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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung wenigstens eines Bauteils mittels generativer Fertigung und ein Kraftfahrzeug, welches wenigstens ein gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Bauteil aufweist.
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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 kontinuierlich durch entsprechend automatisierte Transporteinrichtungen erfolgen soll.
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Die Ausrichtung eines Bauteils bei dessen generativen Herstellungsprozess kann aufgrund des schichtweisen Aufbaus des Bauteils Einfluss nehmen auf unterschiedliche Bauteil-Eigenschaften, wie zum Beispiel Festigkeiten entlang bestimmter Achsen. Unterschiedliche Ausrichtungen gleicher Bauteile führen demzufolge zumindest in den Festigkeitseigenschaften zu unterschiedlichen Bauteilen.
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Entsprechend ist ein erhöhter Aufwand hinsichtlich der Qualitätsprüfung dieser unterschiedlichen Bauteile nötig, um eine Serienfertigung mit gewünschten Eigenschaften der Bauteile zu gewährleisten.
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Es sind unterschiedliche Ansätze zur generativen Herstellung von Bauteilen bekannt, die es ermöglichen, aufgrund spezieller Ausrichtungen oder auch Bewegungen des Bauteils und/oder eines Druckkopfes auf die Bauteileigenschaften Einfluss zu nehmen.
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Die
US 2016 067 740 A1 offenbart ein Verfahren zum Drucken eines 3D-Objekts ohne die Notwendigkeit, eine Stützstruktur für überhängende oder freitragende Teile des 3D-Objekts zu drucken. Der 3D-Drucker umfasst einen Neigungseinstellmechanismus, der die Bauplatte um mindestens eine Achse neigt, um die obere Oberfläche und das 3D-Objekt während des Extrudierens des Druckmaterials relativ zu der Düse auszurichten. Das Neigen kann so durchgeführt werden, dass ein zuvor extrudierter Abschnitt des Druckmaterials vertikal mit der Düse ausgerichtet ist, um das extrudierte Druckmaterial aufzunehmen, um ein überhängendes Element des 3D-Objekts zu bilden.
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Der
US 2017 291 372 A1 sind ein dreidimensionales (3D) Druckverfahren, Vorrichtungen, Systeme und Software entnehmbar, die das Drehen eines teilweise geformten 3D-Objekts während der Bildung eines angeforderten 3D-Objekts umfassen. Das angeforderte 3D-Objekt kann einen Hohlraum, einen Einbruch oder einen Vorsprung umfassen. Die Drehung kann entlang einer anderen Achse als einer vertikalen Achse erfolgen. Ein Modell des gewünschten 3D-Objekts kann gemäß einer spezifischen Orientierung ausgerichtet werden. Das Ausrichten kann ein Ausrichten bezüglich der horizontalen Ebene und/oder der vertikalen Ebene sein. Die Ausrichtung kann in Bezug auf eine Ebene erfolgen, die parallel zur Plattform verläuft und/oder senkrecht zum Gravitationsvektor.
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Die
US 2019 248 064 A1 lehrt verschiedene Verfahren zur additiven Fertigung (3D-Druck) von komplexen Strukturen aus Oberflächen, von denen zumindest einige orthogonal zueinander sind. Dabei werden auch Bauorientierungen genannt, die verwendet werden, um solche komplexen Metallstrukturen mit einer Baukammer eines Druckers für die additive Fertigung herzustellen. Die neuartigen Aufbauorientierungen ermöglichen die Herstellung von Komponenten mit einem Minimum an Stützstruktur.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung wenigstens eines Bauteils mittels generativer Fertigung zur Verfügung zu stellen, welches es in einfacher und kostengünstiger Weise ermöglicht, Bauteile mit gleichen Eigenschaften herzustellen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung wenigstens eines Bauteils mittels generativer Fertigung nach Anspruch 1. Vorteilhafte Ausführungsformen dieses Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2-13 angegeben.
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Ergänzend wird ein Kraftfahrzeug zur Verfügung gestellt, welches wenigstens ein gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Bauteil aufweist.
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Ein erster Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung wenigstens eines Bauteils mittels generativer Fertigung, bei dem mittels numerischer Simulation ein virtuelles Modell wenigstens eines Bauteils erstellt wird, im virtuellen Modell wenigstens eine virtuelle Referenzebene definiert wird und das virtuelle Modell in Bezug zu einer virtuellen Bezugsebene einer Fertigungseinrichtung zur Durchführung eines generativen Fertigungsverfahrens derart ausgerichtet wird, dass die virtuelle Referenzebene Ebenen-parallel zu der virtuellen Bezugsebene ist. Weiterhin wird ein Transfer von digitalen Daten des virtuellen Modells zu der Fertigungseinrichtung durchgeführt, und es wird wenigstens ein reales Bauteil gemäß dem virtuellen Modell und seiner Ausrichtung zur virtuellen Bezugsebene mittels generativer Fertigung in Bezug zu einer realen Bezugsebene der Fertigungseinrichtung gefertigt.
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In der Fertigung wird demzufolge das reale Bauteil gemäß seinem virtuellen Modell und seiner virtuellen Ausrichtung gefertigt, wobei die Anordnung der realen Referenzebene in Bezug zur realen Bezugsebene gleich der Anordnung der virtuellen Referenzebene in Bezug zur virtuellen Bezugsebene ist. Insofern das Bauteil selbst die Referenzebene aufweist, verläuft bei der Fertigung eine der virtuellen Referenzebene entsprechende reale Referenzebene des herzustellenden Bauteils Ebenen-parallel zu einer der virtuellen Bezugsebene entsprechenden realen Bezugsebene. Das heißt, dass die jeweiligen Referenzebenen und Bezugsebenen Parallelebenen sind. Unter einem Bauteil können hier auch ein Halbzeug oder ein Grünling eines fertigen Endprodukts verstanden werden. Das virtuelle Modell des Bauteils ist beispielsweise ein digitales Modell.
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Die generative Fertigung kann beispielsweise ein 3D-Druckverfahren sein, so dass entsprechend die Einrichtung zur Durchführung eines generativen Fertigungsverfahrens eine Druckeinrichtung ist. Entsprechend ist bei einem Drucken des Bauteils vorgesehen, dass vor dem Drucken das virtuelle Modell des Bauteils in einem virtuellen Druckraum positioniert und derart ausgerichtet wird, dass die virtuelle Referenzebene Ebenen-parallel zu einer virtuellen Bezugsebene der virtuellen Druckeinrichtung angeordnet ist. Gemäß dieser Ausrichtung wird dann auch der Druckvorgang ausgeführt, so dass, insofern der Körper des Bauteils eine Ebene aufweist, die der Referenzebene entspricht, auch die reale Referenzebene parallel zu einer realen Bezugsebene der Druckeinrichtung verläuft.
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Die virtuelle Referenzebene kann durch eine Fläche im oder virtuellen Modell definiert sein. In alternativer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die virtuelle Referenzebene durch drei Anlagepunkte definiert ist, die sich in einer Ebene befinden.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die virtuelle Referenzebene Bestandteil eines virtuellen Referenzelements des Körpers des virtuellen Modells des Bauteils ist, welches einem anderweitig funktionalen Bestandteil des generativ hergestellten realen Bauteils entspricht.
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Ein derartiger anderweitig funktionaler Bestandteil des realen Bauteils ist ein Bestandteil, der neben der Funktion der Ausbildung der Referenzebene noch eine weitere Funktion aufweist, wie z. B. eine Festigkeitsfunktion, eine Kraftausübungsfunktion, eine Blockadefunktion oder Ähnliches. Entsprechend kann das Referenzelement ein Körperelement wie z.B. ein Absatz oder ein Vorsprung oder eine Aussparung sein.
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Die virtuelle Referenzebene kann eine virtuelle Markierung aufweisen, die sie als virtuelle Referenzebene ausweist. Diese virtuelle Markierung kann eine optisch erkennbare Markierung sein, wie z.B. eine bestimmte Farbe, ein Muster oder auch ein zusätzliches Formelement.
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Eine alternative Ausführungsform sieht vor, dass die virtuelle Referenzebene Bestandteil eines zusätzlichen virtuellen Referenzelements des Körpers des virtuellen Modells des Bauteils ist, welches lediglich die Funktion der Ausbildung der virtuellen Referenzebene hat. Beispielsweise ist die Referenzebene an einem zusätzlichen Körperelement bzw. Referenzelement des Körpers des virtuellen Modells ausgebildet, welches lediglich die Funktion der Ausbildung der Referenzebene hat.
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Das Verfahren zur Herstellung wenigstens eines Bauteils mittels generativer Fertigung kann derart ausgeführt werden, dass das zusätzliche Referenzelement nicht oder nicht vollständig im generativen Fertigungsverfahren erzeugt wird.
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Entsprechend ist hier vorgesehen, dass zwar das virtuelle Modell des Bauteils ein Referenzelement wie z.B. ein Körperelement mit der Referenzebene aufweist, anhand derer das virtuelle Modell im virtuellen Fertigungsraum ausgerichtet wird und demzufolge auch die Ausrichtung des herzustellenden Bauteils im realen Fertigungsraum erfolgt, dass jedoch das Bauteil in der generativen Fertigung nicht mit diesem Referenzelement und demzufolge auch nicht mit der Referenzfläche gefertigt wird.
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Das Referenzelement kann ein integraler Bestandteil des Körpers des virtuellen Modells des Bauteils sein, oder ein vom Körper des virtuellen Modells des Bauteils separierter Bestandteil des virtuellen Modells sein.
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Im letztgenannten Fall umfasst das virtuelle Modell zwei Einheiten, nämlich ein virtuelles Modell des Körpers des herzustellenden Bauteils, sowie ein im virtuellen Raum separates Referenzelement, welches wenigstens eine Referenzebene ausbildet. Die Ausrichtung des virtuellen Modells des Körpers zum separaten Referenzelement, welches die virtuelle Referenzebene ausbildet, ist dabei fest definiert.
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Die reale Bezugsebene kann eine von der Oberfläche eines Druckbetts einer als Einrichtung zur Durchführung eines generativen Fertigungsverfahrens ausgebildeten Druckeinrichtung ausgebildete Ebene sein.
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Des Weiteren kann beim generativen Herstellungsverfahren ein schichtweiser Aufbau des Bauteils in mehreren Ebenen erfolgen, wobei das virtuelle Modell derart ausgerichtet wird, dass die virtuelle Referenzebene in einem definierten Winkel zu den Ebenen des schichtweisen Aufbaus ausgerichtet ist. Entsprechend verläuft der schichtweise Aufbau des Bauteils in Ebenen, die in einem definierten Winkel zur virtuellen und demzufolge auch realen Referenzebene ausgerichtet sind.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die virtuelle Referenzebene parallel zu den Ebenen des schichtweisen Aufbaus ausgerichtet ist, bzw. dass entsprechend der schichtweise Aufbau des Bauteils in Ebenen verläuft, die parallel zur virtuellen Referenzebene ausgerichtet sind. Derart kann in vorteilhafter Weise Einfluss auf Festigkeitseigenschaften des Bauteils genommen werden.
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Weiterhin kann das virtuelle Modell mehrere Körper von Bauteilen aufweisen. Auch dieses virtuelle Modell definiert eine virtuelle Referenzebene, anhand derer das virtuelle Modell in Bezug zur virtuellen Bezugsebene und somit auch zur realen Bezugsebene ausgerichtet wird und das Bauteil entsprechend gefertigt wird. Das ermöglicht eine platzsparende Positionierung insbesondere mehrerer Bauteile im Druckraum in erfindungsgemäßer Ausrichtung und daher eine effiziente Druck-Fertigung, da damit eine optimale Ausnutzung des Druckraums erfolgen kann.
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In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass im virtuellen Modell mehrere, winklig zueinander verlaufende virtuelle Referenzebenen definiert werden und das virtuelle Modell in Bezug zu mehreren virtuellen Bezugsebenen der Fertigungseinrichtung zur Durchführung des generativen Fertigungsverfahrens derart ausgerichtet wird, dass die virtuellen Referenzebenen Ebenen-parallel zu den virtuellen Bezugsebenen sind. Es erfolgt ein Transfer von digitalen Daten des virtuellen Modells zu der Fertigungseinrichtung, und wenigstens ein Bauteil wird gemäß dem virtuellen Modell und seiner Ausrichtung zu den virtuellen Bezugsebenen mittels generativer Fertigung in der Fertigungseinrichtung gefertigt.
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Den virtuellen Referenzebenen entsprechende reale Referenzebenen des herzustellenden Bauteils verlaufen Ebenen-parallel zu den den virtuellen Bezugsebenen entsprechenden realen Bezugsebenen.
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Dabei können im virtuellen Modell mehrere senkrecht zueinander verlaufende virtuelle Referenzebenen definiert sein, so dass beispielsweise als Referenzelement bzw. als Körperelement im virtuellen Modell ein Würfel vorhanden ist. In alternativer Ausgestaltung kann ein solches Körperelement aber auch ein anderes geometrisches Element wie z.B. eine Pyramide eingesetzt werden.
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Entsprechend dieser Ausrichtung wird dann wenigstens ein Bauteil gemäß dem virtuellen Modell mittels generativer Fertigung in der Fertigungseinrichtung gefertigt.
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Gegebenenfalls ist vorgesehen, dass drei zueinander senkrechte virtuelle Referenzebenen vorhanden sind, und entsprechend auch drei zueinander senkrechte virtuelle Bezugsebenen, wobei jede der virtuellen Referenzebenen eindeutig einer jeweiligen virtuellen Bezugsebene zugeordnet sein kann.
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Auch in dieser Ausführung ist es sinnvoll, Markierungen anzuordnen, um eine eindeutige Zuordnung der Referenzebenen zu den Bezugsebenen zu realisieren.
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In einer speziellen Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung wenigstens eines Bauteils mittels generativer Fertigung ist vorgesehen, dass das virtuelle Modell in Bezug zu der virtuellen Bezugsebene der Fertigungseinrichtung zur Durchführung eines generativen Fertigungsverfahrens derart ausgerichtet und positioniert wird, dass die virtuelle Referenzebene an der virtuellen Bezugsebene anliegt. Eine alternative Ausführungsform sieht vor, dass keine Anlage der virtuellen Referenzebene an der virtuellen Bezugsebene erfolgt, sondern eine parallele Beanstandung.
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Die Erfindung wird ergänzt durch ein Kraftfahrzeug, insbesondere einen Personenkraftwagen, welches wenigstens ein gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung wenigstens eines Bauteils mittels generativer Fertigung hergestelltes Bauteil aufweist.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand des in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert.
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Es zeigen
- 1: ein virtuelles Modell eines herzustellenden Bauteils in Seitenansicht;
- 2: einen Ausschnitt aus dem in 1 dargestellten virtuellen Modell, und
- 3: einen Teilbereich eines real hergestellten Bauteils in perspektivischer Ansicht.
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1 zeigt ein virtuelles Modell 10 eines herzustellenden Bauteils in einem virtuellen Raum 1. Dabei kann es sich zum Beispiel um das virtuelle Modell 10 eines in einem 3-D-Druck herzustellenden Kleiderhakens aus Kunststoff handeln.
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Am Körper des virtuellen Modells 10 ein virtuelles Referenzelement 20 als ein Körperelement ausgebildet, welches ein integraler Bestandteil des Modells des Körpers des Bauteils ist.
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Dieses virtuelle Referenzelement 20 bildet eine erste virtuelle Referenzebene 21 aus, in Form einer Fläche. In dieser Fläche bzw. in dieser ersten virtuellen Referenzebene 21 ist eine virtuelle Markierung 24 vorgesehen, hier in Form einer Buchstabenkombination YZ, die anzeigen soll, dass die erste virtuelle Referenzebene 21 parallel zu einer Y-Z- Ebene anzuordnen ist.
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Das virtuelle Referenzelement 20 weist des Weiteren noch eine zweite virtuelle Referenzebene 22 und eine dritte virtuelle Referenzebene 23 auf, wobei alle drei virtuellen Referenzebenen 21,22, 23 senkrecht zueinander angeordnet sind. Das virtuelle Referenzelement 20 ist demzufolge wie ein Bereich eines Würfels ausgeführt.
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2 zeigt in vergrößerter Ansicht das virtuelle Referenzelement 20 mit seinen drei Referenzebenen 21,22,23. Hier ist zudem ersichtlich, dass die erste virtuelle Referenzebene 21 parallel zu einer virtuellen Bezugsebene 25 ausgerichtet ist.
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Entsprechend wird im virtuellen Raum 1 dafür gesorgt, dass eine Ebenen-Parallelität zwischen der ersten virtuellen Referenzebene 21 und der virtuellen Bezugsebene 25 realisiert ist, sodass durch Übertragung der das virtuelle Modell 10 repräsentierenden Daten an eine Fertigungseinrichtung, wie zum Beispiel an eine 3-D-Druckeinrichtung das herzustellenden Bauteil mit einer entsprechenden Ausrichtung gefertigt werden kann, und somit Einfluss genommen werden kann auf Bauteil-Eigenschaften, wie zum Beispiel Festigkeiten entlang bestimmter Achsen.
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Einen entsprechenden Zustand zeigt 3, die in einem realen Fertigungsraum 40 ein reales Bauteil 50, welches dem virtuellen Modell entspricht, darstellt. Es ist hier ersichtlich, dass das virtuelle Referenzelement 20 auch in ein hinsichtlich der Geometrie gleich ausgeführtes reales Referenzelement 60 übertragen wurde.
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Entsprechend weist auch das reale Bauteil 50 eine erste reale Referenzebene 61 in Form einer Fläche auf, sowie diesbezüglich senkrecht verlaufend eine zweite reale Referenzebene 62 und eine dritte reale Referenzebene 63.
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Auch die in den 1 und 2 dargestellte virtuelle Markierung 24 ist in eine reale Markierung 64 übertragen worden.
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Wie die in 2 dargestellte erste virtuelle Referenzebene 21 parallel verläuft zur virtuellen Bezugsebene 25, so verläuft auch im realen Fertigungsraum 40 die erste reale Referenzebene 61 parallel zur realen Bezugsebene 65. Entsprechend ist eine Ausrichtung des realen Bauteils 50 im realen Fertigungsraum 40 gemäß dem virtuellen Modell und dessen Ausrichtung realisiert, sodass die Fertigung des realen Bauteils in gewünschter Weise, wie zum Beispiel parallel zu Aufbringung-Ebenen 3-D-Druckverfahren erfolgen kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Virtueller Raum
- 10
- Virtuelles Modell
- 20
- Virtuelles Referenzelement
- 21
- Erste virtuelle Referenzebene
- 22
- Zweite virtuelle Referenzebene
- 23
- Dritte virtuelle Referenzebene
- 24
- Virtuelle Markierung
- 25
- Virtuelle Bezugsebene
- 40
- Realer Fertigungsraum
- 50
- Reales Bauteil
- 60
- Reales Referenzelement
- 61
- Erste reale Referenzebene
- 62
- Zweite reale Referenzebene
- 63
- Dritte reale Referenzebene
- 64
- Reale Markierung
- 65
- Reale Bezugsebene
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2016067740 A1 [0007]
- US 2017291372 A1 [0008]
- US 2019248064 A1 [0009]
