Innenwinkel durch alternierende Druckstrategien

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines schichtweise aufgebauten Werkstücks sowie ein schichtweise aufgebautes Werkstück, welches wenigstens eine als Innenwin kel wirkende Kontur aufweist.

Zwei sich in einer Geraden schneidende Flächen schließen ei nen Winkel ein. Dieser ist spitzwinklig, beträgt er weniger als 90° oder stumpfwinklig, wenn er mehr als 90° beträgt. Grundsätzlich beträgt ein Innenwinkel weniger als 180°.

Einen Innenwinkel eines Werkstücks bilden zwei den Innenwin kel einschließende Flächen des Werkstücks. Die Gerade, in welcher sich die den Innenwinkel begrenzenden Flächen des Werkstücks schneiden, ist dann eine Innenkante.

Derartige Innenwinkel werden üblicherweise durch spanende Verfahren hergestellt, insbesondere durch Materialabtragung; z.B. wird aus einem gegossenen, die Rohform bereits aufwei senden Rohling ein Innenwinkel ausgefräst. So kann eine scharfe Kante erreicht werden.

Wie bei vielen Herstellungsverfahren, so kommt es auch bei additiven Fertigungsverfahren, insbesondere Werkstoffextrusi onsverfahren, zu abgerundeten Konturverläufen im Bereich von Innenwinkeln, die einer Nachbearbeitung bedürfen, soll ein scharfkantiger Innenwinkel erreicht werden. Dies ist jedoch mit teilweise erheblichem Mehraufwand verbunden.

Umgekehrt könnte ein Werkstück auch mit einem klassischen Eckfreistich unmittelbar mit einem additiven Fertigungsver fahren hergestellt werden. Klassische Eckfreistiche sind bei spielsweise dann möglich, wenn die restliche Auflagefläche für Montagepartner ausreichend ist. Es gibt aber Anwendungs fälle, bei denen eine Abrundung nicht zulässig ist und ein klassischer Eckfreistich die Auflagefläche eines Montagepart ners zu stark reduzieren würde.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstellung von Werkstücken mit Innenwinkeln zu vereinfachen.

Gelöst wird die Aufgabe durch die Gegenstände der unabhängi gen Patentansprüche 1 und 6. Weiterbildungen und Ausgestal tungen der Erfindung finden sich in den Merkmalen der abhän gigen Patentansprüche wieder.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines

schichtweise aufgebauten Werkstücks mit wenigstens einer als, insbesondere scharfkantigem, Innenwinkel wirkenden Kontur um fasst die Fertigung von aufeinanderfolgenden Schichten des schichtweise aufgebauten Werkstücks mit alternierend vorgese henen Freistichen in den Schichten auf unterschiedlichen Sei ten einer Kurve, in welcher sich von der als Innenwinkel wir kenden Kontur aufgespannte Flächen schneiden, welche den In nenwinkel einschließen.

Das erfindungsgemäße Werkstück, welches insbesondere mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erhalten wird, weist wenigs tens eine als, insbesondere scharfkantigen, Innenwinkel wir kende Kontur auf, wobei sich von der als Innenwinkel wirken den Kontur aufgespannte Flächen in einer Kurve schneiden, welche Flächen den Innenwinkel einschließen, wobei das Werk stück fürderhin entlang der Kurve alternierend Freistiche in aufeinanderfolgenden Schichten des schichtweise aufgebauten Werkstücks auf unterschiedlichen Seiten der Kurve aufweist.

In einem Schnitt durch das Werkstück senkrecht zur Kurve bil det der Punkt der Kurve in der Schnittebenen den Eckpunkt des Innenwinkels. Der Innenwinkel verläuft entsprechend entlang der Kurve. Die Kurve kann weitergebildet als Gerade ausgebil det sein. Sie kann auch als Kante oder Innenkante bezeichnet werden. Als Kante gilt allgemein eine Linie, in der zwei Flä chen Zusammenstößen. In der Kurve schneiden sich die Flächen, die durch die Kontur des Werkstücks aufgespannt werden. Diese Flächen können wei tergebildet als Ebenen ausgebildet sein.

Die Kontur des Werkstücks im Bereich des Innenwinkels ist insbesondere geeignet zur Anlage eines Montagepartners und entsprechend scharf und frei von einem klassischen Freistich, der ununterbrochen über eine Anlagefläche verläuft, ausgebil det. Die Flächen des Werkstücks zur Anlage des Montagepart ners, also Oberflächen des Werkstücks, spannen die Flächen auf, die den Innenwinkel einschließen. Punkte der Oberfläche des Werkstücks liegen somit in den aufgespannten Flächen. Da bei zeichnen sich die aufgespannten Flächen, zumindest zwi schen den Punkten der Oberfläche des Werkstücks, dadurch aus, dass sie durch stetige Funktionen beschreibbar sind. Zwischen den Punkten der Oberfläche des Werkstücks, die in den aufge spannten Flächen liegen, können Abschnitte der aufgespannten Flächen frei sein von Punkten des Werkstücks. Dies ist insbe sondere im Bereich der Freistiche der Fall. Die aufgespannten Flächen begrenzen somit die Kontur des Werkstücks. Im Bereich der Freistiche bilden die Freistiche den Raum zwischen den aufgespannten Flächen und der tatsächlichen Oberfläche des Werkstücks .

Freistiche werden herkömmlicherweise durch Abtragungen in der Oberfläche des Werkstücks gebildet. Hier sind Freistiche durch Vertiefungen in den Schichten des schichtweise aufge bauten Werkstücks zu den von der als Innenwinkel wirkenden Kontur aufgespannten Flächen gebildet, so dass ein Freistich in einer Schicht einen freien, offenen Raum zwischen einer von der als Innenwinkel wirkenden Kontur aufgespannten Fläche und den jeweils benachbarten Schichten bildet. Der Raum wird also begrenzt von der Schicht und den benachbarten Schichten sowie von der aufgespannten Fläche.

Entlang der Kurve, in welcher sich die von der als, insbeson dere scharfkantiger, Innenwinkel wirkenden Kontur aufgespann- ten Flächen schneiden und welche den Innenwinkel einschlie ßen, sind nun auf unterschiedlichen Seiten der Kurve, also in den die Flächen aufspannenden Oberflächen des Werkstücks ab wechselnd Freistiche in benachbarten Schichten angeordnet.

Die Freistiche wechseln sich schachbrettmusterartig sowohl entlang der Kurve ab als auch senkrecht dazu ab und sind so mit in aufeinanderfolgenden Schichten des schichtweise aufge bauten Werkstücks auf unterschiedlichen Seiten der Kurve al ternierend angeordnet.

Ein Vorteil der Erfindung besteht in der unmittelbaren, nach bearbeitungsfreien Herstellung scharfkantiger Innenwinkel, in einer auf das Werkstück bezogenen Maßstabsebenen. Bei der An wendung von 3D-Druckverfahren sind sie durch lokal alternie rende Druckstrategien zu realisieren.

In einer Schicht wird eine Seite des Innenwinkels, in einer anderen Schicht wird die andere Seite produziert. So entsteht ein scharfkantiger Innenwinkel mit maximal möglicher Auflage fläche für Montagepartner. Darüber hinaus kann die Erfindung als Design-Objekt in einer CAD-Software oder in der Druckvor bereitungssoftware implementiert sein. Entsprechend ist ein Computerprogrammprodukt zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet.

Der Innenwinkel wird während des Druckprozesses ohne spanende Nachbearbeitung erzeugt, wodurch Fertigungszeit und -kosten reduziert werden. Mittels der Erfindung sind Konturverläufe realisierbar, die vorher nicht möglich waren.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung handelt es sich bei dem Verfahren zur Herstellung des Werkstücks um ein Verfahren aus der Gruppe der additiven Fertigungsverfahren handelt, insbesondere um ein Werkstoffextrusionsverfahren . Eines die ser Verfahren wird Schmelzschichtungsverfahren oder „Fused Deposition Modeling", kurz FDM-Verfahren, genannt. Weitere alternative, additive Fertigungsverfahren könnten etwa Schichtbauverfahren oder Pulverbettverfahren oder weitere Freiraumverfahren sein.

Eine weitere Weiterbildung der Erfindung ist darin zu sehen, dass die von der als Innenwinkel wirkenden Kontur aufgespann ten Flächen, einen Winkel kleiner 180° einschließen. Entspre chend weist das Werkstück einen Innenwinkel von kleiner 180° auf. Der Innenwinkel wird dabei von den Flächen eingeschlos sen, die von der als Innenwinkel wirkenden Kontur aufgespannt sind. Insbesondere beträgt der Innenwinkel weniger als 120°. Der Innenwinkel kann auch 90° oder weniger betragen.

Weitergebildet wird eine Schicht aus einer oder mehreren Werkstofflagen hergestellt. Eine Schicht des fertigen Werk stücks mit einem Freistich umfasst entsprechend eine oder mehrere Lagen Material. Material wird bei der Fertigung

Schicht für Schicht oder Lage für Lage aufgetragen und so das dreidimensionale Werkstück erzeugt. Das Material wird dabei meist in flüssiger Form oder pulverförmig aufgetragen. Die aufeinanderfolgenden, übereinander aufgebrachten Schichten oder Lagen werden miteinander verbunden. Dabei entspricht ei ne Schicht des Werkstücks mit einem Freistich nicht zwingend auch einer einzigen Materialauftragung. Eine Schicht kann aus einer oder mehreren aufeinanderfolgend aufgetragenen und mit einander verbundenen Lagen Material bestehen. Um die Begriffe besser voneinander zu trennen wird daher nachfolgend von Werkstofflagen gesprochen. Ein Freistich kann somit in mehre ren aneinander liegenden und miteinander verbundenen Werk stofflagen vorgesehen sein, die eine einzige Schicht des Werkstücks bilden. Es können aber auch Freistiche alternie rend in einzelnen Werkstofflagen vorgesehen sein.

Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Sie wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert, in denen jeweils ein Ausgestaltungsbeispiel dargestellt ist. Gleiche Elemente in den Figuren sind mit gleichen Bezugszeichen ver sehen . Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch ein idealtypisches Werkstück mit Innenwinkel zur Anlage eines Montage partners,

Fig . 2 zeigt einen Querschnitt durch ein Werkstück mit ab gerundeter, unscharfer, als Innenwinkel vorgesehe nen Kontur,

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch ein Werkstück mit In nenwinkel und Eckfreistich,

Fig. 4 zeigt schematisch ein erfindungsgemäß hergestelltes

Werkstück in dreidimensionaler, perspektivischer Ansicht,

Fig . 5 zeigt einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes

Werkstück .

In Fig. 1 ist ein idealtypisches Werkstück 1 mit Innenwinkel , geeignet zur Anlage eines Montagepartners, im Querschnitt dargestellt. Der Innenwinkel wird durch zwei sich entlang einer Innenkante 11 schneidenden Begrenzungsflächen 12 und 13 des Werkstücks 1 eingeschlossen. Seine Winkelweite beträgt hier 90° und er ist scharf, d.h. die Begrenzungsflächen 12 und 13 schneiden sich entlang der Innenkante 11. Da es sich um eine Querschnittsdarstellung handelt ist die Innenkante 11 in einem Punkt, einer Innenecke abgebildet - der Winkelschei tel des Innenwinkels . Die Begrenzungsflächen 12 und 13 sind entsprechend als Strecken gezeichnet - den Schenkeln des In nenwinkels .

Die Begrenzungsflächen 12 und 13 sind hier ununterbrochene, ebene Oberflächen des Werkstücks 1. Sie dienen der Anlage ei nes, insbesondere rechtwinkligen, Montagepartners, welcher in dieser Abbildung nicht näher ausgeführt ist. Innenwinkel und anliegende Flächen des Montagepartners sind komplementär zu einander ausgebildet. Der Montagepartner kann beispielsweise quaderförmig ausgebildet sein. Der Sollkonturverlauf des In nenwinkels ist entsprechend angepasst.

Bei der Additiven Fertigung (im speziellem beim FDM- Verfahren) ist es nicht möglich „scharfe" Innenwinkel zu pro- duzieren. Bei additiver Fertigung einer solchen Geometrie kommt es zu einer Abrundung der als Innenwinkel dienenden Kontur, wie sie in Fig. 2 skizziert ist. Die ebenen Begren zungsflächen 12 und 13 sind über einen teilrohrförmigen Ab schnitt 14 miteinander verbunden, welcher in der zweidimensi onalen Schnittdarstellung als Kreisbogen abgebildet ist.

Technisch ebenfalls realisierbar sind als Innenwinkel wirken de Konturen mit Eckfreistich. Fig. 3 zeigt ein derartiges Werkstück 1. An die Begrenzungsflächen 12 und 13 ist ein Mon tagepartner 16 angelegt. Dier berührt die Begrenzungsflächen 12 und 13 mit seinen Mantelflächen 9 und 10. Dieser ragt in einen Eckfreistich 15 im Werkstück hinein. Die Begrenzungs flächen 12 und 13 sind dadurch gegenüber dem Werkstück aus Fig. 1 deutlich reduziert.

Es gibt nun Anwendungsfälle, bei denen eine Abrundung (gemäß Fig. 2) nicht zulässig ist und ein klassischer Eckfreistich (gemäß Fig. 3) die Anlagefläche für einen Montagepartners zu stark reduzieren würde.

Ist eine abgerundete, als Innenwinkel dienende Kontur, wie in Fig. 2, für eine Nachbearbeitung zugänglich, könnte durch ei ne nachträgliche, beispielsweise spanende, Nachbearbeitung dieses Problem gelöst werden. Dies wäre jedoch mit erhebli chem Mehraufwand und somit mit Mehrkosten verbunden.

Die Erfindung schlägt nun stattdessen ein Herstellungsverfah ren für ein schichtweise aufgebautes Werkstücks mit wenigs tens einer als Innenwinkel wirkenden Kontur vor, gemäß wel chem entlang einer Kurve, in welcher sich von der als Innen winkel wirkenden Kontur aufgespannte Flächen schneiden, wel che den Innenwinkel einschließen, alternierend Freistiche in aufeinanderfolgenden Schichten des schichtweise aufgebauten Werkstücks auf unterschiedlichen Seiten der Kurve vorgesehen werden . Ein derartig hergestelltes Werkstück 1 ist in Fig. 4 perspek tivisch dargestellt. Fig. 5 zeigt analog zu den Fig. 1 bis Fig. 3 wiederum einen Querschnitt durch das erfindungsgemäße Werkstück der Fig. 4, mit nicht sichtbaren Kanten [gestri chelt und gepunktet gezeichnet] sowie einem komplementär zu der als Innenwinkel wirkenden Kontur und von dieser aufge spannten Flächen ausgebildeten Montagepartner 16, mit seinen Mantelflächen 9 und 10. Beide Figuren werden nachfolgend zu sammen beschrieben.

Das Werkstück 1 weist eine als Innenwinkel wirkende Kontur auf. Der Innenwinkel wird dabei eingeschlossen von zwei Flächen 2 und 3, die von der als Innenwinkel wirkenden Kon tur des Werkstücks 1 aufgespannt werden. Die Flächen 2 und 3 schneiden sich in einer Kurve 4, insbesondere einer Geraden.

Die Oberflächen des Werkstücks im Bereich des Innenwinkels weisen beidseitig Freistiche 7 und 8 auf, die alternierend in den gegenüberstehenden Oberflächen angeordnet sind.

Die zur Oberfläche des Werkstücks gehörenden und die als In nenwinkel wirkende Kontur begrenzenden Begrenzungsflächen 5 und 6 der zwischen den Freistichen 7 und 8 verbliebenen Stege des Werkstücks 1 dienen als Anlageflächen des Werkstücks 1 für den komplementär zu Innenwinkel wirkenden Kontur ausge bildeten Montagepartner 16.

Die Breiten der Stege und damit der Begrenzungsflächen 5 und 6 und der Freistiche 7 und 8 sind hier gleich und identisch mit der Breite einer Schicht des schichtweise aufgebauten Werkstücks. Die Bezugszeichen 5, 6, 7 und 8 kennzeichnen so mit hiermit gleichzeitig Schichten des schichtweise aufgebau ten Werkstücks.

Die Begrenzungsflächen 5 berühren die jeweils benachbarten Begrenzungsflächen 6 einseitig in einem Punkt oder beidseitig in jeweils einem Punkt auf einer Seite. Diese Berührungspunk te liegen in der Kurve 4. Die Freistiche 7 und 8 sind somit entlang der Kurve 4 alternierend in benachbarten, aufeinan derfolgenden Schichten des schichtweise aufgebauten Werk stücks auf unterschiedlichen Seiten der Kurve 4 vorgesehen. Sämtliche Punkte der Begrenzungsfläche 5 liegen in der von ihr aufgespannten, gedachten Fläche 2. Gleichermaßen liegen sämtliche Punkte der Begrenzungsfläche 6 in der von ihr auf gespannten, gedachten Fläche 3. Aufgrund der besonderen Aus führung des hier dargestellten Werkstücks 1, mit der als Ge- rade ausgeführten Kurve 4, sieht das Werkstück 1 in der

Draufsicht identisch aus wie das Werkstück aus Fig. 1. In der Projektion in eine Ebene senkrecht zu der als Geraden ausge führten Kurve 4 wird ein scharfer Innenwinkel erhalten. Die Kontur des Werkstücks 1 wirkt somit als scharfer Innen winkel ohne Abrundung und ohne klassischen Eckfreistich.