DE19853814A1 - Verfahren zum Herstellen von Bauteilen durch Auftragstechnik - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Herstellen von Bauteilen, insbesondere von verlorenen Modellen, durch Auftragstechnik. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: Ablagern einer Schicht eines schüttfähigen Baumaterials aus Wachs in einem Bereich auf einer Bauunterlage; Auftragen eines weiteren Baumaterials aus Wachs in Form flüssiger Tröpfchen mittels eines verfahrbaren Dosiergeräts auf die Baumaterialschicht in einem ausgewählten Teilbereich des Bereichs, derart, dass in dem Teilbereich eine verfestigte Struktur aus dem Baumaterial und dem weiteren Baumaterial entsteht; Fertigen weiterer Schichten jeweils durch Wiederholen der vorangehend beschriebenen beiden Schritte, wobei eine weitere Schicht des Baumaterials jeweils auf der vorangehenden Schicht abgelagert und das weitere Baumaterial gegebenenfalls in einem anderen Teilbereich als bei der vorangehenden Schicht aufgetragen wird; und Trennen der verfestigten Struktur von nicht verfestigten Anteilen des Baumaterials.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Bauteilen, insbesondere von verlorenen Modellen für Gusstechniken durch Auftragstechnik.

Ein herkömmliches Herstellungsverfahren für verlorene Modelle, zum Beispiel für den Feinguss oder den Gipsguss, besteht darin, Wachs in eine Negativ-Form zu giessen. Das dadurch erhaltene Wachsmodell wird dann mit Keramikschlicker überzogen und gebrannt. Während des Brennens der Keramik wird das Wachsmodell aus der Form geschmolzen. Weil das Modell dabei zerstört wird, wird es als verlorenes Modell bezeichnet. Die Negativ-Form wird entweder direkt mit herkömmlichen Verfahren wie NC-Fräsen oder NC-Drehen oder durch Abguss von einem herkömmlich gefertigten Urmodell erstellt. Der erforderliche zeitliche Aufwand und die entstehenden Kosten sind sehr hoch, was insbesondere ins Gewicht fällt, wenn nur geringe Stückzahlen oder ein Prototyp erstellt werden sollen.

Um verlorene Modelle schneller und günstiger herzustellen, wurden Verfahren der schichtweisen Auftragstechnik, sogenannte Rapid-Prototyping Verfahren entwickelt. Jede Schicht wird selektiv gefertigt, d. h. nur in ausgewählten Bereichen der zu bebauenden Fläche wird verfestigtes Material hergestellt. Durch den schichtenweisen Aufbau des zu erstellenden Gegenstandes ist es möglich, mit Hohlräumen und Hinterschneidungen versehene komplexe Gebilde herzustellen.

Unter den Rapid-Prototyping Verfahren lassen sich zwei Gruppen von Verfahren der Auftragstechnik unterscheiden, solche, bei denen Material von vorneherein selektiv aufgetragen (selektives Auftragen) und gebunden wird, und solche, bei denen vollflächig aufgetragenes Material selektiv gebunden wird (selektive Bindung).

Ein Verfahren des selektiven Auftragens, also der ersten Gruppe von Rapid-Prototyping Verfahren ist aus WO 95/05943 bekannt.

Mittels eines Drop-on-Demand Druckkopfes wird ein Baumaterial selektiv aufgetragen. Die übrigen Bereiche werden ebenfalls mittels eines Drop-on-Demand Druckkopfes mit Wachs als Stützmaterial aufgefüllt. Dieser Vorgang wird schichtweise wiederholt, bis das Bauteil fertiggestellt ist.

Wachs lässt sich wie die meisten anderen Fluide allerdings mittels Drop-on-Demand-Druckköpfen wegen der materialbedingten Oberflächenspannungswerte nur in extrem kleinen Tröpfchengrössen verspritzen. Die Fertigung von grösseren Modellen kann daher Tage andauern, selbst wenn zahlreiche Dosierköpfe gleichzeitig verwendet werden. Verfahren des selektiven Auftragens sind daher zur Herstellung von verlorenen Modellen zu unökonomisch.

Ein Verfahren des selektiven Bindens, also der zweiten Gruppe, ist z. B. das Selektive-Laser-Sinter-Verfahren (SLS) beschrieben in WO 88/02677. Bei dem SLS-Verfahren wird ein Sintermaterial in einer Schicht aufgetragen und unter Einbringen von Energie mit einem schwenkbaren Laserstrahl selektiv angeschmolzen und dadurch gebunden. Dieser Vorgang wird schichtenweise wiederholt, um ein räumliches Bauteil auszubilden.

Grundsätzliche Nachteile des SLS-Verfahrens sind die aufwendige Maschinerie mit Laserscantechnik und die durch die eingeschränkte Schwenkbarkeit des Lasers hervorgerufene Begrenzung der maximal zu erstellenden Bauteilgrösse.

Darüber hinaus ist die Handhabung von solchen Materialien problematisch, die sich für verlorene Modelle eignen, weil sie bei geringer Energiezufuhr schmelzen. Zum Beispiel wird als Sintermaterial ein Kunststoff-Partikelmaterial, vorzugsweise Polystyrol verwendet. Die Modelle aus Polystyrol bzw. aus anderen Kunststoffen werden dann mit Keramik umschlickert. Die Keramik wird dann einer Temperbehandlung unterzogen. Dabei brennt Polystyrol jedoch nicht rückstandsfrei aus, sondern es verbleibt ein kleiner Anteil von Restasche in der Gussform. Die Ablagerung der Restasche führt einmal dazu, dass die Geometrie der Gussform verändert wird, so dass es zu einer schlechten Form- und Oberflächengenauigkeit bei dem erzeugten Gussteil kommt. Darüber hinaus kommt es unter Einwirkung der Restasche zu einer Gefügeveränderung des Gussmaterials. Schwächung und Verunreinigung des Gussteils sind die Folge.

Zum anderen ergeben sich bereits während der Herstellung von Kunststoffmodellen mittels SLS-Verfahren schlechte Fertigungsgenauigkeiten. Da der Kunststoff bereits bei sehr geringem spezifischen Energieeintrag anschmilzt, lässt sich nur schwer kontrollieren, dass die Laserenergie vollständig, aber ausschliesslich das im selektierten Bereich liegende Sintermaterial bindet. Geringfügige Schwankungen der Schüttdichte des Sintermaterials führen dazu, dass zu viel oder zu wenig Energie absorbiert wird und infolgedessen weniger oder mehr Material als beabsichtigt gebunden wird. Oberflächen- und Massungenauigkeiten sind die Folge.

Um diesem Problem abzuhelfen, sind andere Strategien der selektiven Bindung entwickelt worden, bei denen auf Lasereintrag verzichtet werden kann. Ein alternatives Verfahren der selektiven Bindung ist aus der EP-0 431 924 B1 bekannt. Bei diesem Verfahren wird eine Schicht von Partikelmaterial abgelagert. Durch selektives Einbringen eines Bindermaterials wird die Partikelmaterialschicht in einem ausgewählten Bereich gebunden und mit der zuletzt vorher gefertigten Schicht verbunden. Dieser Vorgang wird eine ausgewählte Anzahl von Malen wiederholt. Schliesslich wird Partikelmaterial entfernt, das nicht durch Bindermaterial benetzt wurde, und das infolgedessen ungebunden ist. Das Bindermaterial kann mittels den aus der Drucktechnik bekannten Drop-on-Demand Druckköpfen kostengünstig aufgebracht werden.

Zum Herstellen von Kunststoffmodellen wird gemäss EP-0 431 924 B1 vorgeschlagen, als Partikelmaterial Kunststoff und als Bindermaterial ein Kunststofflösungsmittel zu verwenden. Bei der Herstellung von verlorenen Modellen ergibt sich dabei jedoch wiederum das Problem der Restasche und der damit verbundenen Fertigungsungenauigkeiten, wenn übliche Kunststoffe wie z. B. niedermolekulares Polyethylen verwendet werden.

EP-0 431 924 B1 lehrt nun, von dem Konzept des verlorenen Modells Abstand zu nehmen und mittels Auftragstechnik direkt die Giessform herzustellen. Als Partikelmaterial wird dafür beispielsweise Keramikpulver, als Bindermaterial eine kolloidale Suspension verwendet. Der Binder wird durch Zuführen von Strahlung oder durch schlichte chemische Reaktion zum Aushärten gebracht.

Auf diese Weise lassen sich z. B. für den Metallguss direkt verwendbare Giessformen herstellen, die eigentlich eine gute Oberflächengenauigkeit aufweisen. Probleme bereitet bei der Vorgehensweise gemäss EP-0 431 924 B1 allerdings die Reinigung der Kavitäten der Giessform von ungebundenem Partikelmaterial. Insbesondere die engen Zuführ- und Entlüftungskanäle für das zu giessende Material sind für Werkzeuge kaum zugänglich. Zudem lassen sich Giessparameter, die von der Arbeit mit herkömmlichen Quarzsand-Giessformen bekannt sind, nicht auf Giessformen aus Keramik-Formmaterial übertragen, so dass umfangreiche Studien hinsichtlich der Giessparameter erforderlich werden.

Ein weiteres Problem bei dem Verfahren gemäss EP-0 431 924 B1 wird durch das Bindermaterial hervorgerufen, das in erheblicher Menge aufgebracht werden muss, um zu gewährleisten, dass sowohl die benachbarten Partikel der zuletzt aufgebrachten Schicht von Partikelmaterial untereinander als auch die zuletzt aufgebrachte Schicht mit der vorher aufgetragenen Partikelmaterialschicht verbunden werden. Soll eine gute Aushärtung erreicht werden, muss das Bindermaterial zunächst einen hohen Anteil an der Masse des fertigen Bauteils ausmachen, was erhebliche Nachteile zur Folge hat. Wird das Bauteil für Giessereianwendungen als Form oder Kern verwendet, vergast das Bindermaterial während des Abgiessvorgangs beinahe vollständig. Es diffundiert zum Grossteil in das hartwerdende Gussmetall und bildet Einschlüsse, sogenannte Lunker, die das erstellte Bauteil oder Modell an dieser Stelle verunreinigen und dabei möglicherweise auch schwächen.

In der DE 197 23 892 wird deshalb vorgeschlagen, anstelle des Partikelmaterials ein Verbundmaterial und anstelle des Bindermaterials ein Moderiermittel zu verwenden, um Giessformen zu erstellen. Auf diese Weise lässt sich die Gefahr der Lunkerbildung reduzieren. Allerdings neigt das Moderiermittel dazu, sich von der Position, wo es aufgetragen wird, ausgehend unkontrolliert zu verteilen. Die Folge sind auch dabei Fertigungsungenauigkeiten.

Mit der Erfindung wird das Problem gelöst, ein zeitsparendes und kostengünstiges Rapid-Prototyping Verfahren zur Herstellung von Bauteilen zu schaffen, die, entweder als Giessmodell oder als Giessform bzw. Giesskern verwendet, geeignet sind, Gussteile mit im Vergleich zu den vorangehend beschriebenen Techniken verbesserten Oberflächengenauigkeiten zu fertigen.

Erfindungsgemäss wird das Problem gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen von Bauteilen, insbesondere von verlorenen Modellen, durch Auftragstechnik mit den Schritten:

• a) Ablagern einer Schicht eines schüttfähigen Baumaterials aus Wachs in einem Bereich auf einer Bauunterlage;
• b) Auftragen eines weiteren Baumaterials aus Wachs in Form flüssiger Tröpfchen mittels eines verfahrbaren Dosiergeräts auf die Baumaterialschicht in einem ausgewählten Teilbereich des Bereichs, derart dass in dem Teilbereich eine verfestigte Struktur aus dem Baumaterial und dem weiteren Baumaterial entsteht,
• c) Fertigen weiterer Schichten jeweils durch Wiederholen der Schritte a) und b), wobei eine weitere Schicht des Baumaterials jeweils auf der vorangehenden Schicht abgelagert und das weitere Baumaterial gegebenenfalls in einem anderen Teilbereich als bei der vorangehenden Schicht aufgetragen wird; und
• d) Trennen der verfestigten Struktur von nicht verfestigten Anteilen des Baumaterials.

Bevorzugt erfolgt dabei das Auftragen der Tröpfchen des weiteren Baumaterials mit einer geeigneten Materialtemperatur und Auftragsdichte derart, dass in dem ausgewählten Teil die Oberfläche des schüttfähigen Baumaterials infolge des Kontakts mit dem weiteren Baumaterial angeschmolzen wird. Das angeschmolzene Baumaterial und das aufgetragene weitere Baumaterial gerinnen dann infolge Energieabtransport zu einer verbundenen Struktur.

Dadurch, dass als Material Wachs verwendet wird, kann mit dem erfindungsgemässen Verfahren ein verlorenes Modell gefertigt werden, das bei den weiteren Arbeitsgängen rückstandsfrei verdampft bzw. verbrennt. Entweder wird um das Wachsmodell eine Quarzsandform herumgebaut und das verlorene Modell verdampft beim Giessvorgang oder das Wachsmodell wird mit Keramikschlicker überzogen und die Keramik wird einer Temperbehandlung unterzogen. Dann verdampft bzw. verbrennt das verlorene Wachsmodell während der Temperbehandlung.

Entscheidend ist, dass das Wachs dabei im Gegensatz zu anderen Kunststoffmaterialien rückstandsfrei beseitigt wird und es somit nicht infolge verbliebener Aschereste zu einer ungenauen Fertigung der Oberfläche und einer Gefügeveränderung des Gussteils kommt.

Dadurch dass Wachs verwendet wird, kann im Zuge des Rapid-Pro­ totyping Verfahrens das Giessmodell gefertigt werden anstatt der Giessform. Zwar besteht auch bei dem gefertigten Giessmodell das Problem, dass es teilweise schwierig ist, das verfestigte Bauteil vollständig von ungebundenem Material zu befreien. Jedoch liegen im Gegensatz zur gefertigten Giessform beim Giessmodell die für den späteren Giessvorgang wesentlichen Oberflächen aussen und sind frei zugänglich. Eine reinigende Nachbearbeitung des Modells ist daher einfacher möglich als bei einer Giessform. Es lassen sich sämtliche Rückstände ungebundenen Materials entfernen und eine exakte Fertigung der Gussoberfläche wird sichergestellt.

Dadurch, dass in dem erfindungsgemässen Verfahren die beiden alternativen Strategien des Rapid-Prototyping kombiniert werden, nämlich die Strategie selektiver Bindung und die Strategie selektiven Auftrags, wird es ermöglicht, auch ein niedrig schmelzendes Material mit hoher Fertigungsgenauigkeit zu handhaben, gleichzeitig aber auch eine hohe Fertigungsgeschwindigkeit zu erreichen. Die Verwendung des schüttfähigen Baumaterials garantiert nämlich die Vorteile der Sintertechnik, insbesondere den einer schnellen Baugeschwindigkeit. Die Verwendung des Auftragens eines zweiten Baumaterials zum Herbeiführen der Verfestigung sorgt dafür, die bei anderen Verfestigungstechniken, wie z. B. Laserenergieeintrag, in Verbindung mit einem Material wie Wachs auftretenden Fertigungsungenauigkeiten zu vermeiden. Die erreichbare Baugeschwindigkeit ist damit mindestens zehnmal so hoch wie etwa bei reiner Fertigung durch selektives Auftragen von Wachs, die erreichbare Fertigungsgenauigkeit ist dieselbe.

Erfindungsgemäss wird kein Bindermaterial im eigentlichen Sinne verwendet. Ein Bindermaterial im eigentlichen Sinn ist ein Material, das praktisch keinen Volumenzuwachs erbringt, sondern nur dazu dient, die das Volumen ausfüllenden Partikel zusammenzuhalten. Die Probleme, die in Verbindung mit typischen Bindermaterialien im eigentlichen Sinne üblicherweise auftreten, nämlich ein Verdampfen des Bindermaterials beim Giessen oder Tempern, das zur Lunkerbildung und zu Oberflächenungenauigkeiten führt, werden somit erfindungsgemäss vermieden.

Die Verwendung der kostengünstigen Wachsmaterialien und der mit wenig aufwendigem Gerät realisierbaren herkömmlichen Drucktechniken führt zur Realisierung eines kostengünstigen Rapid-Prototyping Verfahrens.

Als verfahrbares Dosiergerät kann erfindungsgemäss eine geeignete Vorrichtung dienen. Bevorzugt finden herkömmliche Tintendrucksysteme Verwendung, zum Beispiel Bubble-Jet Technik oder Continuous-Jet-Technik. Bevorzugt wird als verfahrbares Dosiergerät ein Drop-on-Demand Druckkopf verwendet.

Vorzugsweise findet ein Druckkopf mit Piezotechnik Verwendung. Weiter wird ein Druckkopf mit Piezopaddel-Technik bevorzugt. Unter Piezopaddel-Technik ist die Verwendung eines Piezobiegewandlers zu verstehen, der mit dem einen Ende befestigt ist und dessen anderem auskragenden Ende benachbart die Düsenöffnung angeordnet ist, durch die der Piezobiegewandler mittels einer Paddelbewegung Fluid ausstösst.

Erfindungsgemäss kann als das Baumaterial ein geeignetes Wachs oder eine geeignete Mischung aus Wachs und einem oder mehreren anderen Materialien verwendet werden. Als Wachs im Sinne dieser Anmeldung gilt auch Polyethylenglycol. Bevorzugt wird als das Baumaterial ein Mikrowachs verwendet. Besonders bevorzugt wird ein unter dem Handelsnamen Polycerit TL 51 oder ein unter dem Handelsnamen Polarwachs 30790 Mikropulver bekanntes Material verwendet.

Erfindungsgemäss kann als das weitere Baumaterial ein geeignetes Wachs oder eine geeignete Mischung aus Wachs und einem oder mehreren anderen Materialien verwendet werden. Als Wachs gilt wiederum auch Polyethylenglycol. Bevorzugt wird als das weitere Baumaterial ein Polyethylenwachs verwendet. Besonders bevorzugt wird als das weitere Baumaterial ein unter dem Handelsnamen Isodur RD 172 oder ein unter dem Handelsnamen Isodur RD 206 bekanntes Material verwendet.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird als das weitere Baumaterial das gleiche Material verwendet wie als das Baumaterial.

Erfindungsgemäss kann die Schicht von Baumaterial in einer Dicke abgelagert werden, die der Stärke eines einzigen Partikels entspricht oder die bis zu mehreren Zentimetern beträgt. Bevorzugt wird die Schicht von Baumaterial jedoch in einer Dicke zwischen 0,1 und 2 mm abgelagert. Durch die Wahl einer solchen Schichtdicke wird die erreichbare Aufbaugeschwindigkeit maximiert. Bei geringeren Schichtdicken erfordert das häufigere Durchführen des Auftragens des Baumaterials eine längere Bauzeit. Bei grösseren Schichtdicken führt der Auftrag des weiteren Baumaterials in Form flüssiger Tröpfchen nicht mehr zu einer Verfestigung der Schicht über die gesamte Schichtdicke. Das zugeführte weitere Baumaterial durchdringt die Schicht nicht mehr vollständig und die zugeführte Energie genügt nicht, um über die ganze Schichtdicke ein Anschmelzen des Baumaterials hervorzurufen. Der Auftrag von grösseren Tröpfchen des weiteren Baumaterials ist wegen der Oberflächenspannung von Wachs nicht möglich.

Grundsätzlich verkürzt sich bei grösseren Schichtdicken die Aufbauzeit. Gleichzeitig verschlechtert sich die Bauteilauflösung.

Bevorzugt wird die Schichtstärke abhängig von der Komplexität der zu erstellenden Schichten und/oder dem Ausmass der Veränderungen von Schicht zu Schicht variiert. Wenn z. B. die zu verfestigende Gestalt mehrerer aufeinanderfolgender Schichten identisch ist, wird durch Vergrössern der Schichtdicke ohne Einbussen in der Genauigkeit die Aufbauzeit vermindert.

Erfindungsgemäss kann das Verfahren zur Herstellung üblicher Bauteile verwendet werden, z. B. von Design- oder Konstruktionsmodellen. Bevorzugt wird das Verfahren zur Herstellung eines verlorenen Giessmodells verwendet.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt die einzige Figur das Prinzip einer Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens.

In dem linken Teil der Figur ist der Aufbau der bei der Durchführung des Verfahrens hergestellten Schichtenstruktur vor Entfernen der nicht verfestigten Anteile des Baumaterials dargestellt. In einem durch Wände eines Behälters abgegrenzten Bereich ist schichtenweise das schüttfähige Baumaterial abgelagert worden. Die einzelnen Schichten sind durch waagerechte zwischen den Schichten angeordnete Trennlinien dargestellt. In den schraffiert gezeichneten Teilbereichen der einzelnen Schichten ist tröpfchenweise Wachs als weiteres Baumaterial aufgetragen worden. Infolge des Kontaktes mit dem flüssigen Wachs des weiteren Baumaterials ist in den schraffierten Bereichen die Oberfläche des schüttfähigen Baumaterials angeschmolzen worden, das flüssige Wachs ist infolge von Energietransport erstarrt und das Baumaterial und das weitere Baumaterial haben sich zu einer verfestigten Struktur verbunden.

In dem rechten Teil der Figur ist die Gestalt des entstandenen Bauteils nach Entfernen der nicht verfestigten Anteile des Baumaterials dargestellt.

Claims (6)

1. Verfahren zum Herstellen von Bauteilen, insbesondere von verlorenen Modellen, durch Auftragstechnik mit den Schritten:

• a) Ablagern einer Schicht eines schüttfähigen Baumaterials aus Wachs in einem Bereich auf einer Bauunterlage;
• b) Auftragen eines weiteren Baumaterials aus Wachs in Form flüssiger Tröpfchen mittels eines verfahrbaren Dosiergeräts auf die Baumaterialschicht in einem ausgewählten Teilbereich des Bereichs, derart dass in dem Teilbereich eine verfestigte Struktur aus dem Baumaterial und dem weiteren Baumaterial entsteht,
• c) Fertigen weiterer Schichten jeweils durch Wiederholen der Schritte a) und b), wobei eine weitere Schicht des Baumaterials jeweils auf der vorangehenden Schicht abgelagert und das weitere Baumaterial gegebenenfalls in einem anderen Teilbereich als bei der vorangehenden Schicht aufgetragen wird; und
• d) Trennen der verfestigten Struktur von nicht verfestigten Anteilen des Baumaterials.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei als verfahrbares Dosiergerät ein Drop-on-Demand Druckkopf, vorzugsweise mit Piezotechnik, weiter vorzugsweise mit Piezopaddel-Technik, verwendet wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei als das Baumaterial ein Mikrowachs verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei als das weitere Baumaterial ein Polyethylenwachs verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Schicht von Baumaterial in einer Dicke von 0,1 bis 2 mm abgelagert wird.

6. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Herstellung eines verlorenen Giessmodells.