Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren zur additiven Fertigung zumindest eines Bauteils. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Herstellungsvorrichtung zur additiven Fertigung zumindest eines Bauteils.

Es ist bekannt, additive Fertigungsverfahren einzusetzen, um Bauteile flexibel herstellen zu können. Ein solches Fertigungsverfahren ist beispielsweise aus der EP 1 355 760 Bl bekannt geworden.

Problematisch an den bekannten Fertigungsverfahren ist, dass es oftmals zu einer Verformung („Verziehen") des Bauteils während der Fertigung kommt. Dem kann begegnet werden, indem das Bauteil großflächig mit einem Träger verbunden wird. In diesem Fall ist das fertige Bauteil jedoch nicht mehr zerstörungsfrei vom Träger ablösbar.

Aufgabe der Erfindung

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung zumindest eines Bauteils bereit zu stellen, die eine formstabile Fertigung des zumindest einen Bauteils ermöglichen, wobei sich das zumindest eine Bauteil dennoch leicht von einem Träger ablösen lässt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 12. Die Unteransprüche geben bevorzugte Weiterbildungen wieder.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird somit gelöst durch ein Herstellungsverfahren mit folgenden Verfahrensschritten:

A) Erwärmung eines Trägers auf mehr als 400°C;

B) additive Herstellung einer ersten Stützstruktur auf dem erwärmten Träger, wobei die Herstellung durch Laserschmelzen eines Metallpulvers erfolgt, wobei die erste Stützstruktur mehrere erste Stützstreben aufweist, wobei die Länge der ersten Stützstreben ihre Breite übersteigt;

C) additive Herstellung eines ersten Bauteils auf der ersten Stützstruktur durch Laserschmelzen eines Metallpulvers;

J) Trennen des ersten Bauteils von der ersten Stützstruktur.

Durch die Kombination aus erwärmten Träger und filigranen ersten Stützstreben zwischen dem Träger und dem ersten Bauteil wird das erste Bauteil spannungsarm ohne Verziehen gefertigt und ist dennoch leicht vom Träger lösbar.

Das Erwärmen des Trägers im Verfahrensschritt A) erfolgt vorzugsweise auf über 450°C, insbesondere auf über 500°C. Die erhöhte Temperatur wird bei der Durchführung der dann folgenden Verfahrensschritte beibehalten.

Die filigranen ersten Stützstreben sind dabei schmal, insbesondere stabförmig, ausgebildet, wobei unter der maximalen Breite das Außenmaß der jeweiligen ersten Stützstrebe an ihrer breitesten Stelle verstanden wird. Alternativ oder zusätzlich dazu können die ersten Stützstreben jeweils eine oder mehrere Verzweigungen aufweisen, um insbesondere jeweils eine Baumstruktur zu bilden. Die ersten Stützstreben können jeweils in Form eines Baumastes mit mindestens einer Verzweigung und/oder in Form einer fragmentierten Linie ausgebildet sein.

Besonders bevorzugt sind mehrere erste Stützstreben, insbesondere alle erste Stützstreben, gleich ausgebildet. Als Metallpulver wird vorzugsweise eine Titan-Legierung, insbesondere eine Titan- Aluminium-Vanadium-Legierung, vorzugsweise eine TieALV-Legierung, oder Reintitan, insbesondere cp Ti-Gd 1, 2, 3 oder 4, eingesetzt.

Die Fertigung der ersten Stützstruktur und des ersten Bauteils erfolgt vorzugsweise im Pulverbett.

Zur Herstellung der ersten Stützstruktur wird vorzugsweise dasselbe Metallpulver eingesetzt wie zur Herstellung des ersten Bauteils. Hierdurch können Spannungen weiter reduziert werden.

Der Träger ist vorzugsweise in Form einer Platte ausgebildet.

In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung erfolgt das Durchtrennen der Verbindungen zwischen dem ersten Bauteil und der ersten Stützstruktur durch eine Bewegung des ersten Bauteils gegenüber der ersten Stützstruktur.

Es kann ein Werkzeugansatz, beispielsweise ein Mehrkant, an dem ersten Bauteil gefertigt werden.

Zur Bewegung des ersten Bauteils kann ein Werkzeug, insbesondere ein Drehwerkzeug, beispielsweise ein Schraubenschlüssel eingesetzt werden. Das Werkzeug kann an dem Werkzeugansatz angreifen.

Das Durchtrennen der Verbindungen zwischen dem ersten Bauteil und der ersten Stützstruktur erfolgt dabei jedoch vorzugsweise werkzeugfrei, insbesondere ohne Ansatz eines Schneidwerkzeugs an den Verbindungen. Die Verbindungen können mit anderen Worten abgebrochen, nicht jedoch durchgeschnitten, werden.

Die ersten Stützstreben können jeweils eine Sollbruchstelle an ihrer Anbindungsstelle zum ersten Bauteil aufweisen. Hierdurch kann das erste Bauteil noch leichter abgelöst werden. Die ersten Stützstreben können weniger als 70% des von der ersten Stützstruktur begrenzten Volumens einnehmen. Vorzugsweise nehmen die ersten Stützstreben weniger als 50%, insbesondere weniger als 30%, des von der ersten Stützstruktur begrenzten Volumens ein.

Die maximale Anbindungsfläche der ersten Stützstruktur beträgt vorzugsweise weniger als 3% der gesamten projizierten Stützfläche.

Das maximale Stützenvolumen beträgt vorzugsweise weniger als 3% des aufgespannten Volumens zwischen der Stützfläche und ihrer Projektion auf dem Träger

Die Länger der ersten Stützstreben entspricht vorzugsweise mehr als der 4-fachen maximalen Breite der ersten Stützstreben. Vorzugsweise entspricht die Länge der ersten Stützstreben mehr als der 6-fachen, vorzugsweise mehr als der 8-fachen, besonders bevorzugt mehr als der 10-fachen, maximalen Breite der ersten Stützstreben.

Die ersten Stützstreben können sich zumindest abschnittsweise axial und zumindest abschnittsweise radial zwischen dem Träger und dem ersten Bauteil erstrecken. Unter der axialen Richtung wird dabei die direkte Verbindungsachse zwischen dem Träger und dem ersten Bauteil verstanden. Unter der radialen Richtung wird eine Richtung senkrecht zur axialen Richtung und zum Zentrum des ersten Bauteils hin verstanden. Das erste Bauteil kann hierdurch besonders leicht durch eine Drehbewegung abgelöst werden.

Die ersten Stützstreben können eine füllungsfreie Kontur aufweisen. Der Laserstrahl wird in diesem Fall lediglich entlang der Kontur der ersten Stützstreben und nicht im Inneren der ersten Stützstreben bewegt. Alternativ dazu können die ersten Stützstreben nur eine konturlose Füllung, insbesondere in Form einer Schraffurfüllung, aufweisen. In diesem Fall wird der Laserstrahl nur im Inneren der ersten Stützstreben bewegt. Die ersten Stützstreben können in den vorgenannten Fällen besonders leicht abgelöst werden. Das erste Bauteil kann in Form einer Halbkugelschale ausgebildet werden. Das erste Bauteil wird vorzugsweise in Form einer Hüftgelenkpfanne ausgebildet.

Das Herstellungsverfahren kann folgende weitere Verfahrensschritte aufweisen:

D) Additive Herstellung einer Tragstruktur auf dem Träger durch Laserschmelzen eines Metallpulvers;

E) additive Herstellung einer zweiten Stützstruktur mit zweiten Stützstreben auf der Tragstruktur durch Laserschmelzen eines Metallpulvers;

F) additive Herstellung eines zweiten Bauteils auf der zweiten Stützstruktur durch Laserschmelzen eines Metallpulvers, wobei das zweite Bauteil weder direkten Kontakt zum ersten Bauteil noch zur Tragstruktur aufweist.

Die Verfahrensschritte D) bis F) ermöglichen es, zwei Bauteile übereinander additiv zu fertigen.

Das zweite Bauteil kann vor dem, nach dem oder gleichzeitig mit dem Verfahrensschritt J) von der zweiten Stützstruktur abgelöst werden. Das Durchtrennen der Verbindungen zwischen dem zweiten Bauteil und der zweiten Stützstruktur erfolgt vorzugsweise werkzeugfrei durch eine Bewegung des zweiten Bauteils gegenüber der zweiten Stützstruktur. Zur Bewegung des zweiten Bauteils kann ein Werkzeug, beispielsweise ein Schraubenschlüssel, eingesetzt werden. Das Durchtrennen der Verbindungen zwischen dem zweiten Bauteil und der zweiten Stützstruktur erfolgt dabei jedoch vorzugsweise werkzeugfrei, insbesondere ohne Ansatz eines Schneidwerkzeugs.

Das in den Verfahrensschritten D) bis F) eingesetzte Metallpulver entspricht vorzugsweise dem in den Verfahrensschritten B) und C) eingesetzten Metallpulver. Die Verfahrensschritte D) bis F) können im Pulverbett durchgeführt werden.

Die Tragstruktur ist vorzugsweise massiver und/oder fester ausgebildet als die zweite Stützstruktur. Die zweite Stützstruktur kann eines oder mehrere der zuvor zur ersten Stützstruktur beschriebenen Merkmale aufweisen. Insbesondere können die erste Stützstruktur und die zweite Stützstruktur gleich ausgebildet sein bzw. gleich ausgebildet werden.

Das Herstellungsverfahren kann folgende zusätzliche Verfahrensschritte aufweisen:

G) Additive Herstellung einer weiteren Tragstruktur auf der Tragstruktur durch Laserschmelzen eines Metallpulvers;

H) additive Herstellung einer weiteren Stützstruktur mit weiteren Stützstreben auf der weiteren Tragstruktur durch Laserschmelzen eines Metallpulvers;

I) additive Herstellung eines weiteren Bauteils auf der weiteren Stützstruktur durch Laserschmelzen eines Metallpulvers, wobei das weitere Bauteil weder direkten Kontakt zum zweiten Bauteil noch zur weiteren Tragstruktur aufweist.

Das weitere Bauteil kann vor dem, nach dem oder gleichzeitig mit dem Verfahrensschritt J) von der weiteren Stützstruktur abgelöst werden. Das Durchtrennen der Verbindungen zwischen dem weiteren Bauteil und der weiteren Stützstruktur erfolgt vorzugsweise werkzeugfrei durch eine Bewegung des weiteren Bauteils gegenüber der weiteren Stützstruktur. Zur Bewegung des weiteren Bauteils kann ein Werkzeug, beispielsweise ein Schraubenschlüssel, eingesetzt werden. Das Durchtrennen der Verbindungen zwischen dem weiteren Bauteil und der weiteren Stützstruktur erfolgt dabei jedoch vorzugsweise werkzeugfrei, insbesondere ohne Ansatz eines Schneidwerkzeugs.

Das in den Verfahrensschritten G) bis I) eingesetzte Metallpulver entspricht vorzugsweise dem in den Verfahrensschritten B) und C) eingesetzten Metallpulver. Die Verfahrensschritte G) bis I) können im Pulverbett durchgeführt werden.

Die weitere Tragstruktur ist vorzugsweise massiver und/oder fester ausgebildet als die weitere Stützstruktur. Die weitere Stützstruktur kann eines oder mehrere der zuvor zur ersten Stützstruktur beschriebenen Merkmale aufweisen. Insbesondere können die weitere Stützstruktur und die zweite Stützstruktur gleich ausgebildet sein bzw. gleich ausgebildet werden.

Die Verfahrensschritte G) bis I) können sinngemäß einfach oder mehrfach wiederholt werden, um weitere Bauteile übereinander additiv zu fertigen.

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden vorzugsweise alle in einer Ebene befindlichen Strukturen, beispielsweise Stützstrukturen, Bauteile und Tragstrukturen, Ebene für Ebene belichtet.

Vorzugsweise sind mehrere Bauteile, insbesondere alle Bauteile, gleich ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich dazu können mehrere Tragstrukturen, insbesondere alle Tragstrukturen, gleich ausgebildet sein.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine Herstellungsvorrichtung, insbesondere zur Durchführung eines hier beschriebenen Verfahrens, mit folgenden Merkmalen: a) Ein auf mehr als 400°C erwärmter Träger; b) eine erste durch Laserschmelzen eines Metallpulvers additiv hergestellte Stützstruktur auf dem erwärmten Träger, wobei die erste Stützstruktur mehrere erste Stützstreben aufweist, wobei die ersten Stützstreben länger als breit sind; c) ein durch Laserschmelzen eines Metallpulvers additiv hergestelltes erstes Bauteil auf der ersten Stützstruktur.

Die Verbindungen zwischen der ersten Stützstruktur und dem ersten Bauteil können, vorzugsweise werkzeugfrei, durch eine Bewegung des ersten Bauteils gegenüber der ersten Stützstruktur durchtrennbar sein. Die Verbindungen können insbesondere abbrechbar sein. Das erste Bauteil kann einen Werkzeugansatz, beispielsweise einen Mehrkant, aufweisen. Der Werkzeugansatz vereinfacht es, das erste Bauteil gegenüber der ersten Stützstruktur zu bewegen, um die Verbindungen zu zerbrechen. Zur Bewegung des ersten Bauteils gegenüber der ersten Stützstruktur kann ein Werkzeug, insbesondere ein Drehwerkzeug, beispielsweise einen Schraubenschlüssel, vorgesehen sein.

Die Herstellungsvorrichtung kann weiterhin folgende Merkmale aufweisen: d) eine durch Laserschmelzen eines Metallpulvers additiv hergestellte Tragstruktur auf dem Träger; e) eine durch Laserschmelzen eines Metallpulvers additiv hergestellte zweite Stützstruktur mit zweiten Stützstreben auf der Tragstruktur; f) ein durch Laserschmelzen eines Metallpulvers hergestelltes zweites Bauteil, wobei das zweite Bauteil weder direkten Kontakt zum ersten Bauteil noch zur Tragstruktur aufweist.

Weiterhin kann die Herstellungsvorrichtung folgende Merkmale aufweisen: g) eine durch Laserschmelzen eines Metallpulvers additiv hergestellte weitere Tragstruktur auf der Tragstruktur; h) eine durch Laserschmelzen eines Metallpulvers gefertigte weitere Stützstruktur mit weiteren Stützstreben auf der weiteren Tragstruktur; i) ein durch Laserschmelzen eines Metallpulvers hergestelltes weiteres Bauteil, wobei das weitere Bauteil weder direkten Kontakt zum zweiten Bauteil noch zur weiteren Tragstruktur aufweist.

Eines oder mehrere der zum Verfahren beschriebenen Merkmale können entsprechend an der Herstellungsvorrichtung vorgesehen sein.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung. Detaillierte Beschreibung der Erfindung und Zeichnung

Fig. 1 zeigt eine isometrische Ansicht eines Trägers und eines ersten Bauteils auf dem Träger, wobei sich das erste Bauteil über eine erste Stützstruktur am Träger abstützt.

Fig. 2 zeigt eine isometrische Unteransicht des ersten Bauteils aus Fig. 1.

Fig. 3 zeigt mehrere übereinander gefertigte Bauteile.

Fig. 4a zeigt eine Vielzahl übereinander gefertigter Bauteile, die sich über Stütz- und Tragstrukturen auf einem Träger abstützen.

Fig. 4b zeigt das teilweise Entfernen der Bauteile aus Fig. 4a.

Fig. 4c zeigt die nach dem Entfernen aller Bauteile aus Fig. 4b verbleibenden Tragstrukturen.

Fig. 1 zeigt eine Herstellungsvorrichtung 10 zur Fertigung eines ersten Bauteils 12, hier in Form einer Hüftgelenkpfanne. Die Herstellungsvorrichtung 10 umfasst einen beheizten Träger 14. Das erste Bauteil 12 stützt sich über eine erste Stützstruktur 16 am Träger 14 ab.

Das erste Bauteil 12 wird durch ein erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren 18 hergestellt. Im Rahmen dieses Herstellungsverfahrens 18 wird der Träger 14 auf über 400°C geheizt und das erste Bauteil 12 wird durch zumindest einen Laserstrahl (nicht gezeigt), der ein Metallpulver im Pulverbett (nicht gezeigt) schmilzt, gefertigt. Die hohe Temperatur des Trägers 14 ermöglicht eine spannungsarme Fertigung des ersten Bauteils 12. Hierdurch ist es ausreichend, das Bauteil 12 lediglich durch die sehr filigrane erste Stützstruktur 16 an den Träger 14 anzubinden. Durch die filigrane Ausbildung der ersten Stützstruktur 16 wiederum kann das erste Bauteil 12 leicht von der ersten Stützstruktur 16 getrennt werden.

Fig. 2 zeigt das erste Bauteil 12 und die erste Stützstruktur 16. Aus Fig. 2 ist ersichtlich, dass die erste Stützstruktur eine Vielzahl von ersten Stützstreben aufweist, von denen in Fig. 2 aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich zwei erste Stützstreben 20a, 20b mit einem Bezugszeichen versehen sind. Fig. 3 zeigt die Herstellungsvorrichtung 10, wobei aus Fig. 3 ersichtlich ist, dass zusätzlich zu dem ersten Bauteil 12 ein zweites Bauteil 22 und ein weiteres Bauteil 24 gefertigt ist. Das zweite Bauteil 22 stützt sich über eine zweite Stützstruktur 26 an einer Tragstruktur 28 ab, die wiederum auf dem Träger 14 sitzt. Das weitere Bauteil 24 stützt sich über eine weitere Stützstruktur 30 an einer weiteren Tragstruktur 32 ab, die mit der Tragstruktur 28 verbunden ist. Die Bauteile 12, 22, 24 stützen sich somit jeweils über Stützstrukturen 16, 26, 30 an Tragstrukturen 28, 32 bzw. am Träger 14 ab. Hierdurch können mehrere Bauteile 12, 22, 24 mittelbar zusammenhängend spannungsarm gefertigt und dennoch leicht entnommen werden. Zum leichten Ablösen kann zumindest ein Bauteil 12, 22, 24 einen Werkzeugansatz 34, hier in Form eines Mehrkants, aufweisen.

Die Fign. 4a-c zeigt die Entnahme mehrerer Bauteile aus einem Gerüst 36 aus Trag- und Stützstrukturen, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich die bereits in Fig. 3 gezeigten Bauteile 12, 22, 24 mit einem Bezugszeichen versehen sind. Aus den Fign. 4a-c ist ersichtlich, dass die Bauteile 12, 22, 24 vollständig aus dem Gerüst 36 entnehmbar sind.

Unter Vornahme einer Zusammenschau aller Figuren der Zeichnung betrifft die Erfindung zusammenfassend ein Herstellungsverfahren 18 zur Herstellung eines ersten Bauteils 12 durch additive Laserfertigung aus Metallpulver. Das erste Bauteil 12 ist dabei über eine erste Stützstruktur 16 mit einem auf mehr als 400°C erhitzten Träger 14 verbunden. Die erste Stützstruktur 16 kann eine Vielzahl erster Stützstreben 20a, b aufweisen, die filigran ausgebildet sind, sodass das erste Bauteil 12 leicht von der ersten Stützstruktur 16 trennbar ist. Auf dem Träger 14 kann zusätzlich dazu eine Tragstruktur 28 aufgetragen sein, wobei sich ein zweites Bauteil 22 über eine zweite Stützstruktur 26 an der Tragstruktur 28 abstützt. Auf der Tragstruktur 28 kann eine weitere Tragstruktur 32 ausgebildet sein, die ein weiteres Bauteil 24 über eine weitere Stützstruktur 30 abstützt. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Herstellungsvorrichtung 10, insbesondere zur Durchführung des Herstellungsverfahrens 18. Bezuaszeichenliste

10 Herstellungsvorrichtung

12 erstes Bauteil 14 Träger

16 erste Stützstruktur

18 Herstellungsverfahren

20a, b erste Stützstreben

22 zweites Bauteil 24 weiteres Bauteil

26 zweite Stützstruktur

28 Tragstruktur

30 weitere Stützstruktur

32 weitere Tragstruktur 34 Werkzeugansatz

36 Gerüst