Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer Schicht, insbesondere zur Beschichtung und/oder zur Herstellung eines Bauteils, ein Fertigungssystem und ein Bauteil.

Das Beschichten mit korrosions- und/oder verschleißbeständigen Materialien gehört zu den Verfahren zur Funktionalisierung und zur Erhöhung der Lebensdauer eines Bauteils. Das Auftragschweißen ist beispielsweise ein in der Industrie häufig eingesetztes Verfahren zum Beschichten. Bei dem Auftragschweißen werden sowohl ein Grundwerkstoff als auch ein Zusatzwerkstoff an- bzw. aufgeschmolzen, sodass nach dem Erstarren eine mit dem Grundwerkstoff stoffschlüssig verbundene Schicht entsteht.

Mit der Erzeugung mehrerer übereinander angeordneter Schichten kann ein zumindest teilweise generativ hergestelltes Bauteil erzeugt werden. Darüber hinaus kann durch das Hinzufügen einer Schicht die Kontur und/oder die Funktion eines Bauteils wiederhergestellt werden, sodass dieses Verfahren auch zum Reparaturschweißen eingesetzt wird.

Der Zusatzwerkstoff kann als Pulver, Draht und/oder als Band verarbeitet werden. Ein Nachteil der bekannten Verfahren zur Erzeugung einer Schicht ist, dass die erzielbaren Auftragsraten deutlich hinter den Zeitspanvolumina moderner Fräsprozesse Zurückbleiben. Im Vergleich zu derzeitigen Drehprozessen ist dieser Nachteil noch stärker ausgeprägt, da diese höhere Zeitspanvolumina als Fräsprozesse aufweisen. Insbesondere für rotationssymmetrische Bauteile besteht derzeit kein schweiß- und/oder laserbasiertes Verfahren, das einen zeit- und kosteneffizienten Auftrag von dickeren Schichten oder eine entsprechende additive Fertigung ermöglicht. Insbesondere bei Produktionsketten, in denen ab- und auftragende Verfahren miteinander getaktet werden, ist deren Kopplung kritisch.

Die Beschichtung und/oder der generative Aufbau von Bauteilen kann mittels unterschiedlicher Verfahren erfolgen. Mögliche Verfahren sind beispielsweise das Flammspritzen, das Kaltgasspritzen, das Lichtbogenschweißen, das Plasma- Pulver-Auftragschweißen, das Plasmaspritzen sowie ausgewählte Laserverfahren. Bei pulverförmigen Zusatzwerkstoffen kann die Bearbeitungsfläche mit vergleichsweise geringem Aufwand erweitert werden, indem die Düse und der Brennfleckdurchmesser vergrößert wird. Alternativ kann eine Beschleunigung des Bearbeitungsprozesses durch eine Erhöhung der Relativbewegung erreicht werden.

Durch diese Verfahren können jedoch lediglich dünne Schichten konturnah erzeugt werden. Dicke Schichten, insbesondere Panzerschichten oder Absätze, sind hiermit üblicherweise nicht herstellbar. Darüber hinaus weisen pulverbasierte Verfahren oftmals eine geringere Materialeffizienz auf, da ein Teil des zugeführten Pulvers nicht für den Aufbau der Schichten verwendet wird. Die Ursache hierfür liegt darin, dass sich einige Pulverpartikel ungebunden am Bauteil und/oder an der Maschine absetzen. Darüber hinaus können pulverbasierte Verfahren gesundheitsgefährdend sein.

Steigerungen der Auftragsraten bei drahtbasierten Verfahren werden im Allgemeinen durch die Verwendung mehrerer Drähte erreicht. Alternativ ist eine Steigerung der Zuführgeschwindigkeit des bzw. der Drähte möglich. Diese Möglichkeiten zur Steigerung der Auftragsraten sind jedoch mit dem Nachteil verbunden, dass diese zu Prozessinstabilitäten führen. Um diese Prozessinstabilitäten durch die Drahtzuführung bei hohen Auftragsraten zu reduzieren, werden zusätzliche Energiequellen eingesetzt. Der Draht wird zum Beispiel induktiv vorgewärmt oder ein Teil der Schmelzleistung wird über ein Lichtbogen-Schweißverfahren bereitgestellt. Diese Hybridverfahren werden zwar häufig als eine Kombination der positiven Eigenschaften beschrieben, jedoch handelt es sich vielmehr um einen Kompromiss zwischen exakter Steuerbarkeit, den höheren Kosten der Laservorrichtung und der kostengünstigen Energiebereitstellung der zusätzlichen Energiequellen.

Die DE 26 05 841 A1 lehrt beispielsweise ein Verfahren, bei dem ein Draht um eine Welle gewickelt wird und fortlaufend mit der Welle verschweißt wird. Aufgrund der elastischen Eigenschaften des Drahtes führt die Anordnung des Drahtes an der Welle jedoch zu einem Spiel, insbesondere weil aufgrund der elastischen Eigenschaften des Drahtes lediglich eine Spielpassung ausbildbar ist. Somit sitzt der Draht nicht fest auf der Welle und kann sich weiterhin verschieben. Darüber hinaus ist dieses Verfahren für heutige Anwendungen zur Beschichtung und/oder zur Herstellung generativer Bauteile nicht geeignet, da die Drahtzufuhr und das Verschweißen an einer einzelnen Bearbeitungsmaschine erfolgen muss. Die Effizienz des Verfahrens ist daher gering und aufgrund der Spielpassung ist die herzustellende Qualität nicht mit heutigen Anforderungen vereinbar.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer Schicht, insbesondere zur Beschichtung und/oder zur Herstellung eines Bauteils, ein Fertigungssystem und ein Bauteil bereitzustellen, die einen oder mehrere der genannten Nachteile vermindern oder beseitigen. Es ist insbesondere eine Aufgabe der Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, die ein Erzeugen einer Schicht und/oder ein Herstellen eines Bauteils mit verbesserter Prozesssicherheit und/oder einer gesteigerten Auftragsrate ermöglicht.

Gemäß einem ersten Aspekt wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Erzeugung einer Schicht, insbesondere zur Beschichtung und/oder zur Herstellung eines Bauteils, umfassend die Schritte: Anordnen eines vorgeformten Schmelzkörpers an einem Grundkörper und Aufschmelzen des vorgeformten Schmelzkörpers, um eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Grundkörper und dem vorgeformten Schmelzkörper auszubilden.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Komplexität bekannter drahtbasierter Verfahren eine Prozessgrenze definiert, die lediglich durch einen hohen technischen Aufwand verschoben werden kann. Das im Vorherigen beschriebene Verfahren reduziert die Prozesskomplexität gegenüber bekannten Verfahren. Dies ist insbesondere darin begründet, dass keine Drahtzufuhr geregelt werden muss und infolgedessen weniger Prozessfehler entstehen können. Insbesondere bei dem Versuch, höhere Auftragsraten mit drahtbasierten Verfahren zu realisieren, hat sich gezeigt, dass eine angemessene Prozessqualität oftmals nicht erreichbar war. Mit dem im Vorherigen beschriebenen Verfahren ist eine hohe Prozessqualität durch die geringe Prozesskomplexität möglich, insbesondere können auch mehrere nebeneinander angeordnete Drähte, die beispielsweise von dem vorgeformten Schmelzkörper umfasst werden, aufgeschmolzen werden.

Der Erfindung liegt ferner die Erkenntnis zugrunde, dass die Zusatzwerkstoffbereitstellung von dem Aufschmelzprozess entkoppelt werden kann. Das Anordnen des vorgeformten Schmelzkörpers an dem Grundkörper kann vollständig unabhängig von dem Aufschmelzen des vorgeformten Schmelzkörpers durchgeführt werden. Das Anordnen des vorgeformten Schmelzkörpers an den Grundkörper kann somit als ein Rüstprozess verstanden werden. Der anschließende Aufschmelzprozess ist von diesem Rüstprozess unabhängig. Somit kann die oftmals kostenintensive Anlage zum Aufschmelzen vollständig zum Aufschmelzen des vorgeformten Schmelzkörpers verwendet werden, ohne dass dort Rüstzeiten, insbesondere in Form einer Anordnung des vorgeformten Schmelzkörpers an dem Grundkörper, entstehen.

Der Erfindung liegt darüber hinaus die Erkenntnis zugrunde, dass mit dem im Vorherigen beschriebenen Verfahren signifikant höhere Auftragsraten erzielt werden können. Das Laserauftragschweißen kann beispielsweise eine Auftragsrate von 2 kg/h aufweisen. Ferner können mit pulverbasierten Verfahren beispielsweise Auftragsraten von bis zu 14 kg/h realisiert werden. Mittels eines Laserspritzprozesses kann beispielsweise eine Auftragsrate von 0,5 - 1 ,5 kg/h erreicht werden. Die Erfinder haben herausgefunden, dass mit dem im Vorherigen beschriebenen Verfahren eine Auftragsrate von bis zu 20 kg/h möglich ist. Im Vergleich zu derzeitig eingesetzten pulverbasierten Verfahren können ca. 1 ,5-fache Auftragsraten erzielt werden. Im Vergleich zu bisher verfügbaren drahtbasierten Prozessen ist die 7-fache Auftragsrate möglich.

Eine weitere Erkenntnis liegt darin, dass die Anlagenkosten nicht wesentlich gesteigert werden. Es hat sich herausgestellt, dass für das Aufschmelzen des vorgeformten Schmelzkörpers keine hohe Strahlqualität erforderlich ist. Die vergleichsweise geringere Strahlqualität ist ausreichend, da keine Tiefschweißeffekte, deren Erzeugung eine lokal stark fokussierte Energie mit guter Strahlqualität erfordert, bewirkt werden müssen. Folglich ist lediglich ein vergleichsweise großer Brennfleck erforderlich, wie er beispielsweise bei dem Wärmeleitungsschweißen eingesetzt wird.

Der vorgeformte Schmelzkörper kann unterschiedlich ausgebildet sein. Insbesondere kann der Schmelzkörper als eine Feder, ein Drahtgeflecht, eine Hülse und/oder als eine Halbschale ausgebildet sein. Es ist insbesondere bevorzugt, dass der vorgeformte Schmelzkörper dünnwandig ausgebildet ist. Dünnwandig bedeutet insbesondere, dass dieser mit einer Schmelzeinheit, insbesondere mit einer Lasereinheit, derart durchschweißbar ist, dass die stoffschlüssige Verbindung entsteht. Die stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Grundkörper und dem vorgeformten Schmelzkörper wird insbesondere durch Aufschmelzen des Schmelzkörpers und des Grundkörpers ausgebildet.

Das Verfahren ermöglicht die Einrichtung einer Taktung in der Produktion. In einem ersten Schritt kann beispielsweise der Schmelzkörper vorgeformt werden, insbesondere mit einer Federwindemaschine. In einem zweiten Schritt kann der Schmelzkörper an dem Grundkörper angeordnet werden. In einem dritten Schritt erfolgt das Aufschmelzen. Diese Schritte können teilweise parallelisiert werden und somit eine optimale Taktung der unterschiedlichen Schritte erfolgen.

Durch die Anordnung von vorgeformten Schmelzkörpern aus unterschiedlichen Materialien kann ein graduiertes Bauteil herstellbar sein. Dies kann für unterschiedliche Anwendungen von Bedeutung sein, beispielsweise kann eine Schicht für eine besondere Festigkeit des Bauteils vorgesehen sein und eine weitere, insbesondere nach außen gewandte Schicht kann zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit vorgesehen sein. Die stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Grundkörper und dem vorgeformten Schmelzkörper erfolgt vorzugsweise im Wesentlichen entlang der gesamten Fläche des Schmelzkörpers, die dem Grundkörper zugewandt ist. Im Wesentlichen bedeutet insbesondere, dass mehr als 50 %, mehr als 75 %, mehr als 90 %, mehr als 95 % und insbesondere mehr als 97,5 % der Fläche des Schmelzkörpers, die dem Grundkörper zugewandt ist, mit dem Grundkörper stoffschlüssig verbunden ist.

In einer bevorzugten Ausführungsvariante des Verfahrens ist vorgesehen, dass der vorgeformte Schmelzkörper als ein spiralförmiges Drahtelement ausgebildet ist, wobei vorzugsweise zwei oder mehr benachbarte Windungen des spiralförmigen Drahtelements aneinander anliegen. Es ist insbesondere bevorzugt, dass im Wesentlichen alle Windungen aneinander anliegen. Das spiralförmige Drahtelement kann beispielsweise eine Feder sein. Es ist insbesondere bevorzugt, dass das spiralförmige Drahtelement als Zugfederelement ausgebildet ist, nämlich derart, dass die Windungen aneinander anliegen.

Das spiralförmige Drahtelement weist vorzugsweise mehr als drei, mehr als fünf, mehr als 10 und insbesondere mehr als 20 Windungen auf. Das spiralförmige Drahtelement kann beispielsweise 18 Windungen aufweisen. Das Winden von Drähten zu Federn ist ein seit langem bekanntes Verfahren und ein prozesssicheres Verfahren. Durch diese Prozesssicherheit kann ein spiralförmiges Drahtelement mit gleichbleibenden Eigenschaften bereitgestellt werden, das einen besonders prozesssicheren Aufschmelzprozess ermöglicht.

Alternativ oder zusätzlich können die Windungen des spiralförmigen Drahtelements beabstandet voneinander sein. Mit einem derartig ausgebildeten spiralförmigen Drahtelement können beispielsweise Bohrer oder Extruderschnecken hergestellt werden. Die Abstände zwischen den Windungen können bauteilspezifisch ausgebildet sein.

Es ist darüber hinaus bevorzugt, dass der vorgeformte Schmelzkörper zwei oder mehr spiralförmige Drahtelemente aufweist, die vorzugsweise aus zwei oder mehr unterschiedlichen Materialien bestehen oder diese umfassen. Somit kann ein Feder-in-Feder Konzept bei doppelter Federsteigung realisiert werden.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsvariante des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass das Aufschmelzen mit einer Lasereinheit erfolgt. Die Lasereinheit ist insbesondere zur Erzeugung und/oder zum Emittieren eines Laserstrahls ausgebildet. Die Lasereinheit ist vorzugsweise eine fasergeführte Diodenlasereinheit. Darüber hinaus kann die Lasereinheit eine Direktstrahllasereinheit sein. Ferner kann die Lasereinheit ein Faserlaser, ein Scheibenlaser und/oder ein CO2-Laser sein. Die Lasereinheit kann auch andersartige Laserquellen aufweisen. Es ist darüber hinaus bevorzugt, dass die Lasereinheit eine Leistung von mehr als 5 kW, vorzugsweise mehr als 50 kW, insbesondere mehr als 100 kW, aufweist.

Es ist bevorzugt, dass die Lasereinheit einen runden oder rechteckigen Brennfleck erzeugt. Beispielsweise kann der runde Brennfleck einen Durchmesser von 4,6 mm aufweisen. Darüber hinaus kann die Lasereinheit eine Spotbreite von mehr als 5 mm, insbesondere von ca. 40 mm aufweisen. Ferner können auch weitere Brennfleckgeometrien eingesetzt werden, beispielsweise kann der Brennfleck ellipsenförmig ausgebildet sein oder ein temperaturoptimiertes Profil aufweisen. Eine fasergeführter Diodenlasereinheit bzw. eine Direktstrahllasereinheit können unter anderem deswegen eingesetzt werden, da das im Vorherigen beschriebene Verfahren keine hohen Anforderungen an die Strahlqualität des Laserstrahls stellt.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante des Verfahrens ist vorgesehen, dass der vorgeformte Schmelzkörper kraft- und/oder formschlüssig an dem Grundkörper angeordnet wird.

Ein kraftschlüssiges Anordnen des vorgeformten Schmelzkörpers an den Grundkörper kann beispielsweise mit einem spiralförmigen Drahtelement erfolgen. Das spiralförmige Drahtelement kann beispielsweise einen Innendurchmesser aufweisen, der geringer ist als ein Außendurchmesser des Grundkörpers, so dass eine Presspassung ausgebildet wird. Durch die Eigenschaften spiralförmiger Drahtelemente kann dieses jedoch aufgedreht werden, um den Innendurchmesser zu vergrößern, und anschließend auf den Grundkörper geschoben werden. Durch die Federkraft wird das spiralförmige Drahtelement kraftschlüssig an dem Grundkörper angeordnet. Eine formschlüssige Anordnung des vorgeformten Schmelzkörpers kann beispielsweise an einem Absatz des Grundkörpers erfolgen.

Es ist darüber hinaus bevorzugt, dass der vorgeformte Schmelzkörper umfangsseitig an dem Grundkörper angeordnet wird. Eine umfangsseitige Anordnung des vorgeformten Schmelzkörpers an dem Grundkörper bedeutet insbesondere, dass der vorgeformte Schmelzkörper entlang eines Außenumfangs und/oder eines Innenumfangs des Grundkörpers angeordnet wird. Beispielsweise erfolgt die Beschichtung von Wellen üblicherweise an einer Außenumfangsfläche. Darüber hinaus kann das Anordnen an einem Innenumfang eines Rohres bevorzugt sein, um dieses mittels einer Innenbeschichtung gegen Korrosion zu schützen.

Eine weitere bevorzugte Fortbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass durch den vorgeformten Schmelzkörper hindurchgeschweißt wird, so dass der Grundkörper zumindest abschnittsweise aufgeschmolzen wird. Das abschnittsweise Aufschmelzen des Grundkörpers betrifft insbesondere ein oberflächennahes Aufschmelzen.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsvariante des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass der Grundkörper mit dem vorgeformten Schmelzkörper während des Aufschmelzens gedreht wird. Die Drehung des Grundkörpers erfolgt vorzugsweise um eine Längsachse und/oder um eine Symmetrieachse des Grundkörpers. Durch ein Drehen des Grundkörpers mit dem vorgeformten Schmelzkörper wird der Prozess weiter vereinfacht. Der Laserstrahl muss so lediglich entlang der Längsachse bzw. der Symmetrieachse des Grundkörpers und/oder des Schmelzkörpers entlanggeführt werden. Der radiale Vorschub wird insbesondere durch die Drehbewegung bewirkt.

Es ist darüber hinaus bevorzugt, dass eine Vorschubrichtung im Wesentlichen parallel zu der Längsachse und/oder zu der Symmetrieachse des Grundkörpers ausgerichtet ist. Die Vorschubrichtung betrifft insbesondere den Vorschub der Schmelzeinheit, insbesondere des Laserstrahls und/oder der Lasereinheit. Darüber hinaus kann der Vorschub auch durch das Bauteil bewirkt werden. Die Längsachse und/oder die Symmetrieachse des Grundkörpers ist vorzugsweise koaxial zu einer Längsachse bzw. Symmetrieachse des Schmelzkörpers ausgerichtet.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsvariante des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass das Aufschmelzen mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 500 mm/min bis 2000 mm/min, insbesondere mit 700 mm/min bis 900 mm/min, erfolgt. Die Vorschubgeschwindigkeit kann von der Schmelzeinheit, insbesondere der Lasereinheit und/oder dem Bauteil realisiert werden. Die Vorschubgeschwindigkeit ist vorzugsweise parallel zur im Vorherigen beschriebenen Vorschubrichtung gerichtet.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsvariante des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass der vorgeformte Schmelzkörper eine zu einer Außenumfangskontur des Rundkörpers korrespondierende Innenumfangskontur aufweist, und/oder der vorgeformte Schmelzkörper eine zu der Innenumfangskontur des Grundkörpers korrespondierende Außenumfangskontur aufweist.

Es ist insbesondere bevorzugt, dass die Außenumfangskontur und/oder die Innenumfangskontur des Grundkörpers rotationssymmetrisch ausgebildet ist. Rotationssymmetrisch bedeutet insbesondere radialsymmetrisch.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsvariante des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass der Grundkörper eine runde Außenumfangskontur aufweist. Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass der vorgeformte Schmelzkörper eine runde Innenumfangskontur aufweist. Eine runde Außenumfangskontur des Grundkörpers kann beispielsweise bedeuten, dass der Grundkörper einen Querschnitt aufweist, der rund ist. Dieser Querschnitt weist insbesondere eine Querschnittsflächenorthogonale auf, die parallel zur Längsachse und/oder zur Symmetrieachse des Grundkörpers ausgerichtet ist. Durch eine runde Außenumfangskontur des Grundkörpers und eine runde Innenumfangskontur des vorgeformten Schmelzkörpers mit korrespondierenden Erstreckungen, insbesondere Durchmessern, wird das Anordnen des vorgeformten Schmelzkörpers an dem Außenumfang des Grundkörpers in vorteilhafter Weise ermöglicht. Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass der vorgeformte Schmelzkörper, insbesondere das spiralförmige Drahtelement, aus einem metallischen Material besteht oder ein metallisches Material umfasst. Das metallische Material kann beispielsweise Stahl, eine Nickelbasislegierung, Titan, Kupfer, eine Cobaltbasislegierung und/oder Aluminium sein oder umfassen. Der vorgeformte Schmelzkörper, insbesondere das spiralförmige Drahtelement, kann darüber hinaus auch aus weiteren schmelzbaren Materialien bestehen oder diese umfassen, beispielsweise Kunststoff.

In einerweiteren bevorzugten Fortbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der vorgeformte Schmelzkörper eine Stärke von 0,1 mm bis 5 mm, insbesondere von 1 mm bis 2 mm, aufweist. Darüber hinaus kann das spiralförmige Drahtelement einen Durchmesser von 5 mm bis 1000 mm, vorzugsweise 20 mm bis 100 mm, insbesondere 30 mm bis 40 mm aufweisen.

Darüber hinaus kann es bevorzugt sein, dass ein Draht des spiralförmigen Drahtelements einen runden, ovalen, dreieckigen, viereckigen und/oder polygonalen Querschnitt aufweist. Der Draht kann beispielsweise eine Stärke von 0,1 mm bis 5 mm, insbesondere von 1 mm bis 2 mm, aufweisen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante des Verfahrens ist vorgesehen, dass der vorgeformte Schmelzkörper ein erstes Drahtelement und ein zweites Drahtelement aufweist, wobei das erste Drahtelement und das zweite Drahtelement aus unterschiedlichen Materialien ausgebildet sind oder unterschiedliche Materialien aufweisen.

In einer weiteren bevorzugten Fortbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass das Anordnen des vorgeformten Schmelzkörpers ortsunabhängig von dem Aufschmelzen des vorgeformten Schmelzkörpers erfolgt. Es ist ferner bevorzugt, dass das Anordnen des vorgeformten Schmelzkörpers in einem ersten Bearbeitungsschritt und das Aufschmelzen in einem von dem ersten Bearbeitungsschritt verschiedenen, zweiten Bearbeitungsschritt erfolgt.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante des Verfahrens umfasst dieses den Schritt: Überprüfen der Anordnung des vorgeformten Schmelzkörpers an dem Grundkörper vor dem Aufschmelzen. Das Überprüfen der Anordnung kann beispielsweise mittels eines 3D-Scanprozesses erfolgen. Insbesondere wird die relative Position des Schmelzkörpers an dem Grundkörper überprüft. Beispielsweise kann dies durch die Beabstandung eines Referenzpunktes des Schmelzkörpers von einer Referenzposition des Grundkörpers, beispielsweise einem ersten und/oder zweiten Ende des Grundkörpers erfolgen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante des Verfahrens umfasst dieses den Schritt: Wärmebehandeln des Grundkörpers mit dem angeordneten und vorgeformten Schmelzkörper vor dem Aufschmelzen. Dadurch werden thermische Spannungen reduziert, insbesondere des Grundkörpers und/oder des vorgeformten Schmelzkörpers. Darüber hinaus wird die erforderliche Schmelzleistung, insbesondere Laserleistung, zum Aufschmelzen des vorgeformten Schmelzkörpers durch die Wärmebehandlung reduziert.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante des Verfahrens ist vorgesehen, dass dieses den Schritt umfasst: Anordnen eines zweiten und/oder weiteren vorgeformten Schmelzkörpers an dem aufgeschmolzenen vorgeformten Schmelzkörper zur Herstellung eines zumindest teilweise generativ hergestellten Bauteils. Es ist darüber hinaus bevorzugt, dass das Verfahren den Schritt umfasst: Aufschmelzen des zweiten und/oder weiteren vorgeformten Schmelzkörpers, um eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Grundkörper und/oder dem vorgeformten Schmelzkörper und dem zweiten und/oder weiteren vorgeformten Schmelzkörper auszubilden. Bei der Anordnung des zweiten und/oder weiteren vorgeformten Schmelzkörpers ist es bevorzugt, dass der zuvor angeordnete und aufgeschmolzene vorgeformte Schmelzkörper erstarrt ist.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch ein Fertigungssystem, das eingerichtet ist, ein Verfahren nach einer der im Vorherigen beschriebenen Ausführungsvarianten auszuführen. Das Fertigungssystem umfasst vorzugsweise eine erste Bearbeitungseinheit, die angeordnet und ausgebildet ist, um einen vorgeformten Schmelzkörper, insbesondere ein spiralförmiges Drahtelement, herzustellen. Darüber hinaus kann das Fertigungssystem eine zweite Bearbeitungseinheit umfassen, die angeordnet und ausgebildet ist, um den vorgeformten Schmelzkörper an einem Grundkörper anzuordnen. Darüber hinaus kann das Fertigungssystem eine dritte Bearbeitungseinheit umfassen, die angeordnet und ausgebildet ist, um den vorgeformten Schmelzkörper aufzuschmelzen, um eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Grundkörper und dem vorgeformten Schmelzkörper auszubilden. Es ist insbesondere bevorzugt, dass das Fertigungssystem die zweite Bearbeitungseinheit und die dritte Bearbeitungseinheit umfasst. Die erste Bearbeitungseinheit kann darüber hinaus auch vorgesehen sein. Alternativ zur ersten Bearbeitungseinheit können die vorgeformten Schmelzkörper auch anderweitig bereitgestellt werden, beispielsweise von einem externen Lieferanten.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch ein Bauteil, erhältlich durch ein Verfahren nach einer der im Vorherigen beschriebenen Ausführungsvarianten.

Das durch das Verfahren nach dem ersten Aspekt erhaltene Bauteil unterscheidet sich von konventionell beschichteten Bauteilen. Mittels metallographischen Untersuchungen können Mikrostrukturen und chemische Phasen in einem Grenzabschnitt angrenzend an eine Kontaktfläche zwischen dem Grundkörper und dem vorgeformten Schmelzkörper untersucht werden. In dem Grenzabschnitt tritt bei dem Bauteil gemäß dem weiteren Aspekt eine chemische Durchmischung der Materialien des Grundkörpers und des vorgeformten Schmelzkörpers auf, die eine metallurgische Verbindung bewirkt. Die chemische Durchmischung kann beispielsweise mittels einer energiedispersiven Röntgenspektroskopie, auch EDX- Analyse genannt, nachgewiesen werden.

Bei Verfahren zur galvanischen Beschichtung oder zur Beschichtung aus der Gasphase, wie PVD oder CVD, entstehen keine metallurgischen Verbindungen und der Grundkörper wird im Wesentlichen nicht thermisch beeinflusst. Im Vergleich zu anderen Schweißverfahren besteht der Unterschied unter anderem darin, dass bei dem Bauteil gemäß dem weiteren Aspekt ein geradliniger und homogener Grenzabschnitt ausgebildet wird, wobei die Wärmeeinflusszone vergleichsweise klein ist.

Schliffbilder von Bauteilen, die mit konventionellen Auftragsschweißverfahren hergestellt sind, zeigen üblicherweise, dass die Schicht aus mehreren aneinander liegenden Schweißraupen ausgebildet ist. Der Verlauf der Grenz- und Wärmeeinflusszone im Grenzabschnitt ist bei solchen Bauteilen in der Regel wellenförmig ausgebildet und die Wärmeeinflusszone ist vergleichsweise groß. Darüber hinaus führt die Herstellung von nebeneinander angeordneten Schweißraupen zu einem erneuten Anschmelzen und/oder Anlassen der benachbarten, bereits hergestellten Schweißraupe. Dadurch entstehen in einem Abschnitt zwischen zwei benachbarten Schweißraupen Gefügemodifikationen, die durch Ätzen eines metallographischen Schliffes oder durch energiedispersive Röntgenspektroskopie analysierbar sind. Im Gegensatz hierzu zeichnet sich das Bauteil nach dem weiteren Aspekt durch ein homogenes Gefüge aus.

Für weitere Vorteile, Ausführungsvarianten und Ausführungsdetails der weiteren Aspekte und ihrer möglichen Fortbildungen wird auch auf die zuvor erfolgte Beschreibung zu den entsprechenden Merkmalen und Fortbildungen des Verfahrens verwiesen. Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden exemplarisch anhand der beiliegenden Figuren erläutert. Es zeigen:

Figur 1 : schematische, zweidimensionale Ansichten beispielhafter

Ausführungsformen eines Grundkörpers und eines vorgeformten Schmelzkörpers;

Figur 2: eine schematische, zweidimensionale Ansicht eines beispielhaften Verfahrensaufbaus zum Aufschmelzen eines vorgeformten Schmelzkörpers;

Figur 3: eine weitere schematische, zweidimensionale Ansicht des in

Figur 2 gezeigten Aufbaus;

Figur 4: eine schematische Ansicht von Bearbeitungseinheiten;

Figur 5: ein schematisches Verfahren.

In den Figuren sind gleiche oder im Wesentlichen funktionsgleiche bzw. -ähnliche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

In Figur 1 ist ein vorgeformter Schmelzkörper 100 gezeigt, der als spiralförmiges Drahtelement 101 ausgebildet ist. Der vorgeformte Schmelzkörper 100 erstreckt sich von einem ersten Schmelzkörperende 102 zu einem zweiten Schmelzkörperende 104. Angrenzend an das erste Schmelzkörperende 102 ist eine erste Windung 106 vorgesehen. Angrenzend an das zweite Schmelzkörperende 104 ist eine zweite Windung 108 vorgesehen. Zwischen der ersten Windung 106 und der zweiten Windung 108 sind eine Vielzahl weiterer Windungen 110 vorgesehen. Die Windungen 106, 108, 110 liegen aneinander an. Aneinander anliegend bedeutet insbesondere, dass zwischen zwei benachbarten Windungen kein Abstand besteht. Alternativ oder ergänzend besteht die Möglichkeit, dass die Windungen 106, 108, 110 voneinander beabstandet sind.

Der vorgeformte Schmelzkörper 100 kann beispielsweise auch als eine Hülse ausgebildet sein. Diese kann beispielsweise durch eine entsprechende Innenumfangskontur kraftschlüssig an den Grundkörper 200 angeordnet werden. Weitere Geometrien des vorgeformten Schmelzkörpers wurden im Vorherigen bereits erläutert.

Der ebenfalls in Figur 1 gezeigte Grundkörper 200 erstreckt sich von einem ersten Grundkörperende 202 hin zu einem zweiten Grundkörperende 204. Angrenzend an das erste Grundkörperende 202 ist ein Beschichtungsabschnitt 206 vorgesehen. Der Beschichtungsabschnitt 206 soll mit dem Verfahren beschichtet werden. Darüber hinaus weist der Grundkörper 200 in einem Abschnitt angrenzend an das zweite Grundkörperende 204 ein Gewinde 208 auf. Der Grundkörper 200 ist als ein rotationssymmetrisches Bauteil ausgebildet, mit einer Längsachse 210, die auch als Symmetrieachse 212 wirkt. Ferner ist in Figur 1 ein Dorn 10 gezeigt, der zum Einspannen des Grundkörpers 200 in eine Drehmaschine vorgesehen ist. Der Dorn 10 ist insbesondere Teil der Drehmaschine und üblicherweise nicht Teil des Grundkörpers 200.

In Figur 2 ist der vorgeformte Schmelzkörper 100 an dem Grundkörper 200 angeordnet. Der vorgeformte Schmelzkörper 100 wird mittels eines Laserstrahls 2 einer Lasereinheit 1 aufgeschmolzen. Die Lasereinheit 1 wird parallel zur Längsachse 210 des Grundkörpers 200 in Vorschubrichtung 4 bewegt. Durch die Bewegung der Lasereinheit 1 in Vorschubrichtung 4 wird der Laserstrahl sukzessive von dem ersten Schmelzkörperende 102 hin zum zweiten Schmelzkörperende 104 bewegt. Infolgedessen ist die erste Windung 106 und weitere der ersten Windung 106 zugewandte Windungen bereits aufgeschmolzen, die daher in der Figur 2 als Schmelzabschnitt 112 dargestellt sind. Die ursprüngliche Struktur mit Windungen ist durch das Aufschmelzen beseitigt worden. Während die Lasereinheit 1 in Vorschubrichtung 4 bewegt wird, rotiert der Grundkörper 200 mit dem vorgeformten Schmelzkörper 100 um die Längsachse 210 mit einer Drehzahl.

Die Drehzahl ist abhängig von dem Durchmesser des Grundkörpers 200, der Brennfleckgröße und der Laserleistung der Lasereinheit 1. Beispielsweise kann die Drehzahl zwischen einer Umdrehung pro Minute und 20 Umdrehungen pro Minute liegen. Die resultierende Vorschubgeschwindigkeit kann beispielsweise 500 mm/min bis 2000 mm/min, insbesondere 700 mm/min bis 900 mm/min, betragen.

Durch das stoffschlüssige Verbinden des Schmelzkörpers 100 mit dem Grundkörper 200 wird das Bauteil 400 ausgebildet.

In der Figur 3 ist eine weitere Ansicht des in Figur 2 gezeigten Aufbaus gezeigt. Die Längsachse 210 des Grundkörpers 200 steht in der Figur 3 senkrecht in der Bildebene. Insbesondere ist gezeigt, dass der Grundkörper 200 eine runde Außenkontur aufweist. Darüber hinaus ist gezeigt, dass der vorgeformte Schmelzkörper 100 eine runde Innenkontur aufweist.

Figur 4 zeigt eine schematische Ansicht eines Fertigungssystems 500 mit Bearbeitungseinheiten 502-506. Die erste Bearbeitungseinheit 502 ist angeordnet und ausgebildet, um den vorgeformten Schmelzkörper 100, insbesondere das spiralförmige Drahtelement 101 , herzustellen. Die erste Bearbeitungseinheit 502 kann beispielsweise eine Federwindemaschine sein. Die zweite Bearbeitungseinheit 504 ist angeordnet und ausgebildet, um den vorgeformten Schmelzkörper 100 an dem Grundkörper 200 anzuordnen. Die dritte Bearbeitungseinheit 506 ist angeordnet und ausgebildet, um den vorgeformten Schmelzkörper 100 derart aufzuschmelzen, dass eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Grundkörper 200 und dem vorgeformten Schmelzkörper 100 ausgebildet wird.

In Figur 5 ist ein schematisches Verfahren gezeigt. In Schritt 300 wird der vorgeformte Schmelzkörper 100 hergestellt. Dies kann insbesondere mit einer Federwindemaschine erfolgen. Die Federwindemaschine kann einen Draht zu einer Feder winden. Dadurch wird ein spiralförmiges Drahtelement ausgebildet, das als vorgeformter Schmelzkörper wirkt. In Schritt 302 wird der vorgeformte Schmelzkörper 100 an dem Grundkörper 200 angeordnet. Das Anordnen kann insbesondere durch ein Aufschieben des vorgeformten Schmelzkörpers 100 auf den Grundkörper 200, insbesondere auf den Beschichtungsabschnitt 206, erfolgen.

In Schritt 304 wird die Anordnung des vorgeformten Schmelzkörpers 100 an dem Grundkörper 200 überprüft. Die Überprüfung kann beispielsweise mit einem 3D- Scanprozess erfolgen. Insbesondere wird bei der Überprüfung der Anordnung überprüft, ob der vorgeformte Schmelzkörper 100 an einer vordefinierten Position des Grundkörpers 200, insbesondere an einem vordefinierten Beschichtungsabschnitt 206 angeordnet ist.

In Schritt 306 wird der Grundkörper 200 mit dem vorgeformten Schmelzkörper 100, insbesondere mit dem angeordneten vorgeformten Schmelzkörper 100, wärmebehandelt. Die Wärmebehandlung kann beispielsweise bei einer Temperatur zwischen 300°C und 800°C durchgeführt werden. Der Schritt 306 kann alternativ oder zusätzlich auch nach dem Schritt 308 erfolgen, sodass eine vor- und/oder nachgelagerte Wärmebehandlung möglich ist. Für die Wärmebehandlung kann beispielsweise eine Ofenerwärmung, eine Induktionserwärmung, eine Widerstandserwärmung, eine Brennererwärmung und/oder eine Lasererwärmung eingesetzt werden.

In Schritt 308 erfolgt schließlich das Aufschmelzen des vorgeformten Schmelzkörpers 100, um eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Grundkörper 200 und dem vorgeformten Schmelzkörper 100 auszubilden.

Mit dem im Vorherigen beschriebenen Verfahren werden kürzere Prozesszeiten und eine verbesserte Bauteilqualität durch eine geringere Prozesskomplexität erzielt. Darüber hinaus ermöglicht das Verfahren die Herstellung graduierter Bauteile und definierter Beschichtungen, so dass die Qualität der zu erzeugenden Bauteile einerseits verbessert ist und darüber hinaus auch das Anwendungsfeld der erzeugten Bauteile erweitert wird. Insbesondere die Vereinfachung des Prozesses ermöglicht die Anwendung des drahtbasierten Auftragschweißens auch solchen Unternehmen, die keine großen Investitionen in hochpräzise Fertigungsmittel leisten können. Es wird somit ein qualitativ hochwertiger Prozess zu geringen Kosten ermöglicht.

Mit dem Verfahren können insbesondere Beschichtungen an Außen- und Innenumfangsflächen von korrosionsgefährdeten Bauteilen ausgebildet werden. Mögliche Anwendungen sind beispielsweise die Verfahrenstechnik und die Energietechnik, insbesondere in der Petrochemiebranche. Darüber hinaus können Bauteile für Müllverbrennungsanlagen mit dem Verfahren beschichtet werden. Ferner kann das Verfahren für Bauteile in der Fahrzeugtechnik, insbesondere für Bauteile zur Verwendung in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen, vorzugsweise in Personen- und/oder Lastkraftfahrzeugen, eingesetzt werden. Derartig hergestellte Bauteile können außerdem in Schienenfahrzeugen, Flurförderfahrzeugen und Baumaschinen verwendet werden. Darüber hinaus können mit dem Verfahren Wellen und Achsen für Schiffe und Flugzeuge hergestellt werden. Darüber hinaus sind Anwendungen in hydraulischen Systemen möglich.

Ferner wird das Verfahren für Bauteile eingesetzt, die einem hohen abrasiven Verschleiß ausgesetzt sind. Abrasiver Verschleiß kann beispielsweise innerhalb von Rohren auftreten, die Fluide mit abrasiven Partikeln leiten. Ein weiterer Anwendungsfall ist die generative Herstellung von Bauteilen. Aufgrund der vergleichsweise hohen Auftragsrate können mit dem Verfahren auch große Stückzahlen zu wirtschaftlichen Bedingungen hergestellt werden. Dies ist ein Unterscheid zu allen bisher entwickelten generativen Verfahren, die im Wesentlichen ausschließlich im Prototypenbau oder in der Einzel- und Kleinserienfertigung eingesetzt werden. Ferner können mit dem Verfahren bisher nicht oder lediglich aufwendig herstellbare Strukturen erzeugt werden. Beispielsweise werden zur Sicherstellung einer Ölversorgung in Getriebewellen lange Bohrungen bzw. Durchgangsöffnungen vorgesehen, durch die Öl bereitgestellt wird. Mit dem Verfahren können diese Bohrungen in einfacher Weise hergestellt werden, indem beispielsweise der vorgeformte Schmelzkörper an der Stelle der herzustellenden Durchgangsöffnung eine Leerstelle aufweist. BEZUGSZEICHEN

1 Lasereinheit

2 Laserstrahl

4 Vorschubrichtung

10 Dorn

100 vorgeformter Schmelzkörper

101 spiralförmiges Drahtelement

102 erstes Schmelzkörperende

104 zweites Schmelzkörperende

106 erste Windung

108 zweite Windung

110 Windungen

112 Schmelzabschnitt

200 Grundkörper

202 erstes Grundkörperende

204 zweites Grundkörperende

206 Beschichtungsabschnitt

208 Gewinde

210 Längsachse

212 Symmetrieachse

400 Bauteil

500 Fertigungssystem

502 erste Bearbeitungseinheit

504 zweite Bearbeitungseinheit

506 dritte Bearbeitungseinheit