TECHNISCHES FELD

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit einem Kern aus reinem Kupfer oder einer Kupferlegierung mittels Pulverdüsen-Laser- Auftragschweißen. Durch das Aktivieren einer Regelung der zum Pulverdüsen-Laser- Auftragschweißen verwendeten Laserleistung bei Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwerts ermöglicht das Verfahren, den Fertigungsprozess stabiler zu machen und auf diese Weise Produkte mit besonders hoher Qualität zu fertigen.

TECHNISCHER HINTERGRUND

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, welches ermöglicht, Bauteile mit einem Kern aus reinem Kupfer oder einer Kupferlegierung additiv in hoher Qualität zu fertigen. Insbesondere soll das Verfahren einen stabilen Fertigungsprozess ermöglichen.

In der Fertigung von Werkzeugen spielen Multimaterialanwendungen insbesondere in Kühlkreisläufen eine große Rolle. In Druckgusswerkzeugen, Spritzgusswerkzeugen oder Warmumformungswerkzeugen ist die Abfuhr entstehender Wärme durch ein Kühlmedium bei der Fertigung von Produkten von entscheidender Bedeutung. Eine effiziente Kühlung kann beispielsweise die Prozesszeit verkürzen und auf diese Weise einen höheren Durchsatz ermöglichen.

Zur Wärmeableitung bzw. Kühlung werden innerhalb des Werkzeugs bzw. Formeneinsatzes in der Regel Kühlkanäle vorgesehen, die mit einem entsprechenden Kühlmittel durchströmt werden können, um so den im Werkzeug befindlichen Werkstoff abzukühlen. Kupfer oder Kupferlegierungen zeichnen sich durch eine gute Wärmeleitfähigkeit aus und verleihen solchen Multimaterialanwendungen entsprechend gute Kühleigenschaften.

Ebenso wie die hergestellten Produkte besitzen auch die dazu notwendigen Werkzeuge komplexe geometrische Formen. Die Anfertigung solcher Werkzeuge mit darin verlaufenden Kühlkanälen ist daher aufwändig und schwierig. Bekannt ist die kontinuierliche Beschichtung von Metallbändern, einschließlich Kupferbändern, durch pulverbettbasiertes schmelzen. So beschreibt etwa die WO 2018/192 865 Al ein Verfahren zum Aufbringen einer Materialschicht auf ein Metallband, enthaltend die Schritte: Bereitstellen eines Metallbands, Bereitstellen eines schmelz- und/oder sinterbaren Pulvers, Erzeugen einer Schicht des schmelz- und/oder sinterbaren Pulvers auf einem Abschnitt des sich bewegenden Metallbands unter Erhalt eines Pulverbetts und Erhitzen von zumindest einem Teil des Pulverbetts mit Laser- oder Elektronenstrahlung auf wenigstens die Sinter- oder Schmelztemperatur des Pulvers unter Erzeugung einer Materialschicht.

Grundwerkstoffe oder Kernbauteile zur Herstellung von Werkzeugen sind in der Regel sogenannte Volumenbauteile. Im Gegensatz zu Bändern, die eine kontinuierlich flache Oberfläche bieten, ist aufgrund der komplexen Geometrie von Werkzeugen oft lediglich ein kleiner Teil der Oberfläche flach genug, ein Pulverbett überhaupt zu bilden. Eine Metallschicht mit konstanter Schichtdicke kann, wenn überhaupt, auf diese Weise nur schwer erzeugt werden.

Ein additives Fertigungsverfahren zur Herstellung einer Spritzgießform mit zumindest einem Kühlmittelkanal ist aus der DE 10 2004 040 929 Al bekannt. Die DE 10 2004 040 929 Al beschreibt dabei das stoffschlüssige Aufbringen einer Verschleißschutzschicht, vorzugsweise aus Stahl, auf ein Trägermaterial, vorzugsweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, mittels DMD-Verfahren.

Die Anmelderin hat in der DE 10 2020 116 037 Al bereits ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit Kühlkanalsystem beschrieben. Abschnitte des Bauteils werden durch additives stoffschlüssiges Aufträgen eines Aufbaumaterials gebildet. Das Einbringen einer Kavität in einen jeweiligen Bauteilabschnitt, sowie das Ausbilden eines Verbindungskanals ermöglicht, ein innerhalb des Bauteils verlaufendes Kühlkanalsystem mit ebenfalls komplexer Form herzustellen. Das Aufbaumaterial kann dabei aus Kupfer oder einer Kupferlegierung bestehen. Auch in diesem Verfahren kann das Bauteil mit einer verschleißfesten Außenschicht aus Werkzeugstahl versehen sein.

Beiden Verfahren ist gemein, dass eine Verschleißschicht mit geringer Schichtdicke auf ein vergleichsweise groß dimensioniertes Aufbau- oder Trägermaterial aufgebracht wird. Ein solches Verfahren lässt sich jedoch nicht zwangsläufig auf die Herstellung von Bauteilen mit Kernen aus Kupfer oder einer Kupferlegierung übertragen, welche mit mehr als einer Metallschicht versehen werden sollen. Ist die gute Wärmeleitfähigkeit von reinem Kupfer oder Kupferlegierungen ein Vorteil bei der Anwendung in Kühlkreisläufen, so bietet eben diese Eigenschaft einen gravierenden Nachteil in der additiven Fertigung, da auch bei der additiven Fertigung natürlich Wärme in den Kupferkern bzw. den Kupferlegierungskern abgeleitet wird.

Ist beim Auftrag einer ersten Schicht noch ein hoher Energieeintrag notwendig, so verändert sich mit Zunahme an gebildeten Metallschichten, die den Kern umgeben, die Temperatur des Bauteils, derart, dass es unter Umständen zu einer Überhitzung während des Fertigungsprozesses kommen kann. Die Temperatur des Bauteils während des Fertigungsprozesses kann sich gegebenenfalls schnell ändern und kann die Stabilität des Fertigungsprozesses und damit auch die Produktqualität negativ beeinflussen.

Ein weiterer Nachteil ist der hohe Reflexionsgrad im Infrarot-Bereich insbesondere von reinem Kupfer, der bei Laser-basierten Verfahren zu schlechter Energieeinkopplung führt bei gleichzeitig hohem Leistungsaufwand zum Aufschmelzen.

Wünschenswert wäre es daher, die oben genannten Nachteile überwinden zu können und ein stabiles additives Fertigungsverfahren bereitstellen zu können, welches ermöglicht, Bauteile mit einem Kern aus reinem Kupfer oder einer Kupferlegierung in hoher Qualität herzustellen.

LÖSUNG DES PROBLEMS

Die oben genannte Aufgabe wird mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche sind auf besondere Ausführungsformen der Erfindung gerichtet.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit einem Kern aus reinem Kupfer oder einer Kupferlegierung mittels Pulverdüsen-Laser- Auftragschweißen umfasst zunächst den Schritt a) des Bereitstellens eines Kernbauteils aus reinem Kupfer oder einer Kupferlegierung.

Der Begriff Kernbauteil ist hierin als Grundwerkstoff oder Grundbauteil zu verstehen, welches entsprechend dem hierin beschriebenen Verfahren mit mehreren Metallschichten beschichtet wird, derart, dass das Kernbauteil den Inneren Kern des fertiggestellten Bauteils bildet. Die Größe und Form des Kernbauteils ist nur insoweit einschränkt, als dass es sich um ein Volumenbauteil handelt. Ein Volumenbauteil kann beispielsweise ein Würfel, ein Quader, eine Pyramide oder ein Stab sein, oder auch eine komplexere dreidimensionale Form aufweisen, die sich nach der komplexen Form des herzustellenden Bauteils richten wird. Ein Volumenbauteil im Sinne der Erfindung ist jedoch kein Band oder ähnlich flächiges Bauteil.

Wie bereits erwähnt sind Pulverbettbasierte additive Fertigungsverfahren bei der Verarbeitung von Volumenbauteilen von Nachteil. Das „Pulverdüsen-Laser- Auftragschweißen“ ist demgegenüber ein additives Fertigungsverfahren oder auch eine 3D-Drucktechnologie nach dem Prinzip der Directed Energy Deposition (DED).

Beim DED-Verfahren wird Metallpulver durch eine Zufuhrdüse (Pulverdüse) gedrückt, beispielsweise eine Ringspaltdüse, und durch einen Laser mit dem Grundwerkstoff unter Bildung des sogenannten Schmelzbads verschmolzen bzw. verschweißt. Sowohl der Laser als auch die Zuführdüse sind im Allgemeinen an einer mehrachsigen Werkzeugmaschine oder einem Roboterarm angebracht. Der Prozess findet typischerweise unter einer lokalen Schutzgasatmosphäre oder in einer hermetisch abgeschlossenen Kammer unter Schutzgas statt, um die Materialeigenschaften besser zu kontrollieren und das Material vor unerwünschter Oxidation zu schützen.

Reines Kupfer besitzt eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit von 400 Wm^K ⁴ bei 20 °C und bietet damit im Bauteil eine sehr gute Temperaturableitung. Aufgrund der schnelleren Wärmeabfuhr kann so die Kühlleistung verbessert werden.

Der Begriff „reines Kupfer“, wie hierin verwendet, bezeichnet Kupfer, das elementar vorliegt und geringfügige Verunreinigungen aufweisen kann. Bevorzugt beträgt die Gesamtmenge an Verunreinigungen nicht mehr als 1 Gewichtsprozent, besonders bevorzugt nicht mehr als 0,1 Gewichtsprozent und ganz besonders bevorzugt nicht mehr als 0,01 Gewichtsprozent bezogen auf die Gesamtmasse an Kupfer.

Alternativ zu reinem Kupfer kann in dem erfindungsgemäßen Verfahren auch eine Kupferlegierung verwendet werden. Die Zusammensetzung der Kupferlegierung ist dabei erfindungsgemäß nicht grundsätzlich eingeschränkt. Im Gegensatz zu reinem Kupfer besitzen Kupferlegierungen in der Regel eine geringere Wärmeleitfähigkeit, so dass ein hoher Kupferanteil vorteilhaft ist, wobei der Begriff „hoch“ in der Regel abhängig von Art und Zusammensetzung der Legierung ist. Die Wärmeleitfähigkeit der Kupferlegierung sollte jedenfalls eine untere Grenze von 65 Wm^K^ bei 20 °C, vorzugsweise 166 Wm^K bei 20 °C nicht unterschreiten. Auf diese Weise wird zwar die Temperaturableitung im Bauteil reduziert, ist aber immer noch gegenüber Materialien ohne Kupferanteil verbessert.

Denkbar ist die Verwendung von Kupfer-Zinn Legierungen (Bronze), Kupfer- Aluminium Legierungen, insbesondere Aluminiumbronzen, Kupfer-Zink Legierungen (Messing), Kupfer-Nickel Legierungen, Kupfer-Nickel-Zink Legierungen, Kupfer-Zinn-Zink Legierungen, Kupfer-Mangan Legierungen, niedriglegierten Kupferlegierungen oder Kupfer-Blei-Zinn Legierungen.

An dieser Stelle wird angemerkt, dass die oben beschriebenen Legierungen nicht auf Zwei- bzw. Dreistofflegierungen beschränkt sind, sondern auch weitere Legierungskomponenten oder Zusätze enthalten können, soweit die angegebene untere Grenze der Wärmeleitfähigkeit nicht unterschritten wird. Bevorzugt werden jedoch Kupferaluminiumlegierungen mit einem Aluminiumanteil von 1 bis 10%, beispielsweise CuAll oder CuAllO, verwendet. Soweit nicht anders angegeben, beziehen sich hierin Angaben in % auf Massenprozent.

Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren weiterhin den Schritt b) des Bereitstellens eines schmelzbaren Metallpulvers. Die Zusammensetzung und Partikelgröße des schmelzbaren Metallpulvers ist erfindungsgemäß nicht grundsätzlich eingeschränkt, soweit es mittels Pulverdüsen-Laser-Auftragschweißen verarbeitet werden kann.

In einer bevorzugten Ausführungsform kann das schmelzbare Metallpulver aus Werkzeugstahl bestehen. Auf diese Weise kann ein Multimaterial-Bauteil aus Werkzeugstahl und reinem Kupfer oder Kupferlegierung hergestellt werden. Das reine Kupfer oder die Kupferlegierung bilden den Kern, der von Schichten aus Werkzeugstahl ummantelt wird.

Alternativ kann gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform das schmelzbare Metallpulver auch aus einer Nickelbasislegierung bestehen. Der Begriff Nickelbasislegierung bezeichnet hierin eine Legierung, deren Hauptbestandteil Nickel ist und die mindestens eine andere Legierungskomponente (ein anderes Element) enthält. Nickelbasislegierungen sind beispielsweise Nickel-Kupfer-, Nickel-Eisen-, Nickel-Eisen- Chrom-, Nickel-Chrom-, Nickel-Molybdän-Chrom-, Nickel-Chrom-Kobalt-, niedriglegierte Nickellegierungen (mit einem Nickelanteil von bis zu 99,9 %) und andere Mehrstofflegierungen. Beispiele sind Alloy 718 (NiCrl9NbMo), oder auch Alloy 600 (NiCrl5Fe). Auf diese Weise kann ein Multimaterial-Bauteil aus Nickelbasislegierung und reinem Kupfer oder Kupferlegierung hergestellt werden. Das reine Kupfer oder die Kupferlegierung bilden den Kern, der von Schichten aus Nickelbasislegierung ummantelt wird.

Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren weiterhin den Schritt c) des Aufbringens des schmelzbaren Metallpulvers auf mindestens einen Abschnitt des Kernbauteils mittels Pulverdüsen-Laser-Auftragschweißen, derart, dass mehrere Metallschichten auf dem mindestens einen Abschnitt des Kernbauteils gebildet werden, wobei ein Regeln einer zum Pulverdüsen-Laser-Auftragschweißen verwendeten Laserleistung bei Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwerts aktiviert wird.

Wie bereits dargelegt, ist der Beschichtungsprozess bei Volumenbauteilen aus Kupfer oder Kupferlegierungen komplex. Mit Zunahme an gebildeten Metallschichten, die das Kernbauteil umgeben, kann sich die Temperatur des Bauteils, also des Kernbauteils inklusive der bereits gebildeten Metallschichten, schnell ändern und es kann zu einer Überhitzung des Bauteils während des Fertigungsprozesses kommen. Dies kann die Stabilität des Fertigungsprozesses und damit auch die Produktqualität negativ beeinflussen.

Ursächlich ist das Aufheizen des Metallpulvers bzw. des Schmelzbads während des Schweißens. Dieses heizt dann seinerseits das Kernbauteil mittels Wärmeleitung auf. Durch das Ummanteln des Kernbauteils in dem zumindest einen Abschnitt kann Wärme aus dem Kernbauteil nun nicht mehr ohne Weiteres an die Umgebung abgegeben werden. Das Kernbauteil heizt sich seinerseits auf und die Temperatur im Bauteil kann schnell ansteigen, so dass eine Überhitzung droht. Zur Temperaturzunahme im Kernbauteil trägt zusätzlich noch die Zunahme des Absorptionskoeffizienten mit der Temperatur bei.

Diese Effekte können erfindungsgemäß durch das Aktivieren einer Regelung der Laserleistung bei Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwerts stabilisiert werden. Die Laserleistung kann dabei beispielsweise in einem Bereich von 100W bis 2500W, vorzugsweise 100 bis 2000W, besonders bevorzugt 100 bis 1500W geregelt werden, mit einer maximalen Regelgeschwindigkeit von 50 W/s oder mehr, vorzugsweise 100 W/s oder mehr. Eine solche Regelung der Laserleistung bei DED-basierten Verfahren ist in diesem Zusammenhang bislang nicht bekannt. Diese Frage stellte sich bis dato auch noch nicht. Erst der Auftrag mehrerer Metallschichten, die komplexe Bauteilgeometrie verbunden mit den für die Verarbeitung schwierigen Eigenschaften von reinem Kupfer und Kupferlegierungen machten solche Überlegungen jetzt notwendig. Dabei ist es zunächst unerheblich, wie das Regeln der Laserleistung letztendlich erfolgt, zur Stabilisierung der genannten nachteiligen Effekte ist es wichtig, dass die Regelung der Laserleistung während des Pulverdüsen-Laser-Auftragschweißens bei Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwerts überhaupt aktiviert wird, um eine Überhitzung des Bauteils zu vermeiden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann der vorgegebene Grenzwert eine vorgegebene Anzahl an gebildeten Metallschichten sein. So kann die Regelung der Laserleistung beispielsweise nach der Bildung einer ersten, zweiten oder dritten Metallschicht aktiviert werden. Die vorgegebene Anzahl der Metallschichten wird dabei sicherlich von der Schichtdicke der ersten Metallschicht abhängen, sowie alternativ oder zusätzlich auch von der Geometrie und Größe des Volumenbauteils und/oder von der Anfangslaserleistung. Vorzugsweise wird die Regelung der Laserleistung jedoch nach der Bildung einer ersten Metallschicht aktiviert, um eine hohe Stabilität des Fertigungsprozesses zu ermöglichen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann der vorgegebene Grenzwert auch eine Maximaltemperatur des Bauteils während des Pulverdüsen-Laser- Auftragschweißens sein. Die Maximaltemperatur ist dabei nicht grundsätzlich eingeschränkt, da sie ebenfalls sicherlich von der Schichtdicke der gebildeten Metallschichten, sowie alternativ oder zusätzlich auch von der Geometrie und Größe des Volumenbauteils und/oder von der Anfangslaserleistung abhängen wird. Vorzugsweise kann die Maximaltemperatur in einem Bereich von 200°C bis 700°C liegen, besonders bevorzugt in einem Bereich von 300 °C bis 600 °C, ganz besonders bevorzugt bei 400 °C liegen. Die Maximaltemperatur kann auch einer hierin beschriebenen Vorheiztemperatur entsprechen.

Gemäß einer überdies bevorzugten Ausführungsform kann das Verfahren dann weiterhin umfassen: Überwachen einer Temperatur des Bauteils während des Pulverdüsen-Laser-Auftragschweißens mittels einer Wärmebildkamera. So kann vorzugsweise mit Beginn des Pulverdüsen-Laser-Auftragschweißens in Schritt c) des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Temperatur des Bauteils in engmaschigen Intervallen von beispielsweise ls bis 10s, in vorgegebenen Abtastraten oder auch kontinuierlich mit einer Wärmebildkamera überwacht werden. Bei Überschreiten der zuvor festgelegten Maximaltemperatur kann dann die Regelung der Laserleistung aktiviert werden. Besonders vorteilhaft ist hierzu die Wärmebildkamera mit der Steuerung des Lasers gekoppelt und die Aktivierung der Regelung erfolgt automatisch über eine Rückkoppelung des Temperaturwerts der Wärmebildkamera an die Steuerung des Lasers. So kann bei Überschreiten der vorgegebenen Maximaltemperatur beispielsweise automatisch die Laserleistung reduziert werden.

Erfindungsgemäß ist die Art und Weise wie die Regelung der Laserleistung erfolgt nicht grundsätzlich eingeschränkt, solange eine Überhitzung des Bauteils während des Pulverdüsen-Laser-Auftragschweißens vermieden werden kann.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann die Laserleistung jedoch in Abhängigkeit einer Schmelzbadgröße geregelt werden. Das während des Pulverdüsen- Laser-Auftragschweißens gebildete Schmelzbad korreliert direkt mit der eingesetzten Laserleistung. Ist das Schmelzbad groß, beispielsweise 17 mm ² , so ist die Laserleistung hoch. Wird die Laserleistung dann reduziert, so spiegelt sich das auch in einer Reduktion der Größe des Schmelzbads wider. Um die Laserleistung nach Aktivierung zu regeln, kann beispielsweise eine Kennlinie in der Steuerung des Lasers hinterlegt sein, welche eine Laserleistung mit einer Schmelzbadgröße verbindet. Alternativ oder zusätzlich kann die Laserleistung auch anhand eines Abgleichs mit einer vorgegebenen Ziel- Schmelzbadgröße geregelt werden. Die Ziel-Schmelzbadgröße kann dabei entsprechend der Geometrie und Größe des Kernbauteils, sowie der Anzahl und Dicke der aufzubringenden Metallschichten vorgegeben werden. Die Ziel-Schmelzbadgröße kann beispielsweise 6 bis 10 mm ² , vorzugsweise 7 bis 9 mm ² betragen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann die Schmelzbadgröße mittels einer Schmelzbadkamera ermittelt werden. Eine solche Schmelzbadkamera kann beispielsweise in die Laseroptik integriert oder mit dieser gekoppelt sein. Über eine Rückkoppelung des mit der Schmelzbadkamera gemessenen Ist-Werts mit der Steuerung des Lasers kann die Laserleistung dann automatisch geregelt werden.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann das Regeln der Laserleistung in Abhängigkeit der Schmelzbadgröße umfassen: Ermitteln mindestens einer Ist-Schmelzbadgröße und Regeln der Laserleistung anhand eines Abgleichs der mindestens einen Ist-Schmelzbadgröße mit der vorgegebenen Ziel-Schmelzbadgröße. Hierzu kann die Schmelzbadgröße beispielsweise engmaschig in Intervallen von beispielsweise ls bis 10s gemessen werden, in vorgegebenen Abtastraten oder auch kontinuierlich mit der Schmelzbadkamera überwacht werden.

Erfindungsgemäß ist die Wellenlänge der Laserstrahlung mit welcher das Pulverdüsen-Auftragschweißen durchgeführt nicht grundsätzlich eingeschränkt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann das Pulverdüsen-Laser-Auftragschweißen jedoch mit Laserstrahlung einer Wellenlänge im Bereich von 380 nm bis 560 nm oder einer Wellenlänge im Bereich von 780 nm bis 1400 nm durchgeführt werden, besonders bevorzugt bei 450 nm oder 1030 nm.

Auch der verwendete Laser ist erfindungsgemäß nicht grundsätzlich eingeschränkt, es kann beispielsweise ein für DED-basierte Verfahren üblicher Laser verwendet werden, etwa ein Dioden-, CO2- oder Faserlaser.

Wie bereits dargelegt, ist die gute Wärmeleitfähigkeit von reinem Kupfer oder Kupferlegierungen ein Vorteil bei der Anwendung in Kühlkreisläufen, bietet aber einen gravierenden Nachteil in der additiven Fertigung, da auch bei der additiven Fertigung natürlich Wärme in den Kupferkern bzw. den Kupferlegierungskern abgeleitet wird. Beim Aufbringen einer ersten Metallschicht erschwert die hohe Wärmeleitfähigkeit den Schweißprozess durch die schnelle Ableitung der Wärme in das Kernbauteil aufgrund des direkten Kontakts zwischen Metallschicht und Kernbauteil. Dies kann zu einer geringen Schmelzbadstabilität führen. Bei Kupferlegierungen ist die Temperaturableitung aus dem Schmelzbad ebenfalls vorhanden, aufgrund der reduzierten Wärmeleitfähigkeit aber geringer ausgeprägt als bei reinem Kupfer.

Dieser Effekt kann das Aufbringen einer ersten Metallschicht erschweren. Um diesen Effekt zu stabilisieren, kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform das Aufbringen des schmelzbaren Metallpulvers auf den mindestens einen Abschnitt des Kernbauteils mittels Pulverdüsen-Laser-Auftragschweißen umfassen: Aufbringen einer ersten Metallschicht bei einer maximaler Laserleistung und einem geringen Pulvermassenstrom.

Der Pulvermassenstrom gibt an, wie viel g Metallpulver pro Minute durch die Zufuhrdüse gedrückt werden. Je größer der Pulvermassenstrom, desto mehr Metallpulver wird durch die Zufuhrdüse gedrückt. Beim Aufbringen der ersten Metallschicht ist das Metallpulver noch nicht durch den Schweißprozess aufgeheizt und kann zu einer zusätzlichen Abkühlung und damit Destabilisierung des Schmelzbads führen. Vorteilhaft wird daher beim Aufbringen der ersten Metallschicht ein geringer Pulvermassenstrom verwendet.

Beispielsweise kann beim Aufbringen der ersten Metallschicht die maximale Laserleistung in einem Bereich von 2000W bis 2500W liegen und der Pulvermassenstrom in einem Bereich von 4 bis 6 g/min. liegen. Insbesondere bei einem Einsatz von Laserstrahlung im infraroten (IR) Bereich ist dies vorteilhaft, da reines Kupfer einen hohen Reflexionsgrad im IR-Bereich aufweist, was die Energieeinkopplung erschwert.

Alternativ kann der oben beschriebene nachteilige Effekt beim Bilden der ersten Metallschicht auch durch ein Vorheizen des Kernbauteils stabilisiert werden, indem die Ableitung der Wärme in das Kernbauteil reduziert wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann das Verfahren daher zusätzlich vor dem Bilden der Metallschichten in Schritt c) umfassen: Vorheizen des Kernbauteils auf eine Vorheiztemperatur von 150°C oder höher, vorzugsweise 250°C oder höher, besonders bevorzugt 400 ° C oder höher.

Das Vorheizen des Kernbauteils vor dem Bilden der Metallschichten in Schritt c) kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform mittels Laserstrahlung, Induktion oder einem externen Ofen erfolgt. Besonders bevorzugt kann das Vorheizen mittels Laserstrahlung einer Wellenlänge im blauen bis grünen Bereich von 380 nm bis 560 nm oder einer Wellenlänge im infraroten Bereich von 780 nm bis 1400 nm erfolgen, ganz besonders bevorzugt bei 450nm oder 1030nm. Im Gegensatz zu Laserstrahlung im infraroten Bereich hat Laserstrahlung im blauen bis grünen Bereich beim Vorheizen den Vorteil, dass das Absorptionsverhalten von reinem Kupfer bei Laserstrahlung mit einer Wellenlänge im grünen bis blauen Bereich besser ist. Die Absorptionsrate liegt in diesem Fall bei 44 Prozent - verglichen mit 2 Prozent bei Infrarotlicht.

Um das additive Fertigungsverfahren noch stabiler zu machen und die Produktqualität weiter zu erhöhen kann das Aufbringen des schmelzbaren Metallpulvers auf den mindestens einen Abschnitt des Kernbauteils mittels Pulverdüsen-Laser- Auftragschweißen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform die folgenden zwei Stufen umfassen: i) Aufbringen einer oder mehrerer Metallschichten unter Regelung der Laserleistung bei geringem Pulvermassenstrom; und ii) Aufbringen einer oder mehrerer weiterer Metallschichten unter Regelung der Laserleistung bei hohem Pulvermassenstrom.

In Stufe i) liegt der Fokus dabei auf einer maximalen Aufmischung zwischen dem reinen Kupfer oder der Kupferlegierung des Kernbauteils und dem Metallpulver. Dies dient insbesondere dem Herstellen einer belastbaren stoffschlüssigen Verbindung zwischen Kernbauteil und Metallschichten. Ebenso soll, wie bereits beschrieben, die Überhitzung des Bauteils durch die Regelung vermieden werden.

In Stufe ii) liegt der Fokus dann hingegen auf einem maximalen Materialauftrag, sowie ebenso auf der bereits beschriebenen Vermeidung der Überhitzung des Bauteils.

In Stufe i) kann die Laserleistung beispielsweise in einem Bereich von 2500W bis 100W (obere und untere Leistungsgrenze) mit einer Regelgeschwindigkeit von 50 W/s oder mehr geregelt werden und der Pulvermassenstrom kann in einem Bereich von 4 bis 6 g/min. liegen.

In Schritt ii) kann die Laserleistung beispielsweise in einem Bereich von 1500W bis 100W mit einer Regelgeschwindigkeit von 50 W/s oder mehr geregelt werden und der Pulvermassenstrom kann in einem Bereich von 8 bis 12 g/min. liegen.

In Kombination mit dem bereits beschriebenen Aufbringen einer ersten Metallschicht bei einer maximaler Laserleistung und einem geringen Pulvermassenstrom kann auch ein dreistufiges Verfahren realisiert werden. In der vorgeschalteten ersten Stufe des Aufbringens der ersten Metallschicht bei maximaler Laserleistung und geringem Pulvermassenstrom liegt der Fokus auf dem Vorheizen des Kernbauteils, der Erhöhung des Absorptionsgrads im Kernbauteil und der bereits beschriebenen Stabilisierung des Schmelzbads.

Wie ebenfalls bereits beschrieben, kann das Vorheizen des Kernbauteils auch alternativ mittels Laserstrahlung, Induktion oder einem externen Ofen erfolgen.

Optional kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform das Verfahren zusätzlich vor Schritt c) umfassen: Aufbringen einer Pufferschicht aus einer Kupferlegierung auf den mindestens einen Abschnitt des Kernbauteils. Auf diese Weise kann beispielsweise die sehr gute Wärmeleitfähigkeit reinen Kupfers im Kernbauteil erhalten werden, und die Vorteile der reduzierten Wärmeleitfähigkeit und des reduzierten Reflexionsgrads im Infrarotbereich von Kupferlegierungen für das Fertigungsverfahren ausgenutzt werden.

Die Pufferschicht kann gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform aus einer Kupferaluminiumlegierung bestehen, wobei die Kupferaluminiumlegierung Aluminium in einem Anteil von 1% bis 10% enthalten kann.

Mit dem hierin beschriebenen Verfahren können grundsätzlich Volumenbauteile mit einem Kern aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gefertigt werden, insbesondere Volumenbauteile komplexer Geometrie. Ist das Bauteil ein Werkzeug, wie einleitend beschrieben, so kann das Verfahren zusätzlich den Schritt d) umfassen: Einbohren eines oder mehrerer Kühlkanäle in das Kernbauteil.

Des Weiteren sei angemerkt, dass das hierin beschriebene Verfahren teil eines hybriden Verfahrens sein kann, das zusätzlich beispielsweise materialabtragende und formgebende Schritte umfassen kann, um ein Endprodukt gewünschter Geometrie und Funktion zu erhalten.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

Figur 1 zeigt ein Flussdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines Bauteils mit einem Kern aus reinem Kupfer oder einer Kupferlegierung mittels Pulverdüsen-Laser-Auftragschweißen.

Figur 2 zeigt einen Regelkreis zur Illustration einer Regelung einer zum Pulverdüsen-Laser-Auftragschweißen verwendeten Laserleistung gemäß einer Ausführungsform.

Figur 3 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung eines Bauteils mit einem Kern aus reinem Kupfer oder einer Kupferlegierung mittels Pulverdüsen-Laser- Auftragschweißen gemäß einer Ausführungsform mit Vorheizen des Kernbauteils.

Figur 4 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung eines Bauteils mit einem Kern aus reinem Kupfer oder einer Kupferlegierung mittels Pulverdüsen-Laser- Auftragschweißen gemäß einer Ausführungsform mit zwei-stufigem Metallschichtenauftrag. Figur 5 zeigt schematisch ein zur Durchführung des Verfahrens geeignetes Systems.

Figur 6 zeigt schematisch die Herstellung eines Dorns gemäß einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens.

Figuren 7a-e zeigen Fotografien der Herstellung eines Dorns gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens.

Figuren 8a-d zeigen Verläufe der Prozessparameter als Funktion der Zeit während der Herstellung des Dorns gemäß des Ausführungsbeispiels aus den Figuren 7a-e.

Figur 9 zeigt einen Zusammenhang zwischen dem Verlauf der Laserleistung und der Schmelzbadgröße als Funktion der Zeit in der ersten Metallschicht während der Herstellung des Dorns gemäß des Ausführungsbeispiels aus den Figuren 7a-e.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER FIGUREN UND BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Im Folgenden werden Beispiele bzw. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung detailliert unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Gleiche bzw. ähnliche Elemente in den Figuren können hierbei mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sein, manchmal allerdings auch mit unterschiedlichen Bezugszeichen.

Es sei hervorgehoben, dass die vorliegende Erfindung jedoch in keiner Weise auf die im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele und deren Ausführungsmerkmale begrenzt bzw. eingeschränkt ist, sondern weiterhin Modifikationen der Ausführungsbeispiele umfasst, insbesondere diejenigen, die durch Modifikation der Merkmale der beschriebenen Beispiele bzw. durch Kombination einzelner oder mehrerer Merkmale der beschriebenen Beispiele im Rahmen des Schutzumfanges der Ansprüche umfasst sind.

Bezugnehmend auf Figur 1 ist ein Flussdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines Bauteils mit einem Kern aus reinem Kupfer oder einer Kupferlegierung mittels Pulverdüsen-Laser-Auftragschweißen gezeigt. In Schritt S101 wird zunächst ein Kernbauteil aus reinem Kupfer oder einer Kupferlegierung bereitgestellt. Wie bereits beschrieben, kann die Kupferlegierung vorzugsweise eine Kupferaluminiumlegierung mit einem Aluminiumanteil von 1 bis 10% sein, beispielsweise CuAll oder CuAllO.

In Schritt S102 wird ein schmelzbares Metallpulver bereitgestellt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann das schmelzbare Metallpulver aus Werkzeugstahl bestehen. Alternativ kann das schmelzbare Metallpulver gemäß einer überdies bevorzugten Ausführungsform auch aus einer Nickelbasislegierung bestehen.

In Schritt S104 wird schließlich das schmelzbare Metallpulver auf mindestens einen Abschnitt des Kernbauteils aufgebracht mittels Pulverdüsen-Laser- Auftragschweißen, derart, dass mehrere Metallschichten auf dem mindestens einen Abschnitt des Kernbauteils gebildet werden, wobei ein Regeln einer zum Pulverdüsen- Laser-Auftragschweißen verwendeten Laserleistung bei Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwerts aktiviert wird. Die Laserleistung kann dabei beispielsweise in einem Bereich von 100W bis 2500W, vorzugsweise 100 bis 2000W, besonders bevorzugt 100 bis 1500W geregelt werden, mit einer maximalen Regelgeschwindigkeit von 50 W/s oder mehr, vorzugsweise 100 W/s oder mehr.

Wie bereits dargelegt, ist der Beschichtungsprozess bei Volumenbauteilen aus Kupfer oder Kupferlegierungen komplex. Aus den bereits beschriebenen Gründen wird daher erstmalig eine Regelung der Laserleistung während des Pulverdüsen- Auftragschweißens eingesetzt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann der vorgegebene Grenzwert eine vorgegebene Anzahl an gebildeten Metallschichten sein, wie bereits beschrieben.

Alternativ kann der vorgegebene Grenzwert gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform auch eine Maximaltemperatur des Bauteils während des Pulverdüsen- Laser-Auftragschweißens sein. Das Verfahren kann dann das Überwachen einer Temperatur des Bauteils während des Pulverdüsen-Laser-Auftragschweißens mittels einer Wärmebildkamera umfassen.

So kann vorzugsweise mit Beginn des Pulverdüsen-Laser-Auftragschweißens eine Temperatur des Bauteils in engmaschigen Intervallen von beispielsweise ls bis 10s, in vorgegebenen Abtastraten oder auch kontinuierlich mit einer Wärmebildkamera überwacht werden. Bei Überschreiten der zuvor festgelegten Maximaltemperatur kann dann die Regelung der Laserleistung aktiviert werden. Besonders vorteilhaft ist hierzu die Wärmebildkamera mit der Steuerung des Lasers gekoppelt und die Aktivierung der Regelung erfolgt automatisch über eine Rückkoppelung des Temperaturwerts der Wärmebildkamera an die Steuerung des Lasers. So kann bei Überschreiten der vorgegebenen Maximaltemperatur beispielsweise automatisch die Laserleistung reduziert werden.

Bezugnehmend auf Figur 2 ist ein Regelkreis zur Illustration einer Regelung einer zum Pulverdüsen-Laser-Auftragschweißen verwendeten Laserleistung gemäß einer Ausführungsform gezeigt.

In Schritt S201 wird zunächst eine Ist-Schmelzbadgröße, vorzugsweise mittels einer Schmelzbadkamera, ermittelt. Die Schmelzbadkamera kann dabei beispielsweise in die Laseroptik integriert oder mit dieser gekoppelt sein.

In Schritt S202 wird dann die gemessene Ist-Schmelzbadgröße mit einer vorgegebenen Ziel-Schmelzbadgröße abgeglichen.

Anhand vorgegebener erlaubter Abweichungen, beispielsweise + 0,5 mm ² , kann dann in Schritt S203 festgestellt werden, ob ein Überschreiten oder Unterschreiten der Ziel-Schmelzbadgröße vorliegt und ob die Laserleistung entsprechend geregelt werden muss.

Liegt in Schritt S204 ein Über-/Unterschreiten vor, so wird in Schritt S205 die Regelung der Laserleistung eingeleitet. Liegt kein Über-/Unterschreiten vor, so beginnt der Zyklus von vorne.

Der beschriebene Regelkreis kann vorzugsweise automatisch über eine Rückkoppelung des mit der Schmelzbadkamera gemessenen Ist-Werts mit der Steuerung des Lasers erfolgen.

Der Zyklus kann abhängig von der Häufigkeit der Ermittlung der Ist- Schmelzbadgröße entsprechend beispielsweise engmaschig in vorgegebenen Intervallen von beispielsweise ls bis 10s durchlaufen werden.

Wie bereits dargelegt, ist die gute Wärmeleitfähigkeit von reinem Kupfer oder Kupferlegierungen ein Vorteil bei der Anwendung in Kühlkreisläufen, bietet aber einen gravierenden Nachteil in der additiven Fertigung, da auch bei der additiven Fertigung natürlich Wärme in den Kupferkern bzw. den Kupferlegierungskern abgeleitet wird. Beim Aufbringen einer ersten Metallschicht erschwert die hohe Wärmeleitfähigkeit den Schweißprozess durch die schnelle Ableitung der Wärme in das Kernbauteil aufgrund des direkten Kontakts zwischen Metallschicht und Kernbauteil. Dies kann zu einer geringen Schmelzbadstabilität führen. Bei Kupferlegierungen ist die Temperaturableitung aus dem Schmelzbad ebenfalls vorhanden, aufgrund der reduzierten Wärmeleitfähigkeit aber geringer ausgeprägt als bei reinem Kupfer.

Dieser Effekt kann das Aufbringen einer ersten Metallschicht erschweren. Um diesen Effekt zu stabilisieren, kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform das Aufbringen des schmelzbaren Metallpulvers auf den mindestens einen Abschnitt des Kernbauteils mittels Pulverdüsen-Laser-Auftragschweißen umfassen: Aufbringen einer ersten Metallschicht bei einer maximaler Laserleistung und einem geringen Pulvermassenstrom. Dies ist in Schritt S103a in Figur 3 gezeigt. Beispielsweise kann beim Aufbringen der ersten Metallschicht die maximale Laserleistung in einem Bereich von 2000W bis 2500W liegen und der Pulvermassenstrom in einem Bereich von 4 bis 6 g/min. liegen. Insbesondere bei einem Einsatz von Laserstrahlung im infraroten (IR) Bereich ist dies vorteilhaft, da reines Kupfer einen hohen Reflexionsgrad im IR-Bereich aufweist, was die Energieeinkopplung erschwert.

Alternativ kann der oben beschriebene nachteilige Effekt beim Bilden der ersten Metallschicht auch durch ein Vorheizen des Kernbauteils stabilisiert werden. Indem die Ableitung der Wärme in das Kernbauteil reduziert wird. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann das Verfahren daher zusätzlich vor dem Bilden der Metallschichten in Schritt c) umfassen: Vorheizen des Kernbauteils auf eine Vorheiztemperatur von 150°C oder höher, vorzugsweise 250°C oder höher, besonders bevorzugt 400 ° C oder höher. Dies ist in Schritt S103b in Figur 3 gezeigt.

Das Vorheizen des Kernbauteils vor dem Bilden der Metallschichten in Schritt S104 kann dabei gemäß einer bevorzugten Ausführungsform mittels Laserstrahlung, Induktion oder einem externen Ofen erfolgt. Besonders bevorzugt kann das Vorheizen mittels Laserstrahlung einer Wellenlänge im blauen bis grünen Bereich von 380 nm bis 560 nm oder einer Wellenlänge im infraroten Bereich von 780 nm bis 1400 nm erfolgen, ganz besonders bevorzugt bei 450nm oder 1030nm. Im Gegensatz zu Laserstrahlung im infraroten Bereich hat Laserstrahlung im blauen bis grünen Bereich beim Vorheizen den Vorteil, dass das Absorptionsverhalten von reinem Kupfer bei Laserstrahlung mit einer Wellenlänge im grünen bis blauen Bereich besser ist. Die Absorptionsrate liegt in diesem Fall bei 44 Prozent - verglichen mit 2 Prozent bei Infrarotlicht. Bezugnehmend auf Figur 4 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung eines Bauteils mit einem Kern aus reinem Kupfer oder einer Kupferlegierung mittels Pulverdüsen-Laser-Auftragschweißen gemäß einer Ausführungsform mit zweistufigem Metallschichtenauftrag gezeigt. Um das additive Fertigungsverfahren noch stabiler zu machen und die Produktqualität weiter zu erhöhen, kann das Aufbringen des schmelzbaren Metallpulvers auf den mindestens einen Abschnitt des Kernbauteils mittels Pulverdüsen-Laser-Auftragschweißen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform die folgenden zwei Stufen umfassen:

Stufe S104a Aufbringen einer oder mehrerer Metallschichten unter Regelung der Laserleistung bei geringem Pulvermassenstrom; und

Stufe S104b Aufbringen einer oder mehrerer weiterer Metallschichten unter Regelung der Laserleistung bei hohem Pulvermassenstrom.

In Stufe S104a liegt der Fokus dabei auf einer maximalen Aufmischung zwischen dem reinen Kupfer oder der Kupferlegierung des Kernbauteils und dem Metallpulver. Dies dient insbesondere dem Herstellen einer belastbaren stoffschlüssigen Verbindung zwischen Kernbauteil und Metallschichten. Ebenso soll, wie bereits beschrieben, die Überhitzung des Bauteils durch die Regelung vermieden werden. Hier kann die Laserleistung beispielsweise in einem Bereich von 2500W bis 100W (obere und untere Leistungsgrenze) mit einer Regelgeschwindigkeit von 50 W/s oder mehr geregelt werden und der Pulvermassenstrom kann in einem Bereich von 4 bis 6 g/min. liegen.

In Stufe S104b liegt der Fokus dann hingegen auf einem maximalen Materialauftrag, sowie ebenso auf der bereits beschriebenen Vermeidung der Überhitzung des Bauteils. Hier kann die Laserleistung beispielsweise in einem Bereich von 1500W bis 100W mit einer Regelgeschwindigkeit von 50 W/s oder mehr geregelt werden und der Pulvermassenstrom kann in einem Bereich von 8 bis 12 g/min. liegen.

In Kombination mit den Schritten S103a oder S103b aus Figur 3 kann auch ein dreistufiges Verfahren realisiert werden.

Bezugnehmend auf Figur 5 ist ein Beispiel eines zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Systems gezeigt.

Das System enthält eine Pulverdüse 2, um einen Pulvermassenstrom an schmelzbarem Metallpulver zu erzeugen. Die Pulverdüse ist als Ringspaltdüse konzipiert durch deren Mitte ein Laserstrahl 1 geführt ist. Eine Schmelzbadkamera 6 ist in eine Laseroptik integriert. Mittels eines Spiegels kann mit der Schmelzbadkamera die Größe des auf dem Kernbauteil 3 erzeugten Schmelzbads 4 während des Auftragschweißens ermittelt werden. Mit der vorhandenen Wärmebildkamera 3 kann eine Temperatur des Bauteils überwacht werden. Wie bereits beschrieben kann zum Pulverdüsen-Laser- Auftragschweißen beispielsweise ein Dioden-, CO2- oder ein Faserlaser verwendet werden. Die Wellenlänge der Laserstrahlung 1 kann im Bereich von 380 nm bis 560 nm oder im Bereich von 780 nm bis 1400 nm liegen, vorzugsweise bei 450nm oder 1030nm.

Figur 6 zeigt schematisch die Herstellung eines Dorns gemäß einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens.

In diesem Ausführungsbeispiel ist das Kernbauteil ein Stab aus reinem Kupfer. In Schritt S301 kann optional eine Pufferschicht aus einer Kupferlegierung auf mindestens einem Abschnitt des Kernbauteils aufgetragen werden, bevor die erste Metallschicht aus Werkzeugstahl in Schritt S302 gebildet wird. Die Pufferschicht kann, wie bereits beschrieben, gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform aus einer Kupferaluminiumlegierung bestehen, die 1% (CuAll) bis 10% (CuAllO) Aluminium enthält.

Wie anhand der Schritte S302 und S303 ersichtlich ist, werden in dieser Ausführungsform insgesamt mehrere Metallschichten auf dem Abschnitt des Kernbauteils gebildet, jeweils eine oder mehrere Metallschichten unterschiedlicher Größe. Die Größe der jeweils ausgebildeten Metallschicht auf dem Abschnitt des Kernbauteils kann dabei beispielsweise über eine Vorschubgeschwindigkeit, mit welcher das Kernbauteil bewegt wird, und/oder über eine Bewegung der Pulverdüse über das Kernbauteil gesteuert werden, sowie über den Pulvermassenstrom. Zusätzliche Rotation um die Längsachse ermöglicht die Ummantelung des Kernbauteils mit der jeweiligen Metallschicht.

Die gebildeten Metallschichten können, wie gezeigt, dann durch Abtrennen der Spitze in Schritt S304, Aufbau eines Deckels in Schritt S305 und Drehbearbeitung in Schritt S306 nachbearbeitet werden. Schließlich wird noch ein Kanal in das stabförmige Kernbauteil eingebohrt, um den Dorn fertigzustellen (nicht gezeigt).

Die Figuren 7a-e zeigen Fotografien der Herstellung eines entsprechenden Dorns gemäß eines Ausführungsbeispiels. Figur 7a zeigt den Kupferstab. Der Kupferstab hat einen Durchmesser von 12 mm und eine Länge von 100 mm. Der Kupferstab kann aber auch einen Durchmesser von beispielsweise 8 oder 10 mm haben. Figur 7b zeigt den Kupferstab nach der Beschichtung mit Werkzeugstahl, in Figur 7c ist die Schliffebene durch die eingezeichnete gestrichelte Linie angedeutet. Figuren 7d und e zeigen das Beispielbauteil nach der Fertigbearbeitung durch Drehen und Bohren. Im Schliffbild zu erkennen ist der stoffschlüssige Verbund von Kupferkern und Werkzeugstahl.

Die Figuren 8a bis 8d zeigen den zeitabhängigen Verlauf der Prozessparameter während des Auftragschweißens im Ausführungsbeispiel aus Figur 7. Anhand der Verläufe der zugehörigen Prozessparameter in den Figuren 8a bis d lässt sich der Effekt der hierin beschriebenen Regelung der Laserleistung erkennen. Nachfolgend sind die Eckdaten des Ausführungsbeispiels nochmals aufgeführt:

Befestigung des Kupferstabs auf einem Maschinentisch, reiner Kupferstab mit 12 mm Durchmesser und einer Länge von 100 mm;

Einschalten der Laserstrahlquelle, IR-Laser bei einer Wellenlänge im Bereich 900 1080 nm, und Einschalten des Pulverförderers zur Förderung von Werkzeugstahlpulver;

Rotatorische Bewegung des Kupferstabs und Vorheizen des Kupferstabs durch Auftrag der ersten Werkzeugstahlschicht auf einen Abschnitt des Kupferstabs bei maximaler Laserleistung von 2500 W und geringem Pulvermassenstrom von 4g/min, um ein Schichtdicke von ca. 0,3 mm zu erzeugen.

Ab Erreichen des Grenzwerts, einer Maximaltemperatur von 400 °C im Bauteil: automatische Aktivierung der Laserleistungsregelung basierend auf der folgenden Ziel- Schmelzbadgröße und den folgenden Regelungsgrenzen für die Laserleistung: o Ziel-Schmelzbadgröße: 8,6 mm ² o Regelungsgrenzen: 100 - 1500 W (Leistung, die bei der Regelung nicht unterschritten bzw. überschritten werden darf) o Max. Regelgeschwindigkeit: 100 W/s (maximal zulässige Leistungsänderung pro Zeit zur Steuerung der Reaktionszeit des Systems) Erhöhung des Pulvermassenstroms auf 8 bis 12 g/min und der Vorschubgeschwindigkeit nach Ausbildung mehrerer Metallschichten zur Erhöhung des Materialauftrags.

Figuren 8a und b zeigen die automatisch geregelte Laserleistung in Abhängigkeit der gemessenen Schmelzbadgröße als Funktion der Zeit. Die gestrichelte Linie gibt die Ziel- Schmelzbadgröße an. Man erkennt hier die Korrelation zwischen Über-/Unterschreiten der Ziel-Schmelzbadgröße und der daraus folgenden automatischen Regelung der Laserleistung.

Figuren 8c und d zeigen die gemessene Bauteiltemperatur, sowie den Pulvermassenstrom als Funktion der Zeit. Der Begriff „Lage“ entspricht dem Begriff „Schicht“. Lage 1 bedeutet also erste Metallschicht.

Figur 9 zeigt einen Zusammenhang zwischen dem Verlauf der Laserleistung und der Schmelzbadgröße als Funktion der Zeit in der ersten Metallschicht.

Stufe 1: Leistungsreglung nicht aktiv, Auftragschweißen bei maximaler Leistung — großes Schmelzbad (hier ca.17,5 mm ² ). Der Fokus liegt auf dem Vorheizen des Kernbauteils -> Erhöhung des Absorptionsgrads im Kernbauteil -> Stabilisierung des Schmelzbads

Stufe 2: Leistungsregelung aktiv bei Werkstücktemperatur von 400 °C, große Differenz zwischen Ist- und Ziel-Schmelzbadgröße — maximale Reduktion der Laserleistung (hier: 100 W/s) — Schmelzbadgröße sinkt auf Ziel-Schmelzbadgröße (8,6 mm ² , gestrichelte Linie). Verhinderung des Überhitzens des Kernbauteils durch Leistungsregelung-> Fokus auf maximaler Aufmischung zwischen Kupfer und Werkzeugstahl.

Stufe 3: Leistungsregelung aktiv, kleine Differenz zwischen Ist- und Ziel- Schmelzbadgröße — minimale Anpassung der Laserleistung. Verhinderung des Überhitzens des Kernbauteils durch Leistungsregelung -> Fokus auf maximalen Materialauftrag. BEZUGSZEICHEN

1 Laserstrahl

2 Pulverdüse

3 Kernbauteil 4 Schmelzbad

5 Wärmebildkamera

6 Schmelzbadkamera