-
Die Erfindung betrifft ein additives Fertigungsverfahren.
-
Es existieren heutzutage verschiedene Verfahren, mittels derer basierend auf Konstruktionsdaten dreidimensionale Modelle aus formlosen oder formneutralen Materialien wie Pulvern (ggf. unter Zusatz eines Bindemittels) oder Flüssigkeiten (was auch zeitweise aufgeschmolzene Feststoffe einschließt) hergestellt werden können. Diese Verfahren sind auch unter Sammelbegriffen wie „Rapid Prototyping“, „Rapid Manufacturing“ oder „Rapid Tooling“ bekannt. Oftmals findet hierbei ein Urformungsschritt hat, bei dem das Ausgangsmaterial entweder von vornherein flüssig vorliegt oder zwischenzeitig verflüssigt wird und an vorgesehener Stelle aushärtet. Ein bekanntes Verfahren ist hierbei das sogenannte Schmelzbeschichten (fused deposition modeling, FDM), bei dem ein Werkstück schichtweise aus thermoplastischen Kunststoff aufgebaut wird. Der Kunststoff wird z.B. pulverförmig oder strangförmig zugeführt, aufgeschmolzen und in geschmolzener Form von einem Druckkopf appliziert, der nacheinander einzelne, in der Regel waagerechte Schichten des herzustellenden Objekts aufträgt.
-
Daneben sind Verfahren bekannt, bei denen ein pulverförmiger Stoff, z.B. ein Kunststoff, schichtweise aufgetragen und selektiv mittels eines lokal aufgetragenen bzw. aufgedruckten Bindemittels ausgehärtet wird. Bei wiederum anderen Verfahren, wie z.B. selektivem Lasersintern (SLS), wird ein Pulver z.B. mit Hilfe einer Rakel schichtweise auf eine Basisplatte aufgebracht. Das Pulver wird mittels einer geeigneten fokussierten Strahlung, z.B. eines Laserstrahls, selektiv erwärmt und dadurch gesintert. Nach dem Aufbau einer Schicht wird die Basisplatte geringfügig abgesenkt und eine neue Schicht aufgetragen. Als Pulver können hierbei Kunststoffe, Keramik oder Metalle eingesetzt werden. Das nicht-gesinterte Pulver muss nach dem Herstellungsprozess entfernt werden. Bei einem ähnlichen Verfahren, dem selektiven Laserschmelzen (SLM) ist die durch die Strahlung eingetragene Energiemenge so hoch, dass das Pulver bereichsweise aufgeschmolzen wird und zu einem zusammenhängenden Festkörper erstarrt.
-
In vielen Fällen ist es notwendig, neben der eigentlichen nutzbaren Form des Objekts zusätzlich Stützstrukturen bzw. Verbindungsstrukturen zu erzeugen, die das Objekt mit der Basisplatte verbinden. Hierbei kann es sich um Säulen, Stege, Stelzen oder ähnliche Elemente handeln, die normalerweise senkrecht verlaufen. Diese dienen zum einen dazu, bei überhängenden Formen eine sichere Abstützung zu gewährleisten und zu verhindern, dass sich Teile des Objekts beim Fertigungsprozess verschieben. Zum anderen wird insbesondere bei Fertigungsverfahren wie SLM, die mit einem starken Wärmeeintrag verbunden sind, durch die Verbindungsstrukturen eine Wärmeabführung vom Objekt zur Basisplatte gewährleistet und verhindert, dass sich das Objekt bei der Fertigung durch Temperaturunterschiede verzieht.
-
Wenn die Fertigung des Objekts abgeschlossen ist, muss dieses zusammen mit den Verbindungsstrukturen von der Basisplatte entfernt werden, wofür die Basisplatte in der Regel aus der Fertigungsvorrichtung entnommen werden muss. All dies geschieht manuell, wodurch sich die Taktzeiten und die Produktionskosten wesentlich erhöhen. Die manuelle Trennung des Objekts von der Basisplatte erfolgt heutzutage normalerweise durch Funkenerodieren (EDM, electrical discharge machining), genauer gesagt Drahterodieren, oder mechanisch z.B. mittels einer Säge. Abgesehen vom Zeitaufwand, besteht beim Drahterodieren das Problem, dass der Draht beim Kontakt mit Metallpulver zum Reißen neigt. Dies bedeutet eine weitere Verzögerung und Erhöhung der Kosten. Aufgrund der aufgezeigten Probleme sind Verfahren wie SLS oder SLM derzeit nicht für eine wirtschaftliche Serienproduktion geeignet.
-
Die
US 5,753,274 A offenbart ein additives Fertigungsverfahren, bei dem ein Objekt durch schichtweises selektives Sintern oder Verschmelzen eines pulverförmige Materials hergestellt wird. Hierbei wird als Grundlage für die Fertigung eine vorgefertigte Platte eines Materials verwendet, an dem die erste Schicht des Objekts anhaftet. Die genannte Platte wird bspw. durch Verschrauben auf einer Trägerplattform der Fertigungsvorrichtung gesichert.
-
In der
CN 204020013 U ist ein Positionierungsverfahren für einen Druckkopf eines 3D-Druckers offenbart. Bei dem gezeigten Drucker erfolgt der Aufbau eines Objekts auf einer Plastikplatte, die mittels Klemmen an einer Basisplattform gesichert ist. Nach Ende der Fertigung kann die Plastikplatte zusammen mit dem Objekt von der Basisplattform entfernt werden.
-
Die
JP H02-128829 A zeigt ein additives Fertigungsverfahren, bei dem ein Objekt durch schichtweise Aushärtung einer lichthärtbaren Flüssigkeit hergestellt wird. Der Aufbau erfolgt hierbei auf einer biegsamen Grundplatte. Während der Fertigung wird die Grundplatte eben unterstützt. Nach Abschluss der Fertigung wird die Grundplatte gebogen, wodurch ein Ablösen vom gefertigten Objekt erfolgt.
-
In der
US 2014/0178588 A1 ist ein 3-D-Druckverfahren gezeigt, bei dem mittels FDM ein Objekt auf eine Basis gedruckt wird, die entweder durch eine Endlosfolie oder durch eine Platte gebildet sein kann. Die Platte weist hierbei eine Mehrzahl von Ausnehmungen auf, in die das ausgehärtete Material des Objekts eingreift und so über einen Formschluss eine Verankerung an der Platte herstellt.
-
Die
CN 104772463 A offenbart ein additives Fertigungsverfahren für metallische Objekte, bei dem spezielle Stützstrukturen am Objekt erzeugt werden, die aus hohlen, bspw. prismatischen Säulen bestehen. Der Querschnitt der Säulen kann bspw. quadratisch oder sechseckig sein und in der Wand der Säule können Ausnehmungen vorgesehen sein.
-
Aus der
WO 2015/107066 A1 ist ein additives Fertigungssystem bekannt, bei dem eine strahlungshärtbare Flüssigkeit, die auf eine transparenten Folie aufgebracht wird, schichtweise selektiv ausgehärtet wird. Die härtende Strahlung wird hierbei teilweise durch eine zwischengeordnete Maske abgeschirmt. Der Aufbau des Objekts erfolgt von oben nach unten, wobei das Objekt nach dem Aushärten jeder Schicht von der Folie abgelöst und um eine Schichtdicke aufwärts verlagert wird. Zum Ablösen wird die Folie, die beim Aushärten der Schicht eben ist, konvex gebogen.
-
Die
US 2014/0335313 A1 offenbart ein additives Fertigungsverfahren zum erzeugen eines Objekts aus metallischem Pulver. Es werden Stützstrukturen erzeugt, um einerseits überhängende Teile des Objekts abzusichern und andererseits eine Wärmeableitung zu gewährleisten. Die Stützstrukturen sind dabei nicht in unmittelbarem Kontakt mit dem Rest des Objekts, sondern von diesem durch einen dünnen, pulvergefüllten Spalt getrennt, dessen Breite so gewählt ist, dass ein effektiver Wärmetransport durch den Spalt möglich ist.
-
Die
EP 0 857 111 B1 offenbart ein Folienlaminat mit einer Substratfolie sowie Schutzfolien, die unter Zwischenschaltung einer Klebeschicht beiderseits auf die Substratfolie auflaminiert sind. Die Klebeschicht ist dabei eine durch Strahlung gehärtete, druckempfindliche Klebeschicht. Auf einer gegenüberliegenden Seite der Schutzfolie ist eine weitere, bspw. mittels eines Elektronenstrahls ausgehärtete Schicht auflaminiert, die ein ungewolltes Anhaften des Folienlaminats verhindern soll.
-
Angesichts des aufgezeigten Standes der Technik bietet die Effizienz additiver Fertigungsverfahren noch Raum für Verbesserungen. Insbesondere ist es wünschenswert, ein pulverbasiertes Verfahren zu schaffen, dass schneller arbeitet und automatisierbar ist, so dass es auch für eine Serienfertigung geeignet ist.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein effizientes additives Fertigungsverfahren zur Verfügung zu stellen.
-
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein additives Fertigungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, wobei die Unteransprüche vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung betreffen.
-
Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale sowie Maßnahmen in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
-
Durch die Erfindung wird ein additives Fertigungsverfahren zur Verfügung gestellt. Das Verfahren kann dem Bereich des Rapid Prototyping zugeordnet werden. Wie allerdings noch deutlich werden wird, ist es nicht nur zur Fertigung von Prototypen bzw. einzelnen Modellen geeignet, sondern insbesondere auch zur Serienfertigung.
-
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird metallisches Pulver schichtweise auf eine Basisfläche aufgetragen, die anteilig durch eine Basisplatte und wenigstens ein in einer Durchgangsöffnung der Basisplatte angeordnetes Einsatzteil gebildet wird, und bereichsweise durch Erhitzen verbunden, wodurch ein Objekt mit wenigstens einer Verbindungsstruktur gefertigt wird, die mit dem Einsatzteil verbunden ist. Als metallisches Pulver wird hierbei jedes pulver- bzw. partikelförmige Material bezeichnet, das wenigstens ein Metall umfasst. Es kann sich auch um eine Legierung oder ein Gemisch aus Partikeln unterschiedlicher Metalle handeln. Das Pulver kann auch Halbmetalle oder Nichtmetalle enthalten, bspw. als Bestandteil einer Legierung. Als Metalle kommen u.a. Aluminium, Titan und Eisen infrage.
-
Das Auftragen des Pulvers geschieht schichtweise, normalerweise entlang einer Aufbaufläche, die insbesondere parallel zur Basisfläche verlaufen kann. D.h., es wird bspw. mittels einer Auftragvorrichtung jeweils eine Schicht dieses Pulvers aufgetragen. Die Schichtdicke kann dabei bspw. zwischen 10 µm und 500 µm liegen, wobei allerdings auch andere Schichtdicken denkbar sind. Eine solche Auftragvorrichtung kann eine oder mehrere Abgabeöffnungen aufweisen, aus denen das Pulver bspw. der Schwerkraft folgend austritt. Um einen glatten und gleichmäßigen Schichtaufbau zu ermöglichen, kann die Auftragvorrichtung eine Glättvorrichtung, z.B. eine Rakel oder Klinge umfassen, die parallel zur Basisfläche bewegt wird und die Oberfläche des Pulvers glättet. In aller Regel ist die Aufbaufläche eben. Das Auftragen erfolgt hierbei schichtweise auf die Basisfläche, d.h. die erste Schicht wird unmittelbar auf die Basisfläche aufgetragen, wonach die weiteren Schichten sukzessive übereinander aufgetragen werden. Die Basisfläche ist bevorzugt wenigstens überwiegend eben ausgebildet, wobei kleinere, lokale Abweichungen von der ebenen Form ggf. unproblematisch sind.
-
Die Basisfläche verläuft normalerweise horizontal, wobei waagerechte Pulverschichten (in vertikaler Richtung) übereinander geschichtet werden. Unter Umständen kann die Basisfläche aber auch wenigstens teilweise von der Horizontalen abweichen und mit dieser bspw. einen Winkel von bis zu 30° einschließen. Zu beachten ist, dass der Winkel kleiner ist als der Schüttwinkel des jeweiligen metallischen Pulvers, um ein Abrutschen zu verhindern.
-
Die Basisfläche, auf die das Pulver aufgetragen wird, wird dabei anteilig durch eine Basisplatte und wenigstens ein in einer Durchgangsöffnung der Basisplatte angeordnetes Einsatzteil gebildet. Der Begriff „Platte“ ist dabei nicht einschränkend hinsichtlich der Form auszulegen, etwa dahingehend, dass die Basisplatte zwangsläufig eine gleichbleibende Dicke aufweisen muss. Insbesondere kann die Basisplatte auch fest mit einem Bauteil verbunden sein, dass sich nicht als plattenförmig beschreiben lässt. Normalerweise weist die Basisplatte senkrecht zur Basisfläche eine geringere Abmessung auf als in Richtung der Basisfläche, dies ist allerdings nicht zwangsläufig der Fall. In einem weiteren Sinne könnte man statt einer Basisplatte auch von einem „Basiskörper“ sprechen. Die Basisplatte (genauer gesagt: eine Oberfläche der Basisplatte) bildet einen Teil (bzw. eine Teilfläche) der Basisfläche. Ein anderer Teil (bzw. eine andere Teilfläche) wird durch das wenigstens eine Einsatzteil (genauer gesagt: durch eine Oberfläche desselben) gebildet. Die Basisplatte weist wenigstens eine Durchgangsöffnung auf, wobei in jeder Durchgangsöffnung ein Einsatzteil angeordnet ist. Dies schließt prinzipiell die Möglichkeit ein, dass in einer Durchgangsöffnung mehr als ein Einsatzteil angeordnet ist, normalerweise ist es allerdings genau ein Einsatzteil pro Durchgangsöffnung. Da es sich um eine durchgehende Öffnung handelt, kann das jeweilige Einsatzteil auch von einer der Basisfläche abgewandten Seite der Arbeitsplatte erreicht werden und ggf. auch von dieser Seite eingebracht und herausgenommen werden. Die Basisfläche wird anteilig durch die Basisplatte und das bzw. die Einsatzteile gebildet, d.h. der Pulverauftrag erfolgt sowohl auf die Basisplatte als auch auf die Einsatzteile, genauer gesagt auf diejenigen Oberflächen, die die Basisfläche bilden.
-
Um den Aufbau der einzelnen Schichten übereinander zu ermöglichen, kann nach dem Auftragen einer Schicht die Basisplatte zusammen mit den Einsatzteilen jeweils um eine Schichtdicke verfahren werden. Auf diese Weise kann der Auftrag einer Schicht bezogen auf ein stationäres System immer in der gleichen Ebene erfolgen. Alternativ wäre es auch denkbar, wenngleich im Allgemeinen aufwändiger, dass die Basisplatte stationär gehalten wird und eine Auftragvorrichtung nach und nach höher verlagert wird.
-
Das schichtweise aufgetragene Pulver wird bereichsweise durch Erhitzen verbunden. D.h., es werden Bereiche einer jeweiligen Schicht erhitzt, wodurch die Pulverpartikel miteinander verbunden werden. Gleichzeitig wird auch eine Verbindung mit der darunterliegenden Schicht hergestellt. Beim Erhitzen kann die Schmelztemperatur des metallischen Pulvers überschritten werden, so dass ein tatsächliches Verschmelzen erfolgt, oder die Schmelztemperatur wird nicht erreicht, wobei das Verbinden durch ein Sintern erfolgt. Es sind auch Verfahrensabläufe denkbar, bei denen die Pulverpartikel teilweise durch Verschmelzen und teilweise durch Sintern verbunden werden. Normalerweise erfolgt das Erhitzen durch Strahlungseinwirkung (z.B. elektromagnetische Strahlung oder einen Elektronenstrahl), durch welche das Pulver entweder aufgeschmolzen wird und erstarrt oder aber gesintert wird. Insbesondere kann das Verbinden des Pulvers durch selektives Laserschmelzen (SLM), selektives Elektronenstrahlschmelzen (SEBM), oder selektives Lasersintern (SLS) erfolgen.
-
Selbstverständlich erfolgt das Erhitzen bzw. die Strahlungseinwirkung im Sinne eines zielgerichteten Fertigungsverfahrens hierbei normalerweise entsprechend einem bestimmten Muster. Man könnte auch sagen, dass eine vorbestimmte Fläche erhitzt bzw. bestrahlt wird. Hierbei ist es möglich, dass bspw. ein Abtasten der Fläche durch einen eng fokussierten Strahl erfolgt oder aber dass auf einmal ein bestimmtes Strahlungsmuster projiziert wird. Die Ausrichtung z.B. eines Laserstrahls bezüglich der Basisfläche erfolgt hierbei in der Regel nicht durch ein Bewegen eines Lasers selbst, sondern indem ein vom Laser erzeugter Strahl mittels wenigstens eines beweglichen Spiegels umgelenkt wird. Es versteht sich, dass das räumliche bzw. zeitliche Strahlungsmuster entsprechend vorgegebener Daten (z.B. CAM-Daten) eines herzustellenden Objekts gesteuert werden kann. Die bestrahlte Fläche entspricht hierbei einem (in aller Regel ebenen) Querschnitt des Objekts.
-
Durch das schichtweise Auftragen und selektive Verbinden des Pulvers wird ein Objekt mit wenigstens einer Verbindungsstruktur gefertigt, die mit dem wenigstens einen Einsatzteil verbunden ist. D.h., das Objekt wird Schicht für Schicht aufgebaut, wobei eine oder mehrere Verbindungsstrukturen hergestellt werden, die das Objekt mit dem wenigstens einen Einsatzteil verbinden. Die Verbindungsstrukturen sind hierbei normalerweise nicht Teil der nutzbaren Form des Objekts, sondern stellen Hilfsstrukturen dar, die einerseits der mechanischen Abstützung dienen können (womit sie auch als Stützstrukturen bezeichnet werden können), andererseits der Wärmeableitung zum Einsatzteil hin dienen. Im Hinblick auf den Wärmeeintrag, der mit dem Objektaufbau verbunden ist, wären andernfalls starke lokale Temperaturunterschiede zu befürchten, die über einen längeren Zeitraum bestehen blieben. Eine gute Wärmeabgabe von dem Objekt ist weder an umgebende Gase, noch durch an das Objekt angrenzendes Pulver möglich, da beides relativ schlechte Wärmeleiter sind. Die Verbindungsstrukturen ermöglichen eine verbesserte Wärmeableitung zum wenigstens einen Einsatzteil. Hierdurch wird auch eine thermisch bedingte Verformung, bspw. ein Verbiegen oder ein Verzug des Objekts, zumindest weitgehend verhindert. Ohne das Vorhandensein des Basiskörpers könnte sich das Objekt so stark verformen, dass z.B. der Auftrag einer nachfolgenden Pulverschicht behindert würde. Derartige Verbindungsstrukturen können die Form von Halterungen, Aufhängungen, Stützen, Stelzen oder Ähnlichem haben. Sie können auch eine durchbrochene, bspw. gitter-, netz- oder wabenartige Struktur aufweisen. Der Plural „Verbindungsstrukturen“ ist nicht einschränkend hinsichtlich der physischen Ausgestaltung auszulegen und schließt auch eine einzige, körperlich im Wesentlichen zusammenhängende Gestalt ein. Die Verbindung mit dem wenigstens einen Einsatzteil kann bspw. darauf beruhen, dass die wenigstens eine Verbindungsstruktur mit diesem lokal verschmilzt oder zumindest gesintert wird oder auch das nur das metallische Pulver schmilzt und nach dem Erstarren an dem (nicht angeschmolzenen) Einsatzteil anhaftet.
-
Bevorzugt bestehen sowohl die Basisplatte als auch die Einsatzteile wenigstens überwiegend aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, bspw. einem Metall. Hierdurch wird eine effektive Wärmeableitung über die Verbindungsstruktur(en) des Objekts zu den Einsatzteilen und von den Einsatzteilen zur Basisplatte ermöglicht. Bevorzugt befindet sich das jeweilige Einsatzteil in wärmeleitendem Kontakt mit der Basisplatte. Es ist allerdings auch denkbar, dass die Wärmeableitung von den Einsatzteilen zumindest anteilig nicht über die Basisplatte, sondern über ein weiteres Bauteil erfolgt.
-
Nachdem die Fertigung abgeschlossen ist, wird jedes Einsatzteil innerhalb einer Durchgangsöffnung gegenüber der Basisplatte verstellt, wodurch wenigstens Teile der wenigstens einen Verbindungsstruktur vom Einsatzteil abgetrennt wird. Das Verstellen des jeweiligen Einsatzteils kann jegliche Art von Positionsveränderung gegenüber der Basisplatte sein, d.h. man könnte auch sagen, die Position des Einsatzteils gegenüber der Basisplatte wird verändert. Die Verstellung kann eine Drehung und/oder eine (lineare) Verschiebung des Einsatzteils gegenüber der Basisplatte umfassen. Durch die Verstellung wird die jeweilige Verbindungsstruktur ganz oder teilweise vom Einsatzteil abgetrennt. Es ist möglich, dass Teile der Verbindungsstrukturen am Einsatzteil verbleiben. Das Abtrennen beruht letztendlich darauf, dass das Objekt der Bewegung des Einsatzteils beim Verstellen nicht folgen kann. Dies kann unterschiedliche Gründe haben. Im Falle nur eines Einsatzteils ist es möglich, dass das Verstellen schnell, gewissermaßen ruckartig erfolgt, so dass das Objekt aufgrund seiner Trägheit der Bewegung nicht schnell genug folgen kann, wodurch die Verbindungsstruktur getrennt wird. Es ist auch möglich, dass das Objekt mit der Basisplatte in Kontakt steht bzw. durch das Verstellen mit dieser in Kontakt kommt, wodurch es gehindert wird, der Bewegung des Einsatzteils zu folgen. Weiterhin kann das Objekt für den Vorgang des Verstellens durch eine Haltevorrichtung (einen Greifer oder dergleichen) erfasst werden. Es ist auch möglich, dass das Objekt mit mehreren Einsatzteilen verbunden ist, wobei das Abtrennen daraus resultiert, dass die verschiedenen Einsatzteile nicht parallel zueinander verstellt werden und/oder zu unterschiedlichen Zeitpunkten verstellt werden. Weiterhin ist denkbar, dass das nicht verbundene Pulver zunächst nicht entfernt wird und das Objekt in diesem eingebettet bleibt, während das oder die Einsatzteile verstellt werden. In diesem Fall kann das Pulverbett, das seinerseits an einer Seitenwand oder dergleichen abgestützt ist, das Objekt gegen Verschiebungen sichern. Das Abtrennen einer Verbindungsstruktur kann z.B. auf einer Biegebelastung, Scherbelastung und/oder Zugbelastung beruhen. Dem Abtrennen kann ein Abreißen oder Abbrechen zu Grunde liegen.
-
Üblicherweise wird vor dem Verstellen des wenigstens einen Einsatzteils die Basisplatte zusammen mit dem/den Einsatzteil(en) und dem Objekt einschließlich der Verbindungsstruktur(en) aus einem Fertigungsbereich innerhalb einer additiven Fertigungsvorrichtung entfernt. Das Abtrennen der Verbindungsstrukturen erfolgt in diesem Fall an einem anderen Ort. Es sind allerdings auch Ausgestaltungen denkbar, bei denen die Basisplatte in der Fertigungsvorrichtung verbleibt, während das Abtrennen der Verbindungsstrukturen durchgeführt wird.
-
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann auf den Einsatz zusätzlicher mechanischer oder sonstiger Schneid- bzw. Trennwerkzeuge verzichtet werden. Das Abtrennen der Verbindungsstrukturen erfolgt durch das Verstellen des wenigstens einen Einsatzteils. Da jedes Einsatzteil in einer Durchgangsöffnung angeordnet ist, kann das Verstellen von einer dem gefertigten Objekt sowie der Basisfläche abgewandten Seite erfolgen, d.h. es ist kein Eingreifen in den Bereich oberhalb der Basisfläche nötig. Es muss auch nicht unmittelbar auf die Oberfläche des Einsatzteils zugegriffen werden, an der sich die Verbindungsstruktur befindet. D.h., auch in solchen Fällen, in denen aufgrund der Form des Objekts dieser Bereich schwer zugänglich ist, lässt sich das Abtrennen einfach und zuverlässig durchführen. Das Verfahren eignet sich daher auch für eine kostengünstige Serienproduktion von Werkstücken. Da das Abtrennen von einer dem Objekt abgewandten Seite der Basisplatte möglich ist, besteht dabei auch keine Gefahr einer ungewollten Beschädigung des Objekts.
-
In vielen Fällen verbleiben Teile der Verbindungsstruktur auch nach dem Verstellen an dem jeweiligen Einsatzteil, so dass dieses ohne Reinigung oder Aufbereitung nicht für einen weiteren Fertigungsvorgang verwendet werden kann. Daher wird gemäß einer bevorzugten Variante wenigstens ein Einsatzteil nach dem Abtrennen der wenigstens einen Verbindungsstruktur aus der Durchgangsöffnung entfernt. Es kann ggf. gereinigt oder anderweitig aufbereitet werden, um wieder verwendet zu werden. Falls eine derartige Aufbereitung nicht vorgesehen oder sehr zeitaufwendig ist, kann gemäß einer Ausgestaltung nach dem Entfernen des Einsatzteils aus der Durchgangsöffnung ein neues Einsatzteil in der Durchgangsöffnung angeordnet werden. Mit diesem kann dann in entsprechender Weise die Fertigung eines nächsten Objekts durchgeführt werden.
-
Bevorzugt weist die Basisplatte eine Mehrzahl von Durchgangsöffnungen auf, in denen jeweils ein Einsatzteil angeordnet sein kann. In diesem Fall werden Verbindungsstrukturen erzeugt, die mit einer Mehrzahl von Einsatzteilen verbunden sind. Dies ist insofern vorteilhaft, als das Objekt in verschiedenen, voneinander beabstandete Bereichen gesichert sein kann, wobei trotzdem durch eine voneinander unabhängige Verstellung der Einsatzteile ein zuverlässiges Abtrennen der jeweiligen Verbindungsstrukturen möglich ist. Anordnung und Anzahl der Verbindungsstrukturen und der zugehörigen Einsatzteile können dabei in Abhängigkeit von Form und Größe des zu fertigenden Objekts gewählt werden. Nach Abschluss der Fertigung können die einzelnen Einsatzteile entweder gleichzeitig oder aber (einzeln oder gruppenweise) nacheinander verstellt werden.
-
Es ist auch möglich, dass bei einer Mehrzahl von Durchgangsöffnungen ein Teil derselben ungenutzt bleibt, indem dort keine verstellbaren Einsatzteile angeordnet werden, sondern bspw. nur stationäre Verschlüsse, Abdeckungen oder Ähnliches. In diesem Fall wird im Bereich einer solchen Durchgangsöffnung keine Verbindungsstruktur erzeugt, d.h. dort bleibt das metallische Pulver in seinem Ursprungszustand. Alternativ können auch in einem Teil der Durchgangsöffnungen Einsatzteile angeordnet sein, an denen aber keine Verbindungsstrukturen erzeugt werden und die nach Abschluss des Fertigungsprozesses auch nicht gegenüber der Basisplatte verstellt werden. Der Sinn einer solchen Variante besteht darin, dass in der Basisplatte gewissermaßen eine Gesamtmenge von Durchgangsöffnungen (mit zugehörigen Einsatzteilen) vorhanden ist, von denen je nach Form und Größe des jeweils zu fertigenden Objekts nur ein Teil genutzt wird, während ein anderer Teil ungenutzt bleiben kann. Um eine möglichst große Flexibilität zu erreichen, können die Durchgangsöffnungen bspw. gemäß einem Raster (z.B. Rechteckraster) entlang der Basisfläche angeordnet sein.
-
Bevorzugt wird das Objekt ausschließlich mit dem wenigstens einen Einsatzteil verbunden. D.h. während des Fertigungsprozesses werden keine Verbindungen zur Basisplatte hergestellt. Somit kommt die Basisplatte idealerweise nur mit Pulver in Verbindung, das nicht verschmolzen oder gesintert ist. Eine aufwändige Reinigung oder sonstiger Aufbereitung der Basisplatte nach Beendigung des Fertigungsvorgangs entfällt somit. Dies bedeutet einen klaren Zeit- und Kostenvorteil. Hinsichtlich der Verstellung gibt es unterschiedlichste Möglichkeiten. Bspw. wäre es denkbar, dass ein Einsatzteil einfach innerhalb einer zylindrischen Ausnahmeöffnung gedreht wird, wobei durch das Drehen die Trennung der jeweiligen Verbindungsstruktur erfolgt. Daneben sind auch (lineare) Verschiebungen des Einsatzteils möglich. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung erfolgt das Verstellen, indem wenigstens ein Einsatzteil in Richtung auf eine Rückseite der Basisplatte bewegt wird. D.h., es erfolgt hier eine Verschiebung des Einsatzteils von der Basisfläche fort in Richtung auf eine von dieser abgewandten Rückseite der Basisplatte. Dort weist die entsprechende Durchgangsöffnung einen rückseitigen Zugang auf, durch den das Einsatzteil ggf. auch entnommen bzw. eingebracht werden kann.
-
Eine entsprechende Bewegung in Richtung auf die Rückseite muss nicht rein linear sein, sondern sie kann auch eine Rotation beinhalten. Bevorzugt wird wenigstens ein Einsatzteil durch eine schraubenförmige Bewegung verstellt. D.h., in diesem Fall sind eine Verschiebung und eine Drehung des Einsatzteils in einer spiralförmigen bzw. schraubenförmigen Bewegung aneinander gekoppelt. Einerseits lassen sich im Rahmen der Drehbewegung erforderliche Kräfte zum Abtrennen der Verbindungsstrukturen oftmals leichter über ein entsprechendes Drehmoment aufbringen als bspw. Zugkräfte bei einer reinen linearen Verschiebung. Gleichzeitig kann durch die von der Aufbaufläche fort gerichtete Bewegungskomponente der Abtrennvorgang unterstützt werden.
-
Wenigstens ein Einsatzteil kann über eine Gewindeverbindung oder eine Bajonettverbindung verstellt werden. Anders ausgedrückt, das entsprechende Einsatzteil weist im ersteren Fall ein Außengewinde auf, das mit einem korrespondierenden Innengewinde der Durchgangsöffnung zusammenwirkt. Dabei kann das Einsatzteil einen erweiterten Abschnitt aufweisen, der so dimensioniert ist, dass er nicht in die Durchgangsöffnung einbringbar ist. Bspw. kann das Einsatzteil wie eine Schraube geformt sein, wobei der erweiterte Abschnitt den Schraubenkopf darstellt. Durch einen derartigen erweiterten Abschnitt ist ein Anschlag gebildet, durch den eine Endposition des Einsatzteils innerhalb der Durchgangsöffnung definiert ist. Selbstverständlich wird durch eine Gewindeverbindung eine oben erwähnte schraubenförmige Bewegung ermöglicht. Die Durchgangsöffnung kann eine Senkung zur Aufnahme des erweiterten Abschnitts aufweisen.
-
Im Falle einer Bajonettverbindung ist entweder an der Innenseite der Durchgangsöffnung eine Nut ausgebildet, in die ein radial nach außen gerichteter Fortsatz des Einsatzteils eingreift, oder aber am Einsatzteil ist eine Nut ausgebildet, in die ein radial nach innen gerichteter Fortsatz der Durchgangsöffnung eingreift. Die Nut kann jeweils in einfacher Weise einen axial verlaufenden Teil und einen sich hieran anschließenden tangential verlaufenden Teil aufweisen. Es ist allerdings auch möglich, dass, wie bspw. von BNC-Steckern bekannt, ein Teil der Nut schraubenförmig ausgebildet ist. In jedem Fall ist durch das Zusammenwirken von Nut und Fortsatz ein Anschlag gegeben, durch den ebenfalls eine Endposition des Einsatzteils innerhalb der Durchgangsöffnung definiert ist.
-
Vorteilhaft werden an den Verbindungstrukturen Sollbruchstellen erzeugt, an denen die Verbindungstrukturen planmäßig brechen, wenn das wenigstens eine Einsatzteil verstellt wird. Derartige Sollbruchstellen sind selbstverständlich lokale ausgedehnte Bereiche, die einen geringeren Querschnitt aufweisen als daran angrenzende Bereiche. Im Hinblick auf die vorgesehene Verstellbewegung des jeweiligen Einsatzteils kann die Struktur der Sollbruchstelle derart optimiert werden, dass sie besonders leicht bei Einwirken derjenigen Kräfte bricht, die beim Verstellen auftreten. Erfolgt beim Verstellen z.B. ein Verdrehen des Einsatzteils, kann die Sollbruchstelle so konzipiert sein, dass sie zwar Zug- und/oder Druckkräften widersteht, allerdings bei auftretenden Scherkräften relativ leicht nachgibt.
-
Um den Auftrag der ersten Pulverschichten zu erleichtern, wird bevorzugt das wenigstens eine Einsatzteil für die Fertigung so angeordnet, dass jede durch ein Einsatzteil gebildete Teilfläche der Basisfläche mit einer durch die Basisplatte gebildeten Teilfläche fluchtet. Anders ausgedrückt, die durch das Einsatzteil gebildete Teilfläche verläuft in einer Ebene mit der durch die Basisplatte gebildeten Teilfläche. Eine derartige Positionierung kann in der oben geschilderten Weise durch das Vorhandensein eines Anschlags erleichtert werden, der eine Endposition des Einsatzteils in der Durchgangsöffnung definiert.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich für eine vollständige oder weitgehende Automatisierung. In diesem Zusammenhang ist es bevorzugt, dass das wenigstens eine Einsatzteil motorisch verstellt wird. D.h., eine motorisch betriebene Verstellvorrichtung wird zumindest für den Verstellvorgang an das Einsatzteil gekoppelt und verstellt dieses. Im Falle eines schraubenartigen Einsatzteils kann es sich bei der Verstellvorrichtung um einen motorisch betriebenen Schraubendreher handeln, der bspw. von einem Roboterarm an das Einsatzteil herangeführt wird und dieses dann über eine Schraubbewegung verstellt. Da die Position der Basisplatte und somit auch die der Einsatzteile bekannt ist, gestaltet sich die entsprechende Steuerung der Verstellvorrichtung vergleichsweise einfach. Hierbei ist es wiederum von Vorteil, dass die Einsatzteile von der Rückseite der Basisplatte aus verstellbar sind.
-
Weitere vorteilhafte Einzelheiten und Wirkungen der Erfindung sind im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen
- 1 eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens während des Aufbaus eines Objekts;
- 2 eine Seitenansicht einer Basisplatte der Vorrichtung aus 1 mit Einsatzteilen;
- 3 eine Seitenansicht der Basisplatte mit dem fertigen Objekt;
- 4 eine Seitenansicht der Basisplatte und des Objekts beim Abtrennen von Verbindungsstrukturen;
- 5 eine Seitenansicht des Objekts mit den Verbindungsstrukturen nach dem Abtrennen;
- 6 eine perspektivische teilweise Schnittdarstellung eines Teils der Basisplatte und eines Einsatzteils aus 1;
- 7 eine perspektivische teilweise Schnittdarstellung eines Teils einer Basisplatte und eines Einsatzteils gemäß einer zweiten Ausführungsform;
- 8 eine Seitenansicht eines Teils einer Basisplatte und eines Einsatzteils gemäß einer dritten Ausführungsform; sowie
- 9 eine perspektivische Darstellung einer Basisplatte gemäß einer vierten Ausführungsform.
-
In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weswegen diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
-
1 zeigt eine erste Ausführungsform einer Fertigungsanlage 1, mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann. Die Darstellung ist stark schematisiert und es sind aus Gründen der Übersichtlichkeit verschiedene Teile der Fertigungsanlage 1 weggelassen. Dargestellt ist eine Basisplatte 2 mit einer Mehrzahl von Durchgangsöffnungen 2.1, in denen jeweils Einsatzteile 3 angeordnet sind. Wie in der Detaildarstellung in 6 erkennbar, weist jede Durchgangsöffnung 2.1 ein Innengewinde 2.2 auf, das mit einem Außengewinde 3.1 des jeweiligen Einsatzteils 3 zusammenwirkt. Durch Ausübung eines Drehmoments an einem Kopf 3.2 mit sechseckigem Querschnitt (Schlüsselfläche) kann das jeweilige Einsatzteil 3.1 in eine Durchgangsöffnung 2.1 eingeschraubt bzw. aus dieser herausgeschraubt werden. Im vorliegenden Beispiel haben die Einsatzteile 3 also die Gestalt von Sechskantschrauben. Selbstverständlich könnte statt eines Sechskantkopfes 3.2 auch beispielsweise ein Kopf 3.2 mit Schlitz, Kreuzschlitz, Innensechskant oder dergleichen verwendet werden. Dabei könnte alternativ, wie in 8 gezeigt, jede Durchgangsöffnung 2.1 eine Senkung 2.5 zur Aufnahme des Kopfes 3.2 aufweisen, so dass dieser versenkt werden kann. In eingeschraubtem Zustand bilden die Einsatzteile 3 zusammen mit der Basisplatte 2 eine Basisfläche B, wobei eine erste Teilfläche B1 durch die Basisplatte 2 und zweite Teilflächen B2 durch die Einsatzteile 3 gebildet sind. Die genannten Flächen B, B1, B2 sind aus 2 ersichtlich, wo auch erkennbar ist, dass die zweiten Teilflächen B2 mit der ersten Teilfläche B1 fluchten, also in einer Ebene liegen.
-
Durch eine Auftragvorrichtung 5 wird Metallpulver 6 schichtweise auf die Basisfläche B aufgetragen, und zwar entlang einer zu dieser parallelen Aufbaufläche A. Die Auftragvorrichtung 5 kann eine Art Düse oder Ventil zur Pulverabgabe sowie eine Glättvorrichtung, bspw. eine Rakel, aufweisen. Wie durch den Doppelpfeil dargestellt, kann die Auftragvorrichtung 5 parallel zur Aufbaufläche A verfahren werden, um Pulver entlang der gesamten Aufbaufläche A zu verteilen. An die Basisplatte 2 schließen sich beiderseits Seitenwände 4 an, die ein seitliches Abrieseln von Metallpulver 6 verhindern. Die Basisfläche B sowie die Aufbaufläche A sind im vorliegenden Beispiel parallel zur Horizontalen H, wobei allerdings auch Abweichungen hiervon denkbar wären, solange die Aufbauebene A mit der Horizontalen H einen Winkel einschließt, der kleiner als der Schüttwinkel des Metallpulvers 6 ist. Zum Schutz des Metallpulvers 6 vor Oxidation bzw. zum Explosionsschutz sind die gezeigten Vorrichtungsteile normalerweise in einem (hier nicht dargestellten) Gehäuse untergebracht, das idealer Weise mit Inertgas gefüllt ist.
-
Wenn die Auftragvorrichtung 5 eine Schicht Metallpulver 6 aufgetragen hat, wird mittels eines Laserstrahls 8 ein Teil des Pulvers 6 selektiv verschmolzen, wodurch eine Schicht eines zu fertigenden Objekts 10 erzeugt wird. Der Laserstrahl 8 wird von einem Laser 7 erzeugt und über einen schwenkbaren Spiegel 9 auf einen vorgesehenen Koordinatenpunkt innerhalb der Aufbaufläche A gelenkt. Die Aktivierung des Lasers 7 sowie die Steuerung des Spiegels 9 erfolgen hierbei computergesteuert gemäß vorgegebener CAM-Daten des Objekts 10. Während eine Pulverschicht aufgetragen und teilweise verschmolzen wird, verbleibt die Basisplatte 2 mit den Einsatzteilen 3 in einer festen Position entlang der Vertikalen V und wird danach um eine Distanz abgesenkt, die der vorgesehenen Schichtdicke entspricht. Die Basisplatte 2 kann hierzu auf einer (hier ebenfalls nicht dargestellten) Hebevorrichtung montiert sein.
-
Durch die Einwirkung des Laserstrahls 8 wird das erzeugte Objekt 10 stark aufgeheizt, wenngleich das geschmolzene Pulver 6 wieder erstarrt, wenn die Einwirkung des Laserstrahls 8 beendet ist. Da eine effektive Wärmeabgabe weder an das umgebende Pulver 6 noch an das Inertgas möglich ist, ist es zur Vermeidung von thermisch bedingten Verformungen des Objekts 10 wesentlich, dass eine Wärmeabgabe an die Basisplatte 2 erfolgen kann. Um dies zu unterstützen, werden außer einem Bauteil 11, das in diesem Beispiel den nutzbaren Teil des Objekts 10 darstellt, Verbindungsstrukturen 12 erzeugt, die mit den Einsatzteilen 3 verbunden sind. Diese Verbindungsstrukturen 12 können dazu dienen, das Objekt 10 zu stabilisieren, vor allem aber dienen sie einer besseren Wärmeableitung zu den Einsatzteilen 3 und von dort in die Basisplatte 2. Die Wärmeleitung wird dadurch begünstigt, dass sowohl die Basisplatte 2 als auch die Einsatzteile 3 aus Metall, bspw. Stahl, gefertigt sind und über die Gewinde 2.2, 3.1 in engem thermischen Kontakt stehen.
-
Im vorliegenden Beispiel verjüngen sich die Verbindungsstrukturen 12 in Richtung auf die Einsatzteile 3, wodurch angrenzend an ein Einsatzteil 3 jeweils eine Sollbruchstelle 12.1 definiert wird, an der die Verbindungsstrukturen 12 bevorzugt brechen bzw. reißen. Die Verbindungsstrukturen 12 sind im Schnitt gesehen beispielhaft kegelstumpfförmig ausgeführt, wobei deren schmale Fußseite einsatzteilseitig und deren breitere Kopfseite bauteilseitig angeordnet. Die Sollbruchstelle 12.1 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel einsatzteilseitig angeordnet.
-
3 zeigt die Basisplatte 2, die Einsatzteile 3 sowie das Objekt 10 nach Abschluss der additiven Fertigung. Das überschüssige Metallpulver 6 wurde entfernt und die Basisplatte 2 wurde aus der Fertigungsanlage 1 entnommen. Wie hier nochmals gut zu erkennen ist, ist das Objekt 10 über die Verbindungsstrukturen 12 ausschließlich mit den Einsatzteilen 3 verbunden, d.h. es gibt keine direkte Verbindung zur Basisplatte 2. Diese kommt nur mit ungeschmolzenem Pulver in Berührung und kann daher ohne weitere Aufbereitung wieder verwendet werden.
-
Um das Objekt 10 mit den Verbindungsstrukturen 12 abzulösen, werden die Einsatzteile 3 durch Bedienung des Kopfes 3.2 aus der Basisplatte 2 herausgeschraubt. Hierbei erfolgt eine schraubenförmige Bewegung des jeweiligen Einsatzteils 3 innerhalb der Durchgangsöffnung 2.1. Zwischen dem Einsatzteil 3 und der Verbindungsstruktur 12 wirkt somit eine Kombination aus Scher- und Zugkräften, die dazu führt, dass die Verbindungsstruktur 12 im Bereich der Sollbruchstelle 12.1 bricht, während das Einsatzteil 3 zu einer der Basisebene B gegenüberliegenden Rückseite 2.3 der Basisplatte hin ausgeschraubt wird. Das Herausschrauben kann vollautomatisch erfolgen, bspw. durch einen an einem Roboterarm angeordneten motorgetriebenen Schraubendreher. Es sind hierfür keine Trennwerkzeuge nötig und das Abtrennen kann ausschließlich von der Rückseite 2.3 aus durchgeführt werden, indem die Einsatzteile 3 von dort aus verstellt werden. Beim Abtrennen verbleiben normalerweise geringfügige Reste der Verbindungsstruktur 12 an dem jeweiligen Einsatzteil 3, so dass dieses ohne Aufbereitung nicht wieder verwendet werden kann. Für einen weiteren Fertigungsvorgang, der aufgrund der Effizienz des Abtrennens innerhalb kurzer Zeit folgen kann, können neue Einsatzteile 3 in die Basisplatte 2 eingeschraubt werden.
-
5 zeigt das Objekt 10 nach dem vollständigen Abtrennen, wobei die Verbindungsstrukturen 12 weiterhin mit dem Bauteil 11 verbunden sind. Sie können nachfolgend in konventioneller Weise, bspw. mechanisch oder durch Funkenerodieren, abgetrennt werden.
-
7 zeigt ein Detail einer alternative Ausgestaltung eines Einsatzteils 3 sowie einer Basisplatte 2, die im Wesentlichen wie in den 1 - 6 ausgestaltet sind, wobei allerdings das Einsatzteil 3 mit der Durchgangsöffnung 2.1 über eine Bajonettverbindung zusammenwirkt. Hierzu ist in die Durchgangsöffnung 2.1 eine Nut 2.4 eingebracht, die mit einem radial nach außen gerichteten Fortsatz 3.3 des Einsatzteils 3 zusammenwirkt.
-
In 8 ist eine Basisplatte 2 dargestellt, bei der die Durchgangsöffnung 2.1 eine Senkung 2.5 aufweist, in der der - in diesem Fall rund statt sechskantförmig ausgebildete - Kopf 3.2 des Einsatzteils 3 aufgenommen werden kann. Der Kopf 3.2 kann z.B. einen Schlitz, Kreuzschlitz, Innensechskant, Torx® oder dergleichen aufweisen.
-
9 zeigt eine beispielhafte alternative Ausgestaltung einer Basisplatte 2, die eine Vielzahl von Durchgangsöffnungen 2.5, 2.6 aufweist, die entsprechend einem Rechteckraster angeordnet sind. Dabei wechseln sich größere Durchgangsöffnungen 2.5 jeweils mit kleineren Durchgangsöffnungen 2.6 ab. Es versteht sich, dass die unterschiedlich großen Durchgangsöffnungen 2.5, 2.6 für Einsatzteile 3 unterschiedlichen Durchmessers vorgesehen sind. Die dargestellte Basisplatte 2 kann für die Fertigung von Objekten 10 unterschiedlichster Form und Größe verwendet werden, wobei jeweils nur die Einsatzteile 3 in einem Teil der Durchgangsöffnungen 2.5, 2.6 genutzt werden. D.h. es werden nur zu einem Teil der Einsatzteile 3 Verbindungsstrukturen 12 hergestellt, während ein anderer Teil nur mit nicht geschmolzenem Pulver in Berührung kommt.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Fertigungsanlage
- 2
- Basisplatte
- 2.1,2.5, 2.6
- Durchgangsöffnung
- 2.2
- Innengewinde
- 2.3
- Rückseite
- 2.4
- Nut
- 2.5
- Senkung
- 3
- Einsatzteil
- 3.1
- Außengewinde
- 3.2
- Kopf
- 3.3
- Fortsatz
- 4
- Seitenwand
- 5
- Auftragvorrichtung
- 6
- Metallpulver
- 7
- Laser
- 8
- Laserstrahl
- 9
- Spiegel
- 10
- Objekt
- 11
- Werkstück
- 12
- Verbindungsstruktur
- 12.1
- Sollbruchstelle
- A
- Aufbaufläche
- B
- Basisfläche
- B1
- erste Teilfläche
- B2
- zweite Teilfläche
- V
- Vertikale
- H
- Horizontale
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- US 5753274 A [0006]
- CN 204020013 U [0007]
- JP H02128829 A [0008]
- US 2014/0178588 A1 [0009]
- CN 104772463 A [0010]
- WO 2015/107066 A1 [0011]
- US 2014/0335313 A1 [0012]
- EP 0857111 B1 [0013]