DE19537264A1 - Producing three=dimensional components, in particular, those made of metals, plastics or ceramics - Google Patents

Producing three=dimensional components, in particular, those made of metals, plastics or ceramics

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Abstract

The method concerns production of three-dimensional components, and consists of two process steps. At the first step a hollow mould is by a free-forming process, while at the second step this mould - which shapes the function surface of the finished component - is filled with the component material in liquid or powder form.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Bauteile aus insbe­ sondere metallischen Werkstoffen.The invention relates to a method for producing three-dimensional components from esp special metallic materials.

Metallische, dreidimensionale Bauteile können mittels verschiedener Verfahren hergestellt werden. Eine seit Jahren bekannte Technik zur Herstellung metallischer Bauteile ist das Gießen. Da bei wird eine Gußform mit dem flüssigen Metall gefüllt und das Bauteil nach dem Erstarren aus der Form entnommen und bearbeitet. Insbesondere ist die Oberflä­ chenbearbeitung notwendig damit das Bauteil bestimmungsgemäß eingesetzt werden kann.Metallic, three-dimensional components can be produced using various processes will. This is a technology that has been known for years for the production of metallic components To water. Since a mold is filled with the liquid metal and the component after removed from the mold from the solidification and processed. In particular, the surface Machining necessary so that the component can be used as intended can.

Eine andere Möglichkeit der Herstellung dreidimensionaler Bauteile ist das sogenannte Rapid Prototyping-Verfahren bzw. das Verfahren der freiformenden Herstellung. Derartige Verfahren können als rechnergesteuerte, galvanische Materialabscheidung oder als rech­ nergesteuertes schichtweises Auftragen durchgeführt werden und sind z. B. aus der EP 0 426 363, P 43 19 128.2 und dem Patent der Anmelderin P 44 42 961.4 bekannt. Beide Verfahren, d. h. das Verfahren der galvanischen Abscheidung und das Verfahren des schichtweisen Auftragens sind sehr zeitaufwendig, da sie in kleinen Schritten erfolgen. Deshalb eignen sie sich nicht zur Herstellung von dreidimensionalen Bauteilen größerer Maße. Die Genauigkeit der Herstellung von Bauteilen nach diesen Verfahren ist sehr hoch, jedoch ist der Zeitaufwand der Genauigkeit der herzustellenden Oberfläche direkt pro­ portional. Deshalb eignen sich diese Verfahren nicht zur Herstellung von Bauteilen mit ei­ ner hohen Oberflächengenauigkeit und gleichzeitig mit einem großen Körpervolumen.Another possibility of producing three-dimensional components is the so-called Rapid prototyping process or the process of free-form production. Such Processes can be computer-controlled, galvanic material deposition or arithmetic Non-controlled layer-by-layer application can be carried out and are e.g. B. from EP 0 426 363, P 43 19 128.2 and the patent of the applicant P 44 42 961.4. Both Method, d. H. the process of galvanic deposition and the process of Layer-by-layer application is very time-consuming because it is done in small steps. Therefore, they are not suitable for the production of three-dimensional components larger Dimensions. The accuracy of manufacturing components using these processes is very high, however, the time required for the accuracy of the surface to be manufactured is directly per portionally. Therefore, these processes are not suitable for the production of components with egg high surface accuracy and at the same time with a large body volume.

Es sind auch Verfahren zur Herstellung von Hohlkörpern aus Metallen oder Metallegierun­ gen bekannt, bei denen eine Hohlstruktur galvanisch oder durch andere Beschichtungsver­ fahren erstellt wird. Ein derartiges Verfahren ist z. B. aus der DE 43 32 208.5 bekannt.There are also processes for producing hollow bodies from metals or metal alloys gene known in which a hollow structure galvanically or by other coating ver drive is created. Such a method is e.g. B. known from DE 43 32 208.5.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von dreidimen­ sionalen metallischen Bauteilen anzugeben, welches gebrauchsvorteilhaft und einfach in der Anwendung ist und mit dem große Bauteile mit einer hohen Oberflächengenauigkeit herstellbar sind.The object of the present invention is to provide a process for the production of three dimes sional metallic components to specify which is convenient and easy to use the application is and with the large components with a high surface accuracy are producible.

Diese Aufgabe ist durch das im Anspruch 1 angegebene Verfahren gelöst. Die Unteran­ sprüche stellen vorteilhafte Weiterbildungen dar.This object is achieved by the method specified in claim 1. The Unteran sayings represent advantageous further developments.

Das Verfahren wird so durchgeführt, daß im ersten Schritt freiformend eine Hohlform her­ gestellt wird und im zweiten Schritt des Verfahrens in diese Hohlform das Bauteilmaterial meistens ein schmelzflüssiges oder pulverförmiges Metall eingefüllt wird. Die Hohlform wird anschließend nicht entfernt, sie bildet die Oberfläche, sogenannte Funktionsoberfläche des fertigen Bauteils und ist ein Bestandteil desselben. Da die Hohlform eine relativ dünne Wandung aufweist, ist ihre Herstellung ohne großen Zeitaufwand möglich. Trotzdem weist sie eine hohe Oberflächengenauigkeit auf, so daß eine anschließende Bearbeitung der Oberfläche des fertigen Bauteiles nicht mehr notwendig ist. Die freiformende Herstellung der Hohlform kann vorteilhafterweise im Verfahren des Rapid Prototypings durch schichtweises Abscheiden oder galvanisches Abscheiden eines Werkstoffes, vorzugsweise eines metallischen Werkstoffes erfolgen. Für das freiformende, schichtweise Abscheiden eignen sich vorzugsweise Kunststoffe, Wachse oder Polymere. Im Verfahren des galvanischen Abscheidens werden Werkstoffe wie Nickel oder Kupfer eingesetzt, jedoch geeignet sind alle Metalle die elektrochemisch abscheidbar sind. Die Hohlform wird im Verfahren der freiformenden Formgebung mehrschichtig aufgebaut, vorzugsweise derart, daß ihre äußeren Schichten, d. h. die Schichten die die Funktionsoberfläche des fertigen Bauteiles bilden die an dieses Bauteil gestellten Anforderungen erfüllen. Die inneren Schichten, d. h. die Schichten die mit dem flüssigen Metall oder einem anderen schmelzflüssigen oder pulverförmigem Material wie z. B. Metall, Kunststoff oder ein Keramikverbundwerkstoff in Berührung kommen, bestehen aus einem Material, welches ein Anschmelzen durch den zu gießenden Werkstoff erlaubt oder daß zumindest durch die Gießwärme nach dem Gießen eine feste Verbindung, z. B. durch Diffusion in das gegossene Material hinein erreicht wird. Die freiformend herzustellende Hohlform kann über ein Negativ oder über ein Positiv hergestellt werden. Das Ausgießen der Hohlformen erfolgt in einem feingußähnlichen Verfahren, z. B. durch Vakuumguß oder Vakuuminfiltration. Die für das Bauteil erforderlichen Eigenschaften können so durch das vergossene Material, bestimmt werden. Die Hohlform, die gleichzeitig Bestandteil des Bauteiles ist und dessen Funktionsoberfläche bildet, ist sinnvollerweise so dünn, daß die Eigenschaften des Bauteiles durch sie nicht verändert und nicht bestimmt werden. The method is carried out in such a way that in the first step a hollow shape is produced in a free-form manner is placed and in the second step of the process, the component material in this hollow mold mostly a molten or powdered metal is filled. The hollow shape is not subsequently removed, it forms the surface, so-called Functional surface of the finished component and is part of the same. Since the Hollow form has a relatively thin wall, their production is without large Time expenditure possible. Nevertheless, it has a high surface accuracy, so that a subsequent processing of the surface of the finished component is no longer necessary is. The free-form production of the hollow form can advantageously in Rapid prototyping process by layered deposition or galvanic Deposition of a material, preferably a metallic material. For Free-forming, layer-by-layer deposition is preferably suitable for plastics and waxes or polymers. In the process of electroplating, materials such as nickel are used or copper is used, but suitable are all metals that can be deposited electrochemically are. The hollow form is multi-layered in the process of free-form shaping constructed, preferably such that its outer layers, i.e. H. the layers the the The functional surface of the finished component is that of the component Meet requirements. The inner layers, i.e. H. the layers with the liquid Metal or other molten or powdery material such as. B. metal, Plastic or a ceramic composite material come into contact consist of one Material that allows melting through the material to be cast or that at least by the heat of casting after casting a firm connection, e.g. B. by Diffusion into the cast material is achieved. The free-form one Hollow mold can be made over a negative or over a positive. The pouring out the hollow molds are made in a precision casting process, e.g. B. by vacuum casting or Vacuum infiltration. The properties required for the component can thus be potted material, to be determined. The hollow shape, which is also part of the Component is and its functional surface is so thin that the Properties of the component are not changed by them and are not determined.  

Das Auftreiben der Hohlform kann während des Füllprozesses mit dem schmelzflüssigen Material zuverlässig durch eine Hinterfüllung der Außenkontur der Hohlform mit z. B. einem Schwermetall-Pulver vermieden werden.The blowing of the hollow mold can take place during the filling process with the molten liquid Reliable material by backfilling the outer contour of the hollow mold with z. B. a heavy metal powder can be avoided.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand von zwei Verfahrensabläufen, die in den Fig. 1 und 2 dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigen:The method according to the invention is explained in more detail with the aid of two process sequences, which are shown in FIGS. 1 and 2. Show it:

Fig. 1 Verfahrensablauf bei der Erstellung der Hohlform über ein Negativ, Fig. 1 process flow during the making of the hollow mold on a negative,

Fig. 2 Verfahrensablauf bei der Erstellung der Hohlform über ein Positiv. Fig. 2 process flow when creating the hollow shape via a positive.

Nach der Erstellung einer Negativform aus einem Modellwerkstoff im Schritt 1 werden an den dafür vorgesehenen Abschnitten der Negativform freiformend im Schritt 2 des Ver­ fahrens Teile der Hohlform hergestellt. Sie werden anschließend im Schritt 3 des Verfah­ rens entformt und im Schritt 4 des Verfahrens zu einer ganzen Hohlform zusammenge­ fügt. Bei der Herstellung der Hohlform über ein Positiv wird das Positiv des zu fertigenden Bauteiles aus einem ausschmelzbaren Modellwerkstoff hergestellt (Schritt 1). Anschließend erfolgt eine Beschichtung des Modellwerkstoffes in einem freiformenden Verfahren mit einem Werkstoff, aus dem die Hohlform hergestellt wird (Schritt 2). Durch Ausschmelzen des Modellwerkstoffes im Schritt 3 des Verfahrens wird die Hohlform hergestellt. Die so hergestellte Hohlform wird im Schritt 6 des Verfahrens mit einem schmelzflüssigen Material gefüllt. Nach vollständiger Füllung der Hohlform entsteht im Schritt 7 des Verfahrens ein fertiges Bauteil. Wie in Fig. 1 dargestellt, kann die Hohlform vor dem Füllvorgang im Schritt 5 des Verfahrens zunächst in ein Schwermetallpulver eingebettet werden. Anschließend wird die so eingebettete Form im Schritt 6 des Verfahrens mit schmelzflüssigem Material ausgefüllt und im Schritt 7 des Verfahrens die ausgefüllte Hohlform als fertiges Bauteil entformt, d. h. der Einbettung in das Schwermetallpulver ent­ nommen. Selbstverständlich kann das Füllen der Hohlform mit schmelzflüssigem Material auch bei der Herstellung derselben über ein Positiv bei Einbetten in ein Schwermetallpulver erfolgen; es ist auch selbstverständlich, daß beim Herstellen der Hohlform über ein Negativ das Füllen mit schmelzflüssigem Material auch ohne Hinterfüllung der Hohlform erfolgen kann.After the creation of a negative mold from a model material in step 1, parts of the hollow mold are produced in a free-form manner on the sections of the negative mold provided for this purpose in step 2 of the method. They are then removed from the mold in step 3 of the process and joined together in step 4 of the process to form an entire hollow mold. When the hollow mold is produced using a positive, the positive of the component to be manufactured is produced from a meltable model material (step 1). The model material is then coated in a free-form process with a material from which the hollow mold is produced (step 2). The hollow mold is produced by melting out the model material in step 3 of the method. The hollow mold thus produced is filled with a molten material in step 6 of the process. After the hollow mold has been completely filled, a finished component is produced in step 7 of the method. As shown in FIG. 1, the hollow mold can first be embedded in a heavy metal powder before the filling process in step 5 of the method. The mold thus embedded is then filled with molten material in step 6 of the process and the filled hollow mold is removed from the mold as a finished component in step 7 of the process, ie the embedding in the heavy metal powder is removed. Of course, the hollow mold can also be filled with molten material in the manufacture of the same via a positive when embedded in a heavy metal powder; it is also a matter of course that when the hollow mold is produced via a negative, the filling with molten material can also take place without backfilling the hollow mold.

Vorteilhaft ist, wenn die Negativ- oder die Positivform aus Wachs oder aus Kunststoff be­ steht. Bei diesen Werkstoffen ist das Ausschmelzen des Modellwerkstoffes (Positivform) oder das Entnehmen der beiden Hälften der Hohlform (Negativform) ohne Rückstände auf der Hohlform möglich. Bei der Herstellung über ein Negativ ist die Verwendung des Ne­ gativs mehrfach möglich.It is advantageous if the negative or the positive form be made of wax or plastic stands. With these materials, the melting out of the model material (positive form) or the removal of the two halves of the hollow mold (negative mold) without residues the hollow shape possible. When using a negative, the use of the Ne gativs possible several times.

Die Hohlform kann vor dem Ausfüllen mit flüssigem Material beschichtet werden, wobei die Art und das Material der Beschichtung den späteren Anforderungen an das Bauteil an­ gepaßt werden. Die Beschichtung kann galvanisch, durch thermisches Spritzen oder Spu­ tern erfolgen.The hollow mold can be coated with liquid material before filling, whereby the type and material of the coating to the later requirements for the component  be fitted. The coating can be electroplated, by thermal spraying or spu tern.

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Bauteile aus insbesondere metallischen Werkstoffen, Kunststoffen oder Keramikverbundwerkstoffen bei dem im ersten Schritt freiformend eine Hohlform hergestellt wird, die im zweiten Schritt mit schmelzflüssigem oder pulverförmigem, metallischen Werkstoff, Kunststoff oder Keramikverbundwerkstoff ausgefüllt wird und welche die Funktionsoberfläche des fertigen Bauteiles bildet.1. Process for the production of three-dimensional components from metallic in particular Materials, plastics or ceramic composite materials in the case of the first Free-form a hollow shape is produced, which in the second step with molten or powdery, metallic material, plastic or Ceramic composite material is filled and which the functional surface of the finished component forms. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlform wäh­ rend des Füllvorgangs hinterfüllt ist.2. The method according to claim 1, characterized in that the hollow shape select is backfilled during the filling process. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hinterfüllung durch eine Einbettung in ein Schwermetallpulver erfolgt.3. The method according to claim 2, characterized in that the backfill by embedding in a heavy metal powder. 4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die Hohlform freiformend im Negativ-Verfahren hergestellt wird und aus zwei Teilen, die miteinander verbunden werden, besteht.4. The method according to any one of the preceding claims, characterized net that the hollow form is made free-form in the negative process and from two parts that are connected together. 5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Hohlform freiformend im Positiv-Verfahren hergestellt wird.5. The method according to any one of the preceding claims 1 to 3, characterized records that the hollow form is produced free-form in the positive process. 6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die freiformende Herstellung der Hohlform im Verfahren des Rapid Proto­ typings erfolgt.6. The method according to any one of the preceding claims, characterized net that the free-form production of the hollow mold in the Rapid Proto typings done. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Rapid Prototy­ pingverfahren als rechnergestützte galvanische Abscheidung eines galvanisch abscheidbaren Materials erfolgt. 7. The method according to claim 6, characterized in that the rapid prototype Ping process as computer-assisted galvanic deposition of a galvanic separable material takes place.   8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Rapid Prototy­ pingverfahren als rechnergestütztes schichtweises Aufbringen durch Materialab­ scheidung, insbesondere eines Kunststoffes, eines Wachses oder eines Polymeren erfolgt.8. The method according to claim 6, characterized in that the rapid prototype Ping process as computer-aided layer-by-layer application by material separation, in particular a plastic, a wax or a polymer he follows. 9. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die Hohlform mehrlagig aufgebaut wird.9. The method according to any one of the preceding claims, characterized net that the hollow form is built up in several layers. 10. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß das Ausfüllen der Hohlform durch Vakuumguß oder Vakuuminfiltration erfolgt.10. The method according to any one of the preceding claims, characterized in net that the filling of the hollow mold by vacuum casting or vacuum infiltration he follows.
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