DE102013203938A1

DE102013203938A1 - Generatives Schichtaufbauverfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts und dreidimensionales Objekt

Info

Publication number: DE102013203938A1
Application number: DE102013203938.7A
Authority: DE
Inventors: Lothar Kroll; Gerhard Hummel; Frank Schubert; Sebastian Blümer
Original assignee: Airbus Operations GmbH; Technische Universitaet Chemnitz
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2013-03-07
Filing date: 2013-03-07
Publication date: 2014-09-25
Also published as: US20140251481A1; CN104028756B; US9636869B2; CN104028756A

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein generatives Schichtaufbauverfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts (1) und auf ein entsprechendes Objekt. Bei dem Verfahren werden nacheinander und aufeinander eine Vielzahl von Schichten aus einem Pulvermaterial auf einem Träger aufgebracht und jede Schicht vor dem Aufbringen der nachfolgenden Schicht mit einem Laserstrahl oder Teilchenstrahl selektiv nur in den Bereichen der Schicht bestrahlt wird, die dem herzustellenden dreidimensionalen Objekt (1) entsprechen. Die Bestrahlung erfolgt so, dass das Pulvermaterial in den entsprechenden Bereichen lokal geschmolzen oder gesintert wird. Das Objekt (1) weist einen ersten Abschnitt (2), einen zweiten Abschnitt (3) und eine Stützstruktur (4) zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt auf, die den ersten und den zweiten Abschnitt miteinander verbindet. Im Verlauf des schichtweisen Aufbaus des Objekts (1) wird der erste Abschnitt (2) vor dem zweiten Abschnitt (3) aufgebaut oder der erste Abschnitt (2) als separate Komponente bereitgestellt, auf der die Stützstruktur (4) und der zweite Abschnitt (3) aufgebaut werden. Die Stützstruktur (4) wird in Form von einer Vielzahl von Stützbeinen (9) aufgebaut, die sich jeweils von dem ersten Abschnitt (2) zum zweiten Abschnitt (3) erstrecken und an ihren gegenüberliegenden Enden mit diesen verbunden sind und die zumindest entlang eines Teils ihrer Länge voneinander beabstandet sind.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein generatives Schichtaufbauverfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts sowie auf ein mit einem solchen Verfahren herstellbares dreidimensionales Objekt.
Generative Schichtaufbauverfahren werden zunehmen verwendet, um sehr schnell Prototypen oder fertige Bauteile herzustellen. Im Unterschied zu konventionellen Herstellungsverfahren, die die Abtragung von Material von einem Materialblock durch, zum Beispiel, Fräsen, Schneiden, Bohren oder andere Bearbeitungsprozesse umfassen, bauen generative Schichtaufbauverfahren ein gewünschtes dreidimensionales Objekt direkt Schicht für Schicht auf Basis einer digitalen Beschreibung des Objekts auf. Sie sind auch als 3D-Drucken oder Rapid Prototyping bekannt.
Bei einem typischen generativen Schichtaufbauverfahren wird zunächst eine dünne Schicht aus Material, aus dem das Objekt hergestellt werden soll, in Pulverform auf eine Trägerplatte aufgebracht und das Pulver der gerade aufgebrachten Schicht selektiv nur in denjenigen Bereichen der Schicht durch Laserbestrahlung geschmolzen oder gesintert, die dem herzustellenden Objekt entsprechen. Anschließend wird eine weitere dünne Schicht des Materials in Pulverform auf die so bearbeitete erste Schicht aufgebracht und wiederum selektiv nur in denjenigen Bereichen der Schicht durch Laserbestrahlung geschmolzen oder gesintert, die dem herzustellenden Objekt entsprechen. Dieser Schritt wird wiederholt, bis das vollständige Objekt hergestellt ist. In jeder Schicht wird das nicht dem Objekt entsprechende Pulver nicht bestrahlt und verbleibt in Pulverform, so dass es zu einem späteren Zeitpunkt von dem fertigen Objekt entfernt werden kann. Die Trägerplatte kann durch einen verfahrbaren Tisch bereitgestellt werden, der nach jeder Bestrahlung einer Schicht um eine Strecke abgesenkt wird, die gleich der Dicke dieser Schicht ist, um für identische Anfangsbedingungen vor dem Aufbringen jeder Schicht zu sorgen.
In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, dass es im Prinzip auch möglich ist, dass die einzelnen Schichten nicht durchgehende oder die Trägerplatte vollständig bedeckende Schichten sind, sondern Material nur in denjenigen Bereichen aufweisen, die dem herzustellenden Objekt entsprechen, oder in Bereichen, die die diejenigen Bereich umfassen, die dem herzustellenden Objekt entsprechen.
Spezielle generative Schichtaufbauverfahren sind das sog. selektive Laserschmelzen (selective laser melting, SLM) und das sog. selektive Lasersintern (selective laser sintering, SLS), bei denen wie oben angegeben ein Laserstrahl zur Bestrahlung der Schichten zum Einsatz kommt. Es ist jedoch auch möglich, zu diesem Zweck einen Teilchenstrahl und insbesondere einen Elektronenstrahl zu verwenden. Spezielle generative Schichtaufbauverfahren, die einen Elektronenstrahl einsetzen, sind entsprechend den beiden zuvor genannten Verfahren das sog. selektive Elektronenstrahlschmelzen und das sog. selektive Elektronenstrahlsintern.
Wie oben erläutert, wird das Objekt unmittelbar Schicht für Schicht in einer dreidimensionalen Weise aufgebaut. Dies ermöglicht es, in derselben Vorrichtung verschiedene hochgradig komplexe Objekte effizient und schnell aus verschiedenen Materialien herzustellen, insbesondere aus Metall, aber auch aus Kunststoffen und keramischen Materialien. Beispielsweise können hochkomplexe Gitter- oder Wabenstrukturen leicht hergestellt werden, die mit anderen Verfahren nicht oder nur schwierig erzeugt werden können. Im Vergleich zu traditionellen Herstellungsverfahren hat die Komplexität des Objekts nur wenig Einfluss auf die Herstellungskosten.
Bei generativen Schichtaufbauverfahren wie den oben genannten muss jedoch beachtet werden, dass in Bereichen des Objekts, die während des schichtweisen Aufbaus (d.h. in der Orientierung des Objekts während dessen Herstellung) in der Richtung entgegengesetzt zur Gravitationskraft gesehen einen Überhang bzw. einen auskragenden Abschnitt bilden, unter Umständen besondere Maßnahmen ergriffen werden müssen, um die Herstellung des Objekts zu ermöglichen oder dessen geometrische Präzision zu erhöhen. In solchen Bereichen, die im Rahmen dieser Anmeldung als Überhang bezeichnet werden, geht ein geschmolzener bzw. gesinterter Teil jeder Schicht mit einem Randabschnitt über den geschmolzenen bzw. gesinterten Teil der vorhergehenden Schicht hinaus, so dass diese Randabschnitte der einzelnen Schichten nicht von einem geschmolzenen bzw. gesinterten Teil der jeweiligen vorhergehenden Schicht abgestützt werden. Das führt dazu, dass die Bereiche unter ihrem Gewicht in das Pulverbett einsinken, wenn die einzelnen Randabschnitte jeweils zu weit über die jeweilige vorhergehende Schicht hinausragen.
Eine mögliche Maßnahme besteht darin, die Ausdehnung der Randabschnitte so zu wählen, dass die durch die einzelnen Schichten bereitgestellte Treppchenstruktur an den Oberflächen der Bereiche diese ausreichend stabilisiert, um das Einsinken zu verhindern. Die genauen Anforderungen an diese Treppchenstruktur hängen u.a. von der Struktur und den Dimensionen des Objekts und davon ab, welche Kräfte aufgrund dessen auf die überhängenden Bereiche einwirken. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass Probleme zuverlässig vermieden werden können, wenn die Oberflächen der überhängenden Bereiche während des schichtweisen Aufbaus einen Winkel von 50° in Bezug auf die Richtung der Gravitationskraft nicht überschreiten. Es ist zu beachten, dass in üblicher Weise im Rahmen dieser Anmeldung der Verlauf einer Oberfläche die stets vorhandene Treppchenstruktur außer Acht lässt, d.h. eine Mittelung über die Treppchenstruktur darstellt.
Lässt sich diese Bedingung – beispielsweise aufgrund der geometrischen Formanforderungen an das herzustellende Objekt – nicht einhalten, müssen Stützstrukturen für die überhängenden Bereiche vorgesehen werden, die entweder nach der Fertigstellung des Objekts mechanisch oder chemisch entfernt werden oder in dem Objekt verbleiben. In jedem Fall bedeuten Stützstrukturen einen zusätzlichen Materialaufwand und erhöhen dadurch das Gewicht und die Kosten des Objekts.
Dies ist unter anderem im Fall zweier in Aufbaurichtung voneinander beabstandeter Abschnitte des dreidimensionalen Objekts zu beachten, die durch eine Stützstruktur miteinander verbunden werden müssen und bei denen der zweite Abschnitt bei ungeeigneter Ausgestaltung der Stützstruktur eine Außenfläche aufweisen würde, die während des schichtweisen Aufbaus einen überhängenden Bereich im obigen Sinne begrenzt bzw. definiert und in einem Winkel von z.B. mehr als 45° oder 50° in Bezug auf die Richtung der Gravitationskraft verläuft.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Kosten- und Gewichtseinsparung im Fall eines dreidimensionalen Objekts mit zwei Abschnitten zu erreichen, die durch eine Stützstruktur miteinander verbunden werden. Das Objekt kann dabei zum Beispiel ein hydraulisches Verteilungssystem oder ein Teil eines hydraulischen Verteilungssystems sein.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein dreidimensionales Objekt mit den Merkmalen des Anspruchs 16 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens und des Objekts sind Gegenstand der jeweils zugehörigen Unteransprüche.
Nach der vorliegenden Erfindung ist ein generatives Schichtaufbauverfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts vorgesehen, bei dem in der bereits erläuterten Weise nacheinander und aufeinander eine Vielzahl von Schichten aus einem Pulvermaterial auf einem Träger, insbesondere einer ebenen Plattform oder einem ebenen Tisch, aufgebracht und jede Schicht vor dem Aufbringen der nachfolgenden Schicht mit einem Laserstrahl oder Teilchenstrahl selektiv nur in den Bereichen der Schicht bestrahlt wird, die dem herzustellenden dreidimensionalen Objekt entsprechen. Die Bestrahlung erfolgt in der Weise, dass das Pulvermaterial in den entsprechenden Bereichen lokal geschmolzen oder gesintert wird. Das dreidimensionale Objekt kann bevorzugt ein hydraulisches Verteilungssystem oder ein Teil eines hydraulischen Verteilungssystems sein.
Das durch das Verfahren hergestellte Objekt, d.h. das Verfahrensergebnis, weist einen ersten Abschnitt, einen zweiten Abschnitt und eine Stützstruktur zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt auf, die den ersten und den zweiten Abschnitt miteinander verbindet. Die Abschnitte sind so angeordnet, dass im Verlauf des schichtweisen Aufbaus des Objekts der erste Abschnitt vor dem zweiten Abschnitt aufgebaut wird, d.h. erst nach Abschluss des Aufbaus des ersten Abschnitts beginnt der Aufbau des zweiten Abschnitts.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird jedoch die Stützstruktur in Form von einer Vielzahl von Stützbeinen aufgebaut, die sich jeweils von dem ersten Abschnitt zum zweiten Abschnitt erstrecken und an ihren gegenüberliegenden Enden mit diesen beiden Abschnitten verbunden sind. Dabei sind die Stützbeine entlang eines Teils ihrer Länge voneinander beabstandet, so dass im Unterschied zu einer massiven Stützstruktur Öffnungen oder Hohlräume in der Stützstruktur vorhanden sind. Es ist zu beachten, dass die durch die Stützbeine gebildete Stützstruktur später Teil des fertigen Objekts ist und nicht aus diesem entfernt wird.
Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, dass genau wie bei einer massiven Abstützstruktur eine ausreichende Abstützung für den zweiten Abschnitt im Bereich von dessen Außenfläche bereitgestellt werden kann, dass aber gleichzeitig durch die Beabstandung der Stützbeine der Materialeinsatz verringert und damit eine Gewichts- und Kostenersparnis erreicht wird. Dies gilt auch dann, wenn aufgrund der Nichteinhaltung der oben diskutierten Bedingungen zusätzlich zu den Stützbeinen während des schichtweisen Aufbaus vorübergehend noch zusätzliche Stützelemente zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt vorgesehen werden müssen, die dann zur endgültigen Fertigstellung des Objekts im Unterschied zu den Stützbeinen mechanisch oder chemisch entfernt werden. Selbst wenn solche zusätzlichen Stützelemente vorübergehend vorgesehen werden müssen, kann der Materialeinsatz aufgrund des Vorsehens der zumindest teilweise voneinander beabstandeten Stützbeine erheblich reduziert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Stützbeine so ausgestaltet und angeordnet, dass jedes Stützbein sich entlang seiner gesamten Länge oder zumindest in einem an den zweiten Abschnitt angrenzenden Längsabschnitt in der durch den schrittweisen schichtweisen Aufbau definierten Aufbaurichtung bzw. in Richtung auf den zweiten Abschnitt verbreitert. Auf diese Weise können Überhänge des zweiten Abschnitts, in denen die Außenfläche des zweiten Abschnitts in der oben erläuterten Weise eine zu große Neigung in Bezug auf die Richtung der Gravitationskraft aufweist, ähnlich wie bei einer massiven Stützstruktur verringert oder beseitigt werden können. Aus diesem Grund kann auch die Notwendigkeit des Einsatzes von zusätzlichen vorübergehenden Stützelementen verringert oder ausgeschlossen werden.
In dieser Ausführungsform ist es besonders bevorzugt, wenn während des schichtweisen Aufbaus des Objekts alle Außenflächenabschnitte der Stützbeine, die entgegen der Richtung der Gravitationskraft gesehen – oder mit anderen Worten in Bezug auf die Richtung der Gravitationskraft – einen Überhang definieren, einen Neigungswinkel von 50° und bevorzugt von 45° in Bezug auf die Richtung der Gravitationskraft nicht überschreiten. Das bedeutet, dass die Außenflächen des sich verbreiternden Längsabschnitts nicht einen Winkel von 50° und bevorzugt von 45° in Bezug auf die Richtung der Gravitationskraft nicht überschreiten. Im Rahmen dieser Anmeldung kann man sich den Neigungswinkel eines Flächenabschnitts eines Überhangs mit anderen Worten auch so vorstellen, dass ein Schnitt durch den Überhang entlang einer Ebene betrachtet wird, die parallel zur Richtung der Gravitationskraft und in der Weise durch den betrachteten Flächenabschnitt verläuft, dass die Ebene in dem Flächenabschnitt senkrecht auf den durch die Schichten gebildeten Stufen steht. An die durch diesen Schnitt erhaltene, über die Stufen bzw. Treppchenstruktur gemittelte Kontur des Überhangs wird am Ort des betrachteten Flächenabschnitts eine Tangente angelegt, und der Neigungswinkel ist dann der Winkel zwischen der Tangente und der Richtung der Gravitationskraft.
Durch die Einhaltung dieser Bedingung müssen keine zusätzlichen Stützelemente für die Stützbeine vorgesehen werden. Auch wenn es vorteilhaft ist, wenn die Bedingung überall an den Stützbeinen erfüllt ist, ist es auch möglich und kann in bestimmten Situationen von Vorteil sein, wenn die Bedingung nicht überall, sondern – für alle Stützbeine oder zumindest einen Teil der Stützbeine – lediglich überall mit Ausnahme von Außenflächenabschnitten in einander zugewandten Außenflächenbereichen von benachbarten Stützbeinen an ihren dem zweiten Abschnitt zugewandten Enden erfüllt ist. Dies lässt eine größere Freiheit bei der Anordnung und Ausgestaltung der Stützbeine zu, muss aber u.U. mit der Notwendigkeit des Vorsehens zusätzlicher vorübergehender Stützelemente erkauft werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Stützbeine so aufgebaut, dass

(a) für zumindest einige benachbarte der Stützbeine ihre mit dem zweiten Abschnitt verbundenen Enden voneinander beabstandet sind (dann sind zusätzlich konventionelle Stützelemente zwischen benachbarten beabstandeten Stützbeinen erforderlich, die anschließend entfernt werden),
(b) für zumindest einige benachbarte der Stützbeine ihre mit dem zweiten Abschnitt verbundenen Enden einander an dem zweiten Abschnitt berühren und/oder
(c) für zumindest einige benachbarte der Stützbeine die einander zugewandten Außenflächen der dem zweiten Abschnitt zugewandten Enden der jeweiligen benachbarten Stützbeine unter Ausbildung einer bogenförmigen Verrundung ineinander übergehen, wobei der Krümmungsradius der Verrundung derartig dimensioniert ist, dass ein Absinken des der Verrundung entsprechenden Überhangbereichs verfestigten Materials in das Pulverbett vermieden wird. Bevorzugt beträgt er maximal 7 mm.

In dieser Ausführungsform kann entweder eine der Optionen (a) bis (c) für alle Stützbeine vorgesehen werden oder aber zwei oder drei der Optionen für jeweils verschiedene Stützbeine. Im Fall der Option (a) kann es erforderlich sein, zusätzliche vorübergehende Stützelemente zwischen den jeweiligen benachbarten Stützbeinen vorzusehen. Darauf kann nur verzichtet werden, wenn die Beabstandung der Stützbeine sehr gering ist. Der maximal zulässige Abstand wird durch Material- und Verfahrensparameter bestimmt, beträgt aber jedenfalls mindestens 1 mm. Wenn nur die Optionen (b) und (c) vorgesehen werden, dann kann die Stützstruktur einen durchgehenden Stützabschnitt bereitstellen, der unmittelbar angrenzend an den zweiten Abschnitt angeordnet ist und in diesen übergeht und an den sich allseitig die Außenfläche des zweiten Abschnitts anschließt, wobei sich benachbarte Stützbeine jeweils an ihren dem zweiten Abschnitt zugewandten Enden berühren und ineinander übergehen und die Gesamtheit der Stützbeine auf diese Weise den durchgehenden Stützabschnitt bilden.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der schichtweise Aufbau so durchgeführt, dass während des schichtweisen Aufbaus des Objekts mit Ausnahme von zwischen den Stützbeinen vorhandenen Bereichen der Außenfläche des zweiten Abschnitts – d.h. mit Ausnahme eines Bereichs der Außenfläche des zweiten Abschnitts, in dem die Stützkonstruktion mit dem zweiten Abschnitt verbunden ist – alle Außenflächenabschnitte des zweiten Abschnitts, die entgegen der Richtung der Gravitationskraft gesehen – und damit in Bezug auf die Richtung der Gravitationskraft – einen Überhang definieren, zumindest auf der dem ersten Abschnitt zugewandten Seite des zweiten Abschnitts einen Neigungswinkel von 50° und bevorzugt von 45° in Bezug auf die Richtung der Gravitationskraft nicht überschreiten.
Dies kann auf der dem ersten Abschnitt zugewandten Seite des zweiten Abschnitts in vorteilhafter Weise durch eine geeignete Ausgestaltung und Anordnung der Stützbeine erfolgen und wird erleichtert, wenn sich die Stützbeine in Richtung auf den zweiten Abschnitt verbreitern. Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, dass genau wie bei einer massiven Abstützstruktur eine ausreichende Abstützung für den zweiten Abschnitt im Bereich von dessen Außenfläche bereitgestellt werden kann, dass aber gleichzeitig durch die Beabstandung der Stützbeine der Materialeinsatz verringert und damit eine Gewichts- und Kostenersparnis erreicht wird.
In dieser Ausführungsform kann zum Beispiel vorgesehen sein, dass sich auf der dem ersten Abschnitt zugewandten Seite des zweiten Abschnitts Außenflächenabschnitte des zweiten Abschnitts an den Bereich, in dem die Stützbeine mit dem zweiten Abschnitt verbunden sind, oder an einen wie oben beschrieben durch die Stützbeine gemeinsam gebildeten Stützabschnitt anschließen und in Richtung entgegen der Richtung der Gravitationskraft gesehen einen zunehmend überhängenden bzw. auskragenden Bereich des zweiten Abschnitts definieren. In einer alternativen Ausführungsform erstreckt sich der Bereich, in dem die Stützbeine mit dem zweiten Abschnitt verbunden sind, bzw. der Stützabschnitt über die gesamte dem ersten Abschnitt zugewandte Seite des zweiten Abschnitts. Es existiert dann auf der dem ersten Abschnitt zugewandten Seite kein Überhang im obigen Sinn.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt funktionale Abschnitte, die im fertigen dreidimensionalen Objekt eine über eine Stützfunktion hinausgehende Funktion erfüllen. So könnte im Fall eines hydraulischen Verteilungssystems beispielsweise der erste Abschnitt eine Platte und der zweite Abschnitt ein Rohrabschnitt sein, der mittels der Stützstruktur auf der Platte abgestützt istund der Durchleitung von Fluiden dient. Die Platte und der Rohrabschnitt sind dann funktionale Abschnitte, da der Rohrabschnitt zur Durchleitung von Fluiden dient und die Platte der Befestigung an einer Fläche oder der Befestigung weiterer Komponenten des hydraulischen Verteilungssystems dient. Allgemein können funktionale Abschnitte beispielsweise – insbesondere in Fällen, in denen das fertige dreidimensionale Objekt ein hydraulisches Verteilungssystem, ein Teil eines hydraulischen Verteilungssystems oder ein anderes System ist, das zur Leitung von Fluid vorgesehen ist oder die Leitung von Fluid umfasst – zur Durchleitung eines Fluids angepasste und vorgesehene Elemente, wie etwa rohr- oder kanalförmige Abschnitte mit kreisförmigem oder beliebigem anderen Querschnitt, Halterungs- oder Befestigungselemente zur Halterung oder Befestigung des fertigen dreidimensionalen Objekts an einem anderen Objekt oder Kabelkanäle sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der erste Abschnitt eine ebene Platte. Im Rahmen dieser Ausführungsform ist es insbesondere bevorzugt, wenn die Platte während des schichtweisen Aufbaus des Objekts senkrecht zur Richtung der Gravitationskraft ausgerichtet ist. Der erste Abschnitt kann aber auch andere Formen haben und etwa ein längliches Element sein, wie zum Beispiel ein Rohr oder Rohrabschnitt mit kreisförmiger, ovaler, rechteckiger, quadratischer oder beliebiger anderer Querschnittsform oder ein anderes zur Durchleitung eines Fluids geeignetes Element.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der zweite Abschnitt ein gerades oder gekrümmtes längliches Element, dessen Längsachse bzw. Erstreckungsrichtung während des schichtweisen Aufbaus des Objekts entlang der gesamten Länge oder zumindest entlang eines Teils der Länge des länglichen Elements in einem Winkel von mehr als 45°, mehr bevorzugt in einem Winkel von mehr als 50° und am meisten bevorzugt in einer Ebene senkrecht zur Richtung der Gravitationskraft verläuft. Im Rahmen dieser Ausführungsform ist es insbesondere bevorzugt, wenn das längliche Element ein Rohr bzw. Rohrabschnitt oder ein zylindrisches Element ist. Das Element kann dann im Querschnitt senkrecht zu seiner Erstreckungsrichtung zum Beispiel kreisförmig, oval, rechteckig oder quadratisch sein oder auch eine beliebige andere Querschnittsform aufweisen.
Werden die beiden zuvor genannten Ausführungsformen kombiniert, ist es bevorzugt, wenn die Erstreckungsrichtung bzw. Längsachse des länglichen Elements in einer Ebene parallel zur durch die Platte definierten Ebene verläuft. Dabei ist es insbesondere bevorzugt, wenn das längliche Element gerade ist.
Gleiches gilt in Fällen, in denen der erste und der zweite Abschnitt längliche Elemente sind.
In Ausführungsformen, in denen der zweite Abschnitt ein längliches Element ist, ist es bevorzugt, wenn die Stützbeine so aufgebaut und angeordnet werden, dass sie in Bezug auf die Erstreckungsrichtung bzw. Längsachse des länglichen Elements in zueinander senkrechten Quer- und Längsreihen angeordnet sind. Dabei kann beispielsweise jede Querreihe aus zwei Stützbeinen bestehen.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Stützbeine so aufgebaut, dass zumindest einige der Stützbeine unmittelbar angrenzend an den ersten Abschnitt einen Bereich aufweisen, in dem sie sich in der durch den schichtweisen Aufbau definierten Aufbaurichtung verjüngen und auf den der sich in der Aufbaurichtung verbreiternde Längsabschnitt des jeweiligen Stützbeins folgt und bevorzugt unmittelbar anschließt. Im letzteren Fall besteht jedes Stützbein aus einem Abschnitt, der Teil des Stützabschnitts ist, dem sich in der Aufbaurichtung verbreiternden Längsabschnitt und dem sich in der Aufbaurichtung verjüngenden Bereich. In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform ist der sich in der Aufbaurichtung verbreiternde Längsabschnitt unmittelbar mit dem ersten Abschnitt verbunden.
Es ist bevorzugt, wenn das generative Schichtaufbauverfahren selektives Laserschmelzen (SLM), selektives Lasersintern (SLS), selektives Elektronenstrahlschmelzen oder selektives Elektronenstrahlsintern ist.
Die Erfindung erstreckt sich auch auf ein dreidimensionales Objekt, das nach einem der zuvor genannten Verfahren hergestellt worden ist oder hergestellt werden kann und das einen aus den vorstehenden Erläuterungen ersichtlichen Aufbau hat. Insbesondere erstreckt sich die Erfindung somit allgemein auf ein durch eines der zuvor genannten Verfahrensausgestaltungen herstellbares und bevorzugt hergestelltes dreidimensionales Objekt mit einem ersten Abschnitt, einem zweiten Abschnitt und einer Stützstruktur zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt, die den ersten und den zweiten Abschnitt miteinander verbindet. Dabei ist die Stützstruktur in Form von einer Vielzahl von Stützbeinen ausgestaltet, die sich jeweils von dem ersten Abschnitt zum zweiten Abschnitt erstrecken und an ihren gegenüberliegenden Enden mit diesen verbunden sind und die zumindest entlang eines Teils ihrer Länge voneinander beabstandet sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der zweite Abschnitt ein gekrümmtes längliches Element, dessen Erstreckungsrichtung in einer Ebene oder im Raum gekrümmt ist, bevorzugt in der Weise, dass in jeder Orientierung des dreidimensionalen Objekts die Erstreckungsrichtung entlang der gesamten Länge oder zumindest entlang eines Teils der Länge des zweiten Abschnitt in einem Winkel von mehr als 45° und mehr bevorzugt in einem Winkel von mehr als 50° zur Richtung der Gravitationskraft verläuft.
Das dreidimensionale Objekt ist bevorzugt ein hydraulisches Verteilungssystem oder ein Teil eines hydraulischen Verteilungssystems.
Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert, in denen:
1a eine perspektivische Ansicht eines dreidimensionalen Objekts zeigt, das gemäß einer Ausführungsform der Erfindung durch ein generatives Schichtaufbauverfahren hergestellt worden ist und eine Platte und einen geraden Rohrabschnitt aufweist, die durch eine Stützstruktur miteinander verbunden sind,
1b eine Querschnittsansicht des Objekts der 1a senkrecht zur Längsachse des Rohrabschnitts zeigt,
2a eine perspektivische Ansicht eines dreidimensionalen Objekts zeigt, das gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung durch ein generatives Schichtaufbauverfahren hergestellt worden ist und eine Platte und einen geraden Rohrabschnitt aufweist, die durch eine Stützstruktur miteinander verbunden sind,
2b eine Querschnittsansicht des Objekts der 2a senkrecht zur Längsachse des Rohrabschnitts zeigt und
3 eine schematische Darstellung eines Überhangs zeigt.
Das dreidimensionale Objekt 1 der 1a und 1b weist einen ersten Abschnitt 2 in Form einer ebenen Platte konstanter Dicke, einen vom ersten Abschnitt 2 beabstandeten zweiten Abschnitt 3 in Form eines geraden Rohrabschnitts mit kreisförmigem Innen- und Außendurchmesser und eine Stützstruktur 4 auf, die sich entlang der gesamten Länge des Rohrabschnitts 3 zwischen der Platte 2 und dem Rohrabschnitt 3 erstreckt. Die Platte 2 ist zur Halterung des Objekts 1 an einem anderen Objekt vorgesehen, und der Rohrabschnitt 3 ist zur Durchleitung eines Fluids zwischen seinen Enden vorgesehen. Sie sind daher im Unterschied zur Stützstruktur 4 funktionale Abschnitte bzw. Elemente. Das Objekt 1 ist bevorzugt ein hydraulisches Verteilungssystem oder ein Teil eines hydraulischen Verteilungssystems.
Das Objekt 1 ist in der Querschnittsansicht der 1b in der Orientierung gezeigt, in der es sich auch während des schichtweisen Aufbaus befand bzw. befindet, d.h. während der Durchführung des generativen Schichtaufbauverfahrens, wobei der gestrichelte Pfeil 5 die Richtung der Gravitationskraft anzeigt. Das bedeutet, dass die Platte 2 senkrecht zur Richtung der Gravitationskraft ausgerichtet ist und dass die durch den schichtweisen Aufbau definierte Aufbaurichtung antiparallel zur Richtung der Gravitationskraft und senkrecht zur horizontalen Oberfläche 7 der Platte 2 verläuft.
Die Stützstruktur 4 weist mehrere und im gezeigten Beispiel vier Stützbeine 9 auf, die entlang eines Großteils ihrer Länge voneinander beabstandet sind, so dass die Stützstruktur 4 nicht massiv ist. Die Stützbeine 9 verbreitern sich in Richtung von der Platte 2 zum Rohrabschnitt 3 kontinuierlich, und berühren sich unmittelbar angrenzend an den Rohrabschnitt 3 in der Weise, dass sie einen kontinuierlichen Stützabschnitt 10 unterhalb des Rohrabschnitts 3 bilden. Die Stützstruktur 4 dieses Objekts ist symmetrisch in Bezug auf die durch die Erstreckungsrichtung bzw. Längsachse des Rohrabschnitts 3 und des Pfeils 5 aufgespannte Ebene.
Wie insbesondere ein Blick auf die 1b deutlich macht, sind die Außenflächen 6 der einzelnen Stützbeine 9 dabei jedoch so angeordnet, dass sie in einem Winkel von mehr als 45° zur horizontalen Oberfläche 7 der Platte 2 verlaufen. Das bedeutet im dargestellten Fall der horizontalen Ausrichtung der ebenen Plattenoberfläche 7 gleichzeitig, dass die Außenflächen 6 in einem Winkel von nicht mehr als 45° in Bezug auf die Richtung der Gravitationskraft verlaufen. Im Rahmen dieser Anmeldung werden Winkel einer Außenfläche in Bezug auf die Richtung der Gravitationskraft stets so gemessen, dass der Winkel maximal 90° ist, d.h. es wird stets der kleinere der beiden möglichen Winkel genommen. Eine Ausnahme besteht nur zwischen jeweils benachbarten Stützbeinen 9 in dem Bereich, in dem diese zur Ausbildung des kontinuierlichen Stützabschnitts 10 ineinander übergehen. Dieser Übergangsbereich ist in Form einer Verrundung 14 ausgebildet, die einen Krümmungsradius von maximal 7 mm hat. In diesem Krümmungsradiusbereich kann eine solche Verrundung trotz Überschreitung des obigen Neigungswinkels stützenfrei aufgebaut werden.
Die Stützbeine 9 werden so aufgebaut und sind insbesondere unmittelbar angrenzend an den Rohrabschnitt 3 so weit verbreitert, dass die Außenfläche 8 des Rohrabschnitts 3 auf dessen der Platte 2 zugewandten Seite einen Winkel von 45° in Bezug auf die Richtung der Gravitationskraft nicht überschreitet. Wie aus der 1b ersichtlich ist, hat die Außenfläche 8 des Rohrabschnitts 3 unmittelbar angrenzend an die Stützstruktur 4 ihren maximalen Winkel, der durch die strichpunktierte Linie gekennzeichnet ist. Würden sich die Stützbeine 9 weniger stark verbreitern bzw. eine im Querschnitt schmalere Abstützung bereitstellen, so würde die Außenfläche 8 des Rohrabschnitts 3 vergrößert und Bereiche aufweisen, in denen der Winkel größer als 45° ist. Die Stützstruktur 4 ist gerade so ausgestaltet, dass dies vermieden wird.
Mit anderen Worten weisen weder die Stützbeine 9 noch die Außenfläche 8 des Rohrabschnitts 3 in Richtung entgegen der Gravitationskraft gesehen einen Überhang mit einer Neigung der Außenfläche von mehr als 45° in Bezug auf die Richtung der Gravitationskraft auf. In 3 ist anhand eines vereinfachten Beispiels dargestellt, dass der Verlauf der Außenfläche in diesem Zusammenhang über die durch den schichtweisen Aufbau bedingten Treppchenstruktur gemittelt wird. 3 zeigt einen kleinen Teilabschnitt 11 eines dreidimensionalen Objekts, der einen Überhang 12 aufweist. Der Verlauf der den Überhang 12 begrenzende Fläche ist durch die strichpunktierte Linie 13 angegeben, die für jede Schicht des Überhangs 12 jeweils durch den Punkt verläuft, an dem die Schicht über die vorhergehende Schicht hinausragt.
Das dreidimensionale Objekt 1 der 2a und 2b ist nahezu identisch mit dem Objekt 1 der 1a und 1b. Der einzige Unterschied besteht darin, dass benachbarte Stützbeine 9 sich lediglich unmittelbar an dem Rohrabschnitt 3 berühren, so dass zwischen benachbarten Stützbeinen 9 keine Verrundung existiert. Vielmehr verlaufen die gesamten Außenfl 6 ächen der Stützbeine 4 überall in einem Winkel von nicht mehr als 45° in Bezug auf die Richtung der Gravitationskraft. In diesem Ausführungsbeispiel wird durch die Stützbeine 4 auch kein kontinuierlicher Stützabschnitts 10 ausgebildet.
Die Stützstruktur 4 erreicht durch die obige Ausgestaltung in jedem Fall den Zweck einer geeigneten Abstützung des Rohrabschnitts 3, so dass das Objekt 1 in der gezeigten Orientierung durch ein generatives Schichtaufbauverfahren hergestellt werden kann. Gleichzeitig wird durch das Vorsehen beabstandeter Stützbeine eine Materialersparnis und demzufolge eine Kostenund Gewichtsersparnis erreicht.

Claims

Generatives Schichtaufbauverfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts (1), wobei bei dem Verfahren nacheinander und aufeinander eine Vielzahl von Schichten aus einem Pulvermaterial auf einem Träger aufgebracht und jede Schicht vor dem Aufbringen der nachfolgenden Schicht mit einem Laserstrahl oder Teilchenstrahl selektiv nur in den Bereichen der Schicht bestrahlt wird, die dem herzustellenden dreidimensionalen Objekt (1) entsprechen, wobei die Bestrahlung so erfolgt, dass das Pulvermaterial in den entsprechenden Bereichen lokal geschmolzen oder gesintert wird, wobei – das Objekt (1) einen ersten Abschnitt (2), einen zweiten Abschnitt (3) und eine Stützstruktur (4) zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt aufweist, die den ersten und den zweiten Abschnitt miteinander verbindet, wobei im Verlauf des schichtweisen Aufbaus des Objekts (1) der erste Abschnitt (2) vor dem zweiten Abschnitt (3) aufgebaut oder der erste Abschnitt (2) als separate Komponente bereitgestellt wird, auf der die Stützstruktur (4) und der zweite Abschnitt (3) aufgebaut werden, und – bei dem Verfahren die Stützstruktur (4) in Form von einer Vielzahl von Stützbeinen (9) aufgebaut wird, die sich jeweils von dem ersten Abschnitt (2) zum zweiten Abschnitt (3) erstrecken und an ihren gegenüberliegenden Enden mit diesen verbunden sind und die zumindest entlang eines Teils ihrer Länge voneinander beabstandet sind.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Stützbeine (9) so ausgestaltet und angeordnet werden, dass jedes Stützbein (9) sich zumindest in einem an den zweiten Abschnitt (3) angrenzenden Längsabschnitt in der durch den schrittweisen schichtweisen Aufbau definierten Aufbaurichtung verbreitert.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem während des schichtweisen Aufbaus des Objekts (1) – alle Außenflächenabschnitte der Stützbeine (9), die entgegen der Richtung (5) der Gravitationskraft gesehen einen Überhang definieren, einen Neigungswinkel von 50° in Bezug auf die Richtung der Gravitationskraft nicht überschreiten oder – mit Ausnahme von Außenflächenabschnitten in einander zugewandten Außenflächenbereichen von benachbarten Stützbeinen (9) an ihren dem zweiten Abschnitt (3) zugewandten Enden alle Außenflächenabschnitte der Stützbeine (9), die entgegen der Richtung (5) der Gravitationskraft gesehen einen Überhang definieren, einen Neigungswinkel von 50° in Bezug auf die Richtung der Gravitationskraft nicht überschreiten.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Stützbeine (9) so aufgebaut werden, dass – für zumindest einige benachbarte der Stützbeine (9) ihre mit dem zweiten Abschnitt (3) verbundenen Enden voneinander beabstandet sind, – für zumindest einige benachbarte der Stützbeine (9) ihre mit dem zweiten Abschnitt (3) verbundenen Enden einander an dem zweiten Abschnitt (3) berühren und/oder – für zumindest einige benachbarte der Stützbeine (9) die einander zugewandten Außenflächen (6) der dem zweiten Abschnitt (3) zugewandten Enden der jeweiligen benachbarten Stützbeine (9) unter Ausbildung einer bogenförmigen Verrundung (14) ineinander übergehen, wobei der Krümmungsradius der Verrundung (14) maximal 7 mm beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem während des schichtweisen Aufbaus des Objekts (1) mit Ausnahme von zwischen den Stützbeinen (9) vorhandenen Bereichen der Außenfläche (8) des zweiten Abschnitts (3) alle Außenflächenabschnitte des zweiten Abschnitts (3), die entgegen der Richtung (5) der Gravitationskraft gesehen einen Überhang definieren, zumindest auf der dem ersten Abschnitt (2) zugewandten Seite des zweiten Abschnitts (3) einen Neigungswinkel von 50° in Bezug auf die Richtung (5) der Gravitationskraft nicht überschreiten.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der erster Abschnitt (2) und der zweiter Abschnitt (3) funktionale Abschnitte sind, die in dem fertigen Objekt (1) eine über eine Stützfunktion zwischen zwei Abschnitten hinausgehende Funktion erfüllen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der erste Abschnitt (2) eine ebene Platte ist.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem während des schichtweisen Aufbaus des Objekts (1) die Platte (2) senkrecht zur Richtung (5) der Gravitationskraft ausgerichtet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der zweite Abschnitt (3) ein längliches Element ist, dessen Erstreckungsrichtung während des schichtweisen Aufbaus des Objekts (1) zumindest entlang eines Teils der Länge des Elements in einem Winkel von mehr als 45° und mehr bevorzugt senkrecht zur Richtung (5) der Gravitationskraft verläuft.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem das längliche Element (3) ein Rohr oder ein zylindrisches Element ist.
Verfahren nach den Ansprüchen 7 oder 8 und nach den Ansprüchen 9 oder 10, bei dem das längliche Element (3) in einer Ebene parallel zur durch die Platte (2) definierten Ebene verläuft.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem die Stützbeine (9) so aufgebaut und angeordnet werden, dass sie in Bezug auf die Erstreckungsrichtung des länglichen Elements (3) in zueinander senkrechten Quer- und Längsreihen angeordnet sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Stützbeine (9) so aufgebaut werden, dass zumindest einige der Stützbeine (9) unmittelbar angrenzend an den ersten Abschnitt (2) einen Bereich aufweisen, in dem sie sich in der durch den schichtweisen Aufbau definierten Aufbaurichtung verjüngen und auf den der sich in der Aufbaurichtung verbreiternde Längsabschnitt des jeweiligen Stützbeins (9) folgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem als generatives Schichtaufbauverfahren selektives Laserschmelzen (SLM), selektives Lasersintern (SLS), selektives Elektronenstrahlschmelzen oder selektives Elektronenstrahlsintern verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Objekt (1) ein hydraulisches Verteilungssystem oder ein Teil eines hydraulischen Verteilungssystems ist.
Dreidimensionales Objekt mit einem ersten Abschnitt (2), einem zweiten Abschnitt (3) und einer Stützstruktur (4) zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt, die den ersten und den zweiten Abschnitt miteinander verbindet, wobei die Stützstruktur (4) in Form von einer Vielzahl von Stützbeinen (9) ausgestaltet ist, die sich jeweils von dem ersten Abschnitt (2) zum zweiten Abschnitt (3) erstrecken und an ihren gegenüberliegenden Enden mit diesen verbunden sind und die zumindest entlang eines Teils ihrer Länge voneinander beabstandet sind, und wobei das dreidimensionale Objekt (1) durch ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche herstellbar ist.
Dreidimensionales Objekt nach Anspruch 16, bei dem der zweite Abschnitt (2) ein gekrümmtes längliches Element ist, dessen Erstreckungsrichtung in einer Ebene oder im Raum gekrümmt ist.