WO2024079018A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung eines bauteils - Google Patents

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WO2024079018A1
WO2024079018A1 PCT/EP2023/077834 EP2023077834W WO2024079018A1 WO 2024079018 A1 WO2024079018 A1 WO 2024079018A1 EP 2023077834 W EP2023077834 W EP 2023077834W WO 2024079018 A1 WO2024079018 A1 WO 2024079018A1
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Thiemo Fieger
Johannes Staeves
Felix Haeckel
Nicolai Skrynecki
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the invention relates to a method and a device for producing a component using at least one additive manufacturing process.
  • anisotropy means that the properties of a material differ depending on the direction of the force. This is due to the layer-by-layer construction process, in which one layer is applied one after the other.
  • the construction direction usually corresponds to the z-direction, i.e. the vertical axis in space. At the transition from one layer to the next, the material weakens due to poor layer adhesion. Components perpendicular to the construction direction are usually much more stable and resilient than those along the construction direction. This problem means that components have to be designed and simulated explicitly for additive processes. If a component that has previously been manufactured conventionally is produced using a layer-by-layer additive process, premature component failure can occur.
  • the object of the invention is to provide a way of producing improved components using additive manufacturing processes.
  • the components should meet high mechanical requirements.
  • the object is achieved by a method for producing a component according to patent claim 1 and a device according to patent claim 9. Further advantageous embodiments emerge from the subclaims and the following description.
  • a method for producing a component comprising the steps of: a) producing a base body in an additive manufacturing process, whereby the base body has a plurality of material layers which lie one above the other in a first construction direction and b) applying at least one material web to the outer contour of the base body by applying a plasticized material strand, so that the at least one material web connects several of the material layers to one another.
  • the component to be manufactured has at least one material web in addition to a base body.
  • the desired external dimensions of the component are only achieved through the material web or several material webs.
  • the component can also have component elements that are connected to the base body during the manufacture of the base body or the application of the at least one material web.
  • These component elements can be, for example, sheet metal components, preferably sheet metal profiles or cast components.
  • the component elements can be designed, for example, as connection elements for connecting the component to other components.
  • the component is finalized by the at least one material web.
  • the base body is produced using an additive manufacturing process.
  • the base body is built up layer by layer by A plurality of material layers are arranged one after the other and one above the other on a construction platform.
  • a material layer is preferably produced in a construction level, with several construction levels being arranged one above the other to produce the base body.
  • the material layers are preferably formed by applying and/or melting and solidifying material in several adjacent rows.
  • the direction in which the material layers lie one above the other is referred to as the first construction direction.
  • the base body can be formed using any additive manufacturing process, such as 3D printing, laser sintering, etc. and is preferably made of a plastic material or a metal material or a metal alloy.
  • At least one material web is applied to the outer contour of the base body in such a way that the at least one material web connects several of the material layers to one another.
  • the first material web is applied by laying down a plasticized strand of material.
  • Plasticizing refers to the transition of a material from a solid to a deformable or flowable state; it is then plastically deformable.
  • Polymers and metal wires can preferably be used as printing material.
  • the material web is applied to the outside of the base body and extends over several of the existing material layers of the base body.
  • the at least one material web can connect all of the layers of the base body to one another. To do this, the first construction direction is deviated from in order to apply the at least one material web.
  • the at least one material web can be applied to the outer contour of the base body at an angle to the first construction direction or transversely to the first construction direction.
  • Anisotropic properties in this context mean that - due to the layered structure - the basic body tends to have a weakness along the axis of the structure direction.
  • the at least one material web is particularly preferably produced using a DED process.
  • the DED process Direct Energy Deposition process
  • the printing material is plasticized (for example using an electric arc or laser radiation), transferred to the surface, solidifies there and forms a material bond with the underlying material.
  • the WAAM process is particularly preferably used as a DED process.
  • WAAM Wire Arc Additive Manufacturing
  • a metal wire is melted using an electric arc and applied layer by layer to the component in the desired shape using a multi-axis manipulator to produce the desired material web.
  • DED processes in particular WAAM, very high material application rates can be achieved, which means that components can be manufactured much more economically than with other additive processes.
  • components manufactured using DED processes have coarser surfaces, which in turn are better suited to many post-treatment processes such as dip painting.
  • material webs manufactured using this process are characterized by very high ductility when a corresponding wire material is used.
  • step b) several material webs are applied next to each other on the outer contour of the base body. Preferably, they touch or overlap neighboring material strips so that they form a continuous layer. This creates an additional layer on the outer contour, which further enhances the effect described above.
  • the at least one material web or the several material webs run in the load direction of the component. In this way, the component strength can be increased and the production of higher-performance components is possible.
  • the method can have the further step: c) producing an additional structure by applying at least one further material web to the at least one material web produced in step b), such that two or more material webs lie on top of one another in a second construction direction, wherein the second construction direction differs from the first construction direction and the second construction direction runs in particular transversely to the first construction direction.
  • a selective material thickening is possible, which makes it possible to compensate for radii or peaks in the underlying material structure. This reduces the risk of stress cracks.
  • the additional structure can be designed in the form of a stiffening rib or similar. The additional structure enables a longer component service life and creates new design freedom with regard to the component geometry.
  • the material web or the material webs or the additional structure form at least one outer contour section of the component.
  • the material webs or the additional structure can form the entire outer contour of the component.
  • the outer contour of the component bears the majority of the component load.
  • the material web or the material webs or the additional structure help to shape the outer contour of the component, it can be designed to suit the load path. This There are more degrees of freedom with regard to the direction of the base body's construction. This can be optimized for rapid production.
  • the base body can be manufactured with a layered structure with minimal production time and is then finalized with an outer contour or outer contour sections that match the load path. This saves time and reduces costs.
  • stair-step effects on the component surface of the base body can be compensated, which in turn leads to a longer component service life.
  • the need for rework processes can be reduced.
  • the component is a vehicle component and in particular a body structure component or a chassis component.
  • the invention relates to a device for producing a component with a construction platform that is arranged on a first positioning device, wherein the first positioning device is designed to rotate and tilt the construction platform in space.
  • the construction platform can have any suitable shape and, for example, have a flat plate and/or a support structure that is suitable for supporting the component to be produced.
  • the construction platform can be positioned for the process by the first positioning device and held in a defined manner in space.
  • the device further comprises a pressure device with a nozzle for the exit of a strand of material, wherein the pressure device is designed to plasticize the strand of material.
  • plasticizing is to be understood here as meaning that the material is in a deformable state or flowable state in which it is plastically deformable.
  • the material leaves the nozzle as a strand, ie as a continuous piece of material.
  • the printing device is arranged on a second positioning device, which is designed to position the nozzle in space.
  • the build platform can be positioned for the process by the first positioning device and held in a defined manner in space.
  • the device further includes a control device which is designed to control the first positioning device and the second positioning device in order to position the construction platform and the nozzle in predetermined positions and to operate the printing device.
  • the control device is preferably in a corresponding operative connection with the positioning devices and the printing device.
  • the assembly direction of the component body in relation to the platform can be changed as desired and several assembly directions can be implemented on one component body. This makes it possible to achieve the advantages already described for the process. Because the platform and nozzle can be positioned on both sides, it is possible to always carry out the assembly in the direction of the vertical axis of the room (z-axis).
  • the positioning device is preferably an automated multi-axis system.
  • the first positioning device and/or the second positioning device is a multi-axis, in particular at least 6-axis industrial robot.
  • the multi-axis positioning device enables free positioning in space, in particular in all six spatial axes, thereby achieving optimal degrees of freedom.
  • the industrial robots enable rapid positioning in a large work area and thus the rapid production of even large components.
  • the printing device is preferably designed to provide a plasticized material strand made of a plastic material or a metal material.
  • Such a printing device can be designed, for example, as a plastic extrusion head, by means of which a strand of classified plastic material is output.
  • the pressing device can also melt a metallic wire material by means of an energy source.
  • a resistance current or an electron beam can be used as the energy source.
  • the use of a laser beam or arc is particularly preferred.
  • control device is designed to move the construction platform and the nozzle at the same time, in particular while the printing device is being operated.
  • This enables the component body to tilt or rotate while the material is being applied.
  • the component body and nozzle can be arranged in relation to one another in such a way that the material strand is applied essentially in the direction of the gravitational force and essentially perpendicular to the component body surface.
  • This also allows complex component surfaces to be provided with an additional material web in an optimal position. This results in better material application and a better connection of the material to the existing base body.
  • Figure 1 shows process steps for producing an exemplary component
  • FIGS. 2 and 3 show exemplary process steps for the production of further components
  • Figure 4 shows an exemplary device for carrying out the method
  • a base body 10 is first produced by means of an additive manufacturing process on a construction platform 210.
  • the base body is constructed from several material layers 1, 2, 3, ..., which lie one above the other in a first construction direction AR1.
  • the material layers 1, 2, 3, ... are successively For example, each material layer is produced in a DED process, for which a plasticized material strand is deposited at a predetermined position from a nozzle 232 by means of a printing device 230.
  • the base body 10 can also be produced using any other additive manufacturing process.
  • FIG. 1 shows three material webs 20, 22 and 24 as examples.
  • the material webs are produced by depositing the plasticized material strand using the printing device 230.
  • the material webs 20, 22, 24 are arranged in relation to the base body 10 in such a way that they connect several of the material layers 1, 2, 3, ... to one another.
  • Figure 1 shows examples of material webs that run across the material layers.
  • the material webs are preferably produced using a DED process and particularly preferably using a WAAM process.
  • the material webs are arranged at a distance from one another on the outer contour of the base body 10.
  • the material webs it is also possible for the material webs to adjoin one another or partially overlap and form a continuous material layer (see material webs 30, 31, 32, ... on the component 100A).
  • each material web 30, 31, 32 runs across several material layers 1, 2, 3 of the base body 10 and connects them to one another.
  • Figure 3 shows an embodiment in which an additional structure 40 is formed on the base body 10 of the component 100B.
  • the additional structure 40 has at least two material webs 20 and 42, which lie one above the other in a second construction direction AR2.
  • the second construction direction AR2 differs from the first construction direction AR1 and runs in shown example, transversely to this.
  • the material webs extend over several material layers 1, 2, 3 and connect them with one another.
  • the construction platform 210 is preferably tilted and/or rotated if necessary, so that the material web(s) can be deposited on the underlying base body 10 preferably in the direction of gravity.
  • the component 100, 100A, 100B produced using the method can, in addition to the base body 10 and the at least one material web 20, 30, also have component elements (not shown) that are connected to the base body 10 during the production of the base body 10 or the application of the at least one material web 20, 30.
  • component elements can be, for example, sheet metal components, preferably sheet metal profiles or cast components.
  • the component elements can, for example, be designed as connection elements for connecting the component to other components.
  • Figure 4 shows an exemplary device 200 for producing a component, preferably according to one of the above embodiments.
  • the device 200 includes a construction platform 210, which is arranged on a first positioning device 220.
  • the first positioning device 220 is in particular a multi-axis industrial robot.
  • the first positioning device 220 is designed to rotate and tilt the construction platform 210 in space.
  • the device 200 has a pressure device 230 with a nozzle 232 for the exit of a material strand, wherein the pressure device 230 is set up to plasticize the material strand.
  • a Wire material is melted by means of an arc or laser radiation to form a plasticized material strand.
  • the pressure device 230 is arranged on a second positioning device 240, which is designed to position the nozzle 232 in space.
  • the second positioning device 240 is a multi-axis industrial robot.
  • the nozzle can be aligned in relation to the assembly platform 210 or an already manufactured component section.
  • a control device 250 is provided, which is designed to control the first positioning device 220 and the second positioning device 240 in order to position the construction platform 210 and the nozzle 232 in predetermined positions and to operate the printing device 230.
  • the construction platform and nozzle are positioned relative to one another in such a way that the material web(s) 20, 22, 24, 30, 31, 32, 42 can be applied to the base body 10 at a predetermined location and in particular by gravity.
  • the control device 250 can preferably be set up to move the build platform 210 and the nozzle 232 simultaneously, in particular while the printing device 230 is being operated. This enables optimal deposition of the plasticized material strand for producing the material web(s) 20, 22, 24, 30, 31, 32, 42, even on complex geometries.
  • the build platform and nozzle can be positioned in such a way that the nozzle is guided at a constant distance and always perpendicular to the contour of the base body.
  • the device described above is particularly suitable for producing the base body and placing the material web(s) on it, thus saving a handling step.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (100, 100A, 100B) mit den Schritten: a) Erzeugen eines Grundkörpers (10) in einem additiven Fertigungsverfahren, wodurch der Grundkörper eine Vielzahl von Materialschichten (1, 2, 3,…) aufweist, die in einer ersten Aufbaurichtung (AR1) übereinanderliegen und b) Aufbringen mindestens einer Materialbahn (20, 30) auf die Außenkontur des Grundkörpers durch Auftragen eines plastifizierten Materialstrangs, so dass die mindestens eine Materialbahn (20, 30) mehrere der Materialschichten (1, 2, 3, …) miteinander verbindet. Weiterhin wird eine Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils und zur Durchführung des Verfahrens angegeben.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils unter Verwendung mindestens eines additiven Herstellungsverfahrens.
Es gibt eine Vielzahl an additiven Herstellungsverfahren. Alle Verfahren dieser Gruppe basieren auf dem sog. Schichtaufbauverfahren. Das bedeutet es werden Schicht für Schicht Bauteile generiert. Dies ermöglicht es sehr komplexe Bauteile herzustellen.
Jedoch weisen die mit additiven Herstellungsverfahren erzeugten Bauteile anisotrope Materialeigenschaften auf. „Anisotropie“ meint in diesem Zusammenhang, dass die Eigenschaften eines Materials je nach Krafteinwirkungsrichtung unterschiedlich sind. Dies liegt am schichtweisen Aufbauprozess, bei dem eine Schicht nach der anderen aufeinander aufgebracht wird. Die Aufbaurichtung entspricht üblicherweise der z-Richtung, also der Hochachse im Raum. Am Übergang von einer Schicht zur nächsten kommt es zu einer Materialschwächung aufgrund schlechter Schichthaftung. Üblicherweise sind Bauteile quer zur Aufbaurichtung deutlich stabiler und belastbarer als entlang der Aufbaurichtung. Dieses Problem sorgt dafür, dass Bauteile explizit für additive Verfahren ausgelegt und simuliert werden müssen. Wird ein bislang konventionell gefertigtes Bauteil durch ein schichtweise auftragendes, additives Verfahren erzeugt, kann es zu vorzeitigen Bauteilversagen kommen.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit anzugeben wie unter Verwendung von additiven Herstellungsverfahren verbesserte Bauteile hergestellt werden können. Insbesondere sollen die Bauteile hohen mechanischen Anforderungen genügen. Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils nach Patentanspruch 1 und eine Vorrichtung nach Patentanspruch 9. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils angegeben mit den Schritten: a) Erzeugen eines Grundkörpers in einem additiven Fertigungsverfahren, wodurch der Grundkörper eine Vielzahl von Matenalschichten aufweist, die in einer ersten Aufbaurichtung übereinanderliegen und b) Aufbringen mindestens einer Materialbahn auf die Außenkontur des Grundkörpers durch Aufträgen eines plastifizierten Materialstrangs, so dass die mindestens eine Materialbahn mehrere der Materialschichten miteinander verbindet.
Das herzustellende Bauteil weist neben einem Grundkörper also mindestens eine Materialbahn auf. Erst durch die Materialbahn oder mehrere Materialbahnen werden die gewünschten äußeren Abmessungen des Bauteils erreicht. Das Bauteil kann neben dem Grundkörper und der mindestens einen Materialbahn beispielsweise auch Bauteilelemente aufweisen, die bei der Herstellung des Grundkörpers oder dem Aufbringen der mindestens einen Materialbahn mit an den Grundkörper angebunden werden. Bei diesen Bauteilelementen kann es sich beispielsweise um Blechbauteile, vorzugsweise Blechprofile oder Gussbauteile handeln. Die Bauteilelemente können beispielsweise als Anbindungselemente zur Anbindung des Bauteils an weitere Bauteile ausgestaltet sein.
Vorzugsweise wird das Bauteil durch die mindestens eine Materialbahn finali- siert. Der Grundkörper wird mit einem additiven Herstellungsverfahren erzeugt. Hierbei wird der Grundkörper schichtweise aufgebaut, indem eine Vielzahl von Materialschichten nacheinander und übereinander auf einer Aufbauplattform angeordnet werden. Eine Materialschicht wird vorzugsweise in einer Aufbauebene erzeugt, wobei mehrere Aufbauebenen zur Erzeugung des Grundkörpers übereinander angeordnet werden. Die Materialschichten werden vorzugsweise durch Aufbringen und/oder Aufschmelzen und Verfestigen von Material in mehreren nebeneinander liegenden Reihen ausgebildet. Die Richtung, in welcher die Materialschichten übereinander liegen, wird als erste Aufbaurichtung bezeichnet. Der Grundkörper kann mit jedem additiven Fertigungsverfahren, wie z.B. 3-D-Druck, Lasersintern etc. ausgebildet werden und ist vorzugsweise aus einem Kunststoffmaterial oder einem Metallmaterial bzw. einer Metalllegierung ausgebildet.
Erfindungsgemäß wird nun mindestens eine Materialbahn so auf die Außenkontur des Grundkörpers aufgebracht, dass die mindestens eine Materialbahn mehrere der Materialschichten miteinander verbindet. Das Aufbringen der ersten Materialbahn erfolgt durch Ablegen eines plastifizierten Materialstrangs. Plastifizieren bezeichnet hierbei den Übergang eines Stoffes vom festen in einen verformbaren oder fließfähigen Zustand, es ist dann plastisch verformbar. Als Druckmaterial können vorzugsweise Polymere und Metalldrähte verwendet werden. Die Materialbahn wird außen auf den Grundkörper aufgetragen und erstreckt sich über mehrere der bereits vorhandenen Materialschichten des Grundkörpers. Insbesondere kann die mindestens eine Materialbahn alle Schichten des Grundkörpers miteinander verbinden. Hierzu wird zum Aufbringen der mindestens einen Materialbahn von der ersten Aufbaurichtung abgewichen. Beispielsweise kann die mindestens eine Materialbahn geneigt zur ersten Aufbaurichtung auf die Außenkontur des Grundkörpers aufgebracht werden oder quer zur ersten Aufbaurichtung. Hierdurch können die anisotropen Eigenschaften des Grundkörpers korrigiert werden. Anistrope Eigenschaften meint in diesem Kontext, dass - bedingt durch den schichtweisen Aufbau - der Grundkörper tendenziell eine Schwachheit entlang der Achse der Aufbaurichtung aufweist. Indem nun eine oder mehrere Materialbahnen die Schichten des Grundkörpers miteinander verbinden und überlagern, kann eine höhere Bauteilsteifigkeit und Bauteillebensdauer erreicht werden.
Besonders bevorzugt wird die mindestens eine Materialbahn mittels DED- Verfahren erzeugt. Das DED-Verfahren (Direct Energy Deposition-Verfahren) bezeichnet eine 3D-Druck Technologie, bei der mittels einer Druckvorrichtung mit einer Düse ein Materialstrang erzeugt wird und Schicht für Schicht zu einem 3D-gedruckten Objekt abgelegt wird. Das Druckmaterial wird plastifiziert (beispielsweise mittels Lichtbogen oder Laserstrahlung), auf die Oberfläche übertragen, erstarrt dort und bildet eine stoffschlüssige Verbindung mit dem darunterliegenden Material. Besonders bevorzugt wird als DED-Verfah- ren das WAAM Verfahren eingesetzt. Beim Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) wird ein Metalldraht unter Verwendung eines elektrischen Lichtbogens aufgeschmolzen und mittels eines Mehrachs-Manipulators in der gewünschten Form schichtweise auf dem Bauteil aufgebracht zur Erzeugung der gewünschten Materialbahn. Mit DED-Verfahren, im speziellen WAAM, können sehr hohe Materialauftragsraten erreicht werden, wodurch Bauteile deutlich wirtschaftlicher als mit anderen additiven Verfahren hergestellt werden können. Außerdem haben Bauteile hergestellt durch DED-Verfahren grobschlächtigere Oberflächen, welche sich wiederum besser für viele Nachbehandlungsverfahren wie z.B. das Tauchlackieren eignen. Zudem zeichnen sich Materialbahnen, die mit diesem Verfahren gefertigt werden, bei Verwendung eines entsprechenden Drahtwerkstoffs durch eine sehr hohe Duktilität aus.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass in Schritt b) mehrere Materialbahnen nebeneinander auf der Außenkontur des Grundkörpers aufgebracht werden. Vorzugsweise berühren oder überlappen sich be- nachbarte Materialbahnen, sodass sie eine zusammenhängende Schicht bilden. Hierdurch wird auf der Außenkontur eine Zusatzschicht gebildet, die den voranstehend beschriebenen Effekt noch verstärkt.
Hinsichtlich eines lastpfadgerechten Aufbaus des Bauteils ist es vorteilhaft, wenn in einer Ausgestaltung die mindestens eine Materialbahn oder die mehreren Materialbahnen in Lastrichtung des Bauteils verläuft/verlaufen. Derart kann die Bauteilfestigkeit erhöht werden und die Herstellung perform anterer Bauteile ist möglich.
In einer Variante kann das Verfahren den weiteren Schritt aufweisen: c) Erzeugen einer Zusatzstruktur durch Aufbringen mindestens einer weiteren Materialbahn auf der in Schritt b) erzeugten mindestens einen Materialbahn, derart, dass zwei oder mehr Materialbahnen in einer zweiten Aufbaurichtung übereinanderliegen, wobei sich die zweite Aufbaurichtung von der ersten Aufbaurichtung unterscheidet und die zweite Aufbaurichtung insbesondere quer zur ersten Aufbaurichtung verläuft. Derart ist eine selektive Materialaufdickung möglich, die es ermöglicht Radien oder Spitzen im darunterliegenden Materialaufbau auszugleichen. Hierdurch lässt sich die Gefahr von Spannungsrissen verringern. Zusätzlich kann die Zusatzstruktur in Form einer Versteifungsrippe oder ähnlichem ausgebildet werden. Die Zusatzstruktur ermöglicht eine höhere Bauteillebensdauer und schafft neue Gestaltungsfreiheiten hinsichtlich der Bauteilgeometrie.
Es ist besonders bevorzugt, wenn die Materialbahn oder die Materialbahnen oder die Zusatzstruktur zumindest einen Außenkonturabschnitt des Bauteils bilden. In einer Ausgestaltung können die Materialbahnen oder die Zusatzstruktur auf die gesamte Außenkontur des Bauteils bilden. Die Außenkontur des Bauteils trägt den Großteil der Bauteilbelastung. Indem die Materialbahn oder die Materialbahnen oder die Zusatzstruktur die Außenkontur des Bauteils mitgestalten, kann diese lastpfadgerecht ausgebildet werden. Dadurch ergeben sich mehr Freiheitsgrade hinsichtlich der Aufbaurichtung des Grundkörpers. Dieser kann hinsichtlich einer schnellen Fertigung optimiert werden. Beispielsweise kann der Grundkörper mit einem Lagenaufbau mit minimaler Fertigungszeit hergestellt werden und wird anschließend durch eine lastpfadgerechte Außenkontur oder Außenkonturabschnitte finalisiert. Hierdurch ergibt sich eine Zeitersparnis und eine Kostenreduzierung. Weiterhin können Treppenstufeneffekte an der Bauteiloberfläche des Grundkörpers ausgeglichen werden, was wiederum zu einer höheren Bauteillebensdauer führt. Weiterhin kann die Notwendigkeit von Nacharbeitsprozessen verringert werden.
Es ist besonders bevorzugt, wenn das Bauteil ein Fahrzeugbauteil und insbesondere ein Karosseriestrukturbauteil oder ein Fahrwerksbauteil ist.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils mit einer Aufbauplattform, die an einer ersten Positioniervorrichtung angeordnet ist, wobei die erste Positioniervorrichtung dazu eingerichtet ist, die Aufbauplattform im Raum zu drehen und zu kippen. Die Aufbauplattform kann jede geeignete Form aufweisen und beispielsweise eine ebene Platte und/oder eine Stützstruktur aufweisen, die geeignet ist das herzustellende Bauteil abzustützen. Die Aufbauplattform kann für das Verfahren durch die erste Positioniervorrichtung positioniert und definiert im Raum gehalten werden.
Die Vorrichtung weist weiterhin eine Druckvorrichtung mit einer Düse zum Austritt eines Materialstrangs auf, wobei die Druckvorrichtung eingerichtet ist den Materialstrang zu plastifizieren. Hierbei soll unter dem Begriff „Plastifizieren“ verstanden werden, dass das Material in einem verformbaren Zustand oder fließfähigen Zustand vorliegt, in dem es plastisch verformbar ist. Das Material verlässt die Düse als Strang, d.h. als ein ununterbrochenes Stück von Material. Die Druckvorrichtung ist an einer zweiten Positioniervorrichtung angeordnet, die dazu eingerichtet ist, die Düse im Raum zu positionieren. Die Aufbauplattform kann für das Verfahren durch die erste Positioniervorrichtung positioniert und definiert im Raum gehalten werden.
Die Vorrichtung beinhaltet weiterhin eine Steuerungsvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, die erste Positioniervorrichtung und die zweite Positioniervorrichtung anzusteuern um die Aufbauplattform sowie die Düse in vorgegebenen Positionen zu positionieren und die Druckvorrichtung zu betreiben. Hierzu steht die Steuerungsvorrichtung vorzugsweise in einer entsprechenden Wirkverbindung mit den Positioniervorrichtungen und der Druckvorrichtung.
Bei dieser Vorrichtung ist es besonders vorteilhaft, dass die Aufbaurichtung des Bauteilkörpers in Relation zur Plattform beliebig geändert werden kann und mehrere Aufbaurichtungen an einem Bauteilkörper realisiert werden können. Hierdurch lassen sich die bereits für das Verfahren beschriebenen Vorteile erzielen. Durch die beidseitige Positionierbarkeit von Plattform und Düse ist es möglich, den Aufbau immer in Richtung der Raumhochachse (z-Achse) durchzuführen.
Die Positioniervorrichtung ist vorzugsweise ein automatisiertes Mehrachssystem. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die erste Positioniervorrichtung und/oder die zweite Positioniervorrichtung ein mehrachsiger, insbesondere mindestens 6-achsiger Industrieroboter. Durch die mehrachsige Positioniervorrichtung lässt sich eine freie Positionierung im Raum, insbesondere in allen sechs Raumachsen erzielen, wodurch optimale Freiheitsgrade erzielt werden. Weiterhin ermöglichen die Industrieroboter eine schnelle Positionierung in einem großen Arbeitsbereich und somit die schnelle Herstellung auch großer Bauteile. Die Druckvorrichtung ist vorzugsweise dazu eingerichtet, einen plastifizierten Materialstrang aus einem Kunststoffmaterial oder aus einem Metallmaterial bereitzustellen. Eine derartige Druckvorrichtung kann beispielsweise als Kunststoffextrusionskopf ausgebildet sein, mittels dem ein Strang aus klassifiziertem Kunststoffmatenal ausgegeben wird. Beispielsweise kann die Drückvorrichtung auch ein metallisches Drahtmaterial mittels einer Energiequelle aufschmelzen. Beispielsweise kann als Energiequelle ein Widerstandsstrom oder ein Elektronenstrahl verwendet werden. Besonders bevorzugt ist die Verwendung eines Laserstrahls oder Lichtbogens.
In einer Ausgestaltung ist die Steuerungsvorrichtung dazu eingerichtet, die Aufbauplattform und die Düse zeitgleich zu bewegen, insbesondere während die Druckvorrichtung betrieben wird. Dies ermöglicht das Mitkippen bzw. Mitdrehen des Bauteilkörpers während das Material aufgebracht wird. Beispielsweise können Bauteilkörper und Düse jeweils so zueinander angeordnet werden, dass der Materialstrang im Wesentlichen in Richtung der Gravitationskraft und im Wesentlichen senkrecht auf die Bauteilkörperoberfläche aufgebracht wird. Hierdurch können auch komplexe Bauteiloberflächen in optimaler Lage mit einer zusätzlichen Materialbahn versehen werden. Es ergibt sich ein besserer Materialauftrag und eine bessere Anbindung des Materials an den bereits vorhandenen Grundkörper.
Für das Verfahren ist es besonders vorteilhaft, wenn das Erzeugen des Grundkörpers und das Aufbringen der mindestens einen Materialbahn mittels derselben voranstehend beschriebenen Vorrichtung erfolgt. Hierdurch lassen sich nicht nur die für die Vorrichtung beschriebenen Vorteile und technischen Wirkungen erzielen, sondern darüber hinaus wird die Anzahl der erforderlichen Handhabungsvorgänge auf ein Minimum reduziert. Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der Vorrichtung beschrieben sind, gelten auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sowie jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Sofern in dieser Anmeldung der Begriff "kann" verwendet wird, handelt es sich sowohl um die technische Möglichkeit als auch um die tatsächliche technische Umsetzung.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele an Hand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Darin zeigen in schematischer Darstellung:
Figur 1 zeigt Verfahrensschritte zur Herstellung eines beispielhaften Bauteils,
Figuren 2 und 3 beispielhafte Verfahrensschritte zur Herstellung weiterer Bauteile und
Figur 4 eine beispielhafte Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
Bei dem in Figur 1 schematisch dargestellten Herstellungsverfahren wird zunächst ein Grundkörper 10 mittels eines additiven Fertigungsverfahrens auf einer Aufbauplattform 210 erzeugt. Der Grundkörper wird aus mehreren Materialschichten 1 , 2, 3, ... aufgebaut, die in einer ersten Aufbaurichtung AR1 übereinanderliegen. Die Materialschichten 1 , 2, 3, ... werden nacheinander erzeugt. Beispielhaft wird jede Materialschicht in einem DED-Verfahren erzeugt, wozu ein plastifizierter Materialstrang mittels einer Druckvorrichtung 230 aus einer Düse 232 an einer vorgegebenen Position abgelegt wird. Grundsätzlich kann der Grundkörper 10 jedoch auch mit jedem anderen additiven Fertigungsverfahren erzeugt werden.
Zur Herstellung des Bauteils 100 wird nach dem Erzeugen des Grundkörpers 10 mindestens eine Materialbahn 20 auf die Außenkontur des Grundkörpers aufgebracht. In Figur 1 sind beispielhaft drei Materialbahnen 20, 22 und 24 dargestellt. Die Materialbahnen werden durch Ablegen des plastifizierten Materialstrangs mittels der Druckvorrichtung 230 erzeugt. Hierbei werden die Materialbahnen 20, 22, 24 derart in Relation zum Grundkörper 10 angeordnet, dass sie mehrere der Materialschichten 1 , 2, 3, ... miteinander verbinden. Figur 1 zeigt beispielhaft Materialbahnen, die quer über die Materialschichten verlaufen. Vorzugsweise werden die Materialbahnen mittels eines DED-Verfahrens und besonders bevorzugt mittels eines WAAM Verfahrens erzeugt.
Gemäß Figur 1 sind die Materialbahnen beabstandet zueinander an der Außenkontur des Grundkörpers 10 angeordnet. Alternativ ist es, wie in Figur 2 gezeigt, auch möglich, dass die Materialbahnen aneinander angrenzen bzw. sich teilweise überschneiden und eine zusammenhängende Materialschicht bilden (siehe Materialbahnen 30, 31 , 32, ... am Bauteil 100A). Auch bei dieser Ausgestaltung verläuft jede Materialbahn 30, 31 , 32 quer über mehrere Materialschichten 1 , 2, 3 des Grundkörpers 10 und verbindet diese miteinander.
Figur 3 zeigt eine Ausgestaltung, bei der auf dem Grundkörper 10 des Bauteils 100B eine Zusatzstruktur 40 ausgebildet wird. Die Zusatzstruktur 40 weist mindestens zwei Materialbahnen 20 und 42 auf, die in einer zweiten Aufbaurichtung AR2 übereinanderliegen. Die zweite Aufbaurichtung AR2 unterscheidet sich hierbei von der ersten Aufbaurichtung AR1 und verläuft im gezeigten Beispiel quer zu dieser. Auch in dieser Zusatzstruktur erstrecken sich die Materialbahnen über mehrere Matenalschichten 1 , 2, 3 und verbinden diese miteinander.
Zum Ablegen der Materialbahn(en) 20, 22, 24, 30, 31 , 32, 42 wird die Aufbauplattform 210 vorzugsweise gekippt und/oder ggf. gedreht, so dass die Ablage des Materialbahn(en) auf den darunter liegenden Grundkörper 10 vorzugsweise in Richtung der Schwerkraft erfolgen kann.
Das mit dem Verfahren hergestellte Bauteil 100, 100A, 100B kann neben dem Grundkörper 10 und der mindestens einen Materialbahn 20, 30 beispielsweise auch nicht dargestellte Bauteilelemente aufweisen, die bei der Herstellung des Grundkörpers 10 oder dem Aufbringen der mindestens einen Materialbahn 20, 30 mit an den Grundkörper 10 angebunden werden. Bei diesen Bauteilelementen kann es sich beispielsweise um Blechbauteile, vorzugsweise Blechprofile oder Gussbauteile handeln. Die Bauteilelemente können beispielsweise als Anbindungselemente zur Anbindung des Bauteils an weitere Bauteile ausgestaltet sein.
Figur 4 zeigt eine beispielhafte Vorrichtung 200 zur Herstellung eines Bauteils, vorzugsweise gemäß einem der voranstehenden Ausführungsbeispiele. Die Vorrichtung 200 beinhaltet eine Aufbauplattform 210, die an einer ersten Positioniervorrichtung 220 angeordnet ist. Die erste Positioniervorrichtung 220 ist insbesondere ein mehrachsiger Industrieroboter. Die erste Positioniervorrichtung 220 ist dazu eingerichtet, die Aufbauplattform 210 im Raum zu drehen und zu kippen.
Weiterhin weist die Vorrichtung 200 eine Druckvorrichtung 230 auf mit einer Düse 232 zum Austritt eines Materialstrangs, wobei die Druckvorrichtung 230 eingerichtet ist den Materialstrang zu plastifizieren. Beispielsweise kann ein Drahtmaterial mittels Lichtbogen oder Laserstrahlung zum plastifizierten Materialstrang aufgeschmolzen werden. Die Druckvorrichtung 230 ist an einer zweiten Positioniervorrichtung 240 angeordnet, die dazu eingerichtet ist, die Düse 232 im Raum zu positionieren. Vorzugsweise ist die zweite Positioniervorrichtung 240 ein mehrachsiger Industrieroboter. Insbesondere kann die Düse in Relation zur Aufbauplattform 210 bzw. einem bereits hergestellten Bauteilabschnitt ausgerichtet werden.
Weiterhin ist eine Steuerungsvorrichtung 250 vorgesehen, die dazu eingerichtet ist, die erste Positioniervorrichtung 220 und die zweite Positioniervorrichtung 240 anzusteuern um die Aufbauplattform 210 sowie die Düse 232 in vorgegebenen Positionen zu positionieren und die Druckvorrichtung 230 zu betreiben. Vorzugsweise werden Aufbauplattform und Düse so zueinander positioniert, dass die Materialbahn(en) 20, 22, 24, 30, 31 , 32, 42 an vorgegebener Stelle und insbesondere mit der Schwerkraft auf den Grundkörper 10 aufgebracht werden können
Die Steuerungsvorrichtung 250 kann vorzugsweise dazu eingerichtet sein, die Aufbauplattform 210 und die Düse 232 zeitgleich zu bewegen, insbesondere während die Druckvorrichtung 230 betrieben wird. Hierdurch wird eine optimale Ablage des plastifizierten Materialstrangs zur Erzeugung der Materi- albahn(en) 20, 22, 24, 30, 31 , 32, 42 auch an komplexen Geometrien möglich. Beispielsweise kann die Positionierung von Aufbauplattform und Düse so erfolgen, dass die Düse mit gleichbleibendem Abstand und stets senkrecht zur Kontur des Grundkörpers geführt wird.
Die voranstehend beschriebene Vorrichtung eignet sich insbesondere um den Grundkörper zu erzeugen sowie die Materialbahn(en) darauf abzulegen und so einen Handhabungsschritt einzusparen. Bezugszeichenliste
1 , 2, 3 Matenalschichten
10 Grundkörper
20, 22, 24, 30, 31 , 32, 42 Materialbahn
40 Zusatzstruktur
100, 100A, 100B Bauteil
200 Vorrichtung
210 Aufbauplattform
220 Positioniervorrichtung
230 Druckvorrichtung
232 Düse
240 Positioniervorrichtung
250 Steuerungsvorrichtung
AR1 , AR2 Aufbaurichtung

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (100, 100A, 100B) mit den Schritten: a) Erzeugen eines Grundkörpers (10) in einem additiven Fertigungsverfahren, wodurch der Grundkörper eine Vielzahl von Materialschichten (1 , 2, 3,... ) aufweist, die in einer ersten Aufbaurichtung (AR1 ) übereinanderliegen und b) Aufbringen mindestens einer Materialbahn (20, 30) auf die Außenkontur des Grundkörpers durch Aufträgen eines plastifizierten Materialstrangs, so dass die mindestens eine Materialbahn (20, 30) mehrere der Materialschichten (1 , 2, 3, ... ) miteinander verbindet.
2. Verfahren nach Patentanspruch 1 , bei dem das Aufbringen der mindestens eine Materialbahn (20, 30) mittels eines DED-Verfahrens erfolgt.
3. Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, bei dem in Schritt b) mehrere Materialbahnen (30, 31 , 32, ... ) nebeneinander auf der Außenkontur des Grundkörpers aufgebracht werden.
4. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, bei dem die mindestens eine Materialbahn (20) oder die mehreren Materialbahnen (20, 22, 24, 30, 31 ) in Lastrichtung des Bauteils (100) verläuft/verlaufen.
5. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, mit dem weiteren Schritt: c) Erzeugen einer Zusatzstruktur (40) durch Aufbringen mindestens einer weiteren Materialbahn (42) auf der in Schritt b) erzeugten mindestens einen Materialbahn (20), derart, dass zwei oder mehr Materialbahnen (20, 42) in einer zweiten Aufbaurichtung (AR2) übereinanderliegen, wobei sich die zweite Aufbaurichtung (AR2) von der ersten Aufbaurichtung (AR1 ) unterscheidet und die zweite Aufbaurichtung (AR2) insbesondere quer zur ersten Aufbaurichtung (AR1 ) verläuft.
6. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, bei dem die Materialbahn (20) oder die Materialbahnen (30, 31 , 32, ... ) oder die Zusatzstruktur (40) zumindest einen Außenkonturabschnitt des Bauteils (100) bilden.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem das Bauteil (100) ein Fahrzeugbauteil und insbesondere ein Karosseriestrukturbauteil oder Fahrwerksbauteil ist.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem das Erzeugen des Grundkörpers (10) und das Aufbringen der mindestens einen Materialbahn (20, 30) mittels derselben Vorrichtung, insbesondere der Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 7 bis 10 erfolgt.
9. Vorrichtung (200) zur Herstellung eines Bauteils (100) mit: einer Aufbauplattform (210), die an einer ersten Positioniervorrichtung (220) angeordnet ist, wobei die erste Positioniervorrichtung (220) dazu eingerichtet ist, die Aufbauplattform (210) im Raum zu drehen und zu kippen, einer Druckvorrichtung (230) mit einer Düse (232) zum Austritt eines Materialstrangs, wobei die Druckvorrichtung (230) eingerichtet ist den Materialstrang zu plastifizieren, einer zweiten Positioniervorrichtung (240), an der die Druckvorrichtung (230) angeordnet ist und die dazu eingerichtet ist, die Düse (232) im Raum zu positionieren, einer Steuerungsvorrichtung (250), die dazu eingerichtet ist, die erste Positioniervorrichtung (220) und die zweite Positioniervorrichtung (240) anzusteuern um die Aufbauplattform (210) sowie die Düse (232) in vorgegebenen Positionen zu positionieren und die Drückvorrichtung (230) zu betreiben.
10. Vorrichtung nach Patentanspruch 9, bei der die erste Positioniervorrichtung (220) und/oder die zweite Positioniervorrichtung (240) ein mehrachsiger Industrieroboter ist.
11 . Vorrichtung nach Patentanspruch 9 oder 10, bei der die Druckvorrichtung (230) eingerichtet ist einen plastifizierten Materialstrang aus einem Kunststoffmaterial oder aus einem Metallmaterial bereitzustellen.
12. Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 9 bis 11 , bei der die Steuerungsvorrichtung (250) dazu eingerichtet ist, die Aufbauplattform (210) und die Düse (232) zeitgleich zu bewegen, insbesondere während die Druckvorrichtung (230) betrieben wird.
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