WO2009024258A1 - Method for the production of a building component and use of the building component produced according to the method - Google Patents

Abstract

The invention relates to a method for the production of a building component based on three-dimensional data of the building component, using powder materials, wherein at least one section of the building component representing a cohesive building component volume is divided into a sheath region and a core region with regard to the data, wherein a building platform representing a construction plane in x/y direction in a rectangular x/y/z coordinate system is provided, powder layers are consecutively applied on top of each other in z direction, and each powder layer is reinforced in a defined cross-sectional region by means of energy radiation, characterized in that the sheath region of the building component volume is initially created as a solid sheath from the powder layers based on the data, the powder material collected in the core region of the building component volume, being firmly surrounded by the solid sheath, is then removed, and subsequently the empty core region is filled using a further material. The invention further relates to the use of the building component produced according to the method.

Description

"Verfahren zum Herstellen eines Bauteils sowie Verwendung des nach dem Verfahren hergestellten Bauteils" "Method of manufacturing a component and use of the component produced by the method"

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils basierend auf dreidimensionalen Daten des Bauteils unter Verwendung von Pulver- Werkstoffen, wobei mindestens ein Abschnitt des Bauteils, der ein zusammenhängendes Bauteil-Volumen darstellt, datenmäßig in einen Hüllbereich und einen Kernbereich unterteilt wird, wobei eine Bauplattform, die eine Aufbauebene in x-y-Richtung in einem rechtwinkligen x-y-z- Koordinatensystem darstellt, bereitgestellt wird, darauf nacheinander Pulverschichten in z- Richtung übereinander aufgebracht werden und jede Pulverschicht in einem definierten Querschnittsbereich, der einem Querschnittsbereich entsprechend den Daten des Bauteils entspricht, mittels Energiestrahlung verfestigt wird, wobei die jeweiligen dem aufzubauenden Bauteil entsprechenden Querschnittsbereiche der jeweils folgenden Pulverschicht mit dem jeweils darunter liegenden zuvor verfestigten Querschnittsbereich verbunden werden.The present invention relates to a method for manufacturing a component based on three-dimensional data of the component using powder materials, wherein at least a portion of the component, which constitutes a contiguous component volume, is subdivided into an envelope region and a core region, wherein a Construction platform, which represents a construction plane in the xy direction in a rectangular xyz coordinate system is provided, successively powder layers are applied in the z direction one above the other and each powder layer in a defined cross-sectional area corresponding to a cross-sectional area corresponding to the data of the component, by means of energy radiation is solidified, wherein the respective the cross-sectional areas of the respectively following powder layer corresponding to the component to be built up are connected to the respective previously solidified cross-sectional area.

Das Anwendungsgebiet der Erfindung ist die generative Fertigung (Rapid Manufacturing, Rapid Prototyping) von Bauteilen. Bei der generativen Fertigung werden Bauteile schichtweise durch Hinzufügen von Material aufgebaut. Bei den bekannten Verfahren Selective Laser Sintering (SLS), Selective Laser Melting (SLM), LaserCusing, Electron Beam MeI- ting (EBM) oder 3D-Printing wird der hinzuzufügende Werkstoff in Pulverform verarbeitet. Der Pulverwerkstoff wird in einer dünnen Schicht (ca. 100μm) auf eine absenkbare Bauplattform aufgetragen. Die Pulverschicht wird anschließend selektiv verfestigt, z.B. indem mit einem Laser- oder Elektronenstrahl gemäß den Geometriedaten des herzustellenden Bauteils der Bereich der Pulverschicht abgescannt wird, der zur entsprechenden Bauteilschicht gehört. Durch Einwirkung der energetischen Strahlung schmilzt oder versintert der Pulverwerkstoff in diesem Bereich. Beim 3D-Printing wird die Pulverschicht verfestigt, indem ein Bindemittel selektiv in die zum Bauteil gehörenden Bereiche eingebracht wird. Danach wird die Bauplattform um eine Schichtdicke abgesenkt. Anschließend wird eine neue Pulverschicht darüber aufgetragen und wiederum verfestigt. So wird Schicht für Schicht ein Bauteil aus Pulver aufgebaut.The field of application of the invention is the additive manufacturing (rapid manufacturing, rapid prototyping) of components. In generative manufacturing, components are built up layer by layer by adding material. In the known methods Selective Laser Sintering (SLS), Selective Laser Melting (SLM), LaserCusing, Electron Beam Molding (EBM) or 3D Printing, the material to be added is processed in powder form. The powder material is applied in a thin layer (about 100μm) on a lowerable building platform. The powder layer is then selectively solidified, for example, by scanning the area of the powder layer belonging to the corresponding component layer with a laser or electron beam in accordance with the geometric data of the component to be produced. The action of the energetic radiation causes the powder material to melt or sinter in this area. In 3D printing, the powder layer is solidified by selectively introducing a binder into the parts belonging to the component. Thereafter, the construction platform is lowered by one layer thickness. Subsequently, a applied new powder layer over it and solidified again. Thus, a component is built up of powder layer by layer.

Ein Verfahren, wie es vorstehend beschrieben ist, zur schnellen Herstellung eines Formkörpers, insbesondere eines Prototyps eines Produkts oder Bauteils, ist in der DE 196 49 865 C1 beschrieben.A process, as described above, for the rapid production of a shaped body, in particular a prototype of a product or component, is described in DE 196 49 865 C1.

Diese Verfahren werden zur schnellen Herstellung von Prototypen, Einzelteilen oder Kleinserien eingesetzt. Außerdem werden mit generativen Verfahren Bauteile gefertigt, die aufgrund ihrer komplexen (internen) Geometrie nicht mit anderen Verfahren (spanend o- der gießtechnisch) herstellbar sind. Ein Beispiel hierfür ist die Fertigung von Einsätzen für Spritzgießwerkzeuge mit inneren konturnahen Kühlkanälen. Als Pulverwerkstoffe werden Metalle, Keramiken und Kunststoffe verwendet.These methods are used for the rapid production of prototypes, individual parts or small batches. In addition, generative processes are used to produce components which, due to their complex (internal) geometry, can not be produced by other processes (machining or casting technology). An example of this is the production of inserts for injection molds with internal contiguous cooling channels. The powder materials used are metals, ceramics and plastics.

Mit dem vorstehend beschriebenen Rapid Manufacturing Verfahren werden Bauteile schichtweise aus einem Pulverwerkstoff aufgebaut. Beim Aufbau wird im Allgemeinen das gesamte Bauteilvolumen durch das Verschmelzen des Pulverwerkstoffs hergestellt. Die Verfahrensparameter (z. B. Schichtdicke, Laserleistung, Strahldurchmesser, Scangeschwindigkeit) werden dabei so gewählt, dass eine möglichst gute Bauteilqualität bezüglich Oberflächenqualität, Detailauflösung und Bauteildichte erreicht wird. Diese Parameter führen im Allgemeinen zu einer relativ geringen Aufbaurate. Dadurch ist der Ferti- gungsprozess für viele Anwendungen unwirtschaftlich. Zur Beschleunigung des Aufbauprozesses wird teilweise die so genannte Hülle-Kern Strategie eingesetzt. Dabei wird das Bauteil virtuell in einen Hüllbereich und einen Kernbereich aufgeteilt. Der Hüllbereich um- fasst das Bauteilvolumen, das sich in einem bestimmten Abstand zur Oberfläche des Bauteils befindet. Der Kernbereich umfasst das restliche Bauteilvolumen, das sich weiter im Innern des Bauteils befindet. Beim schichtweisen Aufbau wird nur der Hüllbereich mit den Verfahrensparametern aufgebaut, die eine gute Bauteilqualität bezüglich Oberflächenqualität, Detailauflösung und Dichte ergeben, jedoch eine geringe Aufbaurate aufweisen. Der Kernbereich wird mit solchen Verfahrensparametern aufgebaut, die eine geringere Bauteilqualität ergeben, jedoch eine hohe Aufbaurate aufweisen. Damit kann der Bauprozess insgesamt beschleunigt werden, die Bauteilqualität ist jedoch nicht im gesamten Bauteilvolumen gleich. Ein weiterer Nachteil der oben angegebenen Verfahren ist darin zu sehen, dass bisher nur ein Werkstoff für den Aufbau eines Bauteils verwendet werden kann. Deshalb besteht bei der generativen Fertigung bisher nicht die Möglichkeit, ein Bauteil aus lokal unterschiedlichen Werkstoffen aufzubauen und dadurch lokal unterschiedliche Funktionseigenschaften einzustellen.With the rapid manufacturing method described above, components are built up in layers from a powder material. In construction, the entire component volume is generally produced by fusing the powder material together. The process parameters (eg layer thickness, laser power, beam diameter, scanning speed) are selected such that the best possible component quality with regard to surface quality, detail resolution and component density is achieved. These parameters generally result in a relatively low build-up rate. As a result, the manufacturing process is uneconomical for many applications. To speed up the development process, the so-called sheath-core strategy is used in part. The component is virtually divided into an envelope region and a core region. The envelope area encompasses the component volume which is located at a certain distance from the surface of the component. The core area comprises the remaining component volume, which is located further inside the component. In the layered construction, only the cladding region is constructed with the process parameters, which give a good component quality with regard to surface quality, detail resolution and density, but have a low build-up rate. The core area is constructed with such process parameters, which result in a lower component quality, but have a high build-up rate. Thus, the overall construction process can be accelerated, but the component quality is not the same throughout the entire component volume. Another disadvantage of the above-mentioned method is the fact that so far only one material can be used for the construction of a component. Therefore, in the case of generative production, it has not hitherto been possible to construct a component from locally different materials and thereby to set locally different functional properties.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren mit den eingangs genannten Merkmalen so weiterzubilden, dass die generative Fertigung von Bauteilen erheblich beschleunigt werden kann, vorzugsweise bei Bauteilen mit massiver Geometrie, wie z. B. bei Formeinsätzen für Spritzgießwerkzeuge. Außerdem sollen mit der Erfindung Bauteile aus einer Werkstoffkombination herstellbar sein.The invention has the object of providing a method with the features mentioned in such a way that the generative production of components can be significantly accelerated, preferably in components with solid geometry such. B. in mold inserts for injection molds. In addition to be produced from a combination of materials with the invention components.

Gelöst wird diese Aufgabe bei einem Verfahren mit den eingangs genannten Merkmalen dadurch, dass zunächst aus den Pulverschichten der Hüllbereich des Bauteil-Volumens, basierend auf den Daten, als feste Hülle aufgebaut wird, danach der im Kernbereich des Bauteil-Volumens, der von der festen Hülle umgeben ist, angesammelte Pulverwerkstoff entfernt wird, und anschließend der leere Kernbereich mit einem weiteren Werkstoff aufgefüllt wird.This object is achieved in a method with the features mentioned in the fact that first of the powder layers of the envelope region of the component volume, based on the data, is constructed as a solid shell, then in the core region of the component volume of the solid Envelope is surrounded accumulated powder material is removed, and then the empty core area is filled with another material.

Die Pulverschichten können aus reinem Pulverwerkstoff gebildet werden; es besteht aber auch die Möglichkeit Pulverschlicker, d. h. in einem Bindemittel (fest oder flüssig) eingebundenes Pulver, einzusetzen.The powder layers can be formed from pure powder material; but there is also the possibility Pulverschlicker, d. H. in a binder (solid or liquid) incorporated powder to use.

Das erfindungsgemäße Verfahren besteht somit darin, Bauteile durch Kombination von generativer Fertigung und z. B. gießtechnischer Fertigung herzustellen. Dazu wird das Bauteil, wie vorstehend angegeben, in einen Hüll- und einen Kernbereich aufgeteilt. Mit der generativen Fertigung wird nur der Hüllbereich des Bauteils aufgebaut. Das Volumen des Kernbereiches wird dagegen nicht generativ aufgebaut. Das innerhalb des Hüllbereichs verbliebene nicht verfestigte Pulver wird durch eine Öffnung in der Hülle entfernt. Das Volumen des Kernbereiches wird anschließend durch Eingießen eines Werkstoffs durch die Öffnung in der Hülle ausgefüllt. Der Gusswerkstoff kann der gleiche Werkstoff sein wie der Werkstoff aus dem die Hülle aufgebaut wurde, oder kann ein dazu unterschiedlicher Werkstoff sein. Weiterhin kann der Kernbereich des Bauteils mittels Trennwänden, die mit der Hülle generativ mit aufgebaut werden, in unterschiedliche Kammern unterteilt werden. Die unterschiedlichen Kammern können anschließend mit unterschiedlichen Werkstoffen ausgegossen werden.The inventive method thus consists of components by combination of generative production and z. B. produce casting technology. For this purpose, the component, as stated above, divided into an envelope and a core area. Generative production only builds up the envelope area of the component. The volume of the core area, however, is not constructed generatively. The non-solidified powder remaining within the cladding region is removed through an opening in the cladding. The volume of the core region is then filled by pouring a material through the opening in the shell. The casting material may be the same material as the material from which the shell has been constructed or may be a different material. Furthermore, the core region of the component by means of partitions, which are generatively built with the shell, in different chambers be divided. The different chambers can then be filled with different materials.

Die Kombination der generativen Fertigung der Bauteilhülle mit gießtechnischer Fertigung zum Ausfüllen des Kernvolumens ermöglicht eine Verkürzung der Herstellzeit von insbesondere von massiven Bauteilen gegenüber der alleinigen generativen oder alleinigen gießtechnischen Fertigung, insbesondere bei Einzelteilen oder Kleinserien.The combination of the generative production of the component shell with casting production to fill the core volume allows a shortening of the manufacturing time of particular solid components compared to the sole generative or sole casting production, especially for single parts or small batches.

Die Verkürzung der Herstellzeit ergibt sich daraus, dass bei der generativen Fertigung nur die Bauteilhülle aufgebaut wird, die Zeit für das Abscannen des Bauteilkernbereiches mit dem Laserstrahl entfällt bei jeder Schicht. Das Ausgießen des Kembereichs ist mit nur geringem Zeitaufwand verbunden da die Herstellung einer Gießform entfällt, die Form ist durch die generativ aufgebaute Hülle bereits gegeben.The shortening of the manufacturing time results from the fact that only the component shell is constructed in the generative production, the time for scanning the component core area with the laser beam is eliminated in each layer. Pouring the Kembereichs is associated with only a small amount of time since the production of a mold is eliminated, the shape is already given by the generatively constructed shell.

Außerdem ermöglicht die Erfindung die Herstellung von Bauteilen aus einer Werkstoffkombination. Die Bauteilhülle kann aus einem anderen Werkstoff gefertigt werden als der Werkstoff, mit dem der Kernbereich ausgegossen wird. Damit können z.B. Formeinsätze für Spritzgießwerkzeuge hergestellt werden, die eine Hülle aus Werkzeugstahl aufweisen und im Kern mit z.B. Kupfer oder Aluminium aufgefüllt, vorzugsweise ausgegossen, werden. Solche Formeinsätze besitzen dadurch eine harte und damit verschleißbeständige Hülle (Werkzeugstahl) und einen gut wärmeleitenden Kern (Kupfer), was eine gute und gleichmäßige Kühlung des Werkzeugs ermöglicht. Zusätzlich können durch die generative Fertigung konturnahe Kühlkanäle im Formeinsatz integriert werden.In addition, the invention enables the production of components from a combination of materials. The component shell can be made of a different material than the material with which the core area is poured out. Thus, e.g. Mold inserts are made for injection molding tools, which have a shell made of tool steel and in the core with e.g. Copper or aluminum filled, preferably poured. Such mold inserts thus have a hard and thus wear-resistant casing (tool steel) and a good heat-conducting core (copper), which allows a good and uniform cooling of the tool. In addition, contours near the cooling channels can be integrated in the mold insert by the generative manufacturing.

In einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird der Pulverwerkstoff über mindestens einer Öffnung entfernt, die anschließend zum Einfüllen des Werkstoffs bzw. zum Eingießen eines Gießwerkstoffs verwendet wird. Diese Öffnung wird bei dem Aufbau des Hüllbereichs an geeigneter Stelle vorgesehen, vorzugsweise dort, wo sie für das fertig gestellte Bauteil und dessen spezifischer Funktionsweise unerheblich ist.In a preferred embodiment of the method, the powder material is removed via at least one opening, which is then used for filling the material or for pouring a casting material. This opening is provided in the construction of the envelope region at a suitable location, preferably where it is irrelevant to the finished component and its specific operation.

Mit dem angegebenen Verfahren ist es möglich, das Bauteil in mehrere Abschnitte, die jeweils einen zusammenhängenden Bereich des Bauteils bilden, zu unterteilen. Anschließend werden die jeweiligen zusammenhängenden Bereiche in einen Hüllbereich und ei- nen Kernbereich unterteilt, dann die Hüllbereiche aufgebaut, und danach werden die von den Hüllbereichen umgebenen Kernbereiche, soweit erforderlich, mit Werkstoff aufgefüllt.With the specified method, it is possible to divide the component into several sections, each of which forms a continuous area of the component. Subsequently, the respective contiguous regions are transformed into an envelope region and an divided NEN core area, then built up the envelope areas, and then the core areas surrounded by the enveloping areas, if necessary, filled with material.

Einzelne Kernbereiche, die von Hüllbereichen begrenzt sind, können durch weitere Trennwände unterteilt werden, gegebenenfalls mit entsprechenden Öffnungen, um dann anschließend das Pulver zu entfernen und diese Teil-Kernbereiche mit einem Werkstoff, vorzugsweise mit einem Gießwerkstoff, aufzufüllen. Solche Trennwände können zusammen mit dem Hüllbereich aus verfestigten Pulverschichten aufgebaut werden.Individual core areas, which are bounded by Hüllbereichen can be divided by further partitions, optionally with appropriate openings, and then subsequently to remove the powder and fill these partial core areas with a material, preferably with a casting material. Such partitions can be constructed together with the envelope region of solidified powder layers.

Als Pulverwerkstoff wird vorzugsweise ein Metallpulver eingesetzt, das in den unterschiedlichen Formen gut erhältlich ist, insbesondere in Pulver- oder Granulatform, und sich sehr gut aufschmelzen lässt, um die einzelnen, verfestigten Schichten zu erzeugen. Als Pulverwerkstoff hat sich ein Metallpulver mit einer Korngröße im Bereich von 5 bis 100 μm bewährt, mit dem die geeigneten, dünnen Schichtdicken der einzelnen Pulverschichten gebildet werden können. Die Pulverschichten sollten eine Schichtdicke im Bereich von 10 bis 400 μm aufweisen.The powder material used is preferably a metal powder which is readily available in the various forms, in particular in powder or granular form, and can be melted very well in order to produce the individual, solidified layers. As a powder material, a metal powder having a particle size in the range of 5 to 100 microns has proven, with which the suitable, thin layer thicknesses of the individual powder layers can be formed. The powder layers should have a layer thickness in the range of 10 to 400 μm.

Als Gießwerkstoff wird vorzugsweise ein Metall eingesetzt.The casting material used is preferably a metal.

Wie bereits erwähnt, können die Bauteile, die so hergestellt werden, wie dies vorstehend beschrieben ist, als Formeinsatz für Spritzgießwerkzeuge verwendet werden.As already mentioned, the components which are produced as described above can be used as mold inserts for injection molding tools.

Vorzugsweise wird das Bauteil als Formeinsatz für Spritzgießwerkzeuge verwendet, wobei der Hüllbereich aus verschleißbeständigem bzw. korrosionsbeständigem Werkzeugstahl gebildet ist und die Kernbereiche mit einem gut wärmeleitenden Material ausgegossen sind.Preferably, the component is used as a mold insert for injection molding tools, wherein the envelope region is formed of wear-resistant or corrosion-resistant tool steel and the core regions are filled with a good heat-conducting material.

Auch eignet sich ein solches nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Bauteil als Formeinsatz für Gießspritzwerkzeuge, wobei der Hüllbereich aus Werkzeugstahl gebildet ist, die Kernbereiche mit einem gut wärmeleitenden Material ausgegossen sind und weiterhin Hüllbereiche gebildet sind, die als Kühlkanäle dienen.Such a component produced by the process according to the invention is also suitable as a mold insert for casting injection molds, wherein the envelope region is formed from tool steel, the core regions are filled with a good heat-conducting material, and further envelope regions are formed which serve as cooling channels.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. In den Zeichnungen zeigen die Figuren 1 bis 7 in einzelnen Stufen den erfindungsgemäßen Verfahrensablauf zum Herstellen eines einfachen Bauteils.Further details and features of the invention will become apparent from the following description of an embodiment with reference to the drawing. In the drawings Figures 1 to 7 show the process sequence according to the invention for producing a simple component in individual stages.

Zunächst wird das herzustellende Bauteil 1 als CAD-Datenmodell mittels einer entsprechenden Software in Form von dreidimensionalen Daten generiert, wobei das in Figur 1 gezeigte Bauteil in ein Bauteilvolumen 2 und Kühlkanäle 3 unterteilt ist.First, the component 1 to be produced is generated as a CAD data model by means of appropriate software in the form of three-dimensional data, the component shown in FIG. 1 being subdivided into a component volume 2 and cooling channels 3.

Es ist darauf hinzuweisen, dass in Figur 1 ein solches Bauteil nur schematisch im Querschnitt in einer zweidimensionalen Darstellung gezeigt ist. Es sollte verständlich sein, dass das Bauteil eine wesentlich kompliziertere Struktur als diejenige, die dargestellt ist, aufweisen kann.It should be noted that in FIG. 1 such a component is shown only schematically in cross-section in a two-dimensional representation. It should be understood that the component may have a much more complicated structure than that illustrated.

Als nächstes folgt, in einem Schritt 2, der in Figur 2 dargestellt ist, die rechnerische Aufteilung des Bauteils der Figur 1 in Hüllbereiche 4 und Kernbereiche 5. Der äußere Hüllbereich 4 begrenzt das Bauteilvolumen 2 und bildet die spätere Außenkontur des Bauteils, während die im Bauteilvolumen 2 liegenden Hüllbereiche 4a die späteren Kühlkanäle 3 begrenzen.Next, in a step 2 shown in FIG. 2, the mathematical division of the component of FIG. 1 into enveloping regions 4 and core regions 5 follows. The outer enveloping region 4 delimits the component volume 2 and forms the later outer contour of the component, while those in FIG Part volume 2 lying enveloping regions 4a, the later cooling channels 3 limit.

Im nächsten Schritt wird in der Geometrie, die in Figur 2 gezeigt ist, zumindest in dem äußeren Hüllbereich 4, eine Öffnung 6 positioniert.In the next step, an opening 6 is positioned in the geometry shown in FIG. 2, at least in the outer envelope region 4.

Der entsprechend Figur 3 generierte Baukörper wird nun in einer entsprechenden Vorrichtung aufgebaut, die schematisch im Querschnitt in Figur 4 dargestellt ist. Um die Richtung des Aufbaus dieses Bauteils zu Figur 4 zu korrelieren, sind in Figur 3 und Figur 4 die x-, y- und z-Richtungen eines rechtwinkligen Koordinatensystems angegeben.The structure generated in accordance with FIG. 3 is now constructed in a corresponding device, which is shown schematically in cross-section in FIG. In order to correlate the direction of construction of this component to FIG. 4, the x, y and z directions of a rectangular coordinate system are indicated in FIG. 3 and FIG.

Diese Vorrichtung umfasst eine Bauplattform 7, die durch seitliche Wände 8 an vier Seiten begrenzt ist. Die Bauplattform 7, die eine Ebene in der x-y-Richtung aufspannt, ist über geeignete Einrichtungen in Richtung des Pfeils 9, d. h. in der negativen z-Richtung, in Schritten absenkbar.This device comprises a building platform 7, which is bounded by lateral walls 8 on four sides. The build platform 7, which spans a plane in the x-y direction, is accessible via suitable means in the direction of the arrow 9, d. H. in the negative z-direction, in steps lowerable.

Oberhalb der Bauplattform 7 wird zunächst eine erste Pulyerschicht (in der x-y-Ebene) aus Pulver 10 in einer gleichmäßigen Dicke in der z-Richtung, beispielsweise in einer Dicke von z. B. 10 bis 400 μm, aufgebracht. Anschließend wird das Pulver 10, vorzugsweise ein Metallpulver, z. B. aus Werkzeugstahl, mittels Laserstrahlung (nicht näher gezeigt) ent- sprechend dem Hüllbereich 4 (bei dem gezeigten Bauteil die Bodenfläche) aufgeschmolzen und somit verfestigt. Das Pulvermaterial, das ansonsten die Bauplattform 7 bedeckt, verbleibt als Pulver 10.Above the build platform 7 is first a first Pulyerschicht (in the xy plane) of powder 10 in a uniform thickness in the z-direction, for example, in a thickness of z. B. 10 to 400 microns applied. Subsequently, the powder 10, preferably a metal powder, for. B. from tool steel, by means of laser radiation (not shown in detail) speaking the envelope region 4 (in the illustrated component, the bottom surface) melted and thus solidified. The powder material that otherwise covers the build platform 7 remains as powder 10.

Nachdem die erste Schicht entsprechend der Bauteilhülle 4 aufgeschmolzen ist, wird die Bauplattform 7 um einen weiteren vorgegebenen Weg in der negativen z-Richtung abgesenkt, eine nächste Pulverschicht wird gleichmäßig aufgebracht, so dass auch der bereits aufgeschmolzene Teil des Hüllbereichs 4 bedeckt ist. Anschließend wird das Pulver 10 entsprechend den dreidimensionalen Daten des Bauteils an den darunter liegenden, bereits verfestigten, aufgeschmolzenen Pulverbereichen angeschmolzen. Über mehrfaches Absenken der Bauplattform 7, jeweiliges Aufbringen einer weiteren Pulverschicht und Anschmelzen der Pulverschichten an den zuvor verfestigten Pulverbereichen wird ein Bauteil aufgebaut, wie es als Konstruktion in Figur 2 gezeigt ist, d. h. es werden sowohl der äußere Hüllbereich 4 als auch die jeweiligen Hüllbereiche 4a der Kühlkanäle 3 gebildet. Die Zwischenräume sind mit losem Pulver 10 gefüllt.After the first layer has been melted corresponding to the component shell 4, the construction platform 7 is lowered by a further predetermined path in the negative z-direction, a next powder layer is uniformly applied, so that the already melted part of the enveloping region 4 is covered. Subsequently, the powder 10 is melted according to the three-dimensional data of the component to the underlying, already solidified, molten powder regions. By repeatedly lowering the build platform 7, respectively applying a further powder layer and fusing the powder layers to the previously solidified powder areas, a component is constructed, as shown as a construction in FIG. H. Both the outer envelope region 4 and the respective envelope regions 4 a of the cooling channels 3 are formed. The spaces are filled with loose powder 10.

Nachdem das Bauteil aufgebaut ist, wird die Anordnung, wie sie in Figur 4 zu sehen ist, gekippt, angedeutet durch einen Pfeil 11 in Figur 5, so dass das nicht verfestigte Pulver 10 innerhalb des äußeren Hüllbereichs 4 aus der Öffnung 6 heraus laufen kann. Auch die Kernbereiche, die durch die Hüllbereiche 4a umgeben sind, die den Kühlkanälen zugeordnet sind, werden von dem Pulver 10 entleert, wozu die Anordnung entsprechend gekippt wird oder aber weitere, nicht näher gezeigte Öffnungen in dem Hüllbereich 4a für die Kühlkanäle für eine solche Entleerung vorgesehen werden.After the component has been assembled, the arrangement, as can be seen in FIG. 4, is tilted, indicated by an arrow 11 in FIG. 5, so that the unconsolidated powder 10 can run out of the opening 6 within the outer envelope region 4. The core regions which are surrounded by the enveloping regions 4a, which are associated with the cooling channels are emptied of the powder 10, to which the arrangement is tilted accordingly or other, unspecified openings in the envelope region 4a for the cooling channels for such emptying be provided.

Das von dem Pulver 10 entleerte Bauteil, das nur aus den verfestigten Hüllbereichen 4 und 4a besteht, wird mit der Öffnung 6 nach oben weisend positioniert, wie dies in Figur 6 zu sehen ist, und mit einem flüssigen Werkstoff 12 ausgegossen. Dadurch wird das Bauteilvolumen 2 zwischen dem äußeren Hüllbereich 4 und den Hüllbereichen 4a der Kühlkanäle gefüllt. Das fertig gestellte Bauteil ist in Figur 7 gezeigt, wobei das z. B. erstarrte Gussmaterial mit 13 bezeichnet ist.The component emptied of the powder 10, which consists only of the solidified enveloping regions 4 and 4a, is positioned with the opening 6 facing upwards, as can be seen in FIG. 6, and is filled with a liquid material 12. As a result, the component volume 2 between the outer envelope region 4 and the envelope regions 4a of the cooling channels is filled. The finished component is shown in Figure 7, wherein the z. B. solidified casting material is denoted by 13.

Mit der vorstehend beschriebenen Verfahrensweise können somit sehr schnell auch komplizierte Bauteile, die ein weitgehend gefülltes Innenvolumen haben, aufgebaut werden. Weiterhin besteht die Möglichkeit, sowohl den Hüllbereich 4 als auch den Kernbereich 5 aus denselben Materialien aufzubauen, oder aber Hüllbereich und Kernbereich aus unterschiedlichen Materialien zu fertigen, indem die Hüllbereiche 4 und 4a aus einem bestimmten Material aufgebaut werden und später der Kernbereich 5 oder die Kernbereiche 5 mit einem anderen Werkstoff ausgegossen werden, wie dies die Figur 6 zeigt.With the procedure described above can thus very quickly and complicated components that have a largely filled internal volume, are built. Furthermore, there is the possibility of both the envelope region 4 and the core region 5 To build from the same materials, or to produce the envelope region and core region of different materials by the enveloping regions 4 and 4a are constructed of a particular material and later the core region 5 or the core regions 5 are poured with a different material, as shown in the figure 6 ,

Das vorstehende Beispiel kann als ein Ausführungsbeispiel für die Herstellung eines Formeinsatzes mit integrierten Kühlkanälen für ein Spritzgießwerkzeug angesehen werden, auch wenn die Figuren 1 bis 7 den Verfahrensablauf nur sehr schematisch darstellen.The above example can be considered as an embodiment for the production of a mold insert with integrated cooling channels for an injection mold, even if Figures 1 to 7 illustrate the process flow only very schematically.

Mit der erzeugten Werkstoffkombination aus Werkzeugstahl-Hülle und Kupfer-Kern sowie den mittels generativer Fertigung integrierten Kühlkanälen können die Anforderungen an eine hohe Verschleißbeständigkeit und eine hohe Wärmeleitfähigkeit in einem Formeinsatz gleichzeitig erfüllt werden. With the produced material combination of tool steel casing and copper core as well as the cooling channels integrated by means of generative production, the requirements for a high wear resistance and a high heat conductivity in a mold insert can be fulfilled at the same time.

Claims

Patentansprüche claims

1. Verfahren zum Herstellen eines Bauteils basierend auf dreidimensionalen Daten des Bauteils unter Verwendung von Pulver-Werkstoffen,1. A method of manufacturing a component based on three-dimensional data of the component using powder materials,

wobei mindestens ein Abschnitt des Bauteils, der ein zusammenhängendes Bauteil- Volumen darstellt, datenmäßig in einen Hüllbereich und einen Kernbereich unterteilt wird,wherein at least a portion of the component representing a contiguous component volume is data-divided into an envelope region and a core region,

wobei eine Bauplattform, die eine Aufbauebene in x-y-Richtung in einem rechtwinkligen x-y-z-Koordinatensystem darstellt, bereitgestellt wird, darauf nacheinander Pulverschichten in z-Richtung übereinander aufgebracht werden und jede Pulverschicht in einem definierten Querschnittsbereich, der einem Querschnittsbereich entsprechend den Daten des Bauteils entspricht, mittels Energiestrahlung verfestigt wird, wobei die jeweiligen dem aufzubauenden Bauteil entsprechenden Querschnittsbereiche der jeweils folgenden Pulverschicht mit dem jeweils darunter liegenden zuvor verfestigten Querschnittsbereich verbunden werden, dadurch gekennzeichnet,wherein a build platform representing a build-up plane in the xy-direction in a rectangular xyz coordinate system is provided, successively depositing powder layers in the z-direction on top of each other and each powder layer in a defined cross-sectional area corresponding to a cross-sectional area corresponding to the data of the component, is solidified by means of energy radiation, wherein the respective cross-sectional areas of the respectively following powder layer corresponding to the component to be assembled are connected to the respective previously solidified cross-sectional area, characterized

dass zunächst aus den Pulverschichten der Hüllbereich des Bauteil-Volumens, basierend auf den Daten, als feste Hülle aufgebaut wird, danach der im Kernbereich des Bauteil-Volumens, der von der festen Hülle umgeben ist, angesammelte Pulverwerkstoff entfernt wird, und anschließend der leere Kernbereich mit einem weiteren Werkstoff aufgefüllt wird.that first of all the powder layers of the envelope portion of the component volume, based on the data, is constructed as a solid shell, then the accumulated in the core region of the component volume, which is surrounded by the solid shell, powder material is removed, and then the empty core region is filled with another material.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Pulverwerkstoff aus mindestens einer Öffnung entfernt wird, die anschließend zum Einfüllen des Werkstoffs verwendet wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the powder material is removed from at least one opening, which is then used for filling the material.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil in mehrere Abschnitte, die jeweils einen zusammenhängenden Bereich des Bauteils bilden, unterteilt wird, die jeweiligen zusammenhängenden Bereiche in einen Hüllbereich und einen Kernbereich unterteilt werden, dann die Hüllbereiche aufgebaut werden und danach die von den Hüllbereichen umgebenen Kernbereiche, soweit erforderlich, mit Werkstoff aufgefüllt werden.3. The method of claim 1 or 2, characterized in that the component is divided into a plurality of sections, each forming a contiguous region of the component, the respective contiguous regions are divided into a Hüllbereich and a core region, then constructed the Hüllbereiche and then the core areas surrounded by the cladding areas, if necessary, are filled with material.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in einzelnen Kernbereichen weitere Trennwände vorgesehen werden, die zusammen mit dem Hüllbereich aus verfestigten Pulverschichten aufgebaut werden.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that further partition walls are provided in individual core areas, which are constructed together with the envelope region of solidified powder layers.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Pulverwerkstoff Metallpulver eingesetzt wird.5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that metal powder is used as a powder material.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Pulverwerkstoff ein Metallpulver mit einer Korngröße im Bereich von 5 bis 100 μm eingesetzt wird.6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the powder material used is a metal powder having a particle size in the range of 5 to 100 microns.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Pulverschicht mit einer Schichtdicke im Bereich von 10 bis 400 μm aufgebracht wird.7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the respective powder layer is applied with a layer thickness in the range of 10 to 400 microns.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Gießwerkstoff Metall eingesetzt wird.8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that metal is used as the casting material.

9. Verwendung des nach dem Verfahren eines der Ansprüche 1 bis 8 hergestellten Bauteils als Formeinsatz für Spritzgießwerkzeuge.9. Use of the component produced by the process of any of claims 1 to 8 as a mold insert for injection molds.

10. Verwendung des nach dem Verfahren eines der Ansprüche 1 bis 8 hergestellten Bauteils als Formeinsatz für Spritzgießwerkzeuge, wobei der Hüllbereich aus verschleißbeständigem bzw. korrosionsbeständigem Werkzeugstahl gebildet ist und die Kembereiche mit einem gut wärmeleitenden Material ausgegossen sind.10. Use of the component produced by the process of any one of claims 1 to 8 as a mold insert for injection molds, wherein the envelope region is formed of wear-resistant or corrosion-resistant tool steel and the Kembereiche are poured with a good heat conducting material.

11. Verwendung des nach dem Verfahren eines der Ansprüche 1 bis 8 hergestellten Bauteils als Formeinsatz für Spritzgießwerkzeuge, wobei der Hüllbereich aus Werkzeugstahl gebildet ist, die Kernbereiche mit einem gut wärmeleitenden Material ausgegossen sind und weiterhin Hüllbereiche gebildet sind, die als Kühlkanäle dienen. 11. Use of the component produced by the method of any one of claims 1 to 8 as a mold insert for injection molds, wherein the envelope region is formed of tool steel, the core regions are poured with a good heat conducting material and further envelope portions are formed, which serve as cooling channels.