EP3898032A1 - Verfahren zur generativen herstellung wenigstens eines gegenstands, verwendung eines druckkopfs und kraftfahrzeug - Google Patents
Verfahren zur generativen herstellung wenigstens eines gegenstands, verwendung eines druckkopfs und kraftfahrzeugInfo
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- EP3898032A1 EP3898032A1 EP19813498.3A EP19813498A EP3898032A1 EP 3898032 A1 EP3898032 A1 EP 3898032A1 EP 19813498 A EP19813498 A EP 19813498A EP 3898032 A1 EP3898032 A1 EP 3898032A1
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Definitions
- the invention relates to a process for the generative production of at least one
- Object a use of a print head and a motor vehicle, in particular a passenger car.
- a generative manufacturing process for the production of three-dimensional components is the 3D printing process Binder Jetting.
- a powdery material is applied in layers and a binder is selectively applied at the points where the powder is to be solidified to form the component. This is repeated until the component is built up in the desired shape. Unconsolidated powder is then removed.
- the component produced in this way from metal powder is sintered into the finished component following the described construction process.
- the material is softened at high temperatures, but not melted.
- deformation or warping can occur depending on the component geometry.
- cantilevered component areas can be deformed due to gravity.
- the components also typically shrink during sintering.
- the adhesion of the underside of the component to the base can lead to deformation of component areas due to the respective frictional resistance.
- Sinter supports referred to counteract which can be made of ceramic, for example. These support the component to be manufactured in areas and thus prevent deformations and. a. due to the effect of gravity. Due to the higher melting point of the ceramic compared to the metal, the use of ceramic prevents the metal component to be produced from binding to the support structure, which is therefore easily removable from the sintered component.
- EP 2 529 694 B1 discloses a method for the generative production of ceramic shaped bodies by 3D inkjet printing.
- a ceramic slip i.e. a suspension of ceramic particles in one
- Dispersing agent applied in layers on a carrier and hardened, preferably by means of temperature change.
- the particles for making the body are discharged from a nozzle.
- the resulting body is subjected to chemical treatment or heat treatment so that the binder is removed.
- chemical treatment or heat treatment so that the binder is removed.
- ceramic slurries are used, the proportions of which are controlled depending on the location, so that the composition of the body produced varies. There will be slips
- Ceramic particles, free-radically polymerizable binder and possibly wax are used. The body produced is then sintered.
- Layered structure of a shaped body The next layer is applied before the layer below it has hardened.
- Material for producing the shaped body is applied from a nozzle and, in particular, support material is applied simultaneously around it, which is as heavy as the body material and in this way prevents the body to be produced from flowing or shearing off.
- the support material is also applied from a nozzle. The application takes place in an essentially vertical layer, so that support material is applied to the support material and not to the material for forming the shaped body. It is clearly evident from FIG. 2c and paragraph [0088] of this document that the support material and the material for producing the shaped body are applied from spatially separated nozzles. The nozzles are not interconnected. In particular, the materials are not output from a common print head.
- US 9 833 839 B2 discloses a method for producing a body, one
- Support material and an intermediate layer It becomes a first material
- the intermediate layer is produced in such a way that it
- the second material comprises powder and a binder system with at least one binder, the binder system serving to hold a final shape of the body during the processing of the body to the final part.
- the processing includes debinding the final shape to remove the binders and sintering the final shape.
- the intermediate layer prevents the support structure from binding to the body.
- the material of the intermediate layer is arranged with a deposition tool and the material for producing a body is applied with a print head. It is the object of the invention to provide a method and a use which allow the generative production of complex or large objects in a particularly simple and inexpensive manner.
- the object is achieved by the method for the generative production of at least one object according to claim 1 and the use of a printhead according to claim 10. Embodiments of the method are specified in subclaims 2-9. In addition, a motor vehicle according to claim 11 is provided.
- a first aspect of the invention is a method for the generative production of at least one object.
- a layer of powdery material is arranged and a binder is applied to at least a region of the powdery material for the firm connection of particles of the powdery material for the purpose of producing the object.
- an additional material is applied to at least one area of the powdery material for at least area-wise influencing a property of the object to be manufactured.
- the binder and the additional material are applied in at least sections of separate flow paths by means of a common print head.
- the process used is the process for 3D printing referred to as binder jetting.
- binder jetting the process for 3D printing
- a large number of layers of the powdery material are typically applied and the material of each layer is solidified in regions by means of the application of binder.
- the method features according to the invention can be implemented in each of the layers applied.
- the layer is typically arranged in such a way that a horizontal plane is created, wherein an object can consist of several planes or layers.
- the object produced is then separated from the non-consolidated powdery material surrounding it. Filler material can be applied in each shift.
- the powdery material is in particular a metallic material, that is to say a powder made of at least one metal and / or at least one alloy. It can include one or more components or substances, such as filler materials,
- Alloying elements or the like can be composed differently in different areas of the layer and / or in different layers.
- a uniform powder is used for all layers and / or all areas of a respective layer.
- the powdery material is on a
- a binder also known as a binder, is a material that holds the particles of a powder together or binds them together to form a coherent one
- the binder is typically applied in such a way that it is in
- Cavities between the particles is arranged and establishes a firm connection between them, so that the particles are fixed or immobile in relation to each other.
- the firm connection of the particles does not stand in the way of that produced in this way
- Object may have only a low strength.
- the object produced in this way is referred to as a green compact or green body and usually has only a low strength, so that the mechanical stress on the green body should be minimal.
- the green body is used to produce an object with a higher strength than the green body, in which there are direct bonds between the particles between a large part of each of the adjacent particles.
- this does not exclude that voids or pores can remain in the article even after sintering.
- the binder is composed such that it is in one
- the binder does not include any additives or additional particles that cause a change in the properties of the object to be produced in the sintered state.
- the binder comprises a solution and / or one
- the additive material can comprise a solution, a suspension, particles and / or solutes.
- the additional material does not comprise a binder or a polymer.
- the additional material is composed such that it is one
- Debinding process and / or exposure to heat to remove the binder substantially completely persists in position in cavities of the powdered material.
- the additional material is applied to at least a region of the powder which is influenced or not influenced by the binder.
- the influencing of a property means in particular an influencing of the property in relation to surrounding areas, that is to say a local setting of a desired one
- Additional material can be applied.
- at least two different materials namely a binder and an additional material, are applied to the powdery material in at least partially different flow paths.
- these are applied by means of different discharge openings of a print head, so that the separate ones
- Flow paths exist at least between the print head and the powdery material or the object to be produced.
- the binder and / or the additional material are applied at least in sections in a continuous volume flow.
- the binder is deployed by means of at least one first delivery opening of the print head.
- the additional material is applied by means of at least one second delivery opening of the print head.
- the first and second discharge openings are configured in the same way.
- a printhead means a device with at least one discharge opening
- Output of material that is arranged or can be arranged such that a
- the discharge openings of a print head can be moved by means of a common movement device, travel device or drive device.
- Delivery openings arranged in a print head are fixedly or rigidly connected to one another. They can be arranged in separate, rigidly interconnected housing parts or in a common housing of the printhead.
- the print head has at least two redundant designs for each material to be dispensed
- Discharge openings so that if a discharge opening of a material to be discharged malfunctions, an additional discharge opening is available for this material.
- the print head is or are the respective ones
- Delivery openings for dispensing liquid materials such as solutions or suspensions are set up.
- the print head has at least one discharge opening for the discharge of a powdery material.
- this has a larger cross section than discharge openings for dispensing liquid materials.
- the additional material can penetrate the respective layer of the powdery material and in this way influence the material of this layer.
- it can be suitable for influencing the material in or after a sintering process and for this Purpose include alloying elements for alloying with a metallic powdery material.
- the additional material can contain any single or any combination of the alloying elements known in metallurgy, in particular C, Cu, Mn, Ni and / or Si.
- alloy formation can take place locally, at least locally, through the diffusion processes of the powdery material taking place under the influence of heat and possibly increased pressure, which can possibly be reinforced by softening the material.
- the additional material can comprise sintering additives and / or smaller particles than the powdery material, for example made of the same material as the powdery material. This can improve the sintering process, for example increase the sintering activity, and thus increase the achievable density or strength of the objects after sintering.
- the additional material can comprise reinforcing particles, for example comprising
- Tungsten carbide and / or elemental carbon to locally increase strength can be set up to influence the chemical composition of the object to be manufactured or its material properties, such as, for example, the corrosion resistance to certain media or environments. It can be set up to have physical properties such as
- it can comprise copper, for example.
- it can comprise copper, for example.
- Alloy elements, carbon and / or carbides a locally increased hardness can be achieved.
- Tungsten in particular, can also increase wear resistance
- Tungsten carbide, and / or other wear-resistant elements can be achieved.
- the object is sintered. It can be released beforehand.
- the sintering takes place at a temperature between 70% and 90% of the melting temperature of the powdery material or of the powdery material with any alloying elements present, for example about 80% of the
- the joint printing by means of a print head enables particularly simple and inexpensive production, since only one movement device for moving the Printhead is needed.
- the achievable accuracies are particularly high because the distance between the discharge openings is constant.
- the object is characterized in that a separating material is applied as additional material or in addition to the additional material, so that the material composition in the article to be produced at the position of the separating material is changed due to the separating material arranged there in relation to at least one adjacent area. After a sintering process, the object can thus be deliberately divided at this position and in particular has a predetermined breaking point.
- the divisibility of the object after the sintering process means dividing or
- At least a first part of the object produced is a support structure for abutting or supporting at least one area of the component actually to be manufactured, and a second part is the same component to be manufactured.
- the two parts are separated from one another by means of the separating material, so that they are not connected to one another in a sintering process.
- Object to be produced which comprises the “component” and in particular at least one support structure for at least regionally supporting the component in one
- subsequent sintering process can include.
- the support structure serves in particular for the targeted support of areas of the component to be manufactured during the sintering. In this way, a flow
- the changed material composition means a different area
- Properties that allow a targeted failure of the object at this point can be achieved by a locally reduced strength, so that a predetermined breaking point is created in the object, at which a targeted failure of the object can be achieved by the application of force.
- An area of increased brittleness can also be produced, for example using carbon, so that the object can be broken by direct force.
- a further possibility is to use a material which is soluble in a solvent such as water and / or a material with a low material as the separating material to arrange melting point or a low heat resistance, the at
- a temperature rise allows a targeted failure.
- an additional material can be applied. This can be applied by means of at least a third delivery opening of the print head.
- Delivery opening configured in the same way.
- This embodiment has the advantage that particularly large and complex components as well as components with any cantilevered areas can be produced, since support structures that are adapted to the respective component geometry can be produced in a targeted, reproducible and automatable manner. These support structures can be tailored directly to the component to be manufactured. They can be produced in the same process as the actual component, so that a quick and efficient process is made available. Through the generative three-dimensional production of the
- Detachability of the support structure reduces the post-processing required to a minimum.
- the separating material is applied in such a way that it forms a phase on the powdery material that is at least substantially free of the powdery material.
- the separating material is applied in such a way that at least in some areas there is separating material, but no powdery material.
- the phase of the separating material means in particular a layer of the separating material.
- the phase of the separation material can extend parallel or at any other angle to the layer of the powdery material.
- a layer of the separating material can be applied in or onto a layer of the powdery material and / or the separating material can be arranged in regions within a layer of the pulverulent material, so that an upright or obliquely extending phase of the separating material is formed.
- at least one further layer of the powdery material is arranged on the separating material.
- no further layer of the powdery material is arranged on the last layer.
- the separating material which can be arranged, for example, as a layer and in this case is also referred to as a separating layer, separates, the areas of the powder located on both sides thereof or above and below. This has the advantage that in a subsequent sintering process there is no bond between the support structure and the actual component to be produced, and thus the
- Support structure is particularly easy and reproducible separable. This enables simple automation of the process.
- the object is deliberately divided at the position of the separating material. This is typically done after a sintering process. In particular, a force is exerted on at least one area of the object for this purpose, so that it breaks or divides in the area of the separating material for the purpose of separating the support structure of the object. This can be done automatically.
- the component actually to be produced is produced by separating the support structure from the manufactured object.
- the separating material comprises a material and consists in particular of a material which has a melting point which is at least 5% and in particular at least 10% of the melting point of the
- powdery material deviates. A bond between the separating material and the powdery material is thus reduced or prevented in a sintering process for producing the article.
- the material comprised by the separating material has a melting point which is at least 5%, in particular at least 10%, for example at least 20%, in one embodiment at least 30% and in one example at least 40% higher than the melting point of the powdery material, so that the material comprised by the separating material is not connected to the powdery material. All percentages regarding temperatures refer to a temperature scale in ° C.
- the material comprised by the separating material can be one around the mentioned
- Percentage values have a lower melting point, so that during sintering there is a liquid phase separating the respective materials.
- the separating material is selected such that the component and the
- a ceramic separating material is used.
- the additional material or the separating material can comprise particles in a suspension. Suspended ceramic particles are typically used.
- the materials that can be used as separating material are available, have good processability and are inexpensive.
- An embodiment of the method is characterized in that the separating material is liquid, pasty or powdery.
- the separating material can be applied as a viscous paste.
- it can comprise ceramic particles.
- the separating material in this case forms a phase that is not influenced by the powdery material, so that there is only the separating material in some areas.
- Separating material can also be dispensed onto the powdery material as a powder or as a liquid, for example as a solution or suspension with suspended particles.
- a further embodiment of the method for the generative production of at least one object is characterized in that the powdery material and the additional material are arranged in such a way that the additional material is located between areas of the powdery material that are not influenced by the additional material.
- a material composition in the article to be manufactured is changed at the position of the additional material in relation to surrounding areas.
- a layer can be arranged without a specific additional material, a layer comprising or consisting of the additional material can be arranged on this and a layer without the additional material can in turn be arranged on this.
- the additional material is applied to a powder layer and a powder layer is then arranged on the additional material. Additional material can be applied to the last layer to be produced without a powder layer being applied to it.
- the additional material can be arranged in a first region, which is arranged along at least one spatial direction between second regions, no additional material being arranged or being arranged in the second regions.
- the areas can be in one layer.
- the additional material can thus be arranged within a layer between regions of the powdery material which are not influenced by the additional material.
- this can be arranged in or on the same layer and / or in or on different layers as the actual component to be produced and / or the support structure. In particular, it serves to manufacture at least one area of the area to be manufactured which is reduced in strength or toughness
- the areas of the powdery material surrounding the additional material are composed of the powdery material.
- the support structure and the component actually to be produced are produced from the same powdery material. For example, a first part of the powder can be used to produce the component and a second part of the powder can be used to produce a support structure for contacting or supporting at least one area of the component, with a layer of the between the first and the second part of the powder
- Additional material for example a separating layer made of the separating material, is arranged.
- the support structure and component can be produced in a particularly simple and quick manner.
- the shrinkage of these elements is the same due to the same material during the sintering process, so that distortion due to shrinkage in the object is prevented and the support structure can fulfill its function during the entire sintering process.
- Surface unit of the layer of powdery material applied amount of the additional material is varied so that the object to be produced has different properties in different areas. This can be implemented in one or more layers to be applied.
- the chemical composition, magnetism, electrical conductivity, hardness, etc. of the object can be set in specific areas.
- a quantity means in particular a volume or a mass. The variation takes place in particular during a movement of the print head along the layer of the
- powdery material means a change in the volume flow of the additional material.
- the amount applied per surface unit can be varied continuously, so that a gradient material or a graduated object is produced, that is to say an object that is continuously variable with regard to its composition along at least one spatial direction.
- the variation can also be discrete or step-wise, possibly with very small steps, so that an object having graduated properties is produced.
- This configuration has the advantage that, in particular in connection with the geometric variability of the additive manufacturing process, a particularly large one Freedom in the construction of objects can be achieved.
- objects with specific areas are defined mechanical
- Additional material includes particles and / or fibers.
- a locally increased hardness or strength of the object to be produced can be produced by fibers.
- the particles or fibers in particular have maximum diameters or lengths in the micrometer range, in particular in the nanometer range, so that they are by means of
- Delivery openings of the print heads are output. They are typically in suspension. However, as described, it is not excluded that solid particles or fibers can be discharged from a suitable discharge opening.
- Particles can, as described, consist of the same or a similar material as the powdery material and have a smaller particle diameter than the particles of the powdery material, so that they are arranged in their spaces in order to increase the density of the green compact and thus the sintering activity and to increase the density of the object to be manufactured.
- This configuration advantageously enables greater variability in the setting of desired properties.
- a further embodiment of the method is characterized in that the additional material is applied to at least one area of the powdery material in which no binder is applied.
- Binder can be applied in one or more layers in which no additional material is applied. Additional material can be applied in one or more layers in which no binder is applied.
- a second aspect of the invention is the use of a printhead, comprising a plurality of discharge openings for the respective discharge of material, namely at least binder and filler material, for producing an object by means of the method according to the invention.
- Discharge of the binder and at least one second discharge opening of the print head are used to discharge the filler material.
- the print head can have at least one further discharge opening for discharging at least one
- additional material for example a further filler material.
- a conventional printhead can be used to match the
- a third aspect of the invention is a motor vehicle, in particular a passenger car, which comprises at least part of an object produced using the method according to the invention.
- the part of the object is a component in which at least one
- FIG. 2 shows a perspective illustration of a print head for carrying out the method according to the invention.
- FIG. 1 schematically shows a device 19 for carrying out the generative method according to the invention for producing an object 20 by means of binder jetting.
- a three-part assembly arrangement is shown with a central receiving device 18 for the layered arrangement of the powdery material 22 contained therein
- Design is a metal powder. Powder stocks are on both sides of the receiving device 18 23 arranged. A multiplicity of layers (not shown individually) of the powdery material 22 are already arranged on the receiving device 18
- a print head 10 is shown, which is connected to a binder supply 28 by means of a line 29.
- the print head 10 has not shown here
- Delivery openings for the delivery of the binder 20 It is movable parallel to the layers of powdery material 22, the movement being indicated by arrows with the
- the print head 10 additionally has discharge openings (not shown here) for the discharge of an additional material, by means of which it is possible to influence at least some areas of a property of the object 20 to be produced.
- the print head 10 is connected in terms of flow technology to a supply of the additional material, which can be arranged in a manner analogous to the binder supply 28, that is to say separately from the print head 10, or on or in the print head 10 and together with it.
- the article 20 is produced in layers. To make a layer of
- the powder stores 23 are defined by a corresponding one according to the arrows shown below
- Height unit shifted upwards and the central receiving device 18 is shifted downward according to the arrow shown below by a defined height unit. This takes place in particular in such a way that the volume of the powdery material 22 of the powder stores 23 made available in this way essentially corresponds to the volume that has become free for arranging a layer of the powdery material 22 above the receiving device 18.
- a uniform layer of the powdery material 22 is applied to the previously applied layer of the powdery material 22, which is solidified in some areas by means of a binder 27, or distributed thereon.
- the arrangement device 25 is designed as a roller movable along the arrow direction parallel to the surface of the respective layers of the powdery material 22 for distributing and possibly compressing the powdery material 22.
- the powdery material 22 is on the receiving device 18 or on one beforehand
- the print head 10 is then moved over at least part of the surface of the layer along the directions shown by arrows 30 parallel to the surface of the layer and at least by means of the print head 10 Binder 27 applied in areas to solidify the material.
- the additional material is discharged from the separate discharge opening by means of the print head 10.
- the object 20 which comprises the component actually to be manufactured and at least one support structure for supporting the component in regions in the subsequent sintering process.
- This support structure consists of the same pulverulent material 22 as the component, the material of the support structure being spatially separated from the material of the component by means of a separating layer made of a ceramic separating material, so that the two elements do not sinter together and thus, after the sintering process, can be targeted in a simple and automated manner mechanical separation of the component from the support structure is possible.
- FIG. 2 shows a perspective view and an enlarged detailed illustration of a print head 10 for use in the method according to the invention.
- the print head 10 has an enlarged nozzle array 16 with six rows 14, each row 14 having a plurality of discharge openings 12 for the discharge of the respective material. These are arranged one behind the other along the central longitudinal axis of the respective row 14, which is not shown here.
- the material to be applied is binder and at least one additional material, which can be a separating material, for example.
- two rows 14 are provided for dispensing the same material, so that there is a redundant design.
- the print head 10 has electrical contacts 40 for controlling the nozzle array
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur generativen Herstellung wenigstens eines Gegenstands, eine Verwendung eines Druckkopfs sowie ein Kraftfahrzeug, insbesondere einen Personenkraftwagen. Bei einem Verfahren zur generativen Herstellung wenigstens eines Gegenstands (20) wird eine Schicht aus pulverförmigem Material (22) angeordnet und es wird zur festen Verbindung von Partikeln des pulverförmigen Materials (22) zwecks Herstellung des Gegenstands (20) auf zumindest einen Bereich des pulverförmigen Materials (22) ein Binder (27) ausgebracht. Es wird auf wenigstens einen Bereich des pulverförmigen Materials (22) ein Zusatzmaterial zur zumindest bereichsweisen Beeinflussung einer Eigenschaft des herzustellenden Gegenstands (20) ausgebracht. Der Binder (27) und das Zusatzmaterial werden in zumindest abschnittsweise separaten Strömungsbahnen mittels eines gemeinsamen Druckkopfs (10) ausgebracht.
Description
Verfahren zur generativen Herstellung wenigstens eines Gegenstands, Verwendung eines Druckkopfs und Kraftfahrzeug
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur generativen Herstellung wenigstens eines
Gegenstands, eine Verwendung eines Druckkopfs sowie ein Kraftfahrzeug, insbesondere einen Personenkraftwagen.
Ein generatives Fertigungsverfahren zur Herstellung dreidimensionaler Bauteile ist das 3D- Druck-Verfahren Binder Jetting. Dabei wird schichtweise ein pulverförmiges Material ausgebracht und selektiv an den Stellen, an denen das Pulver zur Ausbildung des Bauteils verfestigt werden soll, ein Binder aufgebracht. Dies wird wiederholt, bis das Bauteil in der gewünschten Form aufgebaut ist. Anschließend wird nicht verfestigtes Pulver entfernt.
Bei der Herstellung von Metallbauteilen mit diesem Verfahren wird im Anschluss an den beschriebenen Aufbauprozess das derartig aus Metallpulver erzeugte Bauteil zum fertigen Bauteil gesintert. Dabei wird das Material bei hohen Temperaturen erweicht, aber nicht geschmolzen. Da die Bauteile vor dem Abschluss des Sinterprozesses noch nicht ihre volle Festigkeit aufweisen und im Sinterofen der Schwerkraft unterworfen sind, kann es in Abhängigkeit der Bauteilgeometrie zu Verformungen bzw. Verzug kommen. Insbesondere auskragende Bauteilbereiche können dabei schwerkraftbedingt verformt werden. Auch kommt es beim Sintern typischerweise zur Schwindung der Bauteile. Dabei kann die Haftung der Bauteilunterseite auf der Unterlage aufgrund des jeweiligen Reibungswiderstands zu Verformungen von Bauteilbereichen führen.
Es ist bekannt, den beschriebenen Verformungen mittels Stützstrukturen, auch als
Sintersupports bezeichnet, entgegenzuwirken, die beispielsweise aus Keramik hergestellt sein können. Diese stützen das herzustellende Bauteil bereichsweise ab und verhindern so Deformationen u. a. aufgrund der Schwerkraftwirkung. Die Verwendung von Keramik verhindert aufgrund des höheren Schmelzpunktes der Keramik im Vergleich zum Metall eine Bindung des herzustellenden Metallbauteils mit der Stützstruktur, die somit leicht vom gesinterten Bauteil ablösbar ist.
Da derartige Stützstrukturen jedoch nicht in unbegrenzter Größe und Komplexität herstellbar sind, sind Größe und Komplexität der herzustellenden Bauteile stark eingeschränkt. Darüber hinaus finden während des Sinterprozesses unterschiedliche, da materialabhängige
Schwindungen, von Stützstruktur und Bauteil statt, sodass trotz der Verwendung von Stützstrukturen eine Deformation der Bauteile erfolgen kann.
Ein verwandtes Verfahren ist aus der EP 2 529 694 B1 bekannt, die ein Verfahren zur generativen Herstellung von Keramikformkörpern durch 3D-lnkjet-Drucken offenbart. Dabei
wird ein Keramikschlicker, also eine Suspension von keramischen Partikeln in einem
Dispersionsmittel, schichtweise auf einen Träger aufgebracht und gehärtet, vorzugsweise mittels Temperaturänderung. Die Partikel zur Herstellung des Körpers werden aus einer Düse ausgegeben. Der entstehende Körper wird einer chemischen Behandlung oder einer Wärmebehandlung unterworfen, sodass das Bindemittel entfernt wird. Es werden mehrere Keramikschlicker verwendet, deren Anteile ortsabhängig gesteuert werden, sodass die Zusammensetzung des hergestellten Körpers variiert. Es werden Schlicker mit
Keramikpartikeln, radikalisch polymerisierbarem Bindemittel und ggf. Wachs genutzt. Der hergestellte Körper wird anschließend gesintert.
Die DE 10 2012 101 939 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum
schichtweisen Aufbau eines Formkörpers. Dabei wird die nächste Schicht aufgebracht, bevor die Schicht darunter ausgehärtet ist. Es wird aus einer Düse Material zur Herstellung des Formkörpers aufgebracht und insbesondere gleichzeitig um diesen herum Stützmaterial aufgebracht, welches gleich schwer ist wie das Körper-Material und auf diese Weise ein Fließen oder Abscheren des herzustellenden Körpers verhindert. Das Stützmaterial wird ebenfalls aus einer Düse ausgebracht. Die Ausbringung erfolgt in einer im Wesentlichen vertikalen Schicht, sodass Stützmaterial auf Stützmaterial aufgebracht wird und nicht auf das Material zur Ausbildung des Formkörpers. Es ist aus Fig. 2c und Absatz [0088] dieses Dokuments klar ersichtlich, dass das Stützmaterial und das Material zur Herstellung des Formkörpers aus räumlich voneinander getrennten Düsen ausgebracht werden. Die Düsen sind nicht miteinander verbunden. Insbesondere werden die Materialien nicht aus einem gemeinsamen Druckkopf ausgegeben.
Die US 9 833 839 B2 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Körpers, eines
Stützmaterials sowie einer Zwischenschicht. Es wird aus einem ersten Material eine
Stützstruktur hergestellt. Die Zwischenschicht wird derart hergestellt, dass sie die
Stützstruktur kontaktiert. Aus einem zweiten Material wird angrenzend an die
Zwischenschicht eine Oberfläche des Körpers hergestellt. Das zweite Material umfasst Pulver und ein Bindersystem mit wenigstens einem Binder, wobei das Bindersystem zum Halten einer Endform des Körpers während der Bearbeitung des Körpers zum finalen Teil dient. Die Bearbeitung umfasst ein Entbindern der Endform, um die Binder zu entfernen, und Sintern der Endform. Die Zwischenschicht verhindert eine Bindung der Stützstruktur mit dem Körper. Das Material der Zwischenschicht wird mit einem Depositionswerkzeug angeordnet und das Material zur Herstellung eines Körpers wird mit einem Druckkopf ausgebracht.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren sowie eine Verwendung zur Verfügung zu stellen, die auf besonders einfache und kostengünstige Weise die generative Herstellung komplexer bzw. großer Gegenstände erlaubt.
Die Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren zur generativen Herstellung wenigstens eines Gegenstands gemäß Anspruch 1 und die Verwendung eines Druckkopfs gemäß Anspruch 10. Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2-9 angegeben. Darüber hinaus wird ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 11 zur Verfügung gestellt.
Ein erster Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur generativen Herstellung wenigstens eines Gegenstands. Es wird eine Schicht aus pulverförmigem Material angeordnet und es wird zur festen Verbindung von Partikeln des pulverförmigen Materials zwecks Herstellung des Gegenstands auf zumindest einen Bereich des pulverförmigen Materials ein Binder ausgebracht. Weiterhin wird auf wenigstens einen Bereich des pulverförmigen Materials ein Zusatzmaterial zur zumindest bereichsweisen Beeinflussung einer Eigenschaft des herzustellenden Gegenstands ausgebracht. Der Binder und das Zusatzmaterial werden in zumindest abschnittsweise separaten Strömungsbahnen mittels eines gemeinsamen Druckkopfs ausgebracht.
Insbesondere ist das verwendete Verfahren das als Binder Jetting bezeichnete Verfahren zum 3D-Drucken. Dabei wird zum Aufbau des Gegenstands typischerweise eine Vielzahl an Schichten des pulverförmigen Materials ausgebracht und das Material jeder Schicht bereichsweise mittels Ausbringung von Binder verfestigt. Bei jeder der aufgebrachten Schichten können die erfindungsgemäßen Verfahrensmerkmale realisiert werden.
Typischerweise erfolgt die Anordnung der Schicht derart, dass eine horizontale Ebene geschaffen wird, wobei ein Gegenstand aus mehreren Ebenen bzw. Schichten bestehen kann. Anschließend wird der hergestellte Gegenstand vom diesen umgebenden, nicht verfestigten pulverförmigen Material getrennt. In jeder Schicht kann Zusatzwerkstoff ausgebracht werden.
Das pulverförmige Material ist insbesondere ein metallisches Material, also ein Pulver aus wenigstens einem Metall und/oder wenigstens einer Legierung. Es kann ein oder mehrere Bestandteile bzw. Stoffe umfassen, wie beispielsweise Zusatzwerkstoffe,
Legierungselemente oder Ähnliches. Es kann in unterschiedlichen Bereichen der Schicht und/oder in unterschiedlichen Schichten unterschiedlich zusammengesetzt sein.
Typischerweise wird ein einheitliches Pulver für alle Schichten und/oder alle Bereiche einer jeweiligen Schicht verwendet. Das pulverförmige Material wird auf einer
Aufnahmeeinrichtung oder auf einer zuvor angeordneten Schicht angeordnet.
Ein Binder, auch als Bindemittel bezeichnet, ist ein Material, welches die Partikel eines Pulvers zusammenhält bzw. aneinander bindet, um einen zusammenhängenden
Gegenstand zu bilden. Dies kann mechanische, chemisch, durch Adhäsion und/oder Kohäsion erfolgen. Typischerweise wird der Binder derart ausgebracht, dass er in
Hohlräumen zwischen den Partikeln angeordnet ist und eine feste Verbindung zwischen ihnen herstellt, sodass die Partikel in Bezug zueinander fixiert bzw. unbeweglich sind. Der festen Verbindung der Partikel steht nicht entgegen, dass der derartig hergestellte
Gegenstand ggf. nur eine geringe Festigkeit aufweisen kann.
Bei der Herstellung von Gegenständen aus Metall wird der derart hergestellte Gegenstand als Grünling bzw. Grünkörper bezeichnet und weist üblicherweise lediglich eine geringe Festigkeit auf, sodass die mechanische Beanspruchung des Grünkörpers minimal sein sollte. Mittels des typischerweise anschließenden Sinterprozesses wird aus dem Grünkörper ein Gegenstand mit einer im Vergleich zum Grünkörper höheren Festigkeit hergestellt, bei dem zwischen einem Großteil jeweils benachbarter Partikel unmittelbare Bindungen der Partikel miteinander bestehen. Dies schließt selbstverständlich nicht aus, dass auch nach dem Sintern Hohlräume bzw. Poren im Gegenstand verbleiben können.
Insbesondere ist der Binder derart zusammengesetzt, dass er in einem
Entbinderungsprozess und/oder unter Wärmeeinwirkung im Wesentlichen entfernbar bzw. zersetzbar ist. Beispielsweise umfasst der Binder keinerlei Zusatzstoffe bzw. Zusatzpartikel, die eine Veränderung der Eigenschaften des herzustellenden Gegenstands im gesinterten Zustand bewirken. Typischerweise umfasst der Binder eine Lösung und/oder eine
Suspension.
Das Zusatzmaterial kann eine Lösung, eine Suspension, Partikel und/oder gelöste Stoffe umfassen. Insbesondere umfasst das Zusatzmaterial keinen Binder bzw. kein Polymer.
Beispielsweise ist das Zusatzmaterial derart zusammengesetzt, dass es einen
Entbinderungsprozess und/oder eine Wärmeeinwirkung zur Entfernung des Binders im Wesentlichen vollständig in seiner Position in Hohlräumen des pulverförmigen Materials überdauert. Das Zusatzmaterial wird auf zumindest einen Bereich des vom Binder beeinflussten oder unbeeinflussten Pulvers ausgebracht.
Die Beeinflussung einer Eigenschaft meint insbesondere eine Beeinflussung der Eigenschaft in Bezug zu umgebenden Bereichen, also eine lokale Einstellung einer gewünschten
Eigenschaft des Gegenstands an einer gewünschten Position. Alternativ kann
selbstverständlich auch in allen Bereich einer Schicht bzw. mehrerer Schichten das
Zusatzmaterial aufgebracht werden.
Somit werden zumindest zwei unterschiedliche Materialien, nämlich ein Binder und ein Zusatzmaterial, auf zumindest abschnittsweise unterschiedlichen Strömungsbahnen auf das pulverförmige Material aufgebracht. Insbesondere werden diese mittels unterschiedlicher Ausbringungsöffnungen eines Druckkopfs ausgebracht, so dass die separaten
Strömungsbahnen zumindest zwischen dem Druckkopf und dem pulverförmige Material bzw. dem herzustellenden Gegenstand existieren. Typischerweise werden Binder und
Zusatzmaterial in vollständig unterschiedlichen Strömungsbahnen geleitet, die
beispielsweise im Wesentlichen parallel verlaufen können. Insbesondere werden der Binder und/oder das Zusatzmaterial zumindest zeitabschnittsweise in jeweils einem kontinuierlichen Volumenstrom ausgebracht.
Insbesondere wird der Binder mittels wenigstens einer ersten Ausbringungsöffnung des Druckkopfs ausgebracht. Insbesondere wird das Zusatzmaterial mittels wenigstens einer zweiten Ausbringungsöffnung des Druckkopfs ausgebracht. Typischerweise sind die erste und die zweite Ausbringungsöffnung gleichartig ausgestaltet.
Ein Druckkopf meint eine Einrichtung mit wenigstens einer Ausbringungsöffnung zur
Ausbringung von Material, die derart angeordnet bzw. anordbar ist, dass eine
Relativbewegung zwischen Druckkopf und einem herzustellenden Gegenstand bzw. einer Aufnahmeeinrichtung zur Aufnahme eines herzustellenden Gegenstands realisierbar ist. Insbesondere sind die Ausbringungsöffnungen eines Druckkopfs mittels einer gemeinsamen Bewegungseinrichtung, Verfahreinrichtung bzw. Antriebseinrichtung beweglich. In einem Druckkopf angeordnete Ausbringungsöffnungen sind fest bzw. starr miteinander verbunden. Sie können in separaten, starr miteinander verbundenen Gehäuseteilen oder in einem gemeinsamen Gehäuse des Druckkopfs angeordnet sein. Insbesondere weist der Druckkopf für jedes auszubringende Material zumindest zwei redundant ausgeführte
Ausbringungsöffnungen auf, sodass bei einer Fehlfunktion einer Ausbringungsöffnung eines auszubringenden Materials als Ersatz eine zusätzliche Ausbringungsöffnung für dieses Material vorhanden ist. Insbesondere ist der Druckkopf bzw. sind die jeweiligen
Ausbringungsöffnungen zur Ausgabe von flüssigen Materialien wie beispielsweise Lösungen bzw. Suspensionen eingerichtet. Es ist allerdings nicht ausgeschlossen, dass der Druckkopf wenigstens eine Ausbringungsöffnung zur Ausbringung eines pulverförmige Materials aufweist. Diese weist insbesondere einen größeren Querschnitt als Ausbringungsöffnungen zur Ausgabe flüssiger Materialien auf.
Das Zusatzmaterial kann die jeweilige Schicht des pulverförmigen Materials durchdringen und auf diese Weise das Material dieser Schicht beeinflussen. Beispielsweise kann es zur Beeinflussung des Materials in bzw. nach einem Sinterprozess geeignet sein und zu diesem
Zweck etwa Legierungselemente zur Legierung mit einem metallischen pulverförmigen Material umfassen.
Das Zusatzmaterial kann jedes einzelne oder jede Kombination der in der Metallurgie bekannten Legierungselemente enthalten, insbesondere C, Cu, Mn, Ni und/oder Si. In einem anschließenden Sinterprozess kann durch unter Wärmeeinwirkung und ggf. erhöhtem Druck stattfindende Diffusionsprozesse des pulverförmigen Materials, welche durch ein Erweichen des Materials ggf. verstärkt werden können, zumindest lokal eine Legierungsbildung erfolgen.
Das Zusatzmaterial kann Sinteradditive und/oder kleinere Partikel als das pulverförmige Material, beispielsweise aus demselben Material wie das pulverförmige Material, umfassen. Dies kann den Sinterprozess verbessern, beispielsweise die Sinteraktivität erhöhen, und somit die erzielbare Dichte bzw. Festigkeit der Gegenstände nach dem Sintern steigern. Das Zusatzmaterial kann Verstärkungspartikel umfassen, beispielsweise umfassend
Wolframcarbid und/oder elementaren Kohlenstoff, um lokal die Festigkeit zu erhöhen. Das Zusatzmaterial kann dazu eingerichtet sein, die chemische Zusammensetzung des herzustellenden Gegenstands bzw. dessen Werkstoffeigenschaften wie beispielsweise die Korrosionsbeständigkeit gegenüber bestimmten Medien bzw. Umgebungen zu beeinflussen. Es kann dazu eingerichtet sein, physikalische Eigenschaften wie beispielsweise die
Wärmeleitfähigkeit und/oder die elektrische Leitfähigkeit gezielt zu beeinflussen. Zu diesem Zweck kann es beispielsweise Kupfer umfassen. Beispielweise kann durch
Legierungselemente, Kohlenstoff und/oder Carbide eine lokal erhöhte Härte erzielt werden. Ebenfalls kann eine erhöhte Verschleißbeständigkeit durch Wolfram, insbesondere
Wolframcarbid, und/oder weitere verschleißbeständige Elemente erzielt werden.
Ebenfalls ist es möglich, durch gezielte Nichtausbringung des Zusatzwerkstoffs in bestimmten Bereichen das Vorhandensein bestimmter Stoffe in diesen Bereichen zu unterbinden. Beispielsweise können für nachfolgende Schweißverfahren problematische Legierungselemente wie etwa Nickel an zu schweißenden Bereichen der Gegenstände ausgelassen werden bzw. ausschließlich dort angeordnet werden, wo sie benötigt werden.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird der Gegenstand gesintert. Er kann vorher entbindert werden. Insbesondere erfolgt das Sintern bei einer Temperatur zwischen 70% und 90% der Schmelztemperatur des pulverförmigen Materials oder des pulverförmigen Materials mit etwaig vorhandenen Legierungselementen, beispielsweise etwa 80% der
Schmelztemperatur.
Das gemeinsame Drucken mittels eines Druckkopfs ermöglicht eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung, da lediglich eine Bewegungseinrichtung zur Bewegung des
Druckkopfs benötigt wird. Die erzielbaren Genauigkeiten sind besonders hoch, da der Abstand zwischen den Ausbringungsöffnungen konstant ist.
Eine Ausgestaltung des Verfahrens zur generativen Herstellung wenigstens eines
Gegenstands ist dadurch gekennzeichnet, dass als Zusatzmaterial oder zusätzlich zum Zusatzmaterial ein Trennmaterial ausgebracht wird, sodass die Materialzusammensetzung im herzustellenden Gegenstand an der Position des Trennmaterials infolge des dort angeordneten Trennmaterials in Bezug zu wenigstens einem benachbarten Bereich verändert ist. Somit ist der Gegenstand nach einem Sinterprozess an dieser Position gezielt teilbar und weist insbesondere eine Sollbruchstelle auf.
Die Teilbarkeit des Gegenstands nach dem Sinterprozess meint ein Unterteilen bzw.
Trennen des Gegenstands in wenigstens zwei Teile. Insbesondere ist dabei wenigstens ein erster Teil des hergestellten Gegenstands eine Stützstruktur zur Anlage bzw. zum Abstützen zumindest eines Bereichs des eigentlich herzustellenden Bauteils und ein zweiter Teil ist ebenjenes herzustellende Bauteil. Die beiden Teile sind mittels des Trennmaterials voneinander getrennt, sodass sie in einem Sinterprozess nicht miteinander verbunden werden. Im Folgenden bezieht sich der Begriff„Gegenstand“ auf den generativ
herzustellenden Gegenstand, der das„Bauteil“ sowie insbesondere wenigstens eine Stützstruktur zum zumindest bereichsweisen Abstützen des Bauteils in einem
anschließenden Sinterprozess umfassen kann.
Die Stützstruktur dient insbesondere der gezielten Abstützung von Bereichen des herzustellenden Bauteils während des Sinterns. Auf diese Weise wird ein Fließen,
Abscheren bzw. Deformieren zumindest eines Teils des herzustellenden Körpers verhindert. Der vor dem Abschluss des Sinterprozesses lediglich eine geringe Festigkeit aufweisende Grünkörper wird somit vor Verformungen bzw. vor Verzug geschützt. Insbesondere auskragende Bauteilbereiche werden vor schwerkraftbedingten Verformungen geschützt.
Die veränderte Materialzusammensetzung meint einen Bereich abweichender
Eigenschaften, der ein gezieltes Versagen des Gegenstands an dieser Stelle ermöglicht. Beispielsweise kann dies durch eine lokal verminderte Festigkeit erreicht werden, sodass eine Sollbruchstelle im Gegenstand erzeugt wird, an welcher durch Krafteinwirkung ein gezieltes Versagen des Gegenstands erreicht werden kann. Ebenfalls kann ein Bereich erhöhter Sprödigkeit hergestellt werden, beispielsweise unter Nutzung von Kohlenstoff, sodass durch unmittelbare Krafteinwirkung ein gezielter Bruch des Gegenstands erfolgen kann. Eine weitere Möglichkeit ist es, als Trennmaterial ein in einem Lösemittel wie beispielsweise Wasser lösliches Material und/oder ein Material mit einem niedrigen
Schmelzpunkt bzw. einer niedrigen Warmfestigkeit anzuordnen, das bei
Temperaturerhöhung ein gezieltes Versagen ermöglicht.
Es kann zusätzlich zum Trennmaterial ein Zusatzmaterial ausgebracht werden. Dieses kann mittels wenigstens einer dritten Ausbringungsöffnung des Druckkopfs ausgebracht werden. Insbesondere sind die dritte Ausbringungsöffnung und die erste und/oder zweite
Ausbringungsöffnung gleichartig ausgestaltet.
Diese Ausgestaltung bringt den Vorteil mit sich, dass besonders große und komplexe Bauteile sowie Bauteile mit beliebig auskragenden Bereichen herstellbar sind, da auf gezielte, reproduzierbare und automatisierbare Weise der jeweiligen Bauteilgeometrie angepasste Stützstrukturen herstellbar sind. Diese Stützstrukturen können unmittelbar auf das herzustellende Bauteil zugeschnitten sein. Sie sind im selben Verfahrensgang herstellbar wie das eigentliche Bauteil, sodass ein schnelles und effizientes Verfahren zur Verfügung gestellt wird. Durch die generative dreidimensionale Herstellung der
Stützstrukturen sind beliebig komplexe Stützstrukturen möglich. Durch die leichte
Abtrennbarkeit der Stützstruktur ist die notwendige Nachbearbeitung auf ein Minimum reduziert.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird das Trennmaterial derart ausgebracht, dass es eine vom pulverförmigen Material zumindest im Wesentlichen freie Phase auf dem pulverförmigen Material ausbildet. Mit anderen Worten wird das Trennmaterial derart ausgebracht, dass zumindest bereichsweise Trennmaterial, aber kein pulverförmiges Material vorliegt.
Die Phase des Trennmaterials meint insbesondere eine Schicht des Trennmaterials. Die Phase des Trennmaterials kann sich parallel oder in einem beliebigen anderen Winkel zur Schicht des pulverförmige Materials erstrecken. Mit anderen Worten kann eine Schicht des Trennmaterials in bzw. auf eine Schicht des pulverförmigen Materials aufgebracht werden und/oder es kann innerhalb einer Schicht des pulverförmige Materials bereichsweise das Trennmaterial angeordnet werden, sodass eine sich hochkant oder schräg erstreckende Phase des Trennmaterials ausgebildet wird. Insbesondere wird wenigstens eine weitere Schicht des pulverförmigen Materials auf dem Trennmaterial angeordnet. Auf der letzten Schicht wird selbstverständlich keine weitere Schicht des pulverförmigen Materials angeordnet.
Auf diese Weise wird ein mechanischer Kontakt zwischen dem bereits aufgetragenen pulverförmigen Material und der anschließend anzuordnenden Schicht des pulverförmigen Materials verhindert. Mit anderen Worten separiert das Trennmaterial, das beispielsweise als Schicht angeordnet werden kann und in diesem Fall auch als Trennschicht bezeichnet wird,
die beidseitig davon bzw. darüber und darunter befindlichen Bereiche des Pulvers. Es ergibt sich der Vorteil, dass in einem nachgeschalteten Sinterprozess keine Bindung zwischen der Stützstruktur und dem eigentlichen herzustellenden Bauteil entsteht und somit die
Stützstruktur besonders leicht und reproduzierbar abtrennbar ist. Dies ermöglicht eine einfache Automatisierung des Verfahrens.
In einer Ausgestaltung wird der Gegenstand an der Position des Trennmaterials gezielt geteilt. Dies erfolgt typischerweise nach einem Sinterprozess. Insbesondere wird zu diesem Zweck eine Kraft auf zumindest einen Bereich des Gegenstands ausgeübt, sodass dieser zwecks Abtrennung der Stützstruktur des Gegenstands im Bereich des Trennmaterials bricht bzw. geteilt wird. Dies kann automatisiert erfolgen. Durch die Abtrennung der Stützstruktur vom hergestellten Gegenstand wird das eigentlich herzustellende Bauteil erzeugt.
In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens umfasst das Trennmaterial ein Material und besteht insbesondere aus einem Material, welches einen Schmelzpunkt aufweist, welcher um wenigstens 5% und insbesondere wenigstens 10% vom Schmelzpunkt des
pulverförmigen Materials abweicht. Somit wird in einem Sinterprozess zur Herstellung des Gegenstands eine Bindung zwischen dem Trennmaterial und dem pulverförmigen Material verringert oder verhindert.
Beispielsweise weist das vom Trennmaterial umfasste Material einen Schmelzpunkt auf, der um wenigstens 5%, insbesondere wenigstens 10%, beispielweise wenigstens 20%, in einer Ausgestaltung wenigstens 30% und in einem Beispiel um wenigstens 40% höher ist als der Schmelzpunkt des pulverförmige Materials, sodass das vom Trennmaterial umfasste Material nicht mit dem pulverförmigen Material verbunden wird. Sämtliche prozentualen Angaben bezüglich Temperaturen beziehen sich auf eine Temperaturskala in °C.
Alternativ kann das vom Trennmaterial umfasste Material einen um die genannten
Prozentwerte geringeren Schmelzpunkt aufweisen, sodass beim Sintern eine die jeweiligen Materialien voneinander trennende flüssige Phase vorliegt.
Mit anderen Worten wird das Trennmaterial derart gewählt, dass das Bauteil und die
Stützstruktur nicht zusammensintern. Insbesondere wird ein keramisches Trennmaterial verwendet. Das Zusatzmaterial bzw. das Trennmaterial kann Partikel in einer Suspension umfassen. Typischerweise werden suspendierte keramische Partikel genutzt.
Diese Ausgestaltung bringt den Vorteil mit sich, dass die gezielte Abtrennung von
Stützstrukturen durch Verwendung der erfindungsgemäßen Materialien auf besonders einfache Weise möglich ist. Darüber hinaus sind die als Trennmaterial verwendbaren Materialien verfügbar, weisen eine gute Verarbeitbarkeit auf und sind kostengünstig.
Eine Ausgestaltung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass das Trennmaterial flüssig, pastös oder pulverförmig ist. Beispielsweise kann das Trennmaterial als viskose Paste ausgebracht werden. Es kann beispielsweise Keramikpartikel umfassen. Insbesondere bildet das Trennmaterial in diesem Fall eine vom pulverförmigen Material unbeeinflusste Phase aus, es liegt also bereichsweise ausschließlich das Trennmaterial vor. Das
Trennmaterial kann ebenso als Pulver oder als Flüssigkeit, beispielsweise als Lösung oder Suspension mit suspendierten Partikeln auf das pulverförmige Material ausgegeben werden.
Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens zur generativen Herstellung wenigstens eines Gegenstands ist dadurch gekennzeichnet, dass das pulverförmige Material sowie das Zusatzmaterial derart angeordnet werden, dass sich das Zusatzmaterial zwischen vom Zusatzmaterial unbeeinflussten Bereichen des pulverförmigen Materials befindet. Somit ist eine Materialzusammensetzung im herzustellenden Gegenstand an der Position des Zusatzmaterials in Bezug zu umgebenden Bereichen verändert.
Beispielsweise kann eine Schicht ohne ein bestimmtes Zusatzmaterial angeordnet werden, auf dieser kann eine Schicht, welche das Zusatzmaterial umfasst bzw. aus diesem besteht angeordnet werden und auf dieser kann wiederum eine Schicht ohne das Zusatzmaterial angeordnet werden. Insbesondere wird das Zusatzmaterial auf eine Pulverschicht aufgebracht und es wird anschließend eine Pulverschicht auf dem Zusatzmaterial angeordnet. Bei der letzten herzustellenden Schicht kann Zusatzmaterial aufgebracht werden, ohne dass darauf eine Pulverschicht aufgebracht wird.
Das Zusatzmaterial kann in einem ersten Bereich angeordnet werden, der entlang wenigstens einer Raumrichtung zwischen zweiten Bereichen angeordnet ist, wobei in den zweiten Bereichen kein Zusatzmaterial angeordnet ist bzw. wird. Die Bereiche können dabei in einer Schicht liegen. Somit kann das Zusatzmaterial innerhalb einer Schicht zwischen vom Zusatzmaterial unbeeinflussten Bereichen des pulverförmige Materials angeordnet werden.
Im Falle eines Trennmaterials kann dieses in bzw. auf derselben Schicht und/oder in bzw. auf unterschiedlichen Schichten angeordnet werden wie das eigentliche herzustellende Bauteil und/oder die Stützstruktur. Insbesondere dient es der Herstellung zumindest eines festigkeitsgeminderten bzw. zähigkeitsgeminderten Bereichs des herzustellenden
Gegenstands.
Im Falle eines die Eigenschaften des Gegenstands nach dem Sintern beeinflussenden Zusatzmaterials kann auf diese Weise gezielt ein Bereich veränderter Eigenschaften hergestellt werden.
In einer Ausgestaltung sind die das Zusatzmaterial umgebenden Bereiche des pulverförmigen Materials aus dem pulverförmigen Material zusammengesetzt. Mit anderen Worten werden die Stützstruktur und das eigentlich herzustellende Bauteil aus demselben pulverförmigen Material erzeugt. Es kann beispielsweise ein erster Teil des Pulvers zur Herstellung des Bauteils und ein zweiter Teil des Pulvers zur Herstellung einer Stützstruktur zur Anlage bzw. zum Abstützen zumindest eines Bereichs des Bauteils genutzt werden, wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Teil des Pulvers eine Schicht aus dem
Zusatzmaterial, beispielsweise eine Trennschicht aus dem Trennmaterial, angeordnet wird.
Dies bringt den Vorteil mit sich, dass einerseits die Herstellung von Stützstruktur und Bauteil auf besonders einfache und schnelle Weise möglich ist. Darüber hinaus ist die Schrumpfung dieser Elemente aufgrund desselben Materials beim Sinterprozess gleich, sodass schrumpfungsbedingter Verzug im Gegenstand verhindert wird und die Stützstruktur während des gesamten Sinterprozesses ihre Funktion erfüllen kann.
Eine Ausgestaltung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass eine pro
Oberflächeneinheit der Schicht des pulverförmigen Materials aufgebrachte Menge des Zusatzmaterials variiert wird, sodass der herzustellende Gegenstand in unterschiedlichen Bereichen unterschiedliche Eigenschaften aufweist. Dies kann einer oder mehreren aufzubringenden Schichten realisiert sein.
Unterschiedliche Konzentrationen des Zusatzmaterials im herzustellenden Gegenstand bewirken auf diese Weise unterschiedliche Eigenschaften. Beispielsweise können so gezielt bereichsweise die chemische Zusammensetzung, Magnetismus, elektrische Leitfähigkeit, Härte, usw. des Gegenstands eingestellt werden.
Eine Menge meint insbesondere ein Volumen bzw. eine Masse. Die Variation erfolgt insbesondere während einer Bewegung des Druckkopfs entlang der Schicht des
pulverförmigen Materials. Sie meint beispielsweise eine Veränderung eines Volumenstroms des Zusatzmaterials.
Die Variation der pro Oberflächeneinheit aufgebrachten Menge kann kontinuierlich erfolgen, sodass ein Gradientenmaterial bzw. ein graduierter Gegenstand hergestellt wird, also ein entlang zumindest einer Raumrichtung hinsichtlich seiner Zusammensetzung kontinuierlich variabler Gegenstand. Die Variation kann auch diskret bzw. stufenweise sein, ggf. mit sehr kleinen Stufen, sodass ein abgestufte Eigenschaften aufweisender Gegenstand hergestellt wird.
Diese Ausgestaltung bringt den Vorteil mit sich, dass insbesondere in Verbindung mit der geometrischen Variabilität des generativen Fertigungsverfahrens eine besonders große
Freiheit bei der Konstruktion von Gegenständen erzielbar ist. Es sind für den spezifischen Anwendungsfall Gegenstände mit gezielten Bereichen definierter mechanischer
Eigenschaften herstellbar. Dies birgt große Potenziale hinsichtlich Leichtbaukonstruktionen. Durch gezielte Beeinflussung der physikalischen bzw. thermo-physikalischen Eigenschaften, also insbesondere der Wärmeleitfähigkeit, können funktionsintegrierte Gegenstände hergestellt werden.
Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass das
Zusatzmaterial Partikel und/oder Fasern umfasst. Beispielsweise kann eine lokal erhöhte Härte bzw. Festigkeit des herzustellenden Gegenstands durch Fasern hergestellt werden.
Die Partikel bzw. Fasern weisen insbesondere maximale Durchmesser bzw. Längen im Mikrometerbereich, insbesondere im Nanometerbereich, auf, sodass sie mittels
Ausbringungsöffnungen der Druckköpfe ausgebbar sind. Typischerweise liegen sie in Suspension vor. Es ist allerdings, wie beschrieben, nicht ausgeschlossen, dass Partikel bzw. Fasern in fester Form aus einer geeigneten Ausbringungsöffnung ausgebracht werden.
Partikel können, wie beschrieben, aus demselben bzw. einem ähnlichen Material wie das pulverförmige Material bestehen und einen geringeren Partikeldurchmesser aufweisen als die Partikel des pulverförmige Materials, sodass sie in deren Zwischenräumen angeordnet werden, um die Dichte des Grünlings zu steigern und somit die Sinteraktivität sowie die Dichte des herzustellenden Gegenstands zu vergrößern.
Diese Ausgestaltung ermöglicht auf vorteilhafte Weise eine größere Variabilität bei der Einstellung gewünschter Eigenschaften.
Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass auf wenigstens einen Bereich des pulverförmigen Materials, in welchem kein Binder ausgebracht wird, das Zusatzmaterial ausgebracht wird.
Demnach ist es auch möglich, Zusatzmaterial auf Bereiche des Pulvers auszubringen, die nicht vom herzustellenden Gegenstand umfasst sind. Dies kann zum Beispiel erfolgen, um Fließeigenschaften des Pulvers durch aus der Sintertechnologie bekannte
Fließhilfsverbesserer wie bspw. pyrogene Kieselsäure zu verbessern und auf diese Weise das anschließende Abtrennen des nicht verfestigten Pulvers zu erleichtern, etwa in geometrisch komplizierten bzw. lediglich geringe Querschnitte aufweisenden Hohlräumen wie beispielsweise innen liegenden Kühlkanälen. Dies bringt den Vorteil mit sich, dass die konstruktive Freiheit zur Gestaltung der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbaren Gegenstände weiter vergrößert ist.
Es kann Binder in einer Schicht oder mehreren Schichten ausgebracht werden, in welcher bzw. welchen kein Zusatzmaterial ausgebracht wird. Es kann Zusatzmaterial in einer Schicht oder mehreren Schichten ausgebracht werden, in welcher bzw. welchen kein Binder ausgebracht wird.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung ist eine Verwendung eines Druckkopfs, umfassend mehrere Ausbringungsöffnungen zur jeweiligen Ausbringung von Material, nämlich wenigstens Binder und Zusatzwerkstoff, zur Herstellung eines Gegenstands mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Insbesondere wird zumindest eine erste Ausbringungsöffnung des Druckkopfs zur
Ausbringung des Binders und zumindest eine zweite Ausbringungsöffnung des Druckkopfs zur Ausbringung des Zusatzwerkstoffs genutzt. Darüber hinaus kann der Druckkopf zumindest eine weitere Ausbringungsöffnung zur Ausbringung wenigstens eines
zusätzlichen Materials, beispielsweise eines weiteren Zusatzwerkstoffs, aufweisen.
Insbesondere kann ein herkömmlicher Druckkopf verwendet werden, um mit dem
erfindungsgemäßen generativen Verfahren wenigstens einen Gegenstand herzustellen.
Ein dritter Aspekt der Erfindung ist ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Personenkraftwagen, welches wenigstens ein Teil eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Gegenstands umfasst.
Insbesondere ist der Teil des Gegenstands ein Bauteil, bei dem wenigstens eine
Stützstruktur entfernt worden ist.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Beispiele erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 : eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens, sowie
Fig. 2: eine perspektivische Darstellung eines Druckkopfs zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Figur 1 zeigt schematisch eine Vorrichtung 19 zur Durchführung des erfindungsgemäßen generativen Verfahrens zur Herstellung eines Gegenstands 20 mittels Binder Jetting.
Dargestellt ist eine dreiteilige Aufbauanordnung mit einer mittigen Aufnahmeeinrichtung 18 zu schichtweisen Anordnung des pulverförmige Materials 22, welches in dieser
Ausgestaltung ein Metallpulver ist. Beidseitig der Aufnahmeeinrichtung 18 sind Pulvervorräte
23 angeordnet. Auf der Aufnahmeeinrichtung 18 ist bereits eine Vielzahl an (nicht einzeln dargestellten) Schichten des pulverförmigen Materials 22 angeordnet, welches
bereichsweise zur Herstellung des Gegenstands 20 durch Ausbringung von Binder 20 verfestigt ist.
Zu diesem Zweck ist ein Druckkopf 10 dargestellt, welcher mittels einer Leitung 29 mit einem Bindervorrat 28 verbunden ist. Der Druckkopf 10 weist hier nicht dargestellte
Ausbringungsöffnungen zur Ausbringung des Binders 20 auf. Er ist parallel zu den Schichten des pulverförmige Materials 22 beweglich, wobei die Bewegung durch Pfeile mit dem
Bezugszeichen 30 dargestellt ist. Der Druckkopf 10 weist zusätzlich hier nicht dargestellte Ausbringungsöffnungen zur Ausbringung eines Zusatzmaterials auf, mittels welchem eine zumindest bereichsweise Beeinflussung einer Eigenschaft des herzustellenden Gegenstands 20 möglich ist. Zu diesem Zweck ist der Druckkopf 10 mit einem Vorrat des Zusatzmaterials strömungstechnisch verbunden, welcher analog zum Bindervorrat 28, also separat vom Druckkopf 10, oder am bzw. im Druckkopf 10 und gemeinsam mit diesem beweglich angeordnet sein kann.
Der Gegenstand 20 wird schichtweise hergestellt. Zur Herstellung einer Schicht des
Gegenstands 20 werden die folgenden Verfahrensschritte durchgeführt: Die Pulvervorräte 23 werden den jeweils unterhalb dargestellten Pfeilen entsprechend um eine definierte
Höheneinheit nach oben verschoben und die mittige Aufnahmeeinrichtung 18 wird dem darunter gezeigten Pfeil entsprechend um eine definierte Höheneinheit nach unten verschoben. Dies erfolgt insbesondere derart, dass das Volumen des auf diese Weise zur Verfügung gestellten pulverförmige Materials 22 der Pulvervorräte 23 im Wesentlichen dem freigewordenen Volumen zur Anordnung einer Schicht des pulverförmige Materials 22 oberhalb der Aufnahmeeinrichtung 18 entspricht.
Mittels der Anordnungseinrichtung 25 wird eine gleichmäßige Schicht des pulverförmigen Materials 22 auf die zuvor aufgetragene sowie bereichsweise mittels Binder 27 verfestigte Schicht des pulverförmige Materials 22 aufgetragen bzw. auf dieser verteilt. Die
Anordnungseinrichtung 25 ist als entlang der Pfeilrichtung parallel zur Oberfläche der jeweiligen Schichten des pulverförmige Materials 22 bewegliche Walze zum Verteilen und ggf. Verdichten des pulverförmige Materials 22 ausgestaltet. Mit anderen Worten wird das pulverförmige Material 22 auf der Aufnahmeeinrichtung 18 bzw. auf einer zuvor
aufgebrachten Schicht angeordnet. Anschließend wird der Druckkopf 10 über zumindest einen Teil der Oberfläche der Schicht entlang der mittels Pfeilen 30 dargestellten Richtungen parallel zur Oberfläche der Schicht bewegt und es wird mittels des Druckkopfs 10 zumindest
bereichsweise Binder 27 zur Verfestigung des Materials ausgebracht. Aus der separaten Ausbringungsöffnung wird mittels des Druckkopfs 10 das Zusatzmaterial ausgebracht.
Auf diese Weise wird der Gegenstand 20 hergestellt, welcher das eigentlich herzustellende Bauteil sowie wenigstens eine Stützstruktur zu bereichsweise Abstützung des Bauteils im anschließenden Sinterprozess umfasst. Diese Stützstruktur besteht aus demselben pulverförmige Material 22 wie das Bauteil, wobei das Material der Stützstruktur mittels einer Trennschicht aus einem keramischen Trennmaterial räumlich vom Material des Bauteils getrennt ist, sodass die beiden Elemente nicht zusammensintern und somit nach dem Sinterprozess auf einfache und automatisierbare Weise eine gezielte mechanische Trennung des Bauteils von der Stützstruktur möglich ist.
Figur 2 zeigt eine perspektivisch Ansicht sowie eine vergrößerte Detaildarstellung eines Druckkopfs 10 zur Verwendung im erfindungsgemäßen Verfahren. Der Druckkopf 10 weist ein vergrößert dargestelltes Düsenfeld 16 mit sechs Reihen 14 auf, wobei jede Reihe 14 eine Vielzahl an Ausbringungsöffnungen 12 zur Ausbringung jeweiligen Materials aufweist. Diese sind hintereinander entlang der Mittellängsachse der jeweiligen Reihe 14 angeordnet, was hier nicht dargestellt ist. Das auszubringende Material ist dabei Binder und wenigstens ein Zusatzmaterial, welches beispielsweise ein Trennmaterial sein kann. Insbesondere sind jeweils zwei Reihen 14 zur Ausbringung desselben Materials vorgesehen, sodass eine redundante Ausführung vorliegt.
Weiterhin weist der Druckkopf 10 elektrische Kontakte 40 zur Ansteuerung des Düsenfelds
Bezugszeichenliste
Druckkopf 10
Ausbringungsöffnung 12
Reihe 14
Düsenfeld 16
Aufnahmeeinrichtung 18
Vorrichtung 19
Gegenstand 20
Pulverförmiges Material 22
Pulvervorrat 23
Anordnungseinrichtung 25
Binder 27
Bindervorrat 28
Leitung 29
Bewegung 30
Kontakte 40
Claims
1. Verfahren zur generativen Herstellung wenigstens eines Gegenstands (20), bei dem eine Schicht aus pulverförmigem Material (22) angeordnet wird, zur festen
Verbindung von Partikeln des pulverförmigen Materials (22) zwecks Herstellung des Gegenstands (20) auf zumindest einen Bereich des pulverförmigen Materials (22) ein Binder (27) ausgebracht wird und auf wenigstens einen Bereich des pulverförmigen Materials (22) ein Zusatzmaterial zur zumindest bereichsweisen Beeinflussung einer Eigenschaft des herzustellenden Gegenstands (20) ausgebracht wird,
dadurch gekennzeichnet, dass der Binder (27) und das Zusatzmaterial in zumindest abschnittsweise separaten Strömungsbahnen mittels eines gemeinsamen Druckkopfs (10) ausgebracht werden.
2. Verfahren zur generativen Herstellung wenigstens eines Gegenstands (20) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Zusatzmaterial oder zusätzlich zum Zusatzmaterial ein Trennmaterial ausgebracht wird, sodass die
Materialzusammensetzung im herzustellenden Gegenstand (20) an der Position des Trennmaterials infolge des dort angeordneten Trennmaterials in Bezug zu wenigstens einem benachbarten Bereich verändert ist und der Gegenstand (20) nach einem Sinterprozess an dieser Position gezielt teilbar ist und insbesondere eine Sollbruchstelle aufweist.
3. Verfahren zur generativen Herstellung wenigstens eines Gegenstands (20) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennmaterial derart ausgebracht wird, dass es eine vom pulverförmigen Material (22) zumindest im Wesentlichen freie Phase auf dem pulverförmigen Material (22) ausbildet,
wobei insbesondere wenigstens eine weitere Schicht des pulverförmigen Materials (22) auf dem Trennmaterial angeordnet wird.
4. Verfahren zur generativen Herstellung wenigstens eines Gegenstands (20) nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennmaterial ein Material umfasst, insbesondere aus einem Material besteht, welches einen
Schmelzpunkt aufweist, welcher um wenigstens 5% und insbesondere wenigstens 10% vom Schmelzpunkt des pulverförmigen Materials (22) abweicht, sodass in einem Sinterprozess zur Herstellung des Gegenstands (20) eine Bindung zwischen dem Trennmaterial und dem pulverförmigen Material (22) verringert oder verhindert wird.
5. Verfahren zur generativen Herstellung wenigstens eines Gegenstands (20) nach einem der Ansprüche 2-4, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennmaterial flüssig, pastös oder pulverförmig ist.
6. Verfahren zur generativen Herstellung wenigstens eines Gegenstands (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das pulverförmige Material (22) sowie das Zusatzmaterial derart angeordnet werden, dass sich Zusatzmaterial zwischen vom Zusatzmaterial unbeeinflussten Bereichen des pulverförmigen Materials (22) befindet, sodass eine Materialzusammensetzung im herzustellenden Gegenstand (20) an der Position des Zusatzmaterials in Bezug zu umgebenden Bereichen verändert ist.
7. Verfahren zur generativen Herstellung wenigstens eines Gegenstands (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine pro Oberflächeneinheit der Schicht des pulverförmigen Materials (22) aufgebrachte Menge des Zusatzmaterials variiert wird, sodass der herzustellende Gegenstand (20) in unterschiedlichen Bereichen unterschiedliche Eigenschaften aufweist.
8. Verfahren zur generativen Herstellung wenigstens eines Gegenstands (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das
Zusatzmaterial Partikel und/oder Fasern umfasst.
9. Verfahren zur generativen Herstellung wenigstens eines Gegenstands (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf wenigstens einen Bereich des pulverförmigen Materials (22), in welchem kein Binder (27) ausgebracht wird, das Zusatzmaterial ausgebracht wird.
10. Verwendung eines Druckkopfs (10), umfassend mehrere Ausbringungsöffnungen (12) zur jeweiligen Ausbringung von Material, nämlich wenigstens Binder (27) und Zusatzwerkstoff, zur Herstellung eines Gegenstands (20) mittels des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1-9.
1 1. Kraftfahrzeug, insbesondere Personenkraftwagen, umfassend wenigstens ein Teil eines mit dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1-9 hergestellten
Gegenstands (20).
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