DE4135971A1 - Verfahren zur herstellung dreidimensionaler werkstuecke - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung 3-di­ mensionaler Werkstücke nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In DE-Z: Werkstoffberater, 1989, Heft 10, Seiten 66 bis 70 ist ein Laser-Lithographie-Verfahren beschrieben, bei dem Werkstücke unter einem UV-Laserstrahl durch schichtweises selektives Bestrahlen eines lichtaushärtenden Harzes herge­ stellt werden. Die Steuerung des Laserstrahls basiert dabei auf den Daten eines CAD Oberflächen- oder Volumenmodells. Diese CAD-Daten durchlaufen die sogenannte Slice-Software des Systemrechners, um die Querschnitte des wenige Zehntel Millimeter gestuften Höhenschichtmodells zu errechnen.

Unter dem Begriff Laser-Sintern besteht ein Verfahren, mit dessen Hilfe räumliche Werkstücke durch schichtweises Zusam­ menbacken von Pulvern hergestellt werden können (DE-Z: Fa­ brik 2000, 1991, Heft 3, Seiten 64 bis 66). Zur Verarbei­ tung gelangen Pulver aus Kunststoff oder kunststoffumman­ telte Keramikpulver. Auch bei diesem Verfahren generiert die System-Software der Maschine die Laserstrahlwege für die einzelnen Werkstückquerschnitte mit Hilfe eines her­ kömmlichen CAD Volumen- oder Oberflächenmodells.

Der Aufbau kompakter Blechpakete mittels Laserstrahl ge­ lingt mit dem sogenannten Stanz-Laser-Paketieren, beschrie­ ben in DE-Z: Maschinenmarkt (1991), 38 Seiten 28 bis 30. Hierbei werden gestanzte Bleche im Arbeitsraum der Stanz­ maschine mit der angebauten Lasereinrichtung Lage für Lage durch Punktschweißen miteinander verbunden, wodurch sich in der Höhe durchlaufende Nähte ergeben.

Es ist zwar möglich, beim Stanz-Laser-Paketieren beliebi­ ges stanzbares und laserschweißbares Flachmaterial zu ver­ arbeiten. Dieses Verfahren ist jedoch durch die vom Schnitt­ werkzeug vorgegebene gleichbleibende Werkstückform einge­ schränkt.

Das Stereo-Lithographie-Verfahren und das Laser-Sintern sind im Einsatz auf bestimmte Werkstoffe beschränkt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren element­ weisen Aufbaus und 3-dimensionale, beliebig geformte Werk­ stücke aus beliebigen laserbearbeitbaren Werkstoffen an­ wendbar zu gestalten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein schichtweiser Aufbau 3-dimensionaler Werkstücke aus Folien, Platten, Blechen oder sonstigem laserbearbeitbarem Flachma­ terial so erfolgt, daß eine jeweils aufgelegte oder aufge­ rollte Lage des Flachmaterials durch Lasertrennschnitte mit dem geltenden, konstruktiven Werkstückquerschnitt hinsicht­ lich Außen- und Innenkontur versehen, daraufhin mit der vor­ hergehend gefertigten Lage verschweißt wird und daß auf die­ se Weise Lage für Lage bis zum Erreichen der den extremen Oberflächenpunkt bildenden Lage gefertigt und verbunden wer­ den.

Die Arbeitsschritte können auch derart aufgeteilt sein, daß die aufgelegte Schicht zuerst mittels Durchschweißung mit der darunter liegenden verbunden wird und erst dann die Trennschnitte zur für die Innen- und Außenkonturen erfol­ gen.

Ein Durchschweißen ist insbesondere in Bereichen notwendig, in denen es zu Überlappungen derart kommt, daß der schicht­ obere Werkstückquerschnitt größer ist als der untere. In Bereichen größerer Wandstärken des späteren Werkstücks wird die obere Schicht ebenfalls mittels Durchschweißung mit der darunter liegenden verbunden. Dies kann durch Punktschweißen, linienförmiges oder gerastetes Durchschweißen geschehen. In Bereichen, die später z. B. spanend nachbearbeitet werden sol­ len, etwa für Lagersitzpassung o. ä., sind ebenso entsprechen­ de Durchschweißungen vorzusehen. Können Schweißbuckel dabei nicht vermieden werden, so werden sie in einem dritten Ar­ beitsgang durch Verdampfen des Materialüberstands eingeebnet.

Das Entformen des fertigen Werkstücks ist ohne Vorkehrungen möglich, wenn sich Ausformungsschrägen ergeben, also eine ge­ wisse Konizität gegeben ist. Im anderen Fall müssen Lage für Lage Hilfstrennschnitte vorgesehen werden, die ein Zerlegen und Entfernen des umgebenden oder umfaßten Materialabfalls ermöglichen. Die Entkernung von Hohlformen erfolgt ebenfalls lagenweise durch Hilfstrennschnitte, wobei die Schnittabfäl­ le durch Herausfallenlassen, Blasen oder Saugen etc. entfernt werden. Eine andere Methode ist das Verdampfen des überflüssi­ gen Materials der späteren Hohlformen unter dem Laserstrahl.

Um Folien und dünne Bleche straff und ohne störende Luftpol­ ster schichtweise übereinander zu legen, bietet sich das Auf­ rollen simultan zum Bearbeitungsfortschritt an. Bei diesem Verfahren, das mit Relativbewegung für den Laserstrahl pa­ rallel zur Zylinderachse auskommt, ist sogar ein kontinuier­ licher Arbeitsablauf möglich, da die Roll- oder Drehbewegung im Gegensatz zu der einzelnen Lagenaufbringung kontinuierlich erfolgt.

Bei flachliegendem Halbzeug ist die Einstellung eines Vakuums zur Vermeidung von Gaspolstern zwischen den Schichten vorteil­ haft. Ein gutes Ergebnis erzielt man, wenn die aufzulegende Schicht angesaugt wird. Dieses ist dadurch zu bewerkstelligen, daß bei Bedarf von der ersten Schicht an mittels Laserstrahl Hilfsbohrungen so eingebracht werden, daß diese schließlich sämtliche Lagen von unten nach oben durchlaufen und so ein Ansaugen der aufgelegten Schicht über die Unterlage erlau­ ben.

Durch Versetzen der Hilfsbohrungen in den einzelnen Schich­ ten können auch nicht senkrechte Bohrungen und Verzweigungen eingebracht werden. So können im Bedarfsfall auch Ansaugboh­ rungen durch das Werkstück laufen und später verschlossen werden.

Eine weitere Möglichkeit einer gut aufliegenden Schichtung ist der Einsatz von Folien, Platten oder Blechen mit einer klebenden Beschichtung oder die Herstellung der Klebeschicht oder sogar der eigentlichen Materialschicht direkt im Arbeits­ raum der Paketier-Maschine, wie z. B. durch Aufspritzen von ge­ schmolzenen Teilchen, wie durch das Metallspritzen. Wird eine innige Verbindung zwischen den Schichten erreicht, so erüb­ rigt sich in diesem Sonderfall sogar das Schweißen. Eine Vor­ kehrung gegen eine ungewollte Verbindung an Hinterschneidun­ gen kann dadurch getroffen werden, daß ein reaktionsfreudi­ ges Gas an den Brennpunkt des Laserstrahls herangeführt wird, das beispielsweise eine selektive oberflächliche Oxidation des Materials bewirkt.

Zur Materialeinsparung kann bei flachem Schichtaufbau derart von aufgerolltem Halbzeug gearbeitet werden, daß sich die ab­ zuspulende Materialrolle des Flachmaterials im Arbeitsraum der Laser-Paketier-Maschine befindet und die Bahnlänge Lage für Lage gemäß den Werkstückabmessungen eingeteilt wird, was durch Perforieren mittels Laserstrahl und anschließendem Ab­ knicken und/oder Trennen erfolgen kann. Zur besseren Mate­ rialausnutzung und zur Stückzeitverkürzung können beim La­ serpaketieren auch mehrere gleiche oder verschiedenartige Werkstücke gleichzeitig in einem Durchlauf bearbeitet wer­ den.

Auch bei dichtester Packung der Schichten ergibt sich bei höheren Werkstücken schon allein durch die toleranzbehaf­ teten Materialstärken eine vom theoretischen Aufbau unter­ schiedlich abweichende Höhenentwicklung. Es ist deshalb er­ forderlich, diese Abweichungen an mehreren Stellen maßlich zu erfassen und die folgenden Laserschnitte und -schweißun­ gen entsprechend dem aktuellen Meßergebnis ständig neu zu errechnen oder die bestehenden Meßwerte entsprechend zu kor­ rigieren. Im einfachsten Fall genügen Messungen durch mecha­ nisches Antasten; komfortabler sind Ultraschall- und Laser­ meßverfahren oder andere bekannte Meßverfahren mit digita­ ler Meßwerterfassung und Datenübertragung zum Rechner. Die Schnitt- und Schweißbahnen beim dargestellten Laser-Paketie­ ren können durch Schichtmodellbildung aus CAD Drahtmodellen, Oberflächen- oder Volumenmodellen gewonnen werden. Die Sy­ stem-Software trägt dazu bei, den technischen Ablauf von Schneiden und Schweißen, das Punktschweißen und gerasterte Durchschweißen, das Einebnen der Schweißbuckel, Hilfsschnit­ te zum Entformen und Entkernen von Hohlräumen, Hilfsbohrun­ gen zum Ansaugen der Schichten, die Korrekturenaktualisie­ rung des Schichtmodells nach der Höhenkoordinate je nach Höhenmeßergebnis und das Palettieren mehrerer gleichzeitig zu bearbeitender Werkstücke zu unterstützen.

Die erzielbaren Vorteile bei der erfindungsgemäßen Anwendung des Lasers zum Paketieren aus Flachmaterial liegen in der Ver­ billigung und Zeiteinsparung bei der Herstellung kompliziert geformter, 3-dimensionaler Modelle, Funktionsmuster und Se­ rienteile. Die Palette der bearbeitbaren Materialien ist da­ bei aufalle laserbearbeitbaren Flachmaterialien erweiterbar. So können Folien, Platten und Tafeln aus Stahl, Aluminium, Ke­ ramik, Kunststoffen oder ähnlich bearbeitet werden. Aufgrund der geringen Einflußzone der Schweißraupen und Brennschnitte bei Laseranwendung sind sogar amorphe Materialien wie soge­ nannte metallische Gläser ohne erhebliche Eigenschaftsände­ rung zu 3-dimensionalen Werkstücken paketierbar. Die prin­ zipielle Verfahrensweise ändert sich auch nicht, wenn die Schichten erst im Arbeitsraum der Maschine, etwa durch Auf­ spritzen, entstehen. Werden die Schichten entsprechend dem Arbeitsfortschritt unter dem Laserstrahl aufgerollt, so ist sogar ein kontinuierlicher Werkstückaufbau möglich. Der Vor­ teil des Paketierens mit gebogenen oder gekanteten Lagen ist außerdem, daß der Lagenverbund wegen der aufgebrachten Tan­ gentialspannung bei Straffung vorgespannt ist und sich Form­ schluß über die Krümmung und die Rauhigkeit ergibt.

Es folgt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Zuhil­ fenahme von Figurendarstellungen.

Es zeigen:

Fig. 1 Schrägansicht eines paketierten Schichtkörpers zur Fertigung ei­ nes gehäuseartigen Werkstücks;

Fig. 2a Seitenansicht des fertigen, ent­ formten gehäuseartigen Werkstücks;

Fig. 2b Seitenansicht des gehäuseartigen Werkstücks aus Lagen schwankender Schichtdicke;

Fig. 2c Seitenansicht des gehäuseartigen Werkstücks, gefertigt aus aufge­ rollten, schichtbildenden Mate­ riallagen.

Gemäß der räumlichen Darstellung nach Fig. 1 ist ein halb fertiggestelltes, gehäuseartiges Werkstück W an einem Ar­ beitsplatz positioniert, der mit einer Laserstrahlanlage und einer Abfallentsorgung versehen ist. Das zur Herstel­ lung des Werkstücks W dienende Halbzeug in Form einer Fo­ lie, Platte, eines Blechs oder sonstigem laserbearbeitba­ rem Flachmaterial weist im Beispiel die Breite b = 500 mm und die Länge l = 400 mm auf. Seine Dicke beträgt d = 0.3 mm. Der Laserstrahl L hat in der Darstellung die obere mit der darunterliegenden Blechlage längs der Linien A und B linien­ förmig und im dickwandigen Gehäusebereich, angedeutet durch das eingezeichnete Gittermuster, gerastert und mittels Durch­ schweißung verbunden. Von den Ecken des Pakets verlaufen hin zur Außenkontur des Werkstücks W Hilfstrennschnitte C zur Ent­ formung des Werkstücks. Mit den Hilfstrennschnitten C wird das das Werkstück W umgebende Schichtmaterial in entfernbare, kleinere Stücke zerlegt.

Die Hilfsbohrungen H mit dem Durchmesser von ca. 1 mm sind eingebracht, um die jeweilige nächste Blechschicht durch An­ legen von Vakuum zu halten. Im hohlen Bereich des gehäusear­ tigen Werkstücks W hat der Laserstrahl L schon begonnen, ei­ nen Teil des Materials kleinzuschneiden. Die losen Teilchen werden durch einen Sauger S abgesaugt. Die gestrichelten Li­ nien deuten den Verlauf der noch auszuführenden Brennschnit­ te zur Zerkleinerung des Abfalls innerhalb der Innenkontur des gehäuseartigen Werkstücks W an. Die ebenfalls noch zu führenden Kontur-Brennschnitte 0 bzw. I entsprechend der Außenkontur bzw. Innenkontur des gehäuseartigen Werkstücks W liegen knapp neben den Durchschweißungen A bzw. B. Diese Kon­ tur-Brennschnitte 0 und I ergeben die Außen- bzw. Innenfläche des gehäuseartigen Werkstücks W.

Fig. 2a zeigt die in etwa parallel liegenden Material lagen relativ großer Dicke d. Aus der Seitenansicht geht die ge­ fertigte Außenfläche und die den Hohlraum des Werkstücks W bildende Innenfläche hervor.

Fig. 2b stellt dasselbe Werkstück W dar, das jedoch dies­ mal aus Material lagen von sehr stark schwankender Schicht­ dicke s gefertigt ist. Diese schwankenden Schichtdicken be­ einflussen lediglich die Oberfläche des 3-dimensionalen Werk­ stücks W, nicht jedoch die Form insgesamt, weil die Fehler in der Höhenentwicklung ständig gemessen werden. Das aktuel­ le Höhenschichtmodell wird über das Meßergebnis errechnet und entsprechend maßgenau bearbeitet.

Fig. 2c zeigt den Aufbau zentrischer Schichtlagen am Bei­ spiel einer Laser-Paketier-Maschine, bei der das schichtbil­ dende Material gemäß dem Arbeitsfortschritt des Laserstrah­ les L im Arbeitsraum der Maschine aufgerollt wird. Das Werk­ stück W besteht aus einzelnen gebogenen Teilabschnitten, die vorher aufgrund der Aufrollung miteinander verbunden wa­ ren. Die Paketbildung kann auch aus abgekanteten, sich um­ schließenden Lagen vorgenommen werden, wobei der gleichmäßi­ ge Krümmungsverlauf der Material lagen durch mehr oder weni­ ger starke Abkantung unterbrochen ist.

Claims (9)

1. Verfahren zur Herstellung 3-dimensional geform­ ter Werkstücke mit einer Formgebung durch fort­ schreitenden Materialaufbau, dadurch gekennzeichnet, daß geometrische, konstruktive Daten von Schnittflächen des Werkstücks mit in der Fläche liegenden Innen- und Außenkonturen ermittelt werden, daß eine Materiallage aus laserbearbeitbarem Flachmaterial entlang der Schnittfläche ausgelegt sowie gehalten wird, daß anhand der ausgegebenen geometrischen Da­ ten Lasertrennschnitte längs der Außen- und Innenkonturen geführt werden, daß die bear­ beitete Materiallage mit der jeweils vorher­ gehenden Materiallage zumindest teilweise verschweißt wird und daß Materialabfall in­ nerhalb der vorgegebenen Innenkonturen so­ wie außerhalb der vorgegebenen Außenkontu­ ren durch Trennschnitte zerkleinert wird, worauf der zerkleinerte Abfall weggefördert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Bereiche größerer Wandstärken des Werk­ stücks mit der vorhergehenden Schicht durch Punktschweißen, linienförmiges oder geraster­ tes Durchschweißen miteinander verbunden wer­ den.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Entformung und zur Entkernung von Hohl­ räumen des Werkstücks Hilfstrennschnitte gelegt werden, wobei kleingeschnittener Abfall ausge­ leert, weggesaugt oder weggeblasen wird oder das Material der Hohlräume verdampft wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß Hilfsbohrungen zum Ansaugen der neu auf­ gelegten Materiallage eingebracht werden.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zu bearbeitende, rohe Flachmaterial aufgerollt vorliegt und die Abschnittslänge der jeweils einen Materiallage im Arbeitsraum der Maschine eingeteilt wird, was durch Per­ forieren mittels Laserstrahl und anschließen­ dem Abknicken vorgenommen wird.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das zu bearbeitende Flachmaterial mit ei­ ner klebenden Beschichtung versehen ist oder die Herstellung der Klebeschicht oder der ei­ gentlichen Materialschicht im Arbeitsraum der Maschine durch Aufspritzen erfolgt.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Material lagen simultan zum Bearbei­ tungsfortschritt im Arbeitsraum der Maschine aufgerollt werden, wodurch eine zentrische Schichtung entsteht.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhenentwicklung des aufzubauenden Werkstücks schichtweise im Arbeitsraum der Maschine gemessen und Abweichungen in der Höhe von einem Systemrechner korrigiert wer­ den, daß entsprechend ermittelter Korrektur­ daten aktualisierte, neue Bahnen bzw. Linien für die Lasertrennschnitte und Laserschweißun­ gen errechnet werden.

9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß CAD-Daten von CAD Draht-, Oberflächen- und Volumenmodellen von einem Rechner übernommen und daraus die benötigten Flächen/Ebenen oder zentrischen Schichtenmodelle für das Trenn­ schneiden und den Schweißvorgang errechnet werden, wofür die Hilfsschnitte, Hilfsbohrun­ gen, Hilfsschweißungen, Einteilung der Folien­ abschnittslängen und Aktualisierung des Höhen­ schichtmodells gemäß der Höhenentwicklung er­ mittelt werden.