Konvektionskühler für Wire Are Additiv Manufacturing

Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem zur gezielten Abfuhr von Wärmeenergie, welche im Zuge eines Wire Are Additive Ma- nufacturing-Schweißprozesses WAAM in ein zu fertigendes Bau- teil eingetragen wird.

Beim Schweißen entsteht durch die über den Lichtbogen umge- setzte Energie Wärme im Bauteil. Bei einer Überhitzung des Bauteils treten ungewünschte Gefügeeffekte, wie Grobkornbil- dung durch Überzeitung auf. Dies wiederum führt zu einem anisostropen Gefügezustand mit den damit verbundenen aniso- tropen Werkstoffeigenschaften.

Bei umwandlungsfähigen Werkstoffen besteht die Möglichkeit, über eine nachgelagerte Wärmebehandlung (beispielsweise Ver- güten) die Grobkornstrukturen und damit auch die Dendriten wieder aufzulösen, dies ist allerdings mit einem zusätzlichen finanziellen und zeitlichen Aufwand verbunden.

Um einer Überhitzung des Bauteils entgegenzuwirken, werden gegenwärtig in den Schweißprozess Schweißpausen implemen- tiert, was einen sequenziellen Arbeitsablauf (Schweißen - Pause/ Kühlen -Schweißen) mit entsprechend langen Laufzeiten bedingt.

Die im Schweißprozess bezüglich des Temperaturmanagements re- levanten Parameter sind neben der gegebenenfalls erforderli- chen Bauteilvorwärmung, im Besonderen die Zwischenlagentempe- ratur sowie die Abkühlgeschwindigkeit des abgeschiedenen Schweißgutes. Im gegenwärtig verwendeten Prozess kann die Bauteiltemperatur und damit die Zwischenlagentemperatur nur über zusätzlich in den Schweißprozess eingefügten Pausenzei- ten beeinflusst werden, wobei innerhalb der Schweißpause auch eine aktive Kühlung mittels gasförmigen Fluids erfolgen kann. Eine Bauteilkühlung erfolgt lediglich über Interaktion mit der das Bauteil umgebenden Atmosphäre (Wärmestrahlung) und einer optionalen Beaufschlagung mit Kühlluft während der Pau- sen sowie die über die BauteilSpannung angekoppelte Kühlwir- kung des massiven Maschinentisches (Wärmeleitung). Die Wärme- abfuhr wird lediglich über die Wärmekapazität und die intrin- sische Wärmeleitfähigkeit des Bauteils definiert.

Der Erfindung liegt ein Problem zugrunde, einen Wire Are Ad- ditive Manufacturing-Schweißprozess WAAM anzugeben, bei dem

- die an sich mögliche hohe Produktivität hinsichtlich der maximal erzielbaren Abschmelzleistung nicht mehr durch die bislang erforderlichen zwischengelagerten Pausenseg- mente ausgebremst wird,

- die Gefügehomogenität über die gesamte Bauteilgeometrie aufrechterhalten werden kann und

- die geschweißten Strukturen soweit wie möglich im er- zeugten Zustand einer Weiterverarbeitung und Verwendung zugeführt werden können.

Das Problem wird durch ein Kühlsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zu Nutze, dass bei einer Überhitzung des Bauteils ungewünschte Gefügeeffekte, wie Grobkornbildüng durch Überzeitung oder axial entsprechend der Hauptwärmeabfuhrrichtung ausgerichtete Stengelkörner, so- genannte dendritische Strukturen, auftreten; hier bringt die Erfindung durch eine aktiv beeinflusste Wärmeabfuhr aus dem additiv gefertigten Bauteil eine gezielte Beeinflussung der Gefügeausprägung im Bauteil mit sich. Im Sinne der Erfindung umfasst die aktiv beeinflusste Wärmeabfuhr aus dem additiv gefertigten Bauteil, die im Bauteil gespeicherte Wärme ge- zielt hinsichtlich ihrer Richtung und Geschwindigkeit zu be- einflussen .

Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zu Nutze, dass die in Figur 1 an das Substrat angrenzende Zone A nahezu frei von dendritischen Strukturen ist. Dies ist darauf zurückzuführen, dass der darunter befindliche Maschinentisch 7, im vorliegen- den Fall bis zu einer Aufbauhöhe von circa 3 cm, eine „passi- ve" Kühlung durch Wärmeleitung bewirkt. Bei einer Aufbauhöhe oberhalb dieser 3 cm, in der Zone B, wirkt sich diese Kühl- wirkung nicht mehr gefügebeeinflussend aus.

Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zu Nutze, dass durch aktive Einflussnahme auf die Wärmeabfuhr aus dem additiv ge- fertigten Bauteil im Schweißprozess die GefügeStruktur und die damit korrelierenden Werkstoffeigenschaften gezielt be- einflusst werden können.

Die Erfindung bringt eine insitu-Kühlung während des laufen- den Schweißprozesses in der Maschinenkonfiguration.

Die Erfindung bringt in vorteilhafter Weise eine variable Wärmeübertragung mittels Sprühen eines Kühlfluids, Zuführen eines flüssigen Kühlfluids oder einer Kombination beider.

In vorteilhafter Weise können bestehende Einrichtungen für Wire Are Additive Manufacturing WAAM mit dem erfindungsgemä- ßen System nachgerüstet werden, ohne in den Grundaufbau der Maschine einzugreifen, was mit einer entsprechenden Modulari- tät einhergeht.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unter- ansprüchen angegeben.

Die Erfindung wird im Folgenden als Ausführungsbeispiel in einem zum Verständnis erforderlichen Umfang anhand von Figu- ren näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig 1 einen Makroschliff einer WAAM-gefertigten SchweißStruk- tur,

Fig 2 einen erfindungsgemäßen Konvektionskühler, Fig 3 eine WAAM-Schweißanordnung unter Einsatz des erfin- dungsgemäßen Konvektionskühlers mit gasförmigem oder sprühförmigem Kühlfluid und

Fig 4 eine WAAM-Schweißanordnung unter Einsatz des erfin- dungsgemäßen Konvektionskühlers mit flüssigem Kühlflu- id.

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezeichnungen gleiche Ele- mente.

Fig 1 zeigt den Makroschliff eines Bauteils 2, dessen SchweißStruktur mittels Wire Are Additiv Manufacturing (WAAM) in Schweißaufbaurichtung nach oben herkömmlich gefertigt ist. Zone A ist nahezu frei von dendritischen Strukturen. Zone B lässt die gewachsenen Stengelkörner, equiaxial in Hauptwärme- flussrichtung erkennen.

Um die Energie ( Q zu, Brenner ) _/ welche der Schweißprozess (1) in das Bauteil (2) einträgt, gesteuert abfließen lassen zu kön- nen, wird der Konvektionskühler genutzt. Dieser besteht aus einem Oberteil (4), einem Unterteil (6) und einem Mittelteil (5). Im Mittelteil wird ein Kühlfluid (beispielsweise Luft) zugeführt (8in), das aus Öffnung für das Kühlfluid (10) in dem Unterteil (6) austritt, und nach dessen Erhitzung (Ein- tritt in das Oberteil (4)) wieder entnommen (8out) wird. Um den Schweißprozess - mit der dazugehörigen SchutzgasStrömung - nicht negativ zu beeinflussen, werden Bürstendichtungen (3) genutzt. Über die Geometrie der Öffnungen (10) (an Oberteil

(4) und Unterteil (6)) und deren Positionierung - normal zur Oberfläche - kann beispielsweise eine umlaufende/ rotierende Strömung erzeugt werden, welche sich länger im Kontinu- um/Ausnehmungsvolumen 12 des Konvektionskühlers befindet und somit mehr Energie aufnehmen kann. Die Energieentnahme durch die Tischkühlung ( Qab, Tisch) ^” über das Substrat (7) - wird mit dem Konvektionskühler - höhenunabhängig - um einen abfließen- den Wärmestrom erweitert {Qab,Konvexion) Die Erfindung bringt im Wesentlichen eine gezielte Verstär- kung der freien Konvektion an der Bauteiloberfläche. Die Geo- metrie bildet eine Art Kaminzug nach und macht die Wärmeab- fuhr regelbar, indem einzelne Parameter - wie Temperaturen und Volumenströme des Wärmeübertragungsfluides/Kühlfluides - erfasst und gesteuert werden.

Die Positionierung des Konvektionskühlers kann bauteilbezogen (also ortsfest oder „mitwachsend" an der gedruckten Geomet- rie) oder flexibel (also am Schweißbrenner befestigt) sein. Bei der flexiblen Methode kann die Funktion der gezielten Ab- saugung der Schweißrauche durch den Konvektionskühler mit er- folgen, der wiederum auf Höhe des Schweißbrenners 1 ange- bracht werden kann. Die Eindüsung des Wärmeübertragungsflui- des, aber auch Kühlfluids, kann hierbei durch beispielsweise flexible Kühlmittel-Gelenkschläuche in die Zuführung (8in) erfolgen, um somit bei Kollisionen mit den Bauteilen keinen irreversiblen Schaden zu verursachen.

Für den Fall, dass als Wärmeübertragungsfluid ein liqui- des/flüssiges Kühlfluid genutzt werden soll, kann die Geomet- rie - wie in Figur 4 gezeigt - ausgestaltet sein. Hierbei wird das Wärmeübertragungsfluid über den Anschluss (8) in das Mittelteil (5) geleitet, wo es über das Oberteil (4) in den Bauraum, nämlich das Ausnehmungsvolumen 12, welcher durch ei- nen Balg (9) abgetrennt ist, eintritt und verdüst wird. Auf- tretender Sprühnebel, Ausdampfungen und turbulente Luft- strömungen werden zum einen durch angebrachte Bürstendichtun- gen (3) abgeschirmt und zum anderen durch eine optional über der Wärmeübertragungsfluideinspritzung angebrachten Absaugung (8out) aus dem Bauraum entfernt. Nach der Aufnahme der inne- ren Energie an der heißen Bauteiloberfläche, kann das Medium - über Öffnungen (8) am Substrat (7) - abgeführt werden.

Hierbei wird das Wärmeübertragungsfluid, wie eingangs be- schrieben, zur Sprühkühlung verwendet und zusätzlich wird ei- ne Wärmeabfuhr über einen im Balg (9) befindlichen variablen Flüssigkeitsstand realisiert. Hierbei werden die Öffnungen/ Anschlüsse (8) verwendet, um ein Wärmeübertragungsfluid aus einem pumpenbetriebenen Kreislauf zuzuführen und abzuleiten.

Ein Betrieb, in welchem lediglich mit einem variablen Flüs- sigkeitsstand in dem Balg (9) gearbeitet wird und ohne eine zusätzliche Einleitung eines Fluids an (8) gearbeitet wird, ist ebenso realisierbar. In diesem Fall wird über den An- schluss (8out) die Anbindung an ein Unterdrucksystem zur Ab- saugung entstehender Ausdampfungen realisiert.

Ist der sich über den Schweißprozess einstellende abkühlungs- wirksame Temperaturgradient zu groß oder ist eine Vorwärmung vor dem Start des Schweißprozesses erforderlich, so kann der erfindungsgemäße Aufbau über eine entsprechende Vorwärmung des Wärmeübertragungsmediums/Kühlfluids auch zur Vorwärmung beziehungsweise zur Reduzierung des physikalisch durch den Schweißaufbau vorgegebenen Abkühlgradienten verwendet werden.

Wire Are Additive Manufacturing (WAAM), das auf dem Lichtbo- genschweißen basiert, baut mit Hilfe einer abSchmelzenden Drahtelektrode Metall-Bauteile 2 Schicht für Schicht auf.

Die vorliegende Erfindung wurde zu Illustrationszwecken an- hand von konkreten Ausführungsbeispielen im Detail erläutert. Dabei können Elemente der einzelnen Ausführungsbeispiele auch miteinander kombiniert werden. Die Erfindung soll daher nicht auf einzelne Ausführungsbeispiele beschränkt sein, sondern lediglich eine Beschränkung durch die angehängten Ansprüche erfahren . 1 - Schweißbrenner, Schweißprozess

2 - Bauteil

3 - Bürstendichtung

4 - Oberteil 5 - Mittelteil

6 - Unterteil

7 - Substrat

8 - Anschluss für Kühlfluid

8in - Anschluss zur Zuführung des Kühlfluids 8out - Anschluss zur Abführung des Kühlfluids

9 - Balg

10 - Öffnung Zuführung Kühlfluid

11 - Öffnung Abführung Kühlfluid

12 - Ausnehmungsvolumen A - Zone frei von Stengelkörnern B - Zone mit Stengelkörnern WAAM - Wire Are Additive Manufacturing