Verfahren zur Herstellung komplexer Bauteile

Besehreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung komplexer Bauteile, insbesondere mit komplexen, innen liegenden Kavitä- ten .

In DE 100 58 748 ist ein Verfahren offenbart zur Herstellung eines Bauteils welches die Vorteile des schichtweisen Aufbaus mit den Vorteilen einer spanenden Bearbeitung vereint und insbesondere die Erzeugung scharfer Konturen ermöglicht. Das Verfahren ermöglicht es aufgrund der fehlenden Flexibilität der beiden Auftragsverfahren für Trägermaterial und Baumaterial

nicht das Baumaterial und das Trägermaterial in Kombination mit den abtragenden Bearbeitungsschritten beliebig zu kombinieren .

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, hier Abhilfe zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zur Herstellung komplexer Bauteile, insbesondere mit komplexen, innen liegenden Kavitäten, durch einen kombinierten Aufbau des Bauteils durch thermisches Spritzen und abtragende Bearbeitung, bei dem beim thermischen Spritzen Schichten aus Trägermaterial und aus Baumaterial aufgetragen werden, wobei das Trägermaterial und das Baumaterial aufgrund der ähnlichen Eigenschaften unter Verwendung des gleichen Auftragsverfahrens aufgebracht werden.

Die Besonderheit der vorliegenden Erfindung liegt somit in der Verwendung des gleichen Auftragsverfahrens für das Trägermaterial sowie das Baumaterial. Durch diese Maßnahme vereinfacht sich auch die Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens erheblich, da für beide Auftragsverfahren im Wesentlichen die gleichen Komponenten verwendet werden können.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung können bei der Erfindung die Schritte „Auftragen Baumaterial", „Auftragen Trägermaterial" und „Abtragen" beliebig miteinander kombiniert werden.

Vorzugsweise erfolgt das Abtragen durch Fräsen.

Weiterhin vorzugsweise erfolgt das Auftragen sowohl des Träger- als auch des Baumaterials durch kinetisches Kompaktieren von Metallpulver: Ein Verfahren, bei dem es sich um ein ther-

misches Spritzverfahren handelt, das insbesondere auf der hohen kinetischen Energie der Pulverpartikel basiert.

Dadurch, dass das Trägermaterial sowie das Baumaterial nicht in flüssiger, z. B. aufgelöster oder geschmolzener Form vorliegt, können die Bewegungsachsen sowohl im Bauteil als auch in der Auftragsvorrichtung liegen. Ein Bewegen des Bauteils, z. B. drehen, schwenken oder eine Linerbewegung, ist somit jederzeit möglich. Weiterhin wird das Bauteil nicht sehr heiß, was sich positiv auf die Genauigkeit, die Spannungen sowie auf die Ausgestaltung der Vorrichtung auswirkt. Dadurch, dass weder Trägermaterial noch Baumaterial in flüssiger Form vorliegen, ist auch das Vorhandensein einer Form oder einer Aussparung, in welche das Träger- bzw. Baumaterial eingefüllt werden müsste, nicht erforderlich.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung kann das Baumaterial aus einer Kombination mehrerer Werkstoffe bestehen. Da es sich beim Auftragen des Materials nicht um einen schmelzmetallurgischen Prozess handelt, kann das Baumaterial auch aus Materialienkombinationen, z. B. Stahl, Eisen, Kupfer und Aluminium, bestehen, die üblicherweise sonst nicht möglich wären.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung können Schichten der Materialien A und B - Baumaterialen - einzeln oder beliebig auf- oder nebeneinander aufgetragen und so Bereiche mit unterschiedlichen Eigenschaften geschaffen werden. Es kann z.B. das Material A über eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit verfügen während das Material B über eine besonders hohe Verschleißfestigkeit oder Härte verfügt.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung kann der Grundkörper aus kostengünstigem Material wie z.B. Eisenpulver aufgebaut und erst an den konturnahen Bereichen mit Werkzeugstahl weiter aufgebaut wird.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung können die Grenzen zwischen den einzelnen Werkstoffen des Baumaterials scharf begrenzt oder auch fließend sein. Somit muss der übergang von Material A zu Material B nicht schlagartig erfolgen, sondern kann in Form eines Gradienten z.B. mit zunehmendem Anteil des Materials B oder als Bereich mit einem festen Verhältnis der Materialien A und B erfolgen.

Durch das erfindungsgemäße Auftragsverfahren werden ferner die Nebenzeiten erheblich reduziert, da die Pulverpartikel von Baumaterial und Trägermaterial unmittelbar beim Auftreffen bereits ihren endgültigen Zustand haben und nicht z. B. erst abtrocknen oder abbinden müssen. Ferner können alle Folgeprozesse, z. B. Abkühlen des Werkstücks bis ein anderer Prozess starten kann, ohne Wartezeiten erfolgen.

Besonderer Vorteil ist ferner die einfache Verarbeitbarkeit sowie die gute Zerspanbarkeit und die gute Abformungseigen- schaft des Trägermaterials auf dem Baumaterial und umgekehrt.

Durch die gute Abformungseigenschaft können Geometrien, z. B. Hinterschneidungen im Baumaterial, als Negativabbild ins Trägermaterial eingebracht werden. Das eingebrachte Negativabbild wird dann anschließend sauber vom Baumaterial abgebildet.

Eine Besonderheit des Verfahrens besteht ferner darin, komplexe, innen liegende Geometrien herstellen zu können, welche eine spanabhebend gefertigte Oberfläche oder eine durch eine spanabhebend gefertigte Oberfläche abgebildete Oberfläche aufweisen.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der Zeichnungen.

In den Figuren sind verschiedene Verfahrensabläufe dargestellt, welche je nach Komplexität des Bauteils zu seinem Auf-

bau in der erfindungsgemäßen Art und Weise eingesetzt werden können. Die verschiedenen Verfahrensabläufe sind:

Figur 1 Störkontur

Figur 2 Kavität mit spitzem Winkel

Figur 3 Hülle

Figur 4 Scharfkantige Kontur

Figur 5 Hinterschneidungen

Figur 6 Umkehrpunkte innerhalb

Figur 7 Umkehrpunkte außerhalb

Figur 8 Bahnüberlappung

Figur 1 zeigt, dass Kombinationen der Verfahrensschritte „Auftrag Trägermaterial", „Auftrag Baumaterial" und „abtragende Bearbeitung" z. B. dann nötig sind, wenn sich benachbarte Geometrien bei der Herstellung stören würden. Eine mögliche Abfolge sieht wie folgt aus:

1. Auftragen des Baumaterials für Geometrie mit Kontur 2

2. Fräsen von Kontur 2

3. Auftragen von Trägermaterial

4. Kavität für Geometrie mit Kontur 1 fräsen

5. Kavität mit Baumaterial auffüllen

6. Planfräsen

Figur 2 zeigt, dass Kombinationen der Verfahrensschritte „Auftrag Trägermaterial", „Auftrag Baumaterial" und „abtragende Bearbeitung" z. B. dann nötig sind, wenn sich Kavitäten mit insbes. einem spitz zulaufenden Winkel nicht wirtschaftlich

oder genau herstellen lassen. Eine mögliche Abfolge sieht wie folgt aus:

1. Auftragen von Trägermaterial

2. Fräsen des Negativabbild der Kavität von Kontur 1 in das Trägermaterial

3. Auftragen des Baumaterials um das Trägermaterial

4. Planfräsen

Aufgrund der einfachen Verarbeitung des Trägermaterials kann dieses auch verwendet werden, um eine Hülle um das eigentliche Bauteil darzustellen, um einen Pyramideneffekt zu eliminieren (Figur 3) . Dies erfolgt durch schräges bzw. seitliches auftragen.

Analog zu dem in dem DE 100 58 748 Cl beschriebenen Verfahren können durch Kombination der Verfahrensschritte „Auftragen Baumaterial", „Auftragen Trägermaterial" und „abtragende Bearbeitung" beliebige Geometrien, z. B. scharfkantige Innengeometrien realisiert werden (Figur 4).

Ferner können mit dem beschriebenen Verfahren durch Kombination der Verfahrensschritte „Auftragen Baumaterial", „Auftragen Trägermaterial" und „abtragende Bearbeitung" beliebige Geometrien, z. B. Hinterschneidungen realisiert werden (Figur 5).

Um einen möglichst gleichmäßigen Materialauftrag sowie keine überhitzung aufgrund zu langsamer Bahngeschwindigkeit zu bekommen, sollte die Bahngeschwindigkeit möglichst konstant sein. Dies kann z. B. durch Bahnverrundungen oder Bahnverschleifungen erreicht werden. Somit ist es möglich, die Umkehrpunkte innerhalb des Bauteils zu legen (Figur 6) .

Wenn beim Auftragen zu viel Energie, z. B. hohe Gastemperatur oder viel kinetische Energie in das Bauteil eingebracht wird,

kann es notwendig sein, z. B. Umkehrpunkte außerhalb des Bauteils zu legen. Weitere Gründe, die Umkehrpunkte außerhalb des Bauteils zu legen, sind z. B. zu langsame Bahngeschwindigkeit aufgrund besonderer Konturen, Umkehrpunkte im Bauteil oder ü- berlappungen der Auftragsbahnen (Figur 7) .

Figur 8 zeigt eine Bahnüberlappung wodurch im und um den Umkehrpunkt mehr Material aufgetragen wird.

Die Start- und Endpunkte sollten bevorzugt außerhalb des Bauteils liegen.

Die Materialen können entweder definiert entlang einer Kontur, flächig oder auch kombiniert aufgetragen werden.

Um z. B. Kanten, Taschen oder Nuten besser auffüllen zu können, kann bei Bedarf auch schräg an den Fuß der Konturen aufgetragen werden.

Bei Bedarf kann zwischen den Schritten „Auftragen Baumaterial" oder „Auftragen Trägermaterial" oder „Abtragen" plangefräst werden. Um bei abrasiven Materialien ein Abstahlen der Kanten zu vermeiden kann mit Aufmaß gearbeitet werden. Nach Fertigstellung des Materialauftrages kann die Geometrie auf Fertigmaß bearbeitet werden.

Das Bauteil kann einer Nachbehandlung, z. B. einer Wärmebehandlung, wie Vakuumglühen unterzogen werden, wenn die mechanischen Eigenschaften des Bauteils verändert werden sollen. Um einem möglichen Verzug in Folge der Wärmebehandlung auszugleichen, kann das Bauteil an den für eine Nachbearbeitung zugänglichen Stellen, z. B. die Kavität eines Spritzgusswerkzeuges, mit einem Aufmass versehen sein, um anschließend auf Endmaß bearbeitet zu werden.

Auch andere Nachbearbeitungen, wie z. B. Beschichten, Härten, usw. und andere Nachbehandlungen, wie Wärmebehandlung unter Druck sind denkbar.

Vorzugsweise wird das thermische Spritzen unter Verwendung von Wasserdampf und/oder Stickstoff und/oder Luft durchgeführt. Als besonders geeignet hat sich als Hauptgas wasserdampf- oder sauerstoffreduzierte Luft sowie als Trägergas Sauerstoffreduzierte Luft herausgestellt. Der Sauerstoffgehalt sollte kleiner 3 % sein.

Als Trägermaterial wird vorzugsweise eine Mischung bestehend aus Magnesium mit Eisen und/oder Kupfer und/oder Nickel verwendet .

Beim thermischen Spritzen kommt es vor, dass Schichten aus Partikeln unterschiedlich hoher Festigkeit übereinander gespritzt werden müssen. Wenn Partikel mit hoher Festigkeit auf einen Untergrund mit einer vergleichweise geringen Festigkeit gespritzt werden, dringen diese harten Partikel in den relativ weichen Untergrund ein und verbinden sich fest mit dem Untergrund. Beim Auftreffen von Partikel mit einer geringeren Festigkeit als der Untergrund wird der Untergrund dagegen nur gering verformt. Dies hat zur Folge, dass sich die Partikel mit der geringeren Festigkeit nur schlecht mit dem Untergrund verbinden und deshalb keine ausreichende Anbindung oder Verankerung in dem Untergrund finden.

Dies kann dadurch umgangen werden, dass die erste Schicht vor dem Auftragen der weiteren Schicht zumindest bereichsweise derart vorbehandelt wird, dass eine ausreichende Haftung zwischen der ersten und der weiteren Schicht sichergestellt ist.

Infolge dieses Verfahrens kann gewährleistet werden, dass die weitere Schicht auch dann ausreichend fest auf der ersten

Schicht haftet, wenn die Partikel der weiteren Schicht weicher sind als die Partikel der ersten Schicht.

Die Vorbehandlung der ersten Schicht kann durch Strahlen oder Plasma erfolgen, wodurch die Oberfläche der ersten Schicht aktiviert oder aufgeraut wird.

Besonders effektiv lässt sich dies realisieren, wenn die Schichten zur Haftverbesserung zumindest teilweise stufenförmig aufbereitet wird. Durch dieses stufenförmige Bearbeitung der Schicht kann auch eine Haftverbesserung an schrägen Flächen erreicht werden.

Um Geometriefehler insbes. an gekrümmten Bereich zu minimieren, können die Stufen unterschiedlich hoch ausgebildet werden.

Eine Haftverbesserung auf Flächen und insbesonders in Kavitä- ten sowie sonstigen Geometrien lässt sich auch dadurch erzielen, dass vor dem Auftragen der weiteren Schicht eine Zwischenschicht auf die erste Schicht aufgebracht wird, welche besser in der ersten Schicht verankert ist und der weiteren Schicht wiederum eine bessere Anbindung ermöglicht.

Die Zwischenschicht kann aus dem gleichen oder einem anderen Material als die erste Schicht bestehen. Insbesondere hinsichtlich Körngröße, Härte, Legierungszusammensetzung usw. kann sich die Zwischenschicht von der ersten Schicht unterscheiden.

Bevorzugt besteht die Zwischenschicht aus Partikel die sich gut in dem Untergrund verankern können

Beim thermischen Spritzen werden üblicherweise Schichten mit einer Dicke von wenigen 1/10 mm bis zu maximal einigen Millimetern übereinander gespritzt. Bei dicken Schichten wird z. B. die Oberfläche ungleichmäßig, oder die Eigenspannungen werden

zu groß. Deshalb muss die Oberfläche vor dem Auftragen der nächsten Schicht bearbeitet und insbesondere niveliert werden.

Dieses Glätten kann z. B. durch ein spanabhebendes Bearbeitungsverfahren erfolgen.

Wenn jedoch eine metallische Schicht spanabhebend bearbeitet wird, kann je nach Werkstoff oder Materialpaarung die Anbindung der nächsten Schicht problematisch sein. Bekannt ist, dass ein Partikel mit einer hohen Festigkeit in einen Untergrund mit einer vergleichsweise geringen Festigkeit eindringt und somit gut auf dem Untergrund haftet. Beim Auftreffen eines Partikels mit geringerer Festigkeit als der Untergrund wird der Untergrund jedoch nur gering verformt, was eine schlechte Haftung der nachfolgenden Schicht auf dem Untergrund zur Folge hat.

Wenn der Untergrund mit einem spanabhebenden Bearbeitungswerkzeug bearbeitet wird, um eine glatte Oberfläche zu erzeugen, kann das Schneidwerkzeug die Oberfläche verdichten, wenn es z. B. durch Verschleiß oder aufgrund der verwendeten Schneidengeometrie nicht scharf schneidet. Eine verdichtete Oberfläche ist im Mikroschliff daran zu erkennen, dass die Partikel des Untergrundes verformt bzw. verschmiert sind. Diese verdichtete Zone kann zwischen wenigen Mikrometern bis zu einigen zehntel Millimeter dick sein und verhindert eine gute Haftung der nachfolgenden Schicht insbesondere dann, wenn die nachfolgende Schicht aus Partikeln besteht, die die gleiche oder eine geringere Festigkeit aufweisen, als die Partikel der verdichteten Zone.

Die Verdichtung der Oberfläche ist im Wesentlichen unabhängig von der Bearbeitungsart und tritt bei spanabhebenden Bearbeitungsvorgängen wie Schleifen, Fräsen, Drehen usw. gleichermaßen auf.

Dies lässt sich dadurch umgehen, wenn die Nachbearbeitung ohne ein Verdichten des Untergrundes erfolgt.

Dies hat den Vorteil, dass die Partikel der nachfolgend aufgebrachten Schicht gut auf dem Untergrund haften kann, da dieser bei der Nachbearbeitung nicht verdichtet wird.

Eine Nachbearbeitung ohne Verdichtung des Untergrundes kann auf verschiedene Art und Weise erfolgen z. B. mit sehr scharfen Werkzeugen oder mit Werkzeuge mit einer geeigneten Schneidengeometrie.

Besonders einfach lässt sich dies realisieren, wenn die Nachbearbeitung in zwei Schritten erfolgt, wobei in dem ersten Schritt eine Grob- und in dem zweiten Schritt eine Feinbearbeitung erfolgt.

Zur Nachbearbeitung eignen sich insbesondere spanabhebende Bearbeitungsvorgänge, wie z. B. Fräsen, Drehen, Schleifen usw.

Besonders einfach gestaltet sich die Nachbearbeitung, wenn der Fräsvorgang in zwei Schritten erfolgt, wobei im ersten Schritt ein Schruppwerkzeug verwendet wird, das insbesondere die raue Spritzkontur entfernt. Im zweiten Schritt wird ein scharfes Schlichtwerkzeug verwendet, wodurch vorrangig die Verdichtung der Oberfläche vermieden wird.

Eine weitere Möglichkeit zur Vermeidung einer Verdichtung stellt das Anstellen des Schneidwerkzeuges in einem Winkel zur Bearbeitungsrichtung (positives oder negatives Sturzfräsen) dar. Dabei ist wesentlich, dass die abgehobene Schneide des Werkzeuges die bearbeitete Oberfläche nicht mehr berührt.

Vorteilhaft ist weiterhin eine Bearbeitung bei der sich entweder Schneidwerkzeug oder Werkstück oder beide gleichzeitig bewegen, wobei je nach Art des Grundmaterials und des Bearbei-

tungsvorgangs z.B. Fräsen oder Schlichten Gegenlauf oder Gleichlauf vorzuziehen ist.

Einen weiteren wesentlichen Verdichtungsfaktor stellt der laufende Verschleiß des Werkzeuges dar. Maßgeblich hierfür ist die Kontaktzeit, in der die Schneide mit dem jeweiligen Oberflächenelement in direktem Kontakt steht. Diese kann durch kleine überlappung und Erhöhung des Vorschubes verringert werden.

Weiterhin kann der laufende Verschleiß durch die Verwendung von Fräswerkzeugen mit extrem kurzer Schneidenlänge vermieden werden. Aufgrund von deren Steifigkeit können Schneidwerkstoffe, Schneidengeometrien und Schneidenbeschichtungen eingesetzt werden, die bei Werkzeugen mit langer Schneidenlänge nicht möglich sind.

Bei Bedarf besteht die Möglichkeit, etwas tiefer zu Fräsen, um den nachteiligen Effekt des Fräsereckenradius oder einer Fase (definierter Eckenradius, Fase oder durch Verschleiß entstandene Kontur) zu reduzieren, sowie Problemen, z. B. Längenausdehnung oder Verschleppen von Material, vorzubeugen.

Infolge des erfindungsgemäßen Verfahrens können bereits während des Aufbaues in dem Bauteil innen liegende Konturen, wie Kühl- oder Heizkanäle vorgesehen werden. Vorgefertigte Einlegeteile aus beliebigen Materialien können während des Aufbaus ebenfalls integriert werden.

Alle oben beschriebenen Komponenten können auch in Alleinstellung oder in beliebiger Kombination in anderen Herstellungsverfahren von metallischen oder Verbundbauteilen zur Anwendung kommen.