DE4442961A1 - Verfahren zur freiformenden Herstellung von dreidimensionalen Bauteilen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur freiformenden Herstellung von dreidimensionalen Bauteilen gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches.

Derartige Verfahren sind zum Beispiel aus der EP 0 426 363 A2 und der P 43 19 128.2 bekannt. Die darin beschriebenen Verfahren haben einen schichtweisen Metallauftrag auf einer Unterlage zum Gegenstand. Dabei wird aus einer Düse ein flüssiges, mit Binder vermischtes Metall ausge­ schieden und anschließend einem Sinterprozeß zur Austreibung des Binders unterzogen. Das Metall kann auch als Metallschmelze ausgeschieden werden, was jedoch hohe Temperaturen (Temperaturbereich des Schmelz­ punktes des verwendeten Metalles) erfordert. Bei Verwendung von Me­ tallbindergemischen ist das nachträgliche Austreiben der Binderphase auf­ wendig. Anderenfalls verbleiben die Binderteilchen in dem herzustellenden Bauteil. Derartige Bauteile eignen sich nicht für alle Verwendungen. Das in der EP 0 426 363 A2 beschriebene Verfahren verläuft so, daß das dort auszuscheidende Metall durch das Schmelzen eines einer Düse zugeführten drahtförmigen Materiales in Flüssigphase gebracht wird, was nicht nur mit einem erheblichen verfahrenstechnischen, sondern auch maschinentechni­ schen Aufwand verbunden ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur freiformenden Herstellung dreidimensionaler Bauteile anzugeben, das einfach durchführbar ist und eine kostengünstige und materialsparende Verfahrensweise erlaubt.

Diese Aufgabe ist durch das im Anspruch 1 angegebene Verfahren gelöst. Danach wird das herzustellende Bauteil in einem elektrochemischen Ab­ scheideprozeß eines Metalles aus einer Elektrolytlösung hergestellt. Das Bauteil wird auf der Kathode aufgebaut, wobei seine Form durch elektrisch geladene Metallionen, die der Kathode gesteuert zugeführt werden, be­ stimmt wird. Zur Durchführung des Verfahrens eignen sich im einfachsten Fall herkömmliche galvanische Bäder. Im einfachsten Fall kann die Ab­ scheidung des Metalles und somit der Aufbau des Bauteiles auf der Ka­ thode durch ein gesteuertes Verfahren einer Anode in einem galvanischen Bad durchgeführt werden. Es ist besonders vorteilhaft, daß außer der Steuerung der Bewegung der Anode keine wesentlichen Änderungen ge­ genüber einer herkömmlichen Badgalvanik notwendig sind, auch bezüglich der Badzusammensetzung und der erforderlichen Anlagetechniken. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist lediglich eine ge­ steuerte Verfahreinrichtung, die die Anode dreidimensional im Verfahren verfährt sowie Abschirmeinrichtungen, die direkt mit der Anode gekoppelt sind, um eine Abscheidung außerhalb des gewünschten Bereiches zu ver­ meiden, notwendig. Die Steuerung der Einrichtung der Anode kann rech­ nerunterstützt erfolgen, dies ist insbesondere bei komplizierten Bauteilen von großem Vorteil und manchmal sogar notwendig.

In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß die Steuerung und Zuführung der elektrisch geladenen Metallionen durch einen Flüssigkeitsstrahl beziehungsweise einen Elektrolytstrahl er­ folgt. Die Zuführung der elektrisch geladenen Metallionen kann sowohl als Freistrahl außerhalb eines galvanischen Bad es erfolgen, als auch in einem elektrolytischen Bad. In beiden Fällen wird mit der beschleunigten Anströ­ mung der Kathodenfläche eine Beschleunigung der Abscheidung erreicht. In eine Ausgestaltung der Zuführung der elektrisch geladenen Ionen in einem Flüssigkeitsstrahl sieht die Erfindung vor, daß kein zusammenhängender, sondern ein in Tröpfchen aufgelöster Elektrolytstrahl verwendet wird. Die Tröpfchen können anodenseitig mit Hochspannung aufgeladen werden und sodann in dem zwischen Anode und Kathode entstehenden elektrischen Feld zur Kathode transportiert werden, wo sie ihre Ladung abgeben. Bei der Ladungsabgabe wird das Metallion zum Metall reduziert, wodurch der Metallauftrag erfolgt. Vorteil dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die bei Verwendung von Hochspannung für die Aufladung hohe Transportgeschwindigkeit zum Metall hin, welche die diffusionsbe­ stimmte elektrochemische Doppelschicht vor der Kathodenfläche ersetzt. Somit entfällt bei dieser Ausführungsform des Verfahrens der Diffusions­ schritt als geschwindigkeitsbestimmende Begrenzung der Abscheidege­ schwindigkeit.

Die Zuführung des Elektrolyten in Form eines Flüssigkeitsstrahles kann so­ wohl in Freistrahltechnik als auch als Staustrahl realisiert werden. Die Ein­ haltung der vorgegebenen Geometrien ist durch die Verwendung einer unlöslichen Anode besonders günstig. Jedoch muß bei Verwendung einer derartigen Anode das gesamte aufgebrachte Metall im Elektrolyten enthal­ ten sein, wodurch Elektrolyte sehr hohen Metallgehaltes erforderlich sind. Daraus resultiert dann auch eine Begrenzung der Abscheidegeschwindig­ keit. Um diese Nachteile zu vermeiden, ist es möglich, das benötigte Metall für die Auftragung in den Abscheideprozeß anodenseitig so einzubringen, daß es der Diffusionsgrenzschicht als metallischer Werkstoff in Form von Partikeln oder in Drahtform kontinuierlich zugeführt wird, womit der Ver­ brauch der Metallionen des Elektrolyten selbst deutlich vermindert wird.

Als Energiequelle für das erfindungsgemäße Verfahren wird vorteilhafter­ weise Gleichstrom beziehungsweise ein Wechselstrom, der einem Gleich­ strom überlagert ist, eingesetzt.

Die Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, daß die verfahrbare Anode in einer vorteilhaften Ausgestaltung die Form einer Düse hat. Ferner sieht die Einrichtung vor, daß der Anode eine Abschirmung zugeordnet ist, welche die laterale Begrenzung der Metallab­ scheidung bewirkt.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles, welches in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist, näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Die prinzipelle Anordnung der Anode und der Kathode bei einem gesteuerten Abscheideprozeß.

Fig. 2 Die Anordnung der Anode in Düsenform mit einer dieser zugeordne­ ten Abschirmung.

Der erfindungsgemäße gesteuerte Abscheidungsprozeß wird durch elektro­ chemische Abscheidung in einem bewegten Elektrolytvolumen bezie­ hungsweise Elektrolytstrahl durchgeführt. Hierzu muß der gesamte, für die Abscheidung benötigte elektrische Strom durch denjenigen Teil des Elek­ trolytstrahles geleitet werden, der sich zwischen Anode 1 und Kathode 2 oder, im fortgeschrittenen Stadium, dem Bauteil 3 befindet. Das Bauteil 3 wird durch den schichtweisen Metallauftrag auf der Kathode aufgebaut. Durch den elektrischen Widerstand des Elektrolyten findet eine Streuung des Stromes statt, so daß am Auftreffpunkt des Strahles eine Verbreiterung der Geometrie des aufgetragenen Metalles 3a verglichen mit dem Durch­ messer D der Düsenanode 1 stattfindet. Da Präzisonsbauteile 3 erwartet werden, ist diese Verbreiterung des aufgetragenen Materiales 3a für die fertigen Bauteile 3 nachteilig. Deshalb weist die Einrichtung eine Abschir­ mung 4 auf. Diese Abschirmung 4 kann zum Beispiel durch ein Kunststoff­ rohr (Fig. 2) realisiert werden. Dadurch wird die Verteilung der Stromlinien vom Zentrum der Auftragung weg durch die Abschirmung 4 behindert, so daß der Durchmesser des abgeschiedenen Metallpunktes dadurch kontrol­ liert werden kann. Die Dicke der einzelnen aufgetragenen Schichten 5 wird durch die Verweilzeit der Anode 1 an einer Stelle beziehungsweise durch die Geschwindigkeit des Verfahrens bestimmt. Es ist besonders vorteilhaft, daß das Bauteil hängend angeordnet ist (Ausführung nicht dargestellt). Diese bauliche Maßnahme ist wesentlich für die Entfernung des Elektroly­ ten nach Durchlauf durch die Arbeitsstrecke zwischen Anode und Bauteil. Wird der Elektrolyt nicht entfernt, so kann eine Stromdichteverteilung ent­ stehen. Die Abschirmung 4 kann in Form einer Blende, einer Maske oder eines einfachen Kunststoffrohres ausgeführt sein. Durch das gesteuerte Verfahren der Anode 1 in X und Y-Richtung entsteht ein im wesentlichen zweidimensionales Bauteil 3. In Z-Richtung weist dieses Bauteil nur die Ausdehnung einer Schicht 5 auf. Durch das Übereinanderlegen vieler solcher Schichten, und durch die Wiederholung der Schichtabscheidung mit geän­ derter Z-Koordinate entsteht ein räumlicher Körper. Die Anode wird dabei vorteilhafterweise durch ein CAD-unterstütztes System gesteuert; die Schichtzerlegung des Bauteiles erfolgt durch ein CAD-System, die Verfahr­ geschwindigkeit der Anode wird unter Zugrundelegung der CAD-Schichten­ zerlegung dem galvanischen Prozeß angepaßt. Die Anode wird rechnerun­ terstützt verfahren.

Bezugszeichenliste

1 Strahldüse, gleichzeitig Anode
2 leitende Oberfläche, Grundplatte oder Bauteiloberfläche, gleich­ zeitig Kathode
3 elektrochemisch aufgetragenes Material
3a Verbreiterung der Geometrie des aufgetragenen Metalles gegen­ über dem Durchmesser (D) der Düsenanode
4 Abschirmung, im einfachsten Fall Kunststoffrohr
5 Dicke der einzelnen aufgetragenen Metallschichten

Claims (6)

1. Verfahren zur freiformenden Herstellung von dreidimensionalen Bautei­ len, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil (3) im Verfahren des elektrochemischen Abscheidens auf der Kathode (2) durch die gesteuer­ te Zuführung der geladenen Metallionen zu der Kathode (2) aufgebaut wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steue­ rung der elektrisch geladenen Metallionen durch eine gesteuerte Anode (1) erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steue­ rung und Zuführung der elektrisch geladenen Metallionen durch einen Flüssigkeitsstrahl/Elektrolytstrahl erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Elek­ trolytstrahl in Tröpfchen aufgelöst ist.

5. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (1) die Form einer Dü­ se hat.

6. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Anode eine Abschirmung zu­ geordnet ist zur lateralen Begrenzung der Metallabscheidung.