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Patent Searching and Data


Title:
REMOVAL OF THE SUPPORT STRUCTURES FROM COMPONENTS PRODUCED BY 3D PRINTING
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/166166
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method and a device for removing the support structures from components produced by 3D printing from metallic materials.

Inventors:
CONTER, Emmanuel (Schedelstr. 1, München, 80687, DE)
HERKER, Matthias (Dorfstr. 41, Weichenried, 86558, DE)
SCHIMMER, Bernhard (Untere Str. 1A, Egweil, 85116, DE)
REICHELT, Lars (Heinrich-Heine-Str. 71, Kösching, 85092, DE)
BAUER, Michael (Amselweg 7, Küps, 96328, DE)
Application Number:
EP2019/051972
Publication Date:
September 06, 2019
Filing Date:
January 28, 2019
Export Citation:
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Assignee:
AUDI AG (85045 Ingolstadt, 85045, DE)
International Classes:
B22F3/105; B33Y10/00; B33Y30/00; B33Y50/02; B33Y80/00; B05B7/24; B08B3/08; B22D29/00; B22F3/12; C23F1/04; C23F1/08; G05B19/4099
Domestic Patent References:
WO2018013178A12018-01-18
WO2017029276A12017-02-23
Foreign References:
US20150197862A12015-07-16
US20130075957A12013-03-28
DE102015119746A12017-05-18
US20120018115A12012-01-26
DE102015115821A12017-03-23
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Claims:
PATENTANSPRÜCHE:

1. Verfahren zum Nachbehandeln eines 3D-gedrucketen Objektes aus einem Metallwerkstoff, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

- 3D-Drucken des Objektes mit einem hüllenähnlichen Aufmaß gegenüber seiner Zielgeometrie,

- Entfernen beziehungsweise Auflösen des hüllenähnlichen Aufmaßes durch temporäres Eintauchen des 3D-gedruckten Objektes in eine ätzende Flüssigkeit,

dadurch gekennzeichnet, dass das 3D-gedruckte Objekt mit hüllenähnlichem Aufmaß produktionstechnisch bedingte innen- und/oder außenliegende säulenähnliche und nicht zur Zielgeometrie gehörige Stützstrukturen umfasst, welche in ihrem Querschnitt derart bemessen sind, dass sie bei Entfernen beziehungsweise Auflösen des hüllenähnlichen Aufmaßes zumindest im Übergangsbereich zur Zielgeometrie ebenfalls entfernt beziehungsweise aufgelöst werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstrukturen in ihrem Querschnitt derart bemessen sind, dass sie bei Entfernen des hüllenähnlichen Aufmaßes komplett entfernt beziehungsweise aufgelöst werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ätzende Flüssigkeit eine wässrige Lösung von Eisen(lll)chlorid ist und der Metallwerkstoff der Werkstoff 1.2709 ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ätzende Flüssigkeit Natronlauge ist und der Metallwerkstoff Aluminium ist.

5. Vorrichtung zum Nachbehandeln eines 3D-gedrucketen Objektes aus einem Metallwerkstoff, umfassend

- eine erste Prozesskammer mit einem Ätzbecken,

- eine zweite Prozesskammer mit einem Spülbecken, - eine Transportvorrichtung, um ein nachzubehandelndes 3D- gedrucktes Objekt in das Ätzbecken ein- und auszuführen und danach in das Spülbecken ein- und auszuführen. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, worin das Ätzbecken eine Heizung zum

Erwärmen einer darin befindlichen ätzenden Flüssigkeit auf eine Solltemperatur und Strömungsdüsen zum Umwälzen der Flüssigkeit aufweist. 7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, worin das Spülbecken mit VE

Wasser gefüllt ist und Strömungsdüsen zum Umwälzen des VE Wassers aufweist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, die eine Schutzumhausung um die Prozesskammern umfasst.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, worin die

Transportvorrichtung einen gitterähnlichen Transportkorb umfasst, welcher dafür eingerichtet ist, zusammen mit dem in diesem befindlichen nachzubehandelnden 3D-gedruckten Objekt in die Becken getaucht zu werden.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, worin die

Transportvorrichtung für einen automatischen, zeitgesteuerten Transport der 3D-gedruckten Objekte eingerichtet ist.

Description:
Entfernung der Stützstrukturen von durch 3D-Druck hergestellten Bauteilen

BESCHREIBUNG:

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entfernung der Stützstrukturen von durch 3D-Druck hergestellten Bauteilen aus metallischen Werkstoffen.

Beim additiven Aufbau von Metallteilen werden prozessbedingt Stützstrukturen benötigt. Aufgrund des hohen Energieeintrags, welcher zum Aufschmelzen eines Metallpulvers notwendig ist, müssen zur Ableitung der Wärmeenergie überhängende Bauteilstrukturen mittels Stützstrukturen abgestützt werden. Außerdem können z.B. sehr starke Überhänge und größere Bohrungen nur mittels Stützstrukturen aufgebaut werden. Die im Nachgang notwendige Entfernung der nadelähnlichen Metallstruktur ist aufwendig und muss häufig manuell durchgeführt werden.

Es sind bereits Verfahren vorgeschlagen worden, die Alternativen zur manuellen Entfernung solcher Stützstrukturen bieten.

Aus der DE 10 2015 119 746 A1 geht ein Verfahren zur Herstellung einer Stützstruktur zur Stützung eines dreidimensionalen Objekts hervor, das durch sukzessive selektive Verfestigung von Baumaterialschichten aus einem verfestigbaren Baumaterial mittels eines Energiestrahls erzeugt wird. Die Stützstruktur umfasst Stützelemente, an denen eine Angriffsstruktur ausgebildet ist, an welcher ein elektrochemischer Materialabtrag (electro Chemical machining, ECM) initiierbar ist oder initiiert wird. Dabei wird zwischen der Angriffsstruktur und einem Abtragwerkzeug ein Stromfluss erzeugt, durch den ionische Bestandteile aus der Angriffsstruktur gelöst werden, wodurch Material von dieser abgetragen wird. Aus der US 2012/018115 A1 ist ein Verfahren zum 3D-Druck durch selektives Laserschmelzen bekannt, bei dem zwischen Unterlage und Bauteil sowie den einzelnen hergestellten Komponenten Trennschichten erzeugt werden. Die Trennschichten werden mit einer geeigneten Säure oder durch lokales Aufschmelzen entfernt.

Die DE 10 2015 115 821 A1 offenbart ein Verfahren zum Behandeln einer Oberfläche eines in einem 3D-Druckverfahren hergestellten Formteils mit einem Oberflächenbehandlungsmittel, wobei an dem Formteil Haltemittel angeordnet werden, die ein Behandeln der Oberfläche in einem Behandlungsraum, z.B. einem Gefäß mit einem Ätzmittel, ermöglichen, ohne dass die Oberfläche Wandungen des Behandlungsraumes berührt. Haltemittel, wie Abstandshalter oder Haltestifte, verhindern, dass die zu behandelnden Formteile auf dem Boden oder an der Seitenwand des Gefäßes anliegen bzw. dass sich mehrere zu behandelnde Formteile berühren. Haltemittel und Formteil können einteilig ausgestaltet sein und/oder in dem 3D-Druckverfahren einteilig hergestellt werden. Zwischen der Oberfläche des Formteils und dem Haltemittel kann eine Sollbruchstelle ausgebildet werden, an der das Haltemittel nach dem Beaufschlagen der Oberfläche des Formteils mit dem Ätzmittel von dem Formteil lösbar ist.

Vor diesem Hintergrund hat sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe gestellt, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, durch welche die Fertigungszeit im additiven Aufbau von Metallteilen optimiert wird, insbesondere durch Verkürzung der Nacharbeitszeit, und der Prozess vereinfacht wird.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen. Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf einer chemischen Entfernung der Stützstruktur. Durch Eintauchen des metallischen Bauteils in eine ätzende Flüssigkeit ist eine chemische Nachbearbeitung möglich, bei der auch die dünne Stützstruktur entfernt bzw. aufgelöst wird. Durch die chemische Stützstrukturentfernung lässt sich die Nacharbeitszeit entscheidend verkürzen, insbesondere bei Einsatz einer erfindungsgemäßen Anlage, die das automatisierte Stützstrukturentfernen ermöglicht.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Nachbehandeln eines 3D- gedrucketen Objektes aus einem Metallwerkstoff, welches das 3D-Drucken des Objektes mit einem hüllenähnlichen Aufmaß gegenüber seiner Zielgeometrie und anschließend das Entfernen beziehungsweise Auflösen des hüllenähnlichen Aufmaßes durch temporäres Eintauchen des 3D- gedruckten Objektes in eine ätzende Flüssigkeit umfasst.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das 3D- gedruckte Objekt mit hüllenähnlichem Aufmaß produktionstechnisch bedingte innen- und/oder außen liegende säulenähnliche und nicht zur Zielgeometrie gehörige Stützstrukturen umfasst. Der Querschnitt der Stützstrukturen ist so bemessen, dass diese bei Entfernen beziehungsweise Auflösen des hüllenähnlichen Aufmaßes zumindest im Übergangsbereich zur Zielgeometrie ebenfalls entfernt beziehungsweise aufgelöst werden. In einer Ausführungsform des Verfahrens sind die Stützstrukturen in ihrem Querschnitt derart bemessen, dass sie bei Entfernen des hüllenähnlichen Aufmaßes komplett entfernt beziehungsweise aufgelöst werden.

Erfindungsgemäß werden die zu bearbeitenden Objekte bzw. Formteile in einem generativen bzw. additiven Fertigungsverfahren (3D-Druckverfahren) hergestellt. Ein Beispiel ist der schichtweise Aufbau von Metallteilen durch selektives Laserschmelzen von Metallpulvern (SLM Verfahren). Neben den prozessbedingt erforderlichen Stützstrukturen weist die Oberfläche des hergestellten Formteils fertigungsbedingte Unebenheiten auf, die ein Anhaften von Schmutz bzw. Verunreinigungen an der Oberfläche des Formteils begünstigen. Bei Pulver-basierten 3D-Druckverfahren kann zudem ein das Formteil umgebendes Pulver an der Oberfläche des Formteils haften bleiben oder mit der Oberfläche verschmolzen sein, was ebenfalls zu einer rauen Oberfläche führt. Die raue bzw. poröse Oberfläche des Formteils wirkt sich zudem negativ auf die Haptik des Formteils aus.

Erfindungsgemäß wird daher das nachzubehandelnde Objekt mit einem hüllenähnlichen Aufmaß gegenüber seiner Zielgeometrie gedruckt und die Oberfläche des in einem 3D-Druckverfahren hergestellten Objekts wird durch das Entfernen beziehungsweise Auflösen des hüllenähnlichen Aufmaßes unter Verwendung eines Ätzmittels geglättet.

Ein Ätzmedium greift das zu behandelnde Objekt von allen Seiten an. Daher ist es notwendig während der Datenaufbereitung das Bauteil mit einem Aufmaß zu versehen, damit die Zielgeometrie auch nach der Nacharbeit erreicht werden kann.

Das zu verwendende Ätzmittel hängt im Wesentlichen von dem Material bzw. von den Materialien ab, mit dem bzw. denen das Objekt hergestellt wurde. Zu berücksichtigen ist, dass für jedes Ausgangsmaterial ggf. ein anderes Ätzmedium verwendet werden muss, um ein optimales Ergebnis zu erreichen.

In einer Ausführungsform des Verfahrens ist der Metallwerkstoff der Werkstoff 1.2709 und die ätzende Flüssigkeit ist eine wässrige Lösung von Eisen(lll)chlorid. In einer anderen Ausführungsform des Verfahrens ist der Metallwerkstoff Aluminium und die ätzende Flüssigkeit ist Natronlauge.

Die vorliegende Erfindung stellt auch eine Anlage zur Verfügung, mit der die Bearbeitung der Bauteile mit einem endlichen Aufwand durchgeführt werden kann und mit der ein reproduzierbarer und beherrschbarer Prozess gestaltet werden kann, der eine automatisierte Nacharbeit ermöglicht. Die Erfindung stellt eine sichere, von der Bedienung einfache und flexible Anlage bereit. Ein Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Nachbehandeln von 3D-gedruckten Objekten aus einem Metallwerkstoff. Die Vorrichtung umfasst eine erste Prozesskammer mit einem Ätzbecken, eine zweite Prozesskammer mit einem Spülbecken, und eine Transportvorrichtung, um ein nachzubehandelndes 3D-gedrucktes Objekt in das Ätzbecken ein- und auszuführen und danach in das Spülbecken ein- und auszuführen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst zwei Prozesskammern.

Die erste Prozesskammer umfasst ein Ätzbecken. Dieses ist in einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer ätzenden Flüssigkeit gefüllt. In einer weiteren Ausführungsform weist das Ätzbecken eine Heizung zum Erwärmen einer darin befindlichen Flüssigkeit auf eine Solltemperatur auf.

In einer weiteren Ausführungsform weist das Ätzbecken Strömungsdüsen zum Umwälzen einer darin befindlichen Flüssigkeit auf. Das Erzeugen einer Strömung in dem Becken ermöglicht einen stabilen und homogenen Ätzprozess. In einer Ausführungsform werden sogenannte Mischdüsen eingesetzt. Die definierte Ausrichtung der Düsen ermöglicht eine gleichmäßige Umwälzung der Flüssigkeit und somit ein optimales Ätzergebnis.

Die zweite Prozesskammer umfasst ein Spülbecken. Dieses dient der Spülung des Bauteils. In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das Spülbecken mit VE Wasser gefüllt. In einer weiteren Ausführungsform weist das Spülbecken Strömungsdüsen zum Umwälzen einer darin befindlichen Flüssigkeit auf.

In einer Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Schutzumhausung um die Prozesskammern.

In einer Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Rüstplatz. In einer Ausführungsform ist der Rüstplatz dafür eingerichtet, dass das nachzubehandelnde Bauteil dort in einen Korb platziert wird, der speziell für die Anwendung im erfindungsgemäßen Verfahren ausgelegt ist.

In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst die Transportvorrichtung einen gitterähnlichen Transportkorb, welcher zusammen mit dem in diesem befindlichen nachzubehandelnden 3D- gedruckten Objekt in die Becken getaucht werden kann.

In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Transportvorrichtung für einen automatischen, zeitgesteuerten Transport der 3D-gedruckten Objekte eingerichtet. Damit der Prozess automatisch abgefahren werden kann, werden in einer Ausführungsform die drei Prozessschritte Rüsten, Ätzen und Spülen mit einem Kran verkettet, der das Bauteil vollautomatisch zwischen den unterschiedlichen Verfahrensschritten bewegt. In einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung ein Bedienpanel, an dem Prozessparameter eingestellt werden können, z.B. die Ätzdauer und die Temperatur:

In einer Ausführungsform ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung die Bearbeitung von Metallteilen mit Größen von bis zu 400x400x400mm und einem Maximalgewicht von bis zu 200 kg.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren ermöglichen die Entfernung der Stützstrukturen mit einer erheblichen Einsparung von Arbeitszeit. Der Prozess kann nach seiner Einstellung mannlos betrieben werden und stellt einen Automatisierungsschritt der Nacharbeit von 3D-Druck Bauteilen dar.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren eröffnen zudem neue Designmöglichkeiten für durch 3D-Duck hergestellte metallische Werkstücke, da auch Stützstrukturen von Hinterschnitten und innenliegenden Hohlräumen entfernt werden können. Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen weiter beschrieben. Es zeigt:

Figur 1 3D-gedruckte Objekte vor und nach der Bearbeitung;

Figur 2 eine vereinfachte perspektivische Darstellung einer

Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Figur 1 zeigt verschiedene 3D-gedruckte Objekte 11 , 12 vor (linke Seite) und 14, 15 nach (rechte Seite) der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dargestellt sind zylindrische 3D-Druck-Objekte 11 , 14 (oben) und würfelförmige 3D-Druck-Objekte 12, 15 (unten). Die Formteile 11 , 12 bestehen aus einem metallischen Werkstoff und wurden aus Metallpulver durch selektives Laserschmelzen (SLM) erhalten. Als metallischer Werkstoff werden beispielsweise Aluminium eingesetzt oder der Werkstoff 1.2709, ein hochfester Stahl (X 3 NiCoMoTi 18-9-5). In den Bildern auf der linken Seite sind die Stützstrukturen 13 deutlich erkennbar.

Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Stützstrukturen 13 entfernt, Unebenheiten der Oberfläche werden verringert bzw. beseitigt und das hüllenförmige Aufmaß der Werkstücke wird reduziert. Als ätzende Flüssigkeit wird zur Bearbeitung von Formteilen aus Stahl beispielsweise eine wässrige Lösung von Eisen(lll)chlorid eingesetzt. Zur Bearbeitung von Formteilen aus Aluminium eignet sich beispielsweise Natronlauge als ätzende Flüssigkeit.

Gegebenenfalls kann die Oberfläche der behandelten 3D-Druck-Objekte 14, 15 in einem Folgeschritt noch weiter bearbeitet werden, z.B. durch Sandstrahlen oder Schleifen, um eine gewünschte Oberflächengüte bzw. ein gewünschtes Endmaß zu erhalten.

Figur 2 zeigt eine vereinfachte perspektivische Darstellung einer Ausführungsform einer Vorrichtung 20 zur Nachbearbeitung von 3D-Druck- Objekten aus metallischen Werkstoffen. Die Anlage 20 umfasst zwei Prozesskammern 21 , 22 und einen Rüstplatz 23. In der dargestellten Variante sind die Prozesskammern 21 , 22 von Schutzumhausungen 27, 28 umgeben.

Die erste Prozesskammer 21 enthält ein Ätzbecken 24, das mit einer ätzenden Flüssigkeit befüllt wird. Die Flüssigkeit wird mit einer Fleizung (nicht dargestellt) auf Prozesstemperatur gebracht. Um einen stabilen und homogenen Ätzprozess zu erlangen, muss in dem Becken 24 eine Strömung erzeugt werden. Hierfür sind Flüssigkeitsleitungen 25 vorgesehen, die zu Mischdüsen (nicht dargestellt) führen, welche ein Umwälzen der ätzenden Flüssigkeit und das Einstellen eines gerichteten Flüssigkeitsstroms ermöglichen. Eine definierte Ausrichtung der Mischdüsen ermöglicht eine gleichmäßige Umwälzung der Flüssigkeit und somit ein optimales Ätzergebnis.

Die zweite Prozesskammer 22 enthält ein Spülbecken 26. Dieses wird mit VE-Wasser befüllt und dient der Spülung des geätzten Bauteils.

Die Anlage 20 umfasst einen Rüstplatz 23, an dem ein Mitarbeiter das nachzubearbeitende 3D-Druck-Bauteil in einen speziell dafür ausgelegten Transportkorb 29 platzieren kann. Damit der Prozess automatisch gefahren werden kann, sind die drei Prozessschritte Rüsten, Ätzen und Spülen mit einem Transportkran (nicht dargestellt) verkettet, der an der Schiene 30 beweglich ist. Der Transportkran bewegt das Bauteil vollautomatisch zwischen den unterschiedlichen Arbeitsschritten. Der Mitarbeiter kann die Prozessparameter an einem Bedienpanel 31 eingeben. Dort können z.B. die Ätzdauer und die Temperatur eingestellt werden. Der Prozess kann nach seiner Einstellung mannlos betrieben werden.

Die Anlage erlaubt die Entfernung der Stützstruktur mit einer erheblichen Einsparung von Arbeitszeit und eine Automatisierung der Nachbearbeitung von 3D-Druck-Bauteilen. In der Anlage können Metallteile von bis zu 400 x 400 x 400 mm Größe und einem Gewicht von bis zu 200 kg bearbeitet werden.

Bezuqszeichenliste

11 zylindrisches 3D-Druck-Objekt vor der Bearbeitung

12 würfelförmiges 3D-Druck-Objekt vor der Bearbeitung

13 Stützstruktur

14 zylindrisches 3D-Druck-Objekt nach der Bearbeitung

15 würfelförmiges 3D-Druck-Objekt nach der Bearbeitung

20 Anlage zur Nachbearbeitung von 3D-Druck-Objekten

21 erste Prozesskammer

22 zweite Prozesskammer

23 Rüstplatz

24 Ätzbecken

25 Flüssigkeitsleitungen

26 Spülbecken

27 Schutzumhausung

28 Schutzumhausung

29 Transportkorb

30 Schiene des Transportkrans

31 Bedienpanel