DE102018108145A1

DE102018108145A1 - Verfahren zur Bearbeitung von Oberflächen von mittels 3D-Druck gefertigten Bauteilen sowie ein solches bearbeitetes Bauteil

Info

Publication number: DE102018108145A1
Application number: DE102018108145.6A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Findeisen
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2018-04-06
Filing date: 2018-04-06
Publication date: 2019-10-10

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung von Oberflächen (14) von mittels 3D-Druck gefertigten Bauteilen (10) sowie ein solches bearbeitetes Bauteil (10).Es ist vorgesehen, dass ein Verfahren zur Bearbeitung von Oberflächen (14) von mittels 3D-Druck gefertigten Bauteilen (10) bereitgestellt wird. Das Verfahren umfasst dabei die folgenden Schritte: Abtasten der zu bearbeitenden Oberfläche (14) des Bauteils (10) mittels einer Abtastvorrichtung (12), wobei mindestens eine Information ermittelt wird, anschließendes Senden der mindestens einen Information an eine Steuervorrichtung. Gefolgt von den Schritten: Verarbeiten der mindestens einen Information in der Steuervorrichtung und Bereitstellen der aufgearbeiteten mindestens einen Information von der Steuervorrichtung an eine Strahlvorrichtung (18). Die Bearbeitung der zu bearbeitenden Oberfläche (14) des Bauteils (10) wird mittels der Strahlvorrichtung (18) vollzogen, wobei die Strahlvorrichtung (18) ausgelegt ist, die mindestens eine aufgearbeitete Information als Steueranweisung für wenigstens einen Parameter der Strahlvorrichtung (18) zu verwenden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung von Oberflächen von mittels 3D-Druck gefertigten Bauteilen sowie ein solches bearbeitetes Bauteil.
Die Oberflächenbeschaffenheit bei 3D-Druck-Bauteilen ist ein häufiger Qualitätsmangel und stellt ein Kriterium für den Ausschluss des 3D-Druckes als Fertigungsverfahren dar. Durch den selektiven Aufbau der Bauteile bilden sich die einzelnen „Fertigungszonen“ auf der Oberfläche ab. Dieses Problem tritt bei nahezu allen 3D-Druckverfahren auf. Aktuell wird versucht, diesem Nachteil dadurch zu begegnen, dass die Verfahrensparameter beim 3D-Druck derart verändert werden, so dass somit eine Oberflächenqualität gesteigert werden kann. Beim FDM (Fused Deposition Modeling) werden zum Beispiel kleinere Düsen und bei SLS-Verfahren (selektives Lasersintern) werden feinere Pulver eingesetzt. Auch wird versucht, die Oberflächenqualität zu steigern, indem eine Nachbearbeitung vollzogen wird. So eine Nachbearbeitung kann beispielsweise ein Fräsen oder ein Gleitschleifen umfassen. Dabei sind derartige Nachbearbeitungsschritte mit einem Mehraufwand oder einer Reduzierung der Produktivität verbunden.
Aus der DE 42 41 527 A1 ist beispielsweise ein Verfahren zum Aufhärten und gegebenenfalls Glätten von Maschinenbauteilen sowie nach diesem Verfahren hergestellten Maschinenbauteilen als bekannt zu entnehmen. Mittels eines Strahls, beispielsweise eines Laserstrahls, wird dabei eine Oberfläche von einem Maschinenbauteil erwärmt, so dass in einer Randschicht eine Diffusion des Kohlenstoffs aus den Zementiallamellen des Ledeburits beziehungsweise des Perlits in die weichen zwischenlamellaren Ferritbereiche stattfindet. Eine gezielte Auswahl der zu bearbeitenden Oberfläche ist dabei nicht vorgesehen.
Eine Nachbearbeitung mittels hochenergetischer Strahlung wie zum Beispiel mittels Laserstrahlen ist auch aus der DE 199 60 797 C1 als bekannt zu entnehmen. Hier soll jedoch eine Öffnung in einem metallischen Bauteil hergestellt werden, so dass dieses Verfahren eine spezielle Art der Oberflächenbehandlung darstellt.
Aus der DE 10 2014 217 858 A1 ist eine Oberflächenglättung von generativ hergestellten Bauteilen und entsprechend hergestellte Bauteile einer Strömungsmaschine als bekannt zu entnehmen. Dabei ist vorgesehen, eine weitere Glättungsschicht auf die Oberfläche aufzutragen, wobei die Glättungsschicht durch Dampfphasenabscheidung abgeschieden wird. Das Glättungsschichtmaterial kann dabei unterschiedlich zu dem oder den Materialien sein, aus denen das Bauteil aufgebaut ist. Eine gezielte Auswahl der zu bearbeitenden Oberfläche ist dabei nicht vorgesehen.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, mit welchem eine gezielte Bearbeitung von 3D-gefertigten Bauteilen kostengünstig möglich ist.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Verfahren zur Bearbeitung von Oberflächen von mittels 3D-Druck gefertigten Bauteilen bereitgestellt wird. Das Verfahren umfasst dabei die folgenden Schritte: Abtasten der zu bearbeitenden Oberfläche des Bauteils mittels einer Abtastvorrichtung, wobei mindestens eine Information ermittelt wird, Senden der mindestens einen Information an eine Steuervorrichtung, Verarbeiten der mindestens einen Information in der Steuervorrichtung, Bereitstellen der aufgearbeiteten mindestens einen Information von der Steuervorrichtung an eine Strahlvorrichtung. Die Bearbeitung der zu bearbeitenden Oberfläche des Bauteils wird mittels der Strahlvorrichtung vollzogen, wobei die Strahlvorrichtung ausgelegt ist, die mindestens eine aufgearbeitete Information als Steueranweisung für wenigstens einen Parameter der Strahlvorrichtung zu verwenden. Es ist somit eine Inline-Steuerung des Lasers auf Basis der mindestens einen Information möglich. Auf diese Weise ist es möglich, die Oberflächenqualität bei 3D-gefertigten Bauteilen deutlich zu steigern. Das Verfahren lässt sich sehr effizient durchführen, so dass es auch kostengünstig ist.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Strahlvorrichtung eine Laservorrichtung ist. Eine derartige Strahlvorrichtung hat sich als besonders geeignet herausgestellt.
Zudem ist in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Abtastvorrichtung ein optisches Messsystem ist. Durch eine Vermessung der Oberfläche mithilfe eines solchen optischen Messsystems ist es möglich, den Laser gezielt einzusetzen, um Oberflächenfehler zu beheben. Auf diese Weise lässt sich eine effiziente Prozesszeit erreichen, so dass ein kostengünstiges Verfahren ermöglicht wird. Dabei erfasst das optische Messsystem die Oberfläche hochgenau und spielt die zumindest eine Information in Form von Daten zu einer Steuereinheit beziehungsweise einem Rechner.
Ferner ist in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die von der Abtastvorrichtung mindestens eine ermittelte Information topografische Daten der zu bearbeitenden Oberfläche ist. Die mindestens eine ermittelte Information umfasst eine Vermessung der Oberfläche des zu bearbeitenden Bauteils. Es kann sich dabei um eine optische Vermessung der Oberfläche handeln. Derartige Daten sind besonders vorteilhaft für einen zu vollziehenden Nachbearbeitungsschritt. Insbesondere werden somit Erhebungen und Vertiefungen von der Oberfläche des Bauteils sehr präzise erfasst.
Auch ist in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Steuervorrichtung die mindestens eine Information in eine aufgearbeitete Information umwandelt, so dass die aufgearbeitete Information in Form eines inversen Modells an die Strahlvorrichtung bereitgestellt wird. Die Steuereinheit beziehungsweise der Rechner wandelt die topografischen Daten in ein inverses Modell und übergibt sie der Laservorrichtung. Es sind somit Rückschlüsse von der zumindest einen Information auf den Zustand der Oberfläche möglich, so dass ein anschließender Nachbearbeitungsschritt sehr effizient und kostengünstig durchgeführt werden kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Strahlvorrichtung neben der mindestens einen aufgearbeiteten Information zusätzlich die CAD(computer-aided design)-Information von dem zu bearbeitenden Bauteil für die Bearbeitung verwendet. Die CAD-Information des Bauteils dient als zusätzliche Referenz. Somit ist eine noch gezieltere Bearbeitung des Bauteils mittels der Laservorrichtung möglich, so dass das Verfahren noch kostengünstiger ist.
Zudem ist in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Bearbeitung mittels der Strahlvorrichtung ein Glättungsschritt der zu bearbeitenden Oberfläche des Bauteils umfasst. Der Laser glättet die Oberfläche, wobei eine besonders glatte Oberfläche des zu bearbeitenden Bauteils in einer vorteilhaften Prozesszeit erhalten werden kann, so dass ein kostengünstiges Verfahren ermöglicht wird.
Es ist auch in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Bearbeitung einen Glättungsschritt umfasst, wobei bei dem Glättungsschritt mindestens eine Erhebung in der zu bearbeitenden Oberfläche von dem Bauteil entfernt wird. Der Laser glättet die Oberfläche beispielsweise in der Art, dass Erhebungen entfernt werden und Vertiefungen beibehalten werden. Dies führt zu einer besonders glatten Oberfläche des zu bearbeitenden Bauteils mit einer vorteilhaften Prozesszeit, so dass ein kostengünstiges Verfahren ermöglicht wird. Der vorgestellte Glättungsschritt kann auch als Polierschritt beziehungsweise Laserpolieren bezeichnet werden. Durch das Laserpolieren kann die Oberflächenqualität beim 3D-Druck nachbearbeitet werden und eine deutliche Steigerung erreicht werden. Der Einsatz des Laserpolierens für die Nachbearbeitung von 3D-Druck-Bauteilen führt zu einer besonders glatten Oberfläche des zu bearbeitenden Bauteils. Das Verfahren kann in einer speziellen Ausführung auch als Laserpolieren von 3D-Druck-Bauteilen bezeichnet werden.
Auch ist in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Verfahrensschritte von dem Verfahren automatisiert vollzogen werden, wobei eine Automatisierungsvorrichtung vorgesehen wird, so dass das Bauteil jeweils für den jeweiligen Bearbeitungsschritt ausgerichtet wird. Eine vollständige Verkettung und Automatisierung ist mit dem vorgestellten Verfahren denkbar, so dass ein noch kostengünstigeres Verfahren ermöglicht wird. Die Abtastvorrichtung beziehungsweise das optische Messsystem kann auch in Form eines Scanners vorliegen. Die Laservorrichtung kann auch nur kurz als Laser bezeichnet werden. Der Scanner und der Laser können so ausgeführt sein, dass es möglich ist, das Bauteil in einer Lage von mehreren Seiten zu vermessen und nachzubearbeiten. Dadurch kann ein Drehen des Bauteils und ein erneutes Bearbeiten vermieden werden. Neben einem kontinuierlichen Prinzip mit einem bewegten Bauteil ist es auch denkbar, den Laser und den Scanner um das Bauteil zu bewegen. Vorstellbar ist auch, das Bauteil mit einem Roboter unter dem Laser und dem Scanner zu bewegen.
Schlussendlich ist in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass ein 3D-Druck gefertigtes Bauteil bereitgestellt wird, welches eine nachbearbeitete Oberfläche aufweist, wobei solch ein Bauteil mittels des Verfahrens gemäß den Ansprüchen 1 bis 9 hergestellt ist. Ein solches Bauteil lässt sich mit einer hohen Oberflächenqualität kostengünstig herstellen.
Generell lassen sich mit dem vorgestellten Verfahren die Kosten reduzieren und gleichzeitig eine erhöhte Qualität erzielen. Insbesondere der Laser bietet dabei mehr Freiheiten. Auch ist eine höhere Genauigkeit bei der Nachbearbeitung möglich. Zudem ist das Verfahren universell und auf jede Bauteilgeometrie anwendbar. Es ist also ein kostengünstiges und reproduzierbares Verfahren, welches zudem vollautomatisierbar ist. Es fallen dabei keine Abfälle von Produktionsmitteln an. Dabei ist der Einsatz des Verfahrens nicht allein auf die Automobilindustrie beschränkt. Vielmehr kann dieses Verfahren beispielsweise auch in der Medizin, der Luftfahrt oder etwa in der Konsumgüterindustrie oder dergleichen Verwendung finden. Der 3D-Druck wird in den nächsten Jahren zunehmend in Serienfahrzeugen Anwendung finden. Somit ist das Verfahren für alle nur denkbaren Fahrzeuge in der Automobilindustrie relevant.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnung, die Bearbeitungsstationen des Verfahrens in schematischer Seitenansicht zeigt, näher erläutert.
1 zeigt bezogen auf die Bildebene links ein Bauteil 10, welches sich unterhalb einer Abtastvorrichtung 12 befindet. Das Bauteil 10 weist dabei eine im Wesentlichen wellige Oberfläche 14 auf, welche im nachfolgenden Schritt bearbeitet werden soll. Die gezeigten Wellen sind nur stellvertretend für eine generell unebene Oberfläche 14 dargestellt. Die Art und Weise der Unebenheiten kann dabei jede beliebige Form aufweisen. Die Abtastvorrichtung 12 kann beispielsweise in einer Variante ein optisches Messsystem, zum Beispiel ein Scanner, sein, welches ausgelegt ist, eine optische Vermessung der Oberfläche 14 durchzuführen. Der Abtastschritt und die dabei verwendeten Abtaststrahlen 16 sind schematisch dargestellt. Die Abtastvorrichtung 12 schickt die ermittelten Daten über einen nicht weiter dargestellten Rechner beziehungsweise eine Steuereinheit an eine Strahlvorrichtung 18. Ein Pfeil zwischen der Abtastvorrichtung 12 und der Strahlvorrichtung 18 deutet diesen Vorgang an. Die Strahlvorrichtung 18 kann beispielsweise ein Laser sein. Unterhalb der Strahlvorrichtung 18 ist das Bauteil 10 zu erkennen, wobei ein bearbeiteter Bereich 20 bereits einem Glättungsschritt unterzogen wurde. Dieser Glättungsschritt wurde mittels des schematisch dargestellten Laserstrahls 22, welcher von der Strahlvorrichtung 18 in Richtung des Bauteils 10 geschickt wurde, vollzogen beziehungsweise hervorgebracht. Ein Pfeil unterhalb der Ebene des Bauteils 10 deutet an, in welche Richtung das Bauteil 10 befördert werden muss, damit einem Abtasten und Senden der ermittelten Daten und den dazugehörigen Schritten letztendlich der Glättungsschritt folgen kann. Unterhalb der Ebene des Bauteils 10 ist zudem eine Automatisierungsvorrichtung 24, welche auch beispielsweise ein Roboter sein kann, zu erkennen, welche das Bauteil 10 für den jeweiligen Verfahrensschritt ausrichten und befördern kann.
Bezugszeichenliste

10: Bauteil
12: Abtastvorrichtung
14: Oberfläche
16: Abtaststrahlen
18: Strahlvorrichtung
20: bearbeiteter Bereich
22: Laserstrahl
24: Automatisierungsvorrichtung

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

DE 4241527 A1 [0003]
DE 19960797 C1 [0004]
DE 102014217858 A1 [0005]

Claims

Verfahren zur Bearbeitung von Oberflächen (14) von mittels 3D-Druck gefertigten Bauteilen (10), umfassend die folgenden Schritte: • Abtasten der zu bearbeitenden Oberfläche (14) des Bauteils (10) mittels einer Abtastvorrichtung (12), wobei mindestens eine Information ermittelt wird; • Senden der mindestens einen Information an eine Steuervorrichtung; • Verarbeiten der mindestens einen Information in der Steuervorrichtung; • Bereitstellen der aufgearbeiteten mindestens einen Information von der Steuervorrichtung an eine Strahlvorrichtung (18), dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitung der zu bearbeitenden Oberfläche (14) des Bauteils (10) mittels der Strahlvorrichtung (18) vollzogen wird, wobei die Strahlvorrichtung (18) ausgelegt ist, die mindestens eine aufgearbeitete Information als Steueranweisung für wenigstens einen Parameter der Strahlvorrichtung (18) zu verwenden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Strahlvorrichtung (18) eine Laservorrichtung ist.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, wobei die Abtastvorrichtung (12) ein optisches Messsystem ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die von der Abtastvorrichtung (12) mindestens eine ermittelte Information topografische Daten der zu bearbeitenden Oberfläche (14) ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Steuervorrichtung die mindestens eine Information in eine aufgearbeitete Information umwandelt, so dass die aufgearbeitete Information in Form eines inversen Modells an die Strahlvorrichtung (18) bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Strahlvorrichtung (18) neben der mindestens einen aufgearbeiteten Information zusätzlich die CAD-Information von dem zu bearbeitenden Bauteil (10) für die Bearbeitung verwendet.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Bearbeitung mittels der Strahlvorrichtung (18) einen Glättungsschritt der zu bearbeitenden Oberfläche (14) des Bauteils (10) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Bearbeitung einen Glättungsschritt umfasst, wobei bei dem Glättungsschritt mindestens eine Erhebung in der zu bearbeitenden Oberfläche (14) von dem Bauteil (10) entfernt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Verfahrensschritte von dem Verfahren automatisiert vollzogen werden, wobei eine Automatisierungsvorrichtung (24) vorgesehen wird, so dass das Bauteil (10) jeweils für den jeweiligen Bearbeitungsschritt ausgerichtet wird.
3D-Druck gefertigtes Bauteil (10) mit einer nachbearbeiteten Oberfläche (14), welche mittels des Verfahrens gemäß den Ansprüchen 1 bis 9 hergestellt ist.