用于制造构件的方法和设备与流程

本发明涉及用于在使用至少一种增材制造方法的情况下制造构件的方法和设备。

背景技术：

1、存在多种增材制造方法。这一组中的所有方法基于所谓的层构建方法。这意味着逐层地产生构件。这使得能够制造非常复杂的构件。

2、然而，利用增材制造方法生成的构件具有各向异性的材料特性。在这种情况下，“各向异性”是指：材料的特性根据力作用方向而不同。这是由于逐层的构建过程，在其中，一层跟着另一层地相叠施加。构建方向通常与z方向（即空间中的竖轴）相对应。在从一层到下一层的过渡处，由于层附着糟糕而出现材料削弱部。通常，构件横向于构建方向明显比沿着构建方向更稳定且更可受负载。这个问题引起，针对增材方法必须对构件明确地设计和模拟。如果通过逐层施覆的增材方法生成到目前为止传统地制造的构件，则可导致过早的构件失效。

技术实现思路

1、在此背景前，本发明的任务是给出一种可能性：如何能够在使用增材制造方法的情况下制造改进的构件。尤其是，所述构件应满足高的机械要求。

2、该任务通过根据权利要求1的用于制造构件的方法和根据权利要求9的设备来解决。另外的有利的设计方案由从属权利要求和以下说明书得到。

3、给出了一种用于制造构件的方法，所述方法包括以下步骤：

4、a）以增材制造方法生成基体，由此所述基体具有多个材料层，所述材料层在第一构建方向上相叠置，以及

5、b）通过施覆塑化的材料束，将至少一个材料幅材施加到所述基体的外轮廓上，从而所述至少一个材料幅材将所述材料层中的多个材料层相互连接。

6、因此，要制造的构件除了基体外还具有至少一个材料幅材。只有通过一个材料幅材或多个材料幅材才实现构件的所期望的外部尺寸。除了基体和所述至少一个材料幅材之外，构件还可以具有例如构件元件，其在制造基体或施加所述至少一个材料幅材时一同连结到基体处。例如，这些构件元件可以是板材构件，优选板材型材或铸造构件。例如，构件元件可以设计为连结元件，用于将构件连结到另外的构件处。

7、构件优选通过至少一个材料幅材最终完成。基体利用增材制造方法生成。在此，基体逐层地构建，其方式为：将多个材料层依次地且相叠地布置在构建平台上。材料层优选地在一构建平面中生成，其中，将多个构建平面相叠地布置，以生成基体。材料层优选通过在多个并排而置的排上施加和/或熔化并凝固材料而构造。材料层相叠置所沿的方向称为第一构建方向。基体可利用任何增材制造方法，如三维打印、激光烧结等来构造，且优选由塑料材料或金属材料或金属合金来构造。

8、根据本发明，现在将至少一个材料幅材如此地施加到所述基体的外轮廓上，使得所述至少一个材料幅材将材料层中的多个材料层相互连接。第一材料幅材的施加通过铺设塑化的材料束来进行。在此，塑化是指物质从固态到可变形或可流动的状态的转变，该物质然后可塑性变形。优选地使用聚合物和金属线材作为打印材料。材料幅材施覆到基体外部，并且在基体的已经存在的材料层中的多个材料层上延伸。尤其是，所述至少一个材料幅材可以将基体的所有层相互连接。为此，为了施加所述至少一个材料幅材偏离于第一构建方向。例如，所述至少一个材料幅材可以相对于第一构建方向倾斜地或横向于第一构建方向施加到基体的外轮廓上。由此，可以修正基体的各向异性特性。在该上下文中，各向异性特性是指——由逐层构建结构引起地——基体倾向性地沿着构建方向的轴线具有薄弱性。通过现在一个或多个材料幅材将基体的层相互连接和重叠，可实现更高的构件刚度和构件使用寿命。

9、特别优选地，所述至少一个材料幅材借助于ded方法生成。ded方法（直接能量沉积方法）表示一种三维打印技术，在这种三维打印技术中，借助于带有喷嘴的打印装置生成一材料束，且逐层地铺设成三维打印物体。打印材料被塑化（例如借助于电弧或激光束），被转移到表面上，在那里固化并与处于其下方的材料形成材料锁合的连接。特别优选地，waam方法用作ded方法。在线弧增材制造（waam）中，在使用电弧的情况下熔化金属线材，并借助于多轴操纵器将金属线材以期望的形状逐层施加在构件上，以生成所期望的材料幅材。利用ded方法，特别是waam，可以实现非常高的材料施覆率，由此与利用其他增材方法相比，构件可以明显更经济地制造。此外，通过ded方法制造的构件具有更粗糙的表面，其继而更佳地适合于许多再处理方法，如浸渍涂漆。此外，在使用相应的线材材料时，利用该方法制造的材料幅材的突出之处在于很高的延展性。

10、在一个优选的设计方案中设置成，在步骤b）中，将多个材料幅材彼此并排地施加在所述基体的外轮廓上。优选地，相邻的材料幅材接触或重叠，从而它们形成连续的层。由此在外轮廓上形成了附加层，该附加层还加强了上述效果。

11、在构件的符合负载路径的构建方面有利的是，在一个设计方案中，所述至少一个材料幅材或所述多个材料幅材沿所述构件的负载方向伸延。这样，构件强度可得到提高，且能够制造性能出色的构件。

12、在一种变型中，该方法可具有另外的步骤：

13、c）通过在步骤b）中生成的至少一个材料幅材上施加至少一个另外的材料幅材来生成附加结构，如此使得两个或更多个材料幅材在第二构建方向上相叠置，其中，所述第二构建方向不同于所述第一构建方向，并且所述第二构建方向尤其是横向于所述第一构建方向伸延。这样，可以实现选择性的材料加厚，其实现补偿在处于其下方的材料结构中的半径或尖部。由此能够降低应力裂纹的危险。附加结构也可以附加地以加强筋或类似形式构造。附加结构实现更高的构件使用寿命，并在构件几何结构方面创造新的设计自由度。

14、特别优选的是：一个材料幅材或多个材料幅材或附加结构构成了构件的至少一个外轮廓区段。在一个设计方案中，材料幅材或附加结构可构成到构件的整个外轮廓上。构件的外轮廓承载构件负载的大部分。通过以下方式，即，一个材料幅材或多个材料幅材或附加结构一同形成构件的外轮廓，该外轮廓可构造成符合负载路径的。由此，在基体的构建方向方面得到更多的自由度。该基体可以在快速制造方面得到优化。例如，可以用最小的制造时间制造出具有层结构的基体，并且然后通过符合负载路径的外轮廓或外轮廓区段进行最终加工。由此实现时间节省和成本降低。此外，基体的构件表面处的阶梯效应可以被补偿，这继而导致更高的构件使用寿命。此外，还可减少再加工过程的必要性。

15、特别优选的是：构件是车辆构件且尤其是车身结构构件或底盘构件。

16、在另一个方面，本发明涉及一种用于制造构件的设备，该设备包括：布置在第一定位装置处的构建平台，其中，所述第一定位装置设置用于在空间中转动和倾斜所述构建平台。构建平台可以具有任何合适的形式，并且例如可以具有平坦的板和/或适合支撑待制造的构件的支撑结构。构建平台可针对该方法通过第一定位装置定位，并以限定的方式保持在空间中。

17、所述设备此外具有打印装置，所述打印装置具有喷嘴，用于排出材料束，其中，所述打印装置设置用于使所述材料束塑化。在这里，术语“塑化”应理解为材料在可变形的状态或可流动的状态下存在，其中它可塑性变形。该材料作为束而离开喷嘴，即作为不间断的材料段离开喷嘴。

18、打印装置布置在第二定位装置处，该第二定位装置设置用于在空间中定位喷嘴。构建平台可针对该方法通过第一定位装置定位，并以限定的方式保持在空间中。

19、该设备还包括控制装置，所述控制设备设置用于操控所述第一定位装置和所述第二定位装置，以便将所述构建平台和所述喷嘴定位在预设位置中，并运行所述打印装置。为此，控制装置优选与定位装置和打印装置处于相应的作用连接中。

20、在该设备中特别有利的是：可以任意地改变构件体相对于平台的构建方向，并且可以在构件体处实现多个构建方向。由此能够实现针对该方法已经描述的优点。由于平台和喷嘴在两侧的可定位性能够实现，始终在空间竖轴（z轴）方向上执行构建。

21、定位装置优选是自动多轴系统。在一个优选的设计方案中，第一定位装置和/或第二定位装置是多轴的、尤其是至少六轴的工业机器人。通过多轴的定位装置可实现在空间中的自由定位，尤其是在所有六个空间轴上的自由定位，由此实现优化的自由度。此外，工业机器人实现在大的工作区域内的快速定位，并且由此也实现大构件的快速制造。

22、打印装置优选设置用于提供由塑料材料或金属材料制成的塑化的材料束。例如，这种打印装置可以构造为塑料挤出头，借助该塑料挤出头输出由经分类的塑料材料制成的束。例如，打印装置也可以借助于能量源熔化金属的线材材料。例如，可以使用电阻电流或电子束作为能量源。使用激光束或电弧是特别优选的。

23、在一个设计方案中，控制装置设置用于——尤其是在打印装置运行期间——使构建平台和喷嘴同时运动。这实现：在施加材料期间使构件体一起倾斜或一起转动。例如，构件体和喷嘴可以分别如此相对于彼此布置，使得材料束基本上沿重力方向并基本上垂直于构件体表面施加。由此，复杂的构件表面也可以在优化的位置中设有附加的材料幅材。得到更好的材料施覆，并使材料更好地连结到已经存在的基体处。

24、对该方法特别有利的是，基体的生成和所述至少一个材料幅材的施加借助于上述同一设备进行。由此不仅可以实现针对设备描述的优点和技术效果，而且此外将所需的操纵过程的数量减小到最小。

25、与设备相关地描述的特征和细节相关于根据本发明的方法也适用，以及相应地反之亦然，从而在关于本发明各个方面的公开内容方面始终可以相互间参考。

26、本发明的另外的优点、特征和细节从以下描述中得到，其中参考附图详细描述了本发明的实施例。在此，在权利要求书和说明书中提到的特征分别自身单独地或者以任意的组合可以对于本发明是重要的。只要在本技术中使用了术语“可”，则它不仅涉及技术上的可能性，也涉及实际的技术上的实现方案。