DE4402847A1

DE4402847A1 - Verfahren zur schnellen freiformenden Herstellung von dreidimensionalen Bauteilen

Info

Publication number: DE4402847A1
Application number: DE4402847A
Authority: DE
Inventors: Martin Dipl Phys Geiger; Knut Dipl Ing Kille
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1994-01-31
Filing date: 1994-01-31
Publication date: 1995-08-03

Description

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

Derartige Verfahren eignen sich insbesondere zur Herstellung von Werkstück-Prototypen bei einer besonders kurzen Produktentwicklungszeit und Fertigungsdauer. Die Prozeßzeiten bei diesen Verfahren liegen bei einigen Stunden und sind damit um ein vielfa ches kürzer als bei herkömmlichen Verfahren zur Herstellung von Prototypen, z. B. durch Fräsen, Drehen, Erodieren usw . . Die Bauteile werden dabei schichtweise hergestellt, wobei zunächst in einstellbaren Abständen parallele Schnitte senkrecht zur Herstellungsrichtung berechnet und hergestellt werden. Eines dieser bekannten Verfahren, das Laminated Object Manufacturing (LOM)-Verfahren beruht auf dem sukzessiven Verkleben und Konturschneiden von Folien oder dünnen Papierschichten. Die Schichten werden mit einem Heißkleber übereinander laminiert und die Kontur der zuvor im Computer schichtweise zerlegten Konstruktion von einem Laserstrahl ausgeschnitten. Die Intensität der Laserenergie ist dabei so eingestellt, daß immer nur die oberste Papierschicht geschnitten wird. Da das nicht zum Bauteil gehörende Material entfernt werden muß, wird bei jeder Schicht ein Rechteckmuster in das restliche Material geschnitten. Um das Restmaterial aus dem Inneren des Bauteiles zu entfernen, muß dieses nachträglich aufgeschnitten und danach wieder verklebt werden. Die üblichen minimalen Dicken einzelner Schichten liegen bei 0,1 mm. Die Konturen der einzelnen Schichten werden senkrecht geschnitten. Hierdurch wird bei schrägen Flächen eine Stufung der Kontur eingearbeitet, was eine Abweichung von der Soll-Kontur bewirkt. Die Schichtdicke ist also ein Maß für die Qualität und Oberflächengüte der so hergestellten Prototypen bzw. Bauteile. Dünnere Schichten ermöglichen eine höhere Annäherung an die Soll-Geometrie/Kontur des Bauteiles, wirken sich jedoch negativ auf die Fertigungszeiten aus. Darüber hinaus führt die erforderliche große Anzahl von Schichten zu einer hohen Anzahl der Schnitte. Dadurch steigt auch der Rechenaufwand, da vom 3D-Datenmodell im CAD-System eine höhere Anzahl von Schnitten erzeugt werden muß. Des weiteren wird dadurch, daß die einzelnen Schichten sehr dünn und damit leicht verformbar sind, deren automatisierte Handhabung erschwert. Beim Zusammenfügen der einzelnen Schichten zu einem Prototyp/Bauteil werden diese immer in eine Wachstumsrichtung miteinander verklebt, wodurch das herzustellende Bauteil anisotrope physikalische Eigenschaften erhält. So ist z. B. die Belastbarkeit senkrecht zur Wachstumsebene von der Güte der Klebtechnik abhängig und meist niedriger als gegenüber parallelen Kräften.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, das bei Vermeidung der obengenannten Nachteile eine schnellere und genauere Herstellung von Bauteilen erlaubt.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, daß zunächst in einem CAD-System die Geo metrie des herzustellenden Bauteiles in Teilkörper zerlegt wird, wobei dieser jeweils zwei planparallele Flächen besitzen. Die einzelnen Teilkörper werden im nächsten Schritt des Verfahrens so bearbeitet, daß ihre Form möglichst der durch das CAD-System berechneten Soll-Geometrie entspricht, d. h. mit schrägen oder gekrümmten Wandungen zwischen den planparallelen Flächen und nicht nur senkrechten Wandungen wie bei den bekannten Verfahren. Nach der Fertigung von allen Teilkörpern werden diese zusammengefügt. Wesentlich für das Verfahren ist, daß die Dicke der einzelnen Teilkörper, die durch den Abstand der beiden parallelen Begrenzungsflächen definiert ist, unter Berücksichtigung der Fertigungstoleranzen des Werkzeuges und der Geometrie des Gesamtbauteiles so gewählt wird, daß eine minimale Anzahl von Teilkörpern gefertigt wird. Dies hat nicht nur die Beschleunigung des gesamten Herstellungsverfahrens eines Prototypes zur Folge, sondern auch eine Kostensenkung für das gesamte Verfahren. Durch geeignete Bearbeitungsverfahren können auch bei größeren Dicken der Teilkörper genaue Geometrien herausgearbeitet werden. Ein Softwaremodul berechnet aus den Geometrieinformationen des Bauteiles die Steuerparameter für das Bearbeitungswerkzeug so, daß die Konturen an der Ober- und Unterseite der Teilkörper im Rahmen der Ferti gungsmöglichkeiten genau nachgearbeitet werden.

Die Dicke der einzelnen Teilkörper kann unterschiedlich oder gleich sein, d. h. das Bauteil kann aus Schichten gleicher Dicke oder Schichten unterschiedlicher Dicke zusammenge fügt werden. Dabei können die Dickenwerte der Teilkörper vorgegeben werden, d. h. das CAD-System ordnet die Dickenabmessungen dem verfügbaren Material der Teilkörper zu unter Berücksichtigung der fertigungstechnischen Toleranzen und der Möglichkeiten der Herstellung einer genauen Bauteilgeometrie. Vorzugsweise können die Dicken der Teilkörper 1, 2, 5 oder 10 mm betragen.

Die bearbeiteten und fertigen Teilkörper können entweder schichtweise, in parallelen Schichten aufeinander oder unter verschiedenen Winkeln zueinander zusammengefügt werden. Das Zusammenfügen der Teilkörper kann durch Verkleben oder andere Verfahren erfolgen.

Es ist für die Herstellungsgenauigkeit günstig, wenn die Bearbeitung der Teilkörper mittels Energie- oder Materialstrahlen erfolgt. Dazu eignet sich insbesondere ein 5-achsiges Hochdruck-Wasserstrahlschneiden. Durch die Verwendung des 5-achsigen Wasserstrahlverfahrens können nicht nur senkrechte, sondern auch schräge und gekrümmte Flächen bzw. Wandungen erzeugt werden. Auf diese Weise können die Teilkörper aus planparallelen Platten so herausgeschnitten werden, daß ihre Geometrie der Soll-Geometrie des Endbauteiles entspricht. Die durch das CAD-System berechneten Steuerparameter des Werkzeuges bzw. der Werkzeugmaschine sind so, daß die Geometrie an den beiden, den Teilkörper begrenzenden planparallelen Flächen im Rahmen der Fertigungstoleranzen der eingesetzten Maschine exakt sind, d. h. die Strahlführung ist so berechnet, daß die hergestellten Wandkonturen möglichst wenig von der Soll-Geometrie des Bauteiles abweichen. Da die aneinander liegenden Teilkörper bei dieser Vorgehensweise an unter- und darüberliegender Oberseite die gleiche Kontur haben, ist im Gegensatz zu den bekannten Verfahren keine treppenförmige Stufung gegeben. Die Schichtdicken können somit bei gleicher oder besserer Genauigkeit des Gesamtbauteiles deutlich höher gewählt werden. Das Zusammenfügen der Teilkörper erfolgt vorteilhafterweise durch eine automatische Handhabung der Teilkörper mit Hilfe einer Handhabungseinrichtung, z. B. eines Industrieroboters. Die Teilkörper können aber auch manuell zusammengesetzt werden.

Eine Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht aus einem CAD-System, welches die Steuerung eines Werkzeuges derart übernimmt, daß einzelne Teilkörper mit solchen Abmessungen und einer solchen Geometrie hergestellt werden, daß sie in einem nächsten Schritt des Verfahrens durch eine Handhabungseinrichtung vollautomatisch zu dem geforderten Bauteil zusammengefügt werden.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Anlage zur schnellen freiformenden Herstellung von dreidimensionalen Bauteilen;

Fig. 2 ein dreidimensionaler Teilkörper, hergestellt im Verfahren des 5-achsigen Hochdruck-Wasserstrahlschneidens.

Die Anlage zur freiformenden, schnellen Herstellung von Bauteilen weist ein CAD-System 1, ein Bearbeitungswerkzeug 2 und eine Handhabungseinrichtung auf. In dem CAD-System 1 wird in Abhängigkeit von den technologischen Daten des Werkzeuges 2 und in Abhängigkeit von der geforderten Genauigkeit eines herzustellenden Bauteiles das Bauteil 4 in Teilkörper 5 zerlegt, die mittels einer 5-achsigen Wasserstrahlschneidvorrichtung 2 hergestellt bzw. bearbeitet werden. Dabei wird die Dicke der Teilkörper 5 bei einer minimalen Anzahl derselben berechnet. Meistens jedoch wird dem CAD-System eine Auswahl von Dicken-Werten aus den üblichen Plattendicken, die auf dem Markt erhältlich sind, vorgegeben. Aus dieser Auswahl werden die die Parameter Fertigungstoleranzen und Bauteilgeometrie berücksichtigenden Dicken-Werte der Teilkörper 5 ausgewählt. Die Teilkörper 5 werden nach ihrer Herstellung zu dem Roboter 3 gebracht, der sie zu dem herzustellenden Bauteil 4 zusammenfügt. In Fig. 2 ist ein Teilkörper 6 dargestellt, der durch das Herausschneiden aus einer Platte hergestellt wird. Für die Erzeugung der Steuerung des Schneidwerkzeuges 2 (Fig. 1,) werden Punkte 9 der oberen Kontur 7 des herzustellenden Teilkörpers 6 Punkten 9 der unteren Kontur 8 des herzustellenden Teilkörpers 6 zugewiesen. An diesen Punkten 9 dringt der Wasserstrahl in die Platte ein bzw. aus ihr heraus. Auf diese Weise werden Strahlwege berechnet, längs derer der Teilkörper 6 herausgeschnitten wird. Die Lage der einzelnen benachbarten Strahlwege 10 ergeben die Geometrie der Seitenwände 11 des Teilkörpers 6. Sind die benachbarten Strahlwege 10 parallel, so erhält der Teilkörper 6 ebene Wände, die entweder senkrecht (Punkte 12 liegen übereinander) oder schräg zu den Schnittebenen liegen. Sind die benachbarten Strahlwege 10 nicht parallel, so erhält der Teilkörper 6 gekrümmte Wände 13. Der hier dargestellte Teilkörper 6 kann in einem Schritt hergestellt werden und hat die Form eines Schaufelrades. Die Schaufeln 14 des Schaufelrades werden durch das Herstellen eines Teilkörpers 6 mit zwei parallelen Ebenen und ein Wegschneiden der restlichen, nicht zwischen diesen Ebenen liegenden Geometrien hergestellt. Die Konturinformationen der beiden Schnitte entsprechen den Konturen an der Ober- und Unterkante 7, 8 der Platte.

Claims

1. Verfahren zur schnellen freiformenden Herstellung von dreidimensionalen Bauteilen, dadurch gekennzeichnet, daß das herzustellende Bauteil (4) mittels eines CAD-Systems (1) in durch zwei planparallele Flächen (begrenzte Teilkörper (5) zerlegt wird, wobei die Dicke derselben so gewählt wird, daß die Geometrie des Bauteiles (4) unter Berücksichtigung der Fertigungstoleranzen des eingesetzten Werkzeuges bei einer minimalen Anzahl von Teilkörpern (5) mit der Soll-Geometrie des Bauteiles (4) übereinstimmt, und daß die Teilkörper (5) zwischen den beiden ebenen Flächen (7, 8) so bearbeitet wird, daß ihnen die Soll-Geometrie gegeben wird und diese anschließend zu dem Bauteil (4) zusammengefügt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Teil körper (5) eines Bauteiles (1) unterschiedlich oder gleich ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicken der Teilkörper (5) aus einer begrenzten Menge von vorgegebenen Dickenwerten ausgewählt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicken der Teilkör per (5, 6) 1, 2, 5 und 10 mm betragen.

5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilkörper (5) unter verschiedenen Winkeln zueinander zusammengefügt werden.

6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitung der Teilkörper (5, 6) mittels Energie- oder Materialstrahlen erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitung mittels Materialstrahl ein 5-achsiges Wasserstrahlschneiden ist.

8. Verfahren nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitung mittels Energiestrahl ein 5-achsiges Laserschneiden ist.

9, Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusammenfügen der Teilkörper (5) durch einen CAD-gesteuerten Handhabungseinrichtung (3) erfolgt.

10. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangegangenen An sprüche mit einem CAD-System (1) zur Berechnung von Werkzeugdaten zur Herstellung von Teilkörper (5), mit einem 5-achsigen CAD-gesteuerten Bearbei tungswerkzeug (2) für die Teilkörper (5) und einem CAD-gesteuerten Handhabungseinrichtung (3) zur Zusammenfügung von Teilkörpern (5).