DE102015222929A1

DE102015222929A1 - Fertigungsvorrichtung, Fertigungssystem sowie additives Fertigungsverfahren

Info

Publication number: DE102015222929A1
Application number: DE102015222929.7A
Authority: DE
Inventors: Torsten Burkert; Maximilian Meixlsperger
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2015-11-20
Filing date: 2015-11-20
Publication date: 2017-05-24

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Fertigungsvorrichtung (1) zur Bereitstellung einer Bauplattform (2) zum Aufbauen eines Bauteils mittels eines additiven Fertigungsverfahrens in einem Fertigungssystem (3). Die Fertigungsvorrichtung (1) weist eine Bauplattform (2) mit einer Grundfläche (4) zum Aufbauen des Werkstücks in einer Fertigungsstation (5) des Fertigungssystems (3), einen Bauplattformträger (6) zum Halten der Bauplattform (2) und eine Transportschnittstelle (7) an dem Bauplattformträger (6) zum Bewegen der Fertigungsvorrichtung (1) relativ zur Fertigungsstation (5) des Fertigungssystems (3) auf. Ferner betrifft die Erfindung ein Fertigungssystem (3) mit einer erfindungsgemäßen Fertigungsvorrichtung (1) sowie ein Verfahren zum additiven Herstellen eines Bauteils.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Fertigungsvorrichtung zur Bereitstellung einer Bauplattform für ein additives Fertigungsverfahren sowie ein Fertigungssystem. Ferner betrifft die Erfindung ein Fertigungsverfahren zum additiven Herstellen eines Bauteils.
Es sind additive Fertigungsvorrichtungen und Verfahren bekannt, bei denen eine Bauplattform mittels eines Transportsystems in eine Fertigungsstation gefahren wird. Anschließend wird das zu erzeugende Bauteil von der Fertigungsstation mittels eines additiven Verfahrens auf der Bauplattform erzeugt. Das fertiggestellte Bauteil wird im Anschluss hieran samt Bauplattform aus der Fertigungsstation gefahren.
Ein verbreitetes additives Verfahren ist das selektive Strahlschmelzen, das auch als „Selective Laser Melting“ bzw. „SLM-Verfahren“ bezeichnet wird. Bei SLM-Verfahren wird eine Schicht aus einem Pulver oder Granulat eines schmelzbaren Bauteilwerkstoffs auf eine Bauplattform gleichmäßig aufgebracht. Mittels eines Hochleistungslasers wird zumindest ein definierter Teilbereich der Schicht derart erhitzt, dass der Bauteilwerkstoff in diesem Teilbereich aufgeschmolzen wird. Der Teilbereich entspricht einer Schicht des zu erzeugenden Bauteils. Das Pulver bzw. Granulat in diesem Teilbereich bildet durch das Aufschmelzen einen Verbund, der sich nach der Erhitzung durch den Laser abkühlt und erstarrt. Diese Prozesse werden solange durchgeführt, bis das zu erzeugende Bauteil fertiggestellt ist. Dabei wird in bekannten Verfahren die Bauplattform um eine Schichtdicke der zuletzt erzeugten Schicht relativ zum Hochleistungslaser abgesenkt, damit eine Oberfläche der erzeugten Bauteilschicht für die Erzeugung einer weiteren Bauteilschicht auf der Oberfläche in Abhängigkeit einer Fokussierung des Hochleistungslasers optimal zu diesem angeordnet ist. Anschließend wird eine neue Pulver- bzw. Granulatschicht auf die bereits erzeugte Bauteilschicht sowie die Bauplattform aufgetragen und eine weitere Bauteilschicht durch gezieltes Aufschmelzen des Bauteilwerkstoffs mittels des Laserstrahls erzeugt. Auf diese Weise sind sehr komplexe Bauteile, die beispielsweise Kavitäten oder Hinterschneidungen aufweisen, erzeugbar.
Bekannte SLM-Verfahren haben den Nachteil, dass die Erzeugung eines Bauteils sehr aufwändig und zeitintensiv ist, da sämtliche Prozesse auf einer Fertigungsstation durchgeführt werden. Einzelne Vorrichtungen der Fertigungsstation, wie z.B. eine Bereitstellungsvorrichtung zum Bereitstellen der Pulver- bzw. Granulatschicht oder der Hochleistungslaser, können nicht effizient ausgelastet werden und weisen lange Totzeiten auf, da im Bauraum die einzelnen Prozesse nur hintereinander ablaufen können.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile bei einer Fertigungsvorrichtung zur Bereitstellung einer Bauplattform zum Aufbauen eines Bauteils mittels eines additiven Fertigungsverfahrens, einem Fertigungssystem sowie einem Verfahren zum additiven Herstellen eines Bauteils zu beheben oder zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Fertigungsvorrichtung, ein Fertigungssystem sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils mittels eines additiven Fertigungsverfahrens zu schaffen, die auf eine einfache und kostengünstige Art und Weise die Herstellung einer größeren Bauteilstückzahl pro Zeiteinheit ermöglichen und eine Auslastung einzelner Fertigungsvorrichtungen verbessern.
Voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Demnach wird die Aufgabe gelöst durch eine Fertigungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Fertigungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 10 sowie durch ein Verfahren zum additiven Herstellen eines Bauteils mit den Merkmalen gemäß Anspruch 13. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Fertigungsvorrichtung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Fertigungssystem bzw. Verfahren zum additiven Herstellen eines Bauteils und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.
Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch eine Fertigungsvorrichtung zur Bereitstellung einer Bauplattform zum Aufbauen eines Bauteils mittels eines additiven Fertigungsverfahrens in einem Fertigungssystem gelöst. Die Fertigungsvorrichtung weist eine Bauplattform mit einer Grundfläche zum Aufbauen des Werkstücks in einer Fertigungsstation des Fertigungssystems sowie einen Bauplattformträger auf. Die Bauplattform ist an dem Bauplattformträger angeordnet. An dem Bauplattformträger ist eine Transportschnittstelle zum Bewegen der Fertigungsvorrichtung relativ zur Fertigungsstation des Fertigungssystems angeordnet.
Eine Fertigungsvorrichtung ist im Sinne der Erfindung eine Vorrichtung, die im Rahmen einer Durchführung eines additiven Fertigungsprozesses im Zusammenspiel mit mindestens einer Fertigungsstation verwendbar ist. Hierfür weist die Fertigungsvorrichtung eine Bauplattform auf, auf der das herzustellende Bauteil schichtweise erzeugbar ist. Die Bauplattform kann erfindungsgemäß als integrales oder abkoppelbares Teil der Fertigungsvorrichtung ausgebildet sein. Eine abkoppelbare Bauplattform weist beispielsweise einen ersten Anschlussabschnitt auf, der mit einem zweiten Anschlussabschnitt der Fertigungsvorrichtung derart koppelbar ist, dass die Bauplattform zumindest temporär, insbesondere für die Dauer der Herstellung des Bauteils sowie damit verbundener Nebenzeiten durch ein Anfahren der Fertigungsstation sowie ein Wegfahren von der Fertigungsstation, an der Fertigungsvorrichtung gehalten ist. Ein solcher Anschlussabschnitt kann beispielsweise als Bajonettverschluss ausgebildet sein. Eine abkoppelbare Bauplattform hat beispielsweise den Vorteil, dass auf diese Weise eine Nachbearbeitung des fertig erzeugten Bauteils auf einer separaten Nachbearbeitungsstation möglich ist, währen die Fertigungsvorrichtung mit einer leeren Bauplattform bestückt zur Herstellung eines weiteren Bauteils verwendbar ist. Auf diese Weise kann eine Effizienz der Fertigungsvorrichtung weiter gesteigert werden.
Eine Bauplattform ist eine Plattform auf der das Bauteil erzeugbar ist. Die Bauplattform ist somit z.B. zur Aufnahme des pulver- bzw. granulatförmigen Bauteilwerkstoffs ausgebildet und weist demnach vorzugsweise eine geschlossene bzw. im Wesentlichen geschlossene Grundfläche auf. Es kann vorgesehen sein, dass die Grundfläche ein Profil aufweist, wobei die Grundfläche vorzugsweise glatt bzw. im Wesentlichen glatt ausgebildet ist. Ferner ist die Grundfläche vorzugsweise platt ausgebildet, so dass das Bauteil nicht von der Grundfläche abrutschen kann. Dies hat ferner den Vorteil, dass überschüssiges Pulver bzw. Granulat leicht über Ränder der Bauplattform nach Erzeugung einer Bauteilschicht von der Bauplattform entfernbar ist. Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die Bauplattform in Randbereichen eine Nut, vorzugsweise eine umlaufende Nut aufweist, über die ein Abtransport des überschüssigen Pulvers bzw. Granulats, beispielsweise unter zusätzlichen Verwendung einer hierfür ausgebildeten Saugvorrichtung, verbessert wird.
Ein Fertigungssystem ist im Sinne der Erfindung ein System, das zur Herstellung des Bauteils mittels des additiven Herstellungsverfahrens ausgebildet ist. Grundelemente eines solchen Fertigungssystems sind die Bauplattform, eine Bereitstellungsstation Material zum Bereitstellen des pulver- bzw. granulatförmigen Bauteilwerkstoffs auf der Bauplattform sowie eine Fertigungsstation zum gezielten Aufschmelzen mindestens eines Teilbereichs des bereitgestellten Bauteilwerkstoffs zur Erzeugung einer Bauteilschicht. Dabei kann die Bereitstellungsstation als separate Arbeitsstation oder als in die Fertigungsstation integrierte Arbeitsstation ausgebildet sein.
Die Bauplattform ist an einem Bauplattformträger angeordnet. Unter Anordnen wird erfindungsgemäß ein unmittelbares oder mittelbares, z.B. über mindestens eine Zwischenvorrichtung, Anordnen verstanden. Das Anordnen umfasst im Sinne der Erfindung beispielsweise ein Ankoppeln, Aufschieben, Halten, Lagern, Fixieren oder Tragen und kann auch eine einteilige Ausbildung umfassen. Bei einer abkoppelbaren Bauplattform weist der Bauplattformträger beispielsweise den zweiten Anschlussabschnitt zum Koppeln mit dem ersten Anschlussabschnitt der Bauplattform auf.
An dem Bauplattformträger ist die Transportschnittstelle angeordnet. Die Transportschnittstelle ist vorzugsweise als Teil eines Transportsystems eines Fertigungssystems ausgebildet und ist daher vorzugsweise mit einem entsprechenden Teil des Transportsystems, wie z.B. einer Schiene oder einem auf einer Schiene geführtem Schlitten, koppelbar. Mittels der Transportschnittstelle ist die komplette Fertigungsvorrichtung, die die Bauplattform und den Bauplattformträger aufweist, relativ zur Fertigungsstation verfahrbar. Dies ermöglicht ein leichtes Heranführen der Bauplattform zur Fertigungsstation sowie leichtes Entfernen der Bauplattform von der Fertigungsstation, insbesondere mit einem auf der Bauplattform angeordneten, teilweise aufgebauten Bauteil. Ferner kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die Fertigungsvorrichtung ausgebildet ist, relativ zur Fertigungsstation ausgerichtet zu werden. Eine optimale Ausrichtung der Bauplattform zur Fertigungsstation ist zum präzisen Aufschmelzen der Pulver- bzw. Granulatschicht aus Bauteilwerkstoff besonders wichtig, da ansonsten eine Justierung einer Aufschmelzvorrichtung der Fertigungsstation, wie z.B. eines Lasers, notwendig wäre, um eine falsche Ausrichtung auszugleichen. Ferner wären Erfassungsmittel erforderlich, die die Komplexität des Fertigungssystems und somit die Betriebs- sowie Beschaffungskosten erhöhen würden. Eine Betriebssicherheit wäre ebenfalls vermindert, da ein Nachjustieren des Lasers aufwändig ist und aufgrund von Mess- sowie Justiertoleranzen ungenau sein kann.
Eine erfindungsgemäße Fertigungsvorrichtung hat den Vorteil, dass eine Bauplattform über die Transportschnittstelle besonders leicht an eine Fertigungsstation heranbewegbar sowie von dieser entfernbar ist. Die Effizienz eines SLM-Prozesses ist somit enorm verbesserbar, da eine Vielzahl von Arbeitsschritten, wie z.B. das Absenken des Bauplattform, das Nachbearbeiten einer erzeugten Bauteilschicht oder das gleichmäßige Aufbringen des pulver- bzw. granulatförmigen Bauteilwerkstoffs auf die Bauplattform außerhalb der Fertigungsstation zum Aufschmelzen des pulver- bzw. granulatförmigen Bauteilwerkstoffs zur Erzeugung einer Bauteilschicht erfolgen kann. Totzeiten einer Aufschmelzvorrichtung, wie z.B. eines Lasers, sind somit deutlich reduzierbar, da nach dem Erzeugen einer Bauteilschicht auf einer Bauplattform einer ersten Fertigungsvorrichtung die erste Fertigungsvorrichtung lediglich von der Aufschmelzvorrichtung wegbewegt und eine zweite Fertigungsvorrichtung zur Aufschmelzvorrichtung hinbewegt werden müssen. Dabei ist es bevorzugt, wenn die Bauplattform der zweiten Fertigungsvorrichtung bereits eine Pulver- bzw. Granulatschicht aus Bauteilwerkstoff aufweist, so dass ein Aufschmelzen mittels der Aufschmelzvorrichtung unmittelbar nach dem Anordnen der zweiten Fertigungsvorrichtung an der Aufschmelzvorrichtung bzw. der Fertigungsstation erfolgen kann.
Gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung kann bei einer Vorrichtung vorgesehen sein, dass der Bauplattformträger einen Rahmen mit einem Rahmeninnenraum aufweist, wobei der Rahmen die Bauplattform seitlich umgibt, und wobei die Bauplattform zumindest teilweise im Rahmeninnenraum anordenbar ist. Der Rahmen weist eine Basisfläche auf, die vorzugsweise geringfügig größer als die Grundfläche der Bauplattform ist, so dass die Bauplattform in den Rahmeninnenraum des Rahmens bewegbar ist, und dass ein Spalt zwischen Rahmen und Bauplattform leicht abdichtbar ist. Ein Rahmeninnenraum hat den Vorteil, dass die Bauplattform nach dem Erzeugen einer Schicht leicht um eine Schichtdicke in den Rahmeninnenrahm verfahrbar und dort vor äußeren Einflüssen besser geschützt ist. Ferner kann vorgesehen sein, dass die Bauplattform am Rahmen linear geführt und/oder fixierbar ist. Hierdurch wird eine Stabilität einer Lage der Bauplattform verbessert.
Ferner kann vorgesehen sein, dass der Rahmen einen Kragen mit einer Kragenfläche aufweist, wobei der Kragen die Bauplattform seitlich umgibt. Dabei ist vorgesehen, dass die Kragenfläche parallel zur Grundfläche angeordnet ist. Ein Kragen ist insbesondere bei der Bereitstellung des Bauteilwerkstoffs von Vorteil, da dieser leicht auf die Bauplattform und zumindest Teilbereiche des Kragens aufbringbar und von diesen leicht wieder entfernbar ist. Insbesondere die Verwendung einer Abstreifvorrichtung beim Erzeugen einer pulver- bzw. granulatförmigen Bauteilwerkstoffschicht ist ein Kragen vorteilhaft, da mittels der Abstreifvorrichtung der Bauteilwerkstoff leicht über Bauplattform sowie Kragen abstreifbar ist. Somit wird ein gleichmäßiger Auftrag von Bauteilwerkstoff auf der Bauplattform verbessert.
Vorzugsweise weisen die Bauplattform und/oder der Rahmen eine Abdichtvorrichtung zum Abdichten eines Spalts zwischen mindestens einer Stirnseite der Bauplattform und dem Rahmen auf. Vorzugsweise ist die Abdichtvorrichtung ausgebildet, einen umlaufenden Spalt zwischen Rahmen und Bauplattform abzudichten. Eine Abdichtvorrichtung weist beispielsweise eine Nut auf, in der ein Abdichtmittel, wie z.B. eine Filz- oder Gummidichtung, angeordnet ist. Eine derartige Abdichtvorrichtung hat den Vorteil, dass ein Eindringen von Bauteilmaterial in den Spalt zwischen Bauplattform und Rahmen mit einfachen Mitteln verhinderbar ist. Hierdurch sind ein Pulver- bzw. Granulatverbrauch des Bauteilwerkstoffs sowie eine Verschmutzung von Komponenten eines Fertigungssystems, wie z.B. einer Transportvorrichtung, durch Bauteilwerkstoff reduzierbar.
Es ist bevorzugt, dass der Bauplattformträger eine Hubvorrichtung aufweist, die zum Anheben und Absenken der Bauplattform relativ zum Bauplattformträger ausgebildet ist. Eine Hubvorrichtung weist vorzugsweise einen mechanischen Antrieb, wie beispielsweise einen Spindeltrieb, wie z.B. einen Kugelgewindespindeltrieb oder einen Rollengewindespindeltrieb, auf. Alternativ kann die Hubvorrichtung einen hydraulischen oder pneumatischen Antrieb aufweisen. Mittels einer Hubvorrichtung ist eine relative Höhe der Bauplattform zum Bauplattformträger und somit zu einer Fertigungsstation, insbesondere einer Aufschmelzstation, einstellbar. Hierdurch wird das Erzeugen einer weiteren Bauteilschicht verbessert. Ferner ist somit der Bauplattformträger samt auf diesem erzeugter Bauteilschichten in den Rahmeninnenraum des Rahmens verfahrbar.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Hubvorrichtung eine Betätigungsvorrichtung zum Verstellen einer Höhe der Bauplattform auf. Die Betätigungsvorrichtung ist derart ausgebildet, dass durch ein Bewegen der Fertigungsvorrichtung in eine Transportrichtung relativ zu einem Betätigungselement des Fertigungssystems die Betätigungsvorrichtung von dem Betätigungselement betätigbar ist. Auf diese Weise ist eine definierte Verstellung der Höhe der Bauplattform beim Passieren des Betätigungselements erzielbar. Somit wird eine zuverlässige sowie definierte Höhenverstellung der Bauplattform gewährleistet. Eine Prozessüberwachung der Höhenverstellung ist somit nur noch stichprobenmäßig zum Detektieren systematischer Fehler des Fertigungssystems erforderlich. Hierdurch werden Fertigungsaufwand und -kosten gesenkt.
Vorzugsweise weist die Betätigungsvorrichtung ein Zahnrad auf, das zum Eingreifen mit dem Betätigungselement ausgebildet ist. Dabei weist das Betätigungselement eine entsprechende Verzahnung auf. Eine Verzahnung hat den Vorteil, dass kein Schlupf zwischen Betätigungsvorrichtung und Betätigungselement stattfinden kann. Eine Genauigkeit der Höhenverstellung durch die Hubvorrichtung wird auf diese Weise weiter verbessert. Das Risiko eines Einstellens einer inkorrekten Höhe wird auf diese Weise weiter reduziert. Hierdurch werden ebenfalls Fertigungsaufwand sowie -kosten gesenkt.
Gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung kann bei einer Vorrichtung vorgesehen sein, dass die Fertigungsvorrichtung mindestens eine Positioniervorrichtung zum Positionieren der Fertigungsvorrichtung relativ zu einer Fertigungsstation des Fertigungssystems aufweist. Eine Positioniervorrichtung kann beispielsweise einen oder mehrere Referenzpunkte aufweisen. Beim Positionieren werden z.B. die Referenzpunkte der Positioniervorrichtung beispielsweise mit entsprechenden Abtastelementen der Fertigungsvorrichtung in Kontakt gebracht. Dies kann beispielsweise mittels einer Zuführvorrichtung erfolgen, die vorzugsweise Bestandteil des Fertigungssystems ist. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Transportschnittstelle vom Transportsystem getrennt und nach dem Erzeugen der Bauteilschicht wieder mit diesem gekoppelt wird. Durch eine Positioniervorrichtung ist eine vorgegebene relative Lage der Bauplattform zur Fertigungsstation und somit zu einer Aufschmelzstation der Fertigungsstation zuverlässig, schnell sowie mit einfachen Mitteln erzielbar. Hierdurch wird eine Prozesssicherheit beim SLM-Verfahren verbessert.
Vorzugsweise weist die Positioniervorrichtung mindestens einen Anschlagpunkt zum Nivellieren der Fertigungsvorrichtung zur Fertigungsstation auf. Beim Nivellieren wird die Fertigungsvorrichtung beispielsweise mittels einer Hebevorrichtung des Fertigungssystems angehoben und mit entsprechenden Abtastelementen der Fertigungsvorrichtung in Kontakt gebracht. Durch derartige Anschlagpunkte ist eine vorgegebene relative Höhe der Bauplattform zur Fertigungsstation und somit zu einer Aufschmelzstation der Fertigungsstation zuverlässig, schnell sowie mit einfachen Mitteln erzielbar. Hierdurch wird eine Prozesssicherheit beim SLM-Verfahren verbessert.
Dies kann beispielsweise mittels einer Hebevorrichtung erfolgen, die vorzugsweise Bestandteil des Fertigungssystems ist. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Transportschnittstelle vom Transportsystem getrennt und nach dem Erzeugen der Bauteilschicht wieder mit diesem gekoppelt wird. Durch einen Positioniervorrichtung ist eine vorgegebene relative Lage der Bauplattform zur Fertigungsstation und somit zu einer Aufschmelzstation der Fertigungsstation zuverlässig, schnell sowie mit einfachen Mitteln erzielbar. Hierdurch wird eine Prozesssicherheit beim SLM-Verfahren verbessert.
Es ist bevorzugt, dass die Transportschnittstelle ein Rad und/oder einen Schlitten zur Anbindung an eine Schiene aufweist. Vorzugsweise ist die Transportschnittstelle als Bestandteil eines Transportsystems des Fertigungssystems ausgebildet. Hierdurch wird ein definiertes Bewegen der Fertigungsvorrichtung innerhalb des Fertigungssystems zuverlässig sowie mit einfachen Mitteln verbessert.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch ein Fertigungssystem zum Herstellen eines Bauteils mittels eines additiven Fertigungsverfahrens. Das Fertigungssystem weist mindestens eine Fertigungsstation zum additiven Fertigen des Bauteils auf einer Bauplattform und ein Transportsystem zum Bewegen der Bauplattform zur Fertigungsstation auf. Überdies weist das Fertigungssystem eine erfindungsgemäße Fertigungsvorrichtung auf. Das Transportsystem ist zum Bewegen der Fertigungsvorrichtung zur Fertigungsstation sowie von der Fertigungsstation weg ausgebildet.
Die Fertigungsstation weist mindestens eine Aufschmelzstation auf. Es kann vorgesehen sein, dass die Fertigungsstation neben der Aufschmelzstation auch eine Bereitstellungsstation zum Anordnen der Pulver- bzw. Granulatschicht aus Bauteilwerkstoff auf der Bauplattform aufweist. Somit sind beispielsweise gleichzeitig eine Fertigungsvorrichtung an der Bereitstellungsstation und eine Fertigungsvorrichtung an der Aufschmelzstation anordenbar. Das Bereitstellen von Bauteilwerkstoff sowie das Aufschmelzen des Bauteilwerkstoffs sind somit gleichzeitig auf verschiedenen Bauplattformen durchführbar. Anschließend ist die Fertigungsvorrichtung von der Aufschmelzstation aus der Fertigungsstation entfernbar, die Fertigungsvorrichtung von der Bereitstellungsstation zur Aufschmelzstation bewegbar und ggf. eine weitere Fertigungsstation zur Bereitstellungsstation bewegbar.
Die Bauplattform ist erfindungsgemäß Teil der Fertigungsvorrichtung und ist mit dieser fest verbunden oder an dieser lösbar gekoppelt.
Das Transportsystem ist zum Bewegen der Fertigungsvorrichtung entlang dem Transportsystem, z.B. auf einer Schiene des Transportsystems, ausgebildet. Die Transportschnittstelle der Fertigungsvorrichtung kann Bestandteil des Transportsystems sein, wie z.B. ein Schlitten, der auf der Schiene führbar ist. Alternativ kann die Transportschnittstelle ausgebildet sein, die Fertigungsvorrichtung mit dem Transportsystem, z.B. einer Plattform eines Schlittens, zu koppeln. Dies hat den Vorteil, dass ein Entkoppeln der Fertigungsvorrichtung vom Transportsystem, z.B. zum Nivellieren an der Fertigungsstation, leicht sowie mit einfachen Mitteln möglich ist.
Das Fertigungssystem weist vorzugsweise eine Kapselung auf, die das Bereitstellen einer Schutzatmosphäre ermöglicht. Dies ist insbesondere beim Aufschmelzen des Bauteilmaterials vorteilhaft, da somit das Erzeugen einer beschädigten bzw. fehlerhaften Bauteilschicht reduziert wird.
Bei dem beschriebenen Fertigungssystem ergeben sich sämtliche Vorteile, die bereits zu einer Fertigungsvorrichtung zur Bereitstellung einer Bauplattform zum Aufbauen eines Bauteils mittels eines additiven Fertigungsverfahrens in einem Fertigungssystem gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind.
Es ist bevorzugt vorgesehen, dass das Transportsystem ein Betätigungselement aufweist, das derart angeordnet ist, beim Vorbeibewegen einer Fertigungsvorrichtung mit einer Betätigungsvorrichtung der Fertigungsvorrichtung einzugreifen, wobei hierdurch eine Hubvorrichtung der Fertigungsvorrichtung betätigbar ist. Auf diese Weise ist eine definierte Verstellung der Höhe der Bauplattform beim Passieren des Betätigungselements erzielbar. Somit wird eine zuverlässige sowie definierte Höhenverstellung der Bauplattform gewährleistet. Eine Prozessüberwachung der Höhenverstellung ist somit nur noch stichprobenmäßig zum Detektieren systematischer Fehler des Fertigungssystems erforderlich. Hierdurch werden Fertigungsaufwand und -kosten gesenkt.
Vorzugsweise weist die Fertigungsstation eine Aufschmelzstation zum Aufschmelzen eines Baumaterials auf, wobei das Fertigungssystem eine Bereitstellungsstation zum Bereitstellen des aufzuschmelzenden Bauteilmaterials aufweist. Die Bereitstellungsstation ist dabei zur Aufschmelzstation vorzugsweise derart angeordnet, dass ein Bereitstellen von Bauteilwerkstoff auf einer ersten Bauplattform gleichzeitig mit einem Erzeugen einer Bauteilschicht auf einer zweiten Bauplattform des Fertigungssystems erfolgen kann. Auf diese Weise sind Verfahrensschritte bei der additiven Herstellung eines Bauteils, z.B. eines SLM-Verfahrens, parallelisierbar. Hierdurch können eine Fertigungskapazität des Fertigungssystems erhöht sowie Fertigungskosten mit einfachen Mitteln reduziert werden.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum additiven Herstellen eines Bauteils. Das Verfahren weist folgende Schritte auf:

– Bewegen einer Bauplattform zu einer Fertigungsstation,
– Erzeugen mindestens einer ersten Schicht des Bauteils auf der Bauplattform durch der Fertigungsstation mittels eines additiven Fertigungsverfahrens,
– Bewegen der Bauplattform von der Fertigungsstation weg,
– Verstellen einer relativen Höhe der Bauplattform zu einem Bauplattformträger,
– Bewegen der Bauplattform zu einer Fertigungsstation, und
– Erzeugen mindestens einer zweiten Schicht des Bauteils auf der ersten Schicht durch die Fertigungsstation mittels des additiven Fertigungsverfahrens.

Beim Bewegen der Bauplattform zu einer Fertigungsstation wird vorzugsweise eine Fertigungsvorrichtung mit einer Bauplattform zur Fertigungsstation bewegt. Hierbei wird die Bauplattform beispielsweise in einen Arbeitsraum der Fertigungsstation bewegt, z.B. über ein Transportsystem.
Beim Erzeugen der mindestens einen ersten Schicht des Bauteils wird zunächst eine vorzugsweise gleichmäßige sowie platte Pulver- bzw. Granulatschicht aus Bauteilwerkstoff auf der Bauplattform bereitgestellt. Anschließend wird durch selektives Strahlschmelzen zumindest ein Teilbereich der Pulver- bzw. Granulatschicht zur Erzeugung einer Bauteilschicht aufgeschmolzen. Nach dem Erstarren des aufgeschmolzenen Bauteilwerkstoffs ist eine Bauteilschicht erzeugt. Das nicht aufgeschmolzene Pulver- bzw. Granulat wird vorzugsweise entfernt.
Beim Bewegen der Bauplattform von der Fertigungsstation wird vorzugsweise eine Fertigungsvorrichtung samt Bauplattform von der Fertigungsstation wegbewegt. Die Fertigungsstation kann dabei beispielsweise zu einer Qualitätssicherungsstation (QS-Station) zum Prüfen auf Fehler oder zu einer Nachbearbeitungsstation, z.B. zum Beheben von Fehlern oder Verbessern von Oberflächen, bewegt werden. Gleichzeitig kann beispielsweise eine weitere Fertigungsvorrichtung zur Erzeugung einer Bauteilschicht zur Fertigungsstation bewegt werden.
Das Verstellen einer relativen Höhe der Bauplattform zu einem Bauplattformträger erfolgt vorzugsweise mittels einer Hubvorrichtung der Fertigungsvorrichtung. Ein Verstellen der Höhe ist erforderlich, wenn auf der zuvor erzeugten Bauteilschicht mindestens eine weitere Bauteilschicht erzeugt werden soll, um eine optimale Lage der zuvor erzeugten Bauteilschicht zur Fertigungsvorrichtung zu gewährleisten.
Beim erneuten Bewegen der Bauplattform zu einer Fertigungsstation kann die Bauplattform beispielsweise zu derselben Fertigungsstation oder einer weiteren Fertigungsstation bewegt werden. Vorzugsweise wird hierbei ebenfalls die komplette Fertigungsvorrichtung bewegt. Dies ist erforderlich, wenn auf der zuvor erzeugten Bauteilschicht mindestens eine weitere Bauteilschicht erzeugt werden soll.
Das Erzeugen der mindestens einen zweiten Schicht des Bauteils auf der ersten Schicht durch die Fertigungsstation erfolgt vorzugsweise mittels desselben additiven Fertigungsverfahrens wie beim Erzeugen der ersteh Schicht. Alternativ kann auch ein anderes additives Fertigungsverfahren als beim Erzeugen der ersten Schicht vorgesehen sein. Im Rahmen der Erfindung können neben SLM-Verfahren auch beispielsweise 3D-Druckverfahren zur Erzeugung mindestens einer Bauteilschicht zum Einsatz kommen.
Bei dem beschriebenen Verfahren ergeben sich sämtliche Vorteile, die bereits zu einer Fertigungsvorrichtung zur Bereitstellung einer Bauplattform zum Aufbauen eines Bauteils mittels eines additiven Fertigungsverfahrens in einem Fertigungssystem gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind.
Es ist bevorzugt, dass das additive Fertigungsverfahren ein SLM-Verfahren ist, wobei eine Bereitstellung des Bauteilwerkstoffs auf der Bauplattform an einer Bereitstellungsstation und ein Aufschmelzen des Bauteilwerkstoffs an einer Aufschmelzstation der Fertigungsstation erfolgt. Hierdurch können die Arbeitsschritte „Bereitstellen“ und „Aufschmelzen“ parallel auf zwei verschiedenen Bauplattformen erfolgen. Dies hat den Vorteil, dass eine Fertigungskapazität erhöht und somit Fertigungskosten gesenkt werden.
Besonders bevorzugt wird das Verfahren auf einem erfindungsgemäßen Fertigungssystem durchgeführt.
Eine erfindungsgemäße Fertigungsvorrichtung zur Bereitstellung einer Bauplattform zum Aufbauen eines Bauteils mittels eines additiven Fertigungsverfahrens in einem Fertigungssystem sowie ein erfindungsgemäßes Fertigungssystem werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
1 in einer Draufsicht eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Fertigungsvorrichtung,
2 in einer Seitenansicht die Fertigungsvorrichtung aus 1,
3 in einer Schnittdarstellung eine Stirnseite einer Bauplattform, und
4 in einer Draufsicht eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fertigungssystems.
Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den 1 bis 4 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
In 1 und 2 ist eine erfindungsgemäße Fertigungsvorrichtung 1 schematisch dargestellt. Die Fertigungsvorrichtung 1 weist eine Bauplattform 2 auf, die über eine Hubvorrichtung 15 höhenverstellbar an einem Bauplattformträger 6 gehalten ist. Die Hubvorrichtung 15 weist eine Linearführung 25 auf an der eine mit der Bauplattform 2 gekoppelte Bauplattformanbindung 26 linear geführt ist. Ferner weist die Hubvorrichtung 15 eine Betätigungsvorrichtung 16 zum Betätigen der Hubvorrichtung zum Verstellen der Höhe der Bauplattform 2 auf. Die Betätigungsvorrichtung 16 ist in diesem Beispiel als Zahnrad 18 ausgebildet.
Die Bauplattform 2 weist eine platte, rechteckige Grundfläche 4 auf, die zur Erzeugung eines Bauteils mittels eines additiven Fertigungsverfahrens ausgebildet ist. Der Bauplattformträger 6 weist eine Transportschnittstelle 7 auf, die zur Anbindung an ein in 4 abgebildetes Transportsystem 20 ausgebildet ist.
Die Bauplattform 2 ist von einem Rahmen 8 mit einem Rahmeninnenraum 9 seitlich umgeben. Auf einer dem Bauplattformträger 6 abgewandten Seite weist der Rahmen 8 einen rechteckigen Kragen 10 mit einer Kragenfläche 11 auf, wobei die Kragenfläche 11 parallel zur Grundfläche 4 angeordnet ist. An den vier Ecken weist der Kragen 10 jeweils eine Positioniervorrichtung 19 auf, die als Anschlagpunkt ausgebildet ist. Zwischen der Bauplattform 2 und dem Kragen 10 ist ein Spalt 13 ausgebildet, der durch eine Abdichtvorrichtung 12 abgedichtet ist. Die Abdichtvorrichtung 12 ist an dem Kragen 10 zugewandten Stirnseiten 14 der Bauplattform 2 angeordnet und weist beispielsweise eine Nut 22 (vgl. 3) sowie ein in der Nut 22 angeordnetes Abdichtmittel auf. Somit ist der Rahmeninnenraum 9 vor Eindringen von pulver- bzw. granulatförmigem Bauteilwerkstoff oder sonstigen Verschmutzungen geschützt.
In 3 ist ein Ausschnitt einer Stirnseite 14 einer Bauplattform 2 abgebildet. Die Bauplattform 2 weist auf der Stirnseite 14 eine umlaufende Nut 22 auf. In dieser Nut 22 ist ein nicht dargestelltes Abdichtmittel, wie z.B. eine Filz- oder Gummidichtung, anordenbar.
4 zeigt ein erfindungsgemäßes Fertigungssystem 3. Das Fertigungssystem weist eine Bereitstellungsstation 21 auf, die zum Erzeugen einer pulver- bzw. granulatförmigen Schicht aus Bauteilwerkstoff auf der Bauplattform 2 ausgebildet ist. In Transportrichtung T hinter der Bereitstellungsstation 21 ist in eine Fertigungsstation 5 angeordnet, die als Aufschmelzstation eingerichtet ist. In Transportrichtung T hinter der Fertigungsstation 5 ist eine Nachbearbeitungsstation 23 zum Nachbearbeiten einer erzeugten Bauteilschicht angeordnet. In Transportrichtung T hinter der Nachbearbeitungsstation 23 ist eine QS-Station zum Detektieren von Fehlern der erzeugten Bauteilschicht oder zum Vermessen eines erzeugten Bauteils angeordnet. Die einzelnen Stationen sind über ein Transportsystem 20 miteinander verbunden. Auf dem Transportsystem 20 sind eine Mehrzahl erfindungsgemäßer Fertigungsvorrichtungen 1 in Transportrichtung T bewegbar bzw. verfahrbar angeordnet. Die Fertigungsvorrichtungen 1 weisen jeweils eine als Zahnrad 18 ausgebildete Betätigungsvorrichtung 16 auf, die zum Eingreifen mit einem Betätigungselement 17 des Fertigungssystems 3 ausgebildet sind. Ein derartiges Eingreifen erfolgt in diesem Beispiel wenn die Fertigungsvorrichtung 1 in Transportrichtung T das Betätigungselement 17 passiert. Hierdurch wird die Hubvorrichtung 15 der Fertigungsvorrichtung 1 betätigt und die Bauplattform 2 um eine definierte Höhe abgesenkt.
Bezugszeichenliste

1: Fertigungsvorrichtung
2: Bauplattform
3: Fertigungssystem
4: Grundfläche
5: Fertigungsstation
6: Bauplattformträger
7: Transportschnittstelle
8: Rahmen
9: Rahmeninnenraum
10: Kragen
11: Kragenfläche
12: Abdichtvorrichtung
13: Spalt
14: Stirnseite
15: Hubvorrichtung
16: Betätigungsvorrichtung
17: Betätigungselement
18: Zahnrad
19: Positioniervorrichtung
20: Transportsystem
21: Bereitstellungsstation
22: Nut
23: Nachbearbeitungsstation
24: QS-Station
25: Linearführung
26: Bauplattformanbindung
T: Transportrichtung

Claims

Fertigungsvorrichtung (1) zur Bereitstellung einer Bauplattform (2) zum Aufbauen eines Bauteils mittels eines additiven Fertigungsverfahrens in einem Fertigungssystem (3), aufweisend eine Bauplattform (2) mit einer Grundfläche (4) zum Aufbauen des Werkstücks in einer Fertigungsstation (5) des Fertigungssystems (3) und einen Bauplattformträger (6), wobei die Bauplattform (2) an dem Bauplattformträger (6) angeordnet ist, und wobei an dem Bauplattformträger (6) eine Transportschnittstelle (7) zum Bewegen der Fertigungsvorrichtung (1) relativ zur Fertigungsstation (5) des Fertigungssystems (3) angeordnet ist.
Fertigungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bauplattformträger (6) einen Rahmen (8) mit einem Rahmeninnenraum (9) aufweist, wobei der Rahmen (8) die Bauplattform (2) seitlich umgibt, und wobei die Bauplattform (2) zumindest teilweise im Rahmeninnenraum (9) anordenbar ist.
Fertigungsvorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen (8) einen Kragen (10) mit einer Kragenfläche (11) aufweist, der die Bauplattform (2) seitlich umgibt, wobei die Kragenfläche (10) parallel zur Grundfläche (4) angeordnet ist.
Fertigungsvorrichtung (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauplattform (2) und/oder der Rahmen (8) eine Abdichtvorrichtung (12) zum Abdichten eines Spalts (13) zwischen mindestens einer Stirnseite (14) der Bauplattform (2) und dem Rahmen (8) aufweisen.
Fertigungsvorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bauplattformträger (6) eine Hubvorrichtung (15) aufweist, die zum Anheben und Absenken der Bauplattform (2) relativ zum Bauplattformträger (6) ausgebildet ist.
Fertigungsvorrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hubvorrichtung (15) eine Betätigungsvorrichtung (16) zum Verstellen einer Höhe der Bauplattform (2) aufweist, wobei die Betätigungsvorrichtung (16) derart ausgebildet ist, dass durch ein Bewegen der Fertigungsvorrichtung (1) in eine Transportrichtung (T) relativ zu einem Betätigungselement (17) des Fertigungssystems (3) die Betätigungsvorrichtung (16) von dem Betätigungselement (17) betätigbar ist.
Fertigungsvorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fertigungsvorrichtung (1) mindestens eine Positioniervorrichtung (19) zum Positionieren der Fertigungsvorrichtung (1) relativ zu einer Fertigungsstation (5) des Fertigungssystems (3) aufweist.
Fertigungsvorrichtung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Positioniervorrichtung (19) mindestens einen Anschlagpunkt zum Nivellieren der Fertigungsvorrichtung (1) zur Fertigungsstation (5) aufweist.
Fertigungsvorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Transportschnittstelle (7) ein Rad und/oder einen Schlitten zur Anbindung an eine Schiene aufweist.
Fertigungssystem (3) zum Herstellen eines Bauteils mittels eines additiven Fertigungsverfahrens, aufweisend mindestens eine Fertigungsstation (5) zum additiven Fertigen des Bauteils auf einer Bauplattform (2) und ein Transportsystem (20) zum Bewegen der Bauplattform (2) zur Fertigungsstation (5), dadurch gekennzeichnet, dass das Fertigungssystem (3) eine Fertigungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 aufweist, wobei das Transportsystem (20) zum Bewegen der Fertigungsvorrichtung (1) zur Fertigungsstation (5) hin sowie von der Fertigungsstation (5) weg ausgebildet ist.
Fertigungssystem (3) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Transportsystem (20) ein Betätigungselement (17) aufweist, das derart angeordnet ist, beim Vorbeibewegen einer Fertigungsvorrichtung (1) mit einer Betätigungsvorrichtung (16) der Fertigungsvorrichtung (1) einzugreifen, wobei hierdurch eine Hubvorrichtung (15) der Fertigungsvorrichtung (1) betätigbar ist.
Fertigungssystem (3) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Fertigungsstation (5) eine Aufschmelzstation zum Aufschmelzen eines Baumaterials aufweist, wobei das Fertigungssystem (3) eine Bereitstellungsstation (21) zum Bereitstellen des aufzuschmelzenden Bauteilmaterials aufweist.
Verfahren zum additiven Herstellen eines Bauteils, aufweisend die Schritte: – Bewegen einer Bauplattform (2) zu einer Fertigungsstation (5), – Erzeugen mindestens einer ersten Schicht des Bauteils auf der Bauplattform (2) durch der Fertigungsstation (5) mittels eines additiven Fertigungsverfahrens, – Bewegen der Bauplattform (2) von der Fertigungsstation (5) weg, – Verstellen einer relativen Höhe der Bauplattform (2) zu einem Bauplattformträger (6), – Bewegen der Bauplattform (2) zu einer Fertigungsstation (5), und – Erzeugen mindestens einer zweiten Schicht des Bauteils auf der ersten Schicht durch die Fertigungsstation (5) mittels des additiven Fertigungsverfahrens.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das additive Fertigungsverfahren ein SLM-Verfahren ist, wobei eine Bereitstellung des Bauteilwerkstoffs auf der Bauplattform (2) an einer Bereitstellungsstation (21) und ein Aufschmelzen des Bauteilwerkstoffs an einer Aufschmelzstation der Fertigungsstation (5) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren auf einem Fertigungssystem (3) nach Anspruch 9 oder 10 durchgeführt wird.