigkeiten erreicht werden.
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Des Weiteren kann die Position und/oder können die geometrischen Maße der im Querschnitt verringerten Stützstruktur durch eine auf maschinellem Lernen basierende numerische Simulation bestimmt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass die numerische Simulation umfasst: Empfangen eines digitalen Modells des Bauteils, Vorhersage einer Schrumpfungscharakteristik oder Empfang einer bekannten Schrumpfungscharakteristik des Bauteils, die während eines Sinterprozesses des Bauteils auftreten wird, und Identifizierung mindestens einer potenziellen Auflagefläche der Stützstruktur des Bauteils, die mit der Unterlage in Kontakt ist, auf der Grundlage der Schrumpfungscharakteristik des Bauteils, und Erzeugen von geometrischen Maßen einer verringerten Auflagefläche. Das digitale Modell kann eine CAD-Datei des Bauteils sein, die für eine numerische Simulation des Sinterprozesses verwendet wird. Durch die numerische Simulation kann eine Vorhersage der Schrumpfungscharakteristik des Bauteils realisiert werden. Die Schrumpfungscharakteristik kann von der Materialeigenschaft des herzustellenden Bauteils und/oder den Betriebsbedingungen des Sinterprozesses abhängig sein. Ferner kann die Identifizierung der mindestens einer potenziellen Auflagefläche der Stützstruktur des Bauteils, die mit der Unterlage in Kontakt ist, derart durchgeführt werden, dass die Verringerung der Auflagefläche die Funktionalität des Bauteils nicht oder zumindest nicht negativ beeinflusst.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung ist ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Personenkraftwagen, umfassend zumindest ein mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestelltes Bauteil.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen erläutert.
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Es zeigen
- 1: Eine erste schematische Draufsicht eines Bauteils hergestellt mittels generativer Fertigung gemäß dem Stand der Technik;
- 2: Eine zweite schematische Draufsicht eines Bauteils hergestellt mittels generativer Fertigung gemäß dem Stand der Technik;
- 3: Eine schematische Unteransicht eines digitalen Modells eines Bauteils;
- 4: Eine schematische Unteransicht des digitalen Modells eines Bauteils aus 3;
- 5: Eine schematische Unteransicht des digitalen Modells eines Bauteils aus 4, wobei die Auflagefläche einer Stützstruktur als eine im Wesentlichen linienförmige Berührungsfläche realisiert ist;
- 6: Eine schematische Unteransicht des digitalen Modells eines Bauteils aus 4, wobei die Auflagefläche einer Stützstruktur als eine im Wesentlichen linienförmige Berührungsfläche durch eine in Richtung auf eine Unterlage vorstehende Rippe realisiert ist; und
- 7: Eine schematische Draufsicht eines Bauteils, wobei die Berührungsfläche durch eine Einbringung von Schlitzen realisiert ist.
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1 und 2 zeigen den Stand der Technik und wurden bereits eingangs erläutert.
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3 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein digitales Modell eines Bauteils 1. Das digitale Modell ist aus einer CAD-Datei des Bauteils 1 generiert, die für eine numerische Simulation eines Sinterprozesses verwendet wird. Das digitale Modell des Bauteils 1 ist auf einem digitalen Modell des Sinterofens 5 in einer digitalen Umgebung angeordnet, wobei die numerische Simulation des Sinterprozesses unter Verwendung des digitalen Modells des Bauteils 1 und des digitalen Modells des Sinterofens 5 unter Anwendung von aus den realen Experimenten oder Arbeitsbedingungen gewonnenen Randbedingungen durchgeführt wird.
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4 zeigt schematisch das digitale Modell des Bauteils 1 aus 3 in einer Ansicht von unten. Das Bauteil 1 weist eine Stützstruktur 9 auf. Die Stützstruktur 9 weist eine Randauflagefläche 6 und eine mittlere Auflagefläche 7 auf, die auf einer Unterlage 8 des Sinterofens 5 abgestützt sind. Es wird eine numerische Simulation des Sinterprozesses durchgeführt, wodurch eine Vorhersage einer Schrumpfungscharakteristik des Bauteils 1 ermittelt wird, die während eines Sinterprozesses des Bauteils 1 auftreten wird. Auf der Grundlage der Schrumpfungscharakteristik des Bauteils 1 wird dann eine Auflagefläche der Stützstruktur 9 des Bauteils 1 identifiziert, die in Kontakt mit der Unterlage 8 steht. Durch die numerische Simulation ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel die mittlere Auflagefläche 7 als potenzielle Auflagefläche des Bauteils 1 identifiziert. Bei oder nach Identifikation der mindestens einen potentiellen Auflagefläche der Stützstruktur 9 des Bauteils 1, welche in Kontakt mit dem Unterlage 8 ist, wird ermittelt, wie weit sich der Querschnitt der Stützstruktur verringern lässt, um an Haftungskräfte zu verringern und dabei die Funktionalität des Bauteils 1 nicht oder zumindest nicht negativ zu beeinträchtigen. Entsprechend erzeugt die numerische Simulation des Sinterprozesses geometrische Maße der reduzierten Auflagefläche, in diesem Fall der mittleren Auflagefläche 7. Wie in 5 dargestellt, ist die mittlere Auflagefläche 7 als eine im Wesentlichen lineare Berührungsfläche 10 realisiert. Wie in 6 dargestellt, ist die mittlere Auflagefläche 7 als im Wesentlichen lineare Berührungsfläche 10 durch eine vorstehende Rippe 11 realisiert.
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7 zeigt eine schematische Draufsicht auf das Bauteil 1, wobei die Berührungsfläche 10 durch eine verringerte Auflagefläche 12 realisiert ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bauteil
- 2
- Riss
- 3
- Verformung
- 5
- Sinterofen
- 6
- Randauflagefläche
- 7
- Mittlere Auflagefläche
- 8
- Unterlage
- 9
- Stützstruktur
- 10
- Berührungsfläche
- 11
- Rippe
- 12
- Verringerte Auflagefläche
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2021/0078259 A1 [0005]
- US 2019/0375009 A1 [0006]
