EP4355554A1 - Verfahren zur additiven fertigung von bauteilen, bei dem ein bauteil durch ablage mindestens eines materials in form von tropfen hergestellt wird - Google Patents

Verfahren zur additiven fertigung von bauteilen, bei dem ein bauteil durch ablage mindestens eines materials in form von tropfen hergestellt wird

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EP4355554A1
EP4355554A1 EP22732960.4A EP22732960A EP4355554A1 EP 4355554 A1 EP4355554 A1 EP 4355554A1 EP 22732960 A EP22732960 A EP 22732960A EP 4355554 A1 EP4355554 A1 EP 4355554A1
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EP
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drops
droplets
laser beam
elevations
depressions
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EP22732960.4A
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Uwe Scheithauer
Steven Weingarten
Valentin Lang
Felix Glausch
Hajo Wiemer
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Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Definitions

  • the invention relates to a method for the additive manufacturing of components, in which a component is produced by depositing at least one material in the form of drops. It therefore falls within the field of additive manufacturing and is also suitable for the production of components that are made with several different materials, such as composite components.
  • the drops can be deposited drop by drop from nozzles or by a pressure device, so that a three-dimensional component can be obtained after curing or sintering.
  • the drops are arranged in layers next to and/or on top of one another.
  • the surface is smoothed immediately after individual drops have been deposited using the energy of a laser beam, the focal point of which is directed at elevations formed on the drops.
  • the focal spot of a laser beam is therefore immediately after placement and before further processing, in particular drying, hardening, fusing or sintering, is carried out.
  • the smoothing can be done in such a way that
  • a removal of material can preferably be achieved by ablative means or by sublimation.
  • a locally defined temperature increase can therefore be used, with which the material from drops reduces the depth of and the volume in depressions by flowing the material and thus creates a surface
  • the material formed with the drops can be a polymer and/or
  • a suspension containing solids can be used.
  • a suspension can be mixed with a liquid containing solid particles or fibers and at least one organic binder be educated.
  • a viscosity and surface tension should be maintained at the respective processing temperature while the droplets are being deposited so that droplets can form and no material can flow away.
  • a removal of material and/or a flow of material can be used to at least partially fill depressions after drops have been deposited in at least one layer for the formation of a respective
  • material can be removed from elevations and/or flow in the area around depressions in a controlled manner.
  • the surface topography can be recorded with at least one optical sensor and height values recorded with spatial resolution, the deflection movement of the focal spot of the laser and preferably also the power density in the focal spot of the laser beam can be influenced.
  • the deflection movement of the focal spot can be achieved by a relative movement of the laser beam with its op
  • the laser beam can also be deflected accordingly with suitable optical elements and, if necessary, additionally shaped.
  • the position of elevations and depressions can be determined and thus the deflection movement of the one- or multi-dimensional on respective elevations for material removal and/or in areas around wedge-shaped depressions with so-called scanners
  • BO can be carried out on-line.
  • the surface topography in particular can be determined and used for the control.
  • temperature determination in the In the area of the focal spot the dwell time at a position, the power density in the focal spot, and the size of the current focal spot area can also be specifically influenced. This is not only advantageous when material is removed. It can also be used to influence the respective favorable temperature in the area of the droplet material, which leads to flow and thus to filling of depressions with associated smoothing of the surface.
  • the temperature should be spatially resolved or determined selectively in order to be able to carry out a locally defined control.
  • green processing can be carried out directly by means of laser ablation or by causing it to flow.
  • the surfaces can be smoothed with a significant reduction in surface roughness.
  • contour elements in the order of ⁇ 50 pm instead of ⁇ 500 pm can be formed with the locally defined material removal.
  • a direct integration of green processing is possible by processing all surfaces, including the internal surfaces of the respective component.
  • the processing immediately after depositing the first material without a large delay in time enables the boundaries between different individual drops that have been deposited and possibly different materials to be designed more precisely if drops made from different materials have been deposited.
  • a significantly improved surface quality and interface geometry at the boundary surfaces of droplets can be formed with little additional effort caused by the integration of laser processing.

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Abstract

Bei dem Verfahren wird ein Bauteil durch Ablage mindestens eines Materials in Form von Tropfen hergestellt. Die Tropfen werden neben- und/oder übereinander lagenweise angeordnet, wobei eine Glättung der Oberfläche nach der Ablage einzelner Tropfen mit einem Laserstrahl auf Erhebungen einer jeweiligen Lage so durchgeführt, dass an Erhebungen ein Materialabtrag erfolgt, und/oder im Bereich um zwickelförmige Vertiefungen mit der Energie des Laserstrahls die Viskosität und/oder die Oberflächenspannung des jeweiligen Materials so reduziert wird, dass ein Fließen zum zumindest teilweisen Füllen von Vertiefungen so erreicht wird, dass die Oberflächenrauheit auf ein vorgegebenes Maß reduziert worden ist. Allein oder zusätzlich dazu kann ein lokal definierter Materialabtrag erfolgen, um gezielt Oberflächeneigenschaften einzustellen oder Strukturen auszubilden, deren Abmaße unterhalb des Auflösungsvermögens des additiven Verfahrens liegen, da die abgelegten Tropfen einen größeren Durchmesser aufweisen, und im Anschluss daran eine Aushärtung, ein Schmelzen, eine Entbinderung und/oder eine Sinterung zur Fertigstellung des jeweiligen Bauteils durchgeführt wird.

Description

Verfahren zur additiven Fertigung von Bauteilen, bei dem ein Bauteil durch
Ablage mindestens eines Materials in Form von Tropfen hergestellt wird
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Fertigung von Bauteilen, bei dem ein Bauteil durch Ablage mindestens eines Materials in Form von Tropfen hergestellt wird. Sie fällt also in das Gebiet der additiven Fertigung und eignet sich auch für die Herstellung von Bauteilen, die mit mehreren unterschiedli chen Materialien hergestellt werden, wie dies beispielsweise Verbundbautei len sind.
Bisher ist es u.a. auch bekannt, Bauteile durch ein Ablegen einzelner Tropfen neben- und/oder übereinander herzustellen. Die Tropfen können dabei bei geeigneter Konsistenz und Viskosität aus Düsen tropfenweise oder durch eine Druckeinrichtung entsprechend abgelegt werden, so dass ein dreidimensiona les Bauteil nach dem Aushärten oder Sintern erhalten werden kann.
Übliche Tropfengrößen liegen dabei im Bereich 200 pm bis 500 miti, was auch das Auflösungsvermögen bei der additiven Fertigung unter Einsatz solcher Tropfen nach unten limitiert. Infolge der Einzelablage, der Viskosität und der Oberflächenspannung der einzelnen Tropfen kommt es dazu, dass sich zwi schen neben- und/oder übereinander angeordneten Tropfen Zwickel als Ver
5 tiefungen an den Rändern der einzelnen Tropfen und dazwischen Erhebungen ausbilden, die die Oberflächengüte verschlechtern und relativ raue Oberflä chen an einem fertig hergestellten Bauteil ergeben.
Eine mechanische Nachbearbeitung, die nach einer Trocknung oder einer
10 Aushärtung bzw. Sinterung durchgeführt wird, um diesem Nachteil entgegen zu wirken, führt zu einem hohen Aufwand, da sie Zeit, zusätzliche Anlagen technik, in der Regel eine Bearbeitung an einem anderen Ort und eine Abfüh rung von festem abgetragenen Material erfordert. Bereiche von so hergestell ten Bauteilen sind auch von außen nicht oder nur sehr schwer zugänglich, so
15 dass dort keine oder nur eine sehr aufwändige Nachbearbeitung an Oberflä chen erfolgen kann. Dies können Bereiche in Hohlräumen oder in Hinter schneidungen sein.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten zur Verbesserung/gezielten
20 Einstellung der Oberflächengüte an mit einem additiven Fertigungsverfahren, bei der Material tropfenweise abgelegt wird, anzugeben, mit denen eine Re duzierung des Aufwandes möglich ist. Zudem soll eine Herstellung von Bau teilstrukturen mit feineren filigraneren Abmaßen und Strukturelementen möglich sein.
25
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiter bildungen der Erfindung können mit in abhängigen Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
BO
Bei dem Verfahren werden die Tropfen neben- und/oder übereinander la genweise angeordnet. Dabei erfolgt eine Glättung der Oberfläche unmittelbar nach der Ablage einzelner Tropfen mit der Energie eines Laserstrahls dessen Brennfleck auf Erhebungen, die an Tropfen ausgebildet sind, gerichtet wird.
35 Dabei kann auch eine Glättung an Seitenwänden der abgelegten Tropfen er reicht werden. Der Brennfleck eines Laserstrahls wird also unmittelbar nach der Ablage und bevor eine weitere Bearbeitung, insbesondere eine Trocknung, Aushärtung, ein Verschmelzen oder eine Sinterung durchgeführt wird.
Die Glättung kann dabei so durchgeführt werden, dass
5 im Bereich von Erhebungen ein Materialabtrag so erfolgt, dass die Oberflä chenrauheit auf ein vorgegebenes Maß reduziert wird. Dabei kann ein Materi alabtrag bevorzugt ablativ oder durch Sublimation erreicht werden.
Allein oder zusätzlich zu einem Materialabtrag kann im Bereich um zwickel
10 förmige Vertiefungen, die zwischen einzelnen nebeneinander angeordneten Tropfen ausgebildet worden sind, mit der Energie des Laserstrahls, dessen Brennfleck in nahe an den Vertiefungen angeordnete Bereiche der nebenei nander geordneten Tropfen so gerichtet werden, dass dort die Viskosität und/oder die Oberflächenspannung des jeweiligen Materials so reduziert
15 wird, dass ein Fließen zum zumindest teilweisen Füllen von Vertiefungen so erreicht wird, dass die Oberflächenrauheit auf ein vorgegebenes Maß redu ziert worden ist. Es kann also eine lokal definierte Temperaturerhöhung aus genutzt werden, mit der Material von Tropfen durch ein Fließen des Materials die Tiefe von und das Volumen in Vertiefungen reduziert und so eine Oberflä
20 chenglättung erreicht werden kann.
Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Alternative, die auch in Kombination mit mindestens einer der vorab erwähnten Alternativen durchgeführt werden kann, erfolgt ein lokal definierter Materialabtrag, um gezielt Oberflächenei genschaften einzustellen oder Strukturen auszubilden, deren Abmaße unter
25 halb des Auflösungsvermögens des additiven Verfahrens liegen, da die abge legten Tropfen einen größeren Durchmesser aufweisen.
Im Anschluss daran wird eine Aushärtung, ein Schmelzen oder eine Sinterung zur Fertigstellung des jeweiligen Bauteils durchgeführt.
Als Material mit dem Tropfen gebildet werden, kann ein Polymer und/oder
BO eine Suspension, in der Feststoff enthalten ist, eingesetzt werden. Dabei fallen unter Polymer eine Vielzahl organischer Verbindungen, u.a. auch Copolymere und Monomere. Eine Suspension kann mit einer Flüssigkeit, in der feste Parti kel oder Fasern enthalten sind, und mindestens einem organsicher Binder gebildet sein. Dabei sollte eine Viskosität und Oberflächenspannung bei der jeweiligen Bearbeitungstemperatur während der Ablage der Tropfen einge halten werden, dass sich Tropfen bilden können und kein Material wegfließen kann.
5 Es können auch Tropfen aus unterschiedlichen Materialien nebeneinander und/oder übereinander abgelegt werden.
Im Bereich von Erhebungen kann ein Materialabtrag und/oder ein Fließen von Material zum zumindest teilweisen Füllen von Vertiefungen nach dem Able gen von Tropfen in mindestens einer Lage für die Ausbildung einer jeweiligen
10 Schicht durchgeführt werden. Dies kann aber auch nach dem Ablegen einer vorgebbaren Anzahl, beispielsweise drei oder fünf Lagen, mit denen Schichten gebildet werden, durchgeführt werden.
Vorteilhaft kann der Abtrag von Material an Erhebungen und/oder ein Fließen im Bereich um Vertiefungen in geregelter Form durchgeführt werden. Dabei
15 kann die Oberflächentopographie mit mindestens einem optischen Sensor erfasst und mit ortsaufgelöst erfassten Höhenwerten, die Auslenkbewegung des Brennflecks des Lasers und bevorzugt zusätzlich die Leistungsdichte im Brennfleck des Laserstrahls beeinflusst werden. Die Auslenkbewegung des Brennflecks kann durch eine Relativbewegung des Laserstrahls mit seiner op
20 tischen Achse in Bezug zur jeweiligen Oberfläche des jeweiligen Bauteils, also auch durch eine entsprechende mindestens zweidimensionale Bewegung ei ner Bauplattform, auf der ein jeweiliges Bauteil additiv hergestellt wird. Es kann aber auch der Laserstrahl mit geeigneten optischen Elementen entspre chend ausgelenkt und ggf. zusätzlich auch geformt werden.
25
Bei der Erfassung der Oberflächentopographie kann die Position von Erhe bungen und Vertiefungen bestimmt und dadurch die Auslenkbewegung des auf jeweilige Erhebungen zum Materialabtrag und/oder in Bereiche um zwi ckelförmige Vertiefungen mit so genannten Scannern ein- oder mehrdimensi
BO onal durchgeführt werden.
Mit dem mindestens einen optischen Sensor kann insbesondere die Oberflä chentopographie bestimmt und für die Regelung eingesetzt werden. Durch zusätzliche bevorzugt berührungslose Temperaturbestimmung im Einflussbe- reich des Brennflecks kann auch die Verweildauer an einer Position, die Leis tungsdichte im Brennfleck, die Größe der momentanen Brennfleckfläche ge zielt beeinflusst werden. Dies ist nicht nur bei einem Materialabtrag vorteil haft. Es kann auch für eine Beeinflussung der jeweils günstigen Temperatur im Bereich des Tropfenmaterials, die zum Fließen und dadurch zum Füllen von Vertiefungen mit einhergehender Glättung der Oberfläche führt, ausgenutzt werden.
Die Temperatur sollte ortsaufgelöst oder punktuell bestimmt werden, um eine lokaldefinierte Regelung durchführen zu können.
Insbesondere bei Materialien, die von ihrer Konsistenz nur schwer bzw. in geringem Maß fließfähig gemacht werden können, kann es vorteilhaft sein, eine Erweichung des Materials von Tropfen mit der Laserstrahlenergie zu er reichen und dann eine mechanische Verformung durch auf- oder ansetzen eines Formwerkzeugs zu erreichen, um eine gewünschte plastische Verfor mung durchzuführen, bei der die Oberfläche ebenfalls geglättet werden kann.
Nach Erstellung einer Schicht bzw. dem Auftrag eines Materials in der jeweili gen Schicht kann direkt eine Grünbearbeitung mittels Laserabtrag oder zum Fließen bringen erfolgen. Es kann eine Glättung der Oberflächen mit signifi kanter Reduzierung der Oberflächenrauheit erreicht werden.
Sollte dies gewünscht sein kann auch eine Erstellung bestimmter geometri scher Features weit unterhalb der Auflösungsgrenze des eingesetzten trop fenweisen Auftragsverfahrens erreicht werden, indem Konturelemente in der Größenordnung < 50 pm statt < 500 pm mit dem lokal definierten Materialab trag ausgebildet werden können.
Außerdem ist eine direkte Integration der Grünbearbeitung durch die Bearbei tung aller Oberflächen, auch der im jeweiligen Bauteil innenliegend angeord neten Oberflächen möglich. Die Bearbeitung unmittelbar nach der Ablage ohne großen zeitlichen Verzug des ersten Materials ermöglicht die präzisere Gestaltung der Grenzen zwischen verschiedenen einzelnen abgelegten Trop fen und ggf. unterschiedlichen Materialien, wenn Tropfen aus unterschiedli chen Materialien abgelegt worden sind. Es können eine deutlich verbesserte Oberflächengüte und Interfacegeometrie an Grenzflächen von Tropfen, bei geringem zusätzlichen Aufwand, den die Integration der Laserbearbeitung hervorruft, ausgebildet werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur additiven Fertigung von Bauteilen, bei dem ein Bauteil durch Ablage mindestens eines Materials in Form von Tropfen herge stellt wird, und dabei die Tropfen neben- und/oder übereinander la genweise angeordnet werden; wobei eine Glättung der Oberfläche unmittelbar nach der Ablage einzelner Tropfen mit der Energie eines Laserstrahls dessen Brennfleck auf Erhe bungen einer jeweiligen Lage dadurch erfolgt, dass im Bereich von Erhebungen ein Materialabtrag so erfolgt, dass die Oberflächenrauheit auf ein vorgegebenes Maß reduziert und/oder im Bereich um zwickelförmige Vertiefungen, die zwischen einzelnen nebeneinander angeordneten Tropfen ausgebildet worden sind, mit der Energie des Laserstrahls, dessen Brennfleck in nahe an den Vertie fungen angeordneten Bereichen der nebeneinander geordneten Trop fen so gerichtet wird, dass dort die Viskosität und/oder die Oberflä chenspannung des jeweiligen Materials so reduziert wird, dass ein Fließen zum zumindest teilweisen Füllen von Vertiefungen so erreicht wird, dass die Oberflächenrauheit auf ein vorgegebenes Maß reduziert worden ist und/oder ein lokal definierter Materialabtrag erfolgt, um gezielt Oberflächenei genschaften einzustellen oder Strukturen auszubilden, deren Abmaße unterhalb des Auflösungsvermögens des additiven Verfahrens liegen, da die abgelegten Tropfen einen größeren Durchmesser aufweisen, und im Anschluss daran eine Aushärtung, ein Schmelzen, eine Entbinderung und/oder eine Sin terung zur Fertigstellung des jeweiligen Bauteils durchgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Material mit dem Tropfen gebildet werden, ein Polymer und/oder eine Suspen sion, in der Feststoff enthalten ist, eingesetzt wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass im Bereich von Erhebungen ein Materialabtrag und/oder ein Fließen von Material zum zumindest teilweisen Füllen von Vertiefungen nach dem Ablegen von Tropfen in mindestens einer Lage für die Ausbildung einer jeweiligen Schicht durchgeführt wird.
4. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekenn zeichnet, dass ein Materialabtrag und/oder ein Fließen nach dem Ab legen einer vorgebbaren Anzahl von Lagen, mit denen Schichten gebil det werden, durchgeführt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass Tropfen aus unterschiedlichen Materialien neben einander und/oder übereinander abgelegt werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass der Abtrag von Material an Erhebungen und/oder ein Fließen im Bereich um Vertiefungen in geregelter Form durchge führt wird, wobei die Oberflächentopographie mit mindestens einem optischen Sensor erfasst und mit ortsaufgelöst erfassten Höhenwer ten, die Auslenkbewegung des Brennflecks des Lasers und bevorzugt zusätzlich die Leistungsdichte im Brennfleck des Laserstrahls beein flusst wird.
7. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekenn zeichnet, dass für die Regelung die Temperatur ortsaufgelöst oder punktuell bestimmt wird.
EP22732960.4A 2021-06-15 2022-06-02 Verfahren zur additiven fertigung von bauteilen, bei dem ein bauteil durch ablage mindestens eines materials in form von tropfen hergestellt wird Pending EP4355554A1 (de)

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DE (1) DE102021115402A1 (de)
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WO2022263191A1 (de) 2022-12-22
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