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Title:
METHOD FOR PRODUCING SHAPED BODIES OR APPLYING COATINGS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2001/026851
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for producing shaped bodies or applying coatings to workpieces. The aim of the invention is to produce shaped bodies which are structured in an almost arbitrarily three-dimensional manner or to embody contoured coatings on workpieces of different kinds, whereby the required time and energy are reduced compared to conventional methods. According to the invention, a shaped body is constructed layer by layer or a coating that consists of at least two individual layers is applied to a workpiece. A platform, whereon the shaped body is to be constructed, or the workpiece is held in a clamping device that can be moved within at least two axes in relation to two different sources of heat. The layers that are situated in the shaped body or are arranged in the direction towards the surface of the workpiece are produced by means of plasma build-up welding or by using an inductor having a greater layer thickness and gauge of the individual layers and at least one outer cover layer having a smaller layer thickness and gauge and by means of laser beam build-up welding.

Inventors:
Beyer, Eckhard (Am Alten Bahndamm 52 Weissig, 01474, DE)
Nowotny, Steffen (Goethestrasse 10 Radebeul, 01445, DE)
Scharek, Siegfried (Gitterseer Strasse 36 Freital, 01705, DE)
Application Number:
PCT/DE2000/003370
Publication Date:
April 19, 2001
Filing Date:
September 22, 2000
Export Citation:
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Assignee:
Fraunhofer-gesellschaft V, Zur Förderung Der Angewandten Forschung E. (Leonrodstrasse 54 München, 80636, DE)
Beyer, Eckhard (Am Alten Bahndamm 52 Weissig, 01474, DE)
Nowotny, Steffen (Goethestrasse 10 Radebeul, 01445, DE)
Scharek, Siegfried (Gitterseer Strasse 36 Freital, 01705, DE)
International Classes:
B22F3/105; B23K28/02; C23C4/02; C23C4/12; C23C26/02; (IPC1-7): B22F3/105; B23K26/00; B23K26/14; B23K28/02; B29C67/00
Foreign References:
DE19533960A11997-03-20
US5306447A1994-04-26
DE2263777A11973-07-05
Attorney, Agent or Firm:
PFENNING, MEINIG & PARTNER GBR (Gostritzer Strasse 61-63 Dresden, 01217, DE)
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Claims:
Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von Formkörpern oder zum Auftragen von Beschichtungen auf Werkstük ken, bei dem ein Formkörper schichtweise aufge baut oder eine aus mindestens zwei einzelnen Schichten bestehende Beschichtung auf ein Werk stück aufgebracht wird, wobei eine Plattform auf der der Formkörper aufgebaut wird, oder das Werkstück in einer in mindestens zwei Achsen in Bezug zu zwei unterschiedlichen Wärmequellen bewegbaren Spannvorrichtung gehalten ist und die im Formkörper innenliegenden oder die in Rich tung auf die Oberfläche des Werkstückes angeord neten Schichten mittels PlasmaAuftragschweißen oder unter Verwendung eines Induktors mit größe rer Schichtdicke und Spurbreite der einzelnen Schichten und zumindest eine außenliegende Deck schicht mit kleinerer Schichtdicke und Spurbrei te mittels LaserstrahlAuftragschweißens ausge bildet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Schichtmaterial Metall, Keramikpulver oder ein metallischer Zusatzdraht verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass während oder nach der Herstellung des Formkörpers und/oder der Ausbildung der Beschichtung eine zumindest be reichsweise zerspanende Bearbeitung durchgeführt wird, wobei der Formkörper oder das Werkstück in der gleichen Spannvorrichtung gehalten ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass während der Her stellung des Formkörpers zusätzliche Elemente eingesetzt und nachfolgend umbaut werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mit einem Plasma brenner oder Induktor eine Vorund/oder Nacher wärmung durchgeführt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass verschiedene Mate rialien für die innenund außenliegenden Schichten verwendet werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Ausbildung der Beschichtung die Istkontur der zu beschich tenden Werkstückoberflächen bestimmt und die digitalisierten Daten einer elektronischen Steuerung zugeführt werden, um eine bestimmte Sollkontur auf der Oberfläche des Werkstückes durch schichtweisen Auftrag herzustellen.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Risse in ausgebil deten Schichten detektiert und mittels Laser strahlauftragschweißens geschlossen werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Schichtmaterial durch einen zwischen zwei Elektroden eines Plas mabrenners brennenden Lichtbogen geführt und dort aufgeschmolzen und im geschmolzenen Zustand auf eine Oberfläche eines Werkstückes oder eine bereits ausgebildete Schicht gerichtet und mit tels eines Laserstrahls die Schicht (en) ausge bildet wird/werden.
10. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Plattform oder ein Werkstück mittels einer Spannvorrichtung gehalten ist, die in min destens zwei Achsen in Bezug zu einem Plasma brenner oder einem Induktor und einer Laser strahlführungsund Formungseinheit als Wärme quellen bewegbar ist und an den beiden verwende ten unterschiedlichen Wärmequellen Schichtmate rialzuführungen vorhanden sind, wobei das zuge führte Schichtmaterial mittels der jeweiligen Wärmequelle aufschmelzbar ist und die Wärmequel len und die Schichtmaterialzuführungen an eine elektronische Steuerung angeschlossen sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein taktiles Ele ment und/oder ein optischer Detektor für die Erfassung der Oberflächenstruktur des Formkör pers oder des Werkstückes vorhanden ist/sind, der/die an die elektronische Steuerung zur Rege lung des Prozesses angeschlossen ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequellen und die Schichtmaterialzuführungen zur Ausbil dung von Schichten entlang einer Achse zur Ver änderung des Abstandes verschiebbar sind.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmequelle ein Mikroplasmabrenner ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Induktor ring oder schleifenförmig ausgebildet ist und der Laserstrahl durch den Ring oder die Schleife des Induktors gerichtet ist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Einrichtung zur zerspanenden Bearbeitung des Formkörpers oder der Beschichtung vorhanden ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass an der Einrichtung zur zerspanenden Bearbeitung ein automatisches Werkzeugwechselsystem angeschlossen ist.
Description:
Verfahren zur Herstellung von Formkörpern oder zum Auftragen von Beschichtungen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Formkörpern oder zum Auftragen von Beschichtungen auf Werkstücken, wobei ausgehend von bekannten Lösun- gen, die unter dem Begriff Rapid Prototyping und hier insbesondere dem Laserstrahl-Präzisionsauftragschwei- ßens bekannt sind, verfahren werden soll. So kann die Erfindung beispielsweise für die Herstellung ver- schiedener dreidimensionaler Formkörper mit unter- schiedlichst konturierten Oberflächen, auch mit Hohl- räumen verwendet werden, wobei auch Hinterschneidun- gen ohne weiteres erhalten werden können. Außerdem kann eine relativ gute Fertigungsgenauigkeit im Be- reich weniger zehntel mm, die nur geringfügige Nach- bearbeitungsarbeiten erforderlich machen, gesichert werden.

Ein anderes Anwendungsgebiet für die Erfindung ist die Ausbildung von Beschichtungen auf Werkstücken, die ebenfalls bestimmte konturierte bis zu relativ filigran ausgeführten Oberflächen aufweisen können.

So ist es z. B. auch möglich, verschlissene oder zer- störte Oberflächenbereiche von Werkstücken durch den Auftrag entsprechender Beschichtungen wieder in den Originalzustand mit den Ausgangsabmessungen zu brin- gen. So können ein verschleißbedingter Abtrag genau- so, wie infolge aufgetretener Überbelastungen ent- standene Zerstörungen wieder ausgeglichen werden.

In jüngster Vergangenheit sind unter anderem bei- spielsweise aus DE 195 33 960 A1 verschiedene Mög- lichkeiten zur Herstellung von Werkstücken bekannt, bei denen das Laserstrahl-Präzisionsauftragschweißen

eingesetzt wird. Dabei wird ein solches dreidimensio- nales Werkstück so hergestellt, dass nacheinander in vielen Einzelschichten mehrlagig ein in den verschie- denen Lagen unterschiedlich dimensioniertes und aus- gebildetes dreidimensionales Gebilde sukzessive auf- gebaut wird. Hierzu wird ein Laserstrahl entsprechend geführt und geformt, so dass zugeführtes metallisches Pulver mit dem Laserstrahl als Einzelspuren gelegt und aufgeschmolzen wird und eine Schicht in einer Ebene gegebenenfalls mit mehreren parallel nebenein- ander gelegten Spuren ausgebildet wird, wobei durch Erreichung sehr kleiner Spurbreiten und Dicken eine relativ gute Fertigungsgenauigkeit, die durch eine zerspanende Bearbeitung noch erhöht wird, erreichbar ist.

Nachteilig an dieser bekannten Lösung ist es aber, dass insbesondere wegen der relativ kleinen erreich- baren Schichtdicken in Verbindung mit den kleinen Spurbreiten der zeitliche Aufwand für die Herstellung eines solchen Werkstückes doch relativ groß ist. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass der Wirkungs- grad zum einen durch den verwendeten Laserstrahl in Verbindung mit dem Absorptionsverhalten des verwende- ten Metallpulvers relativ klein ist. Letztgenannter Nachteil wird weiter verstärkt, wenn es insbesondere bei der Ausbildung von Beschichtungen auf Werkstücken erforderlich ist, diese vorzuwärmen oder eine Nacher- wärmung zum Halten einer bestimmten Temperatur durch- zuführen, da hierzu der verwendete Laserstrahl ent- sprechend defokussiert werden muss und dadurch, ent- weder ein zweiter dazu dienender Laserstrahl verwen- det werden muss oder eine intermittierende Vorgehens- weise mit Erwärmungsphasen bei defokussiertem Laser- strahl und Schichtausbildungsphasen mit fokussiertem

Laserstrahl erforderlich ist, was wiederum eine Erhö- hung des erforderlichen Zeitaufwandes bedingt.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit vorzuschlagen, mit der nahezu beliebig dreidimensio- nal strukturierte Formkörper hergestellt oder auf verschiedensten Werkstücken auch konturierte Be- schichtungen ausgebildet werden kann, wobei gleich- zeitig gegenüber herkömmlichen Vorgehensweisen der erforderliche Zeit-und Energieaufwand reduzierbar ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungs- formen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich mit den in den untergeordneten Ansprüchen und hier insbesondere für eine für das erfindungsgemäße Ver- fahren verwendbare Vorrichtung im Anspruch 10 enthal- tenen Merkmalen.

Erfindungsgemäß wird dabei so verfahren, dass eine Plattform auf der ein dreidimensionaler Formkörper aufgebaut werden soll oder ein Werkstück, das mit einer entsprechenden Beschichtung versehen werden soll, in eine Spannvorrichtung eingespannt wird. Die- se Spannvorrichtung und/oder zwei unterschiedliche Wärmequellen sind in mindestens zwei Achsen relativ zueinander bewegbar, wobei eine entsprechende Bewe- gung der Spannvorrichtung auch in mehr als zwei, be- vorzugt bis zu fünf verschiedenen Freiheitsgraden sicher einfacher und günstiger erreichbar ist.

Ein Formkörper kann dann auf dieser Plattform mit einer Vielzahl von einzelnen Schichten sukzessive aufgebaut werden, wobei eine nahezu beliebige dreidi-

mensionale Gestalt erreicht werden kann. Günstiger- weise wird auf der Plattform zuerst mindestens ein Sockel aufgebaut, auf dem dann der letztendliche Formkörper hergestellt werden kann. Hierzu bietet sich ein Verfahren mit relativ großer Auftragsrate an, wie dies beispielsweise das Plasma-Auftragschwei- ßen oder die Verwendung eines Induktors, der an einem entsprechenden Induktionsgenerator angeschlossen ist, darstellt.

Im Nachgang dazu wird auf diesem einen oder auch meh- reren solcher Sockel der Formkörper aufgebaut, wobei die außenliegenden Schichten oder Randbereiche mit- tels Laserstrahl-Auftragschweißens hergestellt wer- den, mit dem kleinere Schichtdicken und Spurbreiten gegenüber den bereits erwähnten anderen Verfahren erreicht werden können, so dass eine größere Ferti- gungs-und Konturgenauigkeit im letztendlichen Ober- flächenbereich eines solchen Formkörpers erreichbar ist.

Die innenliegenden Schichten können dann wieder mit den eingangs erwähnten zwei verschiedenen Verfahren, mit denen größere Schichtdicken und Spurbreiten, als dies beim Laser-Auftragschweißen der Fall ist, er- reicht werden können, ausgebildet, so dass die erfor- derliche Fertigungszeit erheblich verringert werden kann und außerdem die erforderliche Energie durch den entsprechend höheren Wirkungsgrad verringerbar ist.

Ähnlich wird auch bei der Ausbildung einer Beschich- tung, zumindest auf Teilen der Oberfläche von Werk- stücken verfahren, wobei dabei in der Regel die in- nenliegenden, also unmittelbar auf der Oberfläche des Werkstückes, das zu beschichten ist, mittels Plasma-

Auftragschweißens oder unter Verwendung eines Induk- tors mit der größeren Auftragsrate ausgebildet werden kann und die letztendliche Deckschicht, die dann die Oberfläche der Beschichtung ausbildet, wird dann im Nachgang mittels Laserstrahl-Auftragschweißen ausge- bildet. Mit letzterem Verfahren können auch filigrane Oberflächenstrukturen, die auch relativ weit über die restliche beschichtete Oberfläche hervorstehen kön- nen, erzeugt werden.

Sämtliche Schichten mit den verschiedenen genannten Verfahren können nahezu beliebig oft übereinander ausgebildet werden, unabhängig davon, ob ein Formkör- per hergestellt oder eine Beschichtung ausgebildet werden soll.

So ist es nicht in jedem Fall erforderlich, sämtliche außenliegenden Oberflächenbereiche von Formkörpern bzw. Beschichtungen mittels Laserstrahl- Auftragschweißens auszubilden bzw. zu beschichten. Es kann genügen lediglich kritische Bereiche einer sol- chen Beschichtung bzw. eines Formkörpers so auszubil- den.

Als Schichtmaterialien können zugeführte Metall-oder Keramikpulver aber auch Komposite dieser Stoffe ein- gesetzt werden. Dabei kann eine solche Pulverzufüh- rung beim Verfahren des Plasma-Auftragschweißens mit einem Trägergas erfolgen.

Es können Plasmabrenner mit Ein-oder Zweielektroden- anordnungen verwendet werden, wobei bei einem Ein- elektrodenplasmabrenner die Gegenelektrode durch ent- sprechenden elektrischen Anschluß, durch das gegebe- nenfalls zu beschichtende Werkstück oder die Platt-

form bzw. der Formkörper gebildet werden kann, zwi- schen denen mittels des brennenden Lichtbogens ein Plasma erzeugt wird, mit dem das zugeführte Schicht- material aufgeschmolzen werden kann. An Stelle eines pulverförmigen Schichtmaterials kann bei diesem Ver- fahren aber auch ein metallischer Zusatzdraht für die Ausbildung der entsprechenden Schichten benutzt wer- den, der in den Lichtbogenbereich bzw. in das Plasma kontinuierlich nachgeführt und dort entsprechend auf- geschmolzen wird.

Es kann aber auch das schichtbildende Material mit einem Plasmabrenner bzw. nur mit einem Lichtbogen aufgeschmolzen und auf eine bereits ausgebildete Schicht oder die zu beschichtende Oberfläche gerich- tet werden, wobei die relativ hohe Leistung (ca. 80 kW) mit dem höheren Wikrungsgrad ausgenutzt wird und die letztendliche Schichtausbildung mittels eines Laserstrahls erfolgt, dessen Leistung entsprechend kleiner sein kann. Hierfür kann der Laserstrahl, der für das Laserstrahl-Auftragschweißen verwendet wird, eingesetzt werden.

Werden die Schichten unter Verwendung eines Induktors durch induktive Erwärmung erzeugt, ist es günstig, das verwendete Pulver drucklos in den entsprechend erwärmten Bereich zu fördern, wobei die Erwärmung an der Oberfläche insoweit erfolgen muss, dass die Schmelztemperatur des verwendeten Schichtmaterials erreicht wird. Dabei muss bei Pulvergemischen, wie beispielsweise Legierungen, die gegebenenfalls auch Hartstoffe enthalten können, nicht generell für alle enthaltenen Komponenten die Schmelztemperatur er- reicht wird, sondern es genügt, wenn ein maßgebender Teil aufgeschmolzen wird.

Beim Laserstrahl-Auftragschweißen sollte jedoch gün- stigerweise Pulver verwendet werden.

Die Erfindung kann außerdem vorteilhaft dahingehend ergänzt werden, dass während und/oder nach der Her- stellung eines Formkörpers oder der Ausbildung einer Beschichtung eine zerspanende Bearbeitung durchge- führt wird, die auch auf bestimmte Bereiche be- schränkt sein kann. Auch hierzu ist es günstig, den Formkörper oder das entsprechende Werkstück in der gleichen Spannvorrichtung zu halten und mit dieser eine entsprechende Ausrichtung der zu bearbeitenden Flächen zu einem Zerspanungswerkzeug (Schleifscheibe, Fräser oder anderes) vorzunehmen. Besonders vorteil- haft ist es, ein automatisches Werkzeugwechselsystem zu verwenden, um Alternativen für die verschiedensten Zerspanungsaufgaben unter Berücksichtigung erforder- licher zu bearbeitender Oberflächen und Bearbeitungs- genauigkeiten zu haben.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eröffnet sich auch die Möglichkeit, in einen Formkörper zusätzliche Elemente einzusetzen bzw. zu montieren, die während seiner Herstellung, also in einen noch unfertigen Formkörper an bestimmte Stellen plaziert werden kön- nen, die nachfolgend nicht mehr zugänglich sind und mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens dann umbaut werden können. Solche Elemente können beispielsweise Lagerungen, Wellen, Sensoren oder auch anderes sein.

Durch die Verwendung zweier unterschiedlicher Wärme- quellen eröffnet sich auch in relativ einfacher und effektiver Weise die Möglichkeit einer Vor-und/oder Nacherwärmung bestimmter Bereiche von Formkörpern oder Beschichtungen durchzuführen, um Eigenspannungen

im hergestellten Formkörper bzw. einer Beschichtung oder gar am Werkstück weitestgehend zu vermeiden bzw. für bestimmte Applikationen (Druckspannungen) gezielt zu beeinflussen. Die Vor-und/oder Nacherwärmung kann mit dem Plasmabrenner oder dem Induktor durchgeführt werden. Insbesondere bei der Vor-und Nacherwärmung mit einem Induktor ist es günstig, einen ringförmig bzw. schleifenförmig ausgebildeten Induktor zu ver- wenden und den Laserstrahl für das Laserstrahl-Auf- tragschweißen durch den Ring bzw. die Schleife zur Ausbildung der Schichten zu richten.

Mit der Erfindung ist es aber auch ohne weiters mög- lich Kompositformkörper bzw.-Beschichtungen zu er- zeugen. Dabei können unterschiedliche Schichtmateria- lien für verschiedene Bereiche Verwendung finden. So kann ohne weiteres der innenliegende Teil eines Form- körpers oder der unmittelbar auf der Oberfläche eines Werkstückes liegende Bereich einer Beschichtung mit einem anderen Material, bevorzugt einem kostengünsti- geren erzeugt werden, als dies für die außenliegenden Schichtbereiche der Fall ist, die dann in der Regel mit dem Laserstrahl-Auftragschweißen bevorzugt als geschlossene Schicht ausgebildet bzw. aufgebracht werden. So kann beispielsweise eine Verschleißschutz- beschichtung auf Werkstücken kostengünstig und effi- zient hergestellt werden.

Insbesondere bei der Ausbildung von Beschichtungen auf verschlissenen bzw. zerstörten Werkstückoberflä- chen ist es vorteilhaft, vor der Ausbildung der Be- schichtung, die vorhandene Istkontur zu bestimmen, wobei hierfür ein Digitalisiersystem, z. B. ein takti- les Element bzw. ein optischer Detektor, der bevor- zugt an eine elektronische Bildverarbeitung zur Flä-

chenrückführung angeschlossen ist, verwendet werden kann, so dass die Istkontur dreidimensional und be- vorzugt in digitalisierter Form vorliegt und einer elektronischen Steuerung zugeführt werden kann. In dieser elektronischen Steuerung kann dann ein Soll- Ist-Vergleich mit einer ebenfalls eingespeicherten Sollkontur der Oberfläche eines Werkstückes erfolgen und anhand dessen der schichtweise Auftrag der ver- schiedenen Schichten mit den zwei unterschiedlichen Beschichtungsverfahren gezielt gesteuert werden.

Mit einem Abstandssensor aber auch mit einem opti- schen Detektor kann der Herstellungs-bzw. Beschich- tungsvorgang auch kontrolliert werden.

Letzteres wirkt sich insbesondere günstig aus, wenn bei den Verfahren mit größerer Auftragsrate Risse entstanden sind, die dann nach entsprechender Erken- nung mittels Laserstrahl-Auftragschweißen geschlossen werden können, bevor mit diesem Verfahren dann wieder außenliegende Schichten und Spuren mit kleinerer Dicke bzw. Breite ausgebildet werden.

Selbstverständlich kann die bereits erwähnte elektro- nische Steuerung auch für die Manipulation der Spann- vorrichtung, der zerspanenden Bearbeitung und gegebe- nenfalls für das Einsetzen zusätzlicher Elemente in einen entsprechend vorbereiteten Formkörper benutzt werden, wobei für das Einsetzen der zusätzlichen Ele- mente ein entsprechender Manipulator, wie z. B. ein relativ einfacher Industrieroboter mittels der elek- tronischen Steuerung gesteuert werden kann.

In bestimmten Fällen kann es erforderlich sein, auch den Abstand der verwendeten unterschiedlichen Wärme-

quellen zur Lage der jeweils auszubildenden Schichten anzupassen, wobei eine Bewegung zumindest entlang einer Achse durchgeführt werden muss. Hierzu kann einmal die Spannvorrichtung entsprechend bewegt wer- den, es besteht aber auch die Möglichkeit, die Wärme- quellen entsprechend in einer Achse zu verschieben.

Dies trifft auch für das Laserstrahl-Auftragschweißen zu, da eine entsprechende Strahlformung durch geeig- nete Fokussierung nicht in jedem Fall ausreichen kann, um die kleinen Schichtdicken und Spurenbreiten in den verschiedenen Ebenen zu sichern.

Mit der Erfindung können anspruchsvolle Aufgaben des Oberflächenschutzes von Bauteilen oder Werkstücken, eine Reparatur, aber auch eine relativ einfache, ko- stengüstige und schnelle Fertigung von Prototypen oder die Herstellung von Kleinserien durchgeführt werden. Durch einen viellagigen, konturgesteuerten Werkstoffauftrag sind nahezu beliebige dreidimensio- nale Strukturen herstellbar, die auch bereichsweise bzw. an der Oberfläche oder in Gänze durch entspre- chend verwendete Schichtmaterialien verbesserte Ei- genschaften erreichen.

Durch die Kombination der Ausbildung der Schichten mit einer zerspanenden Bearbeitung, die sowohl wäh- rend des Herstellungs-bzw. Beschichtungsprozesses, aber auch im Anschluß daran durchgeführt werden kann, entfallen zusätzliche Aufwände für Transport, Pro- grammierung, Justierung und Einspannung in weiteren Maschinen, wenn zerspanende Bearbeitungen in der gleichen Spannung durchgeführt werden. Auch kann die Bauteilgestaltung durch zwischendurch mögliche Monta- ge von zusätzlichen Elementen erweitert werden, da bisher bestehende Einschränkungen bezüglich der Bau-

teilgestaltung, die bisher nachfolgende Fügeprozesse erforderlich machten, entfallen können.

Die erforderlichen Daten, die insbesondere die Abmes- sungen von Formkörpern, Bauteilen oder Werkstücken beinhalten, sind lediglich für eine elektronische Steuerung erforderlich, da diese gleichzeitig den gesamten Fertigungs-und Montageprozess steuern kann.

Es handelt sich daher um eine komplexe Formgebungs- und Herstellungsmethode, was durch abschnittsweise Bearbeitung, auch an Teilflächen während des Herstel- lungs-und Beschichtungsprozesses, wobei auch Berei- che zerspanend bearbeitet werden können, die an einem fertigen Formkörper nicht mehr erreichbar sind, mög- lich wird.

Der Formkörper oder das zu beschichtende Werkstück können demzufolge mit hoher Fertigungsgenauigkeit und vollständig bearbeitet aus der Spanneinrichtung ent- nommen werden, ohne dass zusätzliche Nachbearbeitun- gen auf anderen Maschinen erforderlich sind.

Es können kleine Toleranzen an Aufnahmen, Führungen oder Lagern erzeugt werden, die beispielsweise in Verbindung mit den verschiedenen mechanischen Bauele- menten, wie Wellen, Hebel oder Ventile, aber auch für elektrische oder optische Funktionselemente (Spulen, Sensoren) eingehalten werden müssen. Es können aus den genannten Gründen auch kompakte, komplex ausge- bildete Formkörper oder Werkstücke hergestellt oder bearbeitet werden, wobei die erreichbare Präzision nicht nur im Makro-, sondern auch im Mikrobereich, also auch bei relativ kleinen Teilen im mm-Bereich eingehalten werden kann. Bei kleinen Teilen wird be-

vorzugt ein Mikroplasmabrenner eingesetzt werden, der jedoch eine höhere Auftragsrate, als dies mit dem Laserstrahl-Auftragschweißen möglich ist, erreicht.

Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft erläutert werden.

An einem verschlissenen Schmiedegesenk für die Her- stellung von Kraftfahrzeug-Fahrwerksteilen sollte die ursprüngliche Form des Gesenkes wieder hergestellt werden, wobei es sich um eine komplex geformte Gravur am Gesenk handelt. Dabei ist insbesondere bei einem solchen Schmiedegesenk der aufgetretene Verschleiß aber die Oberflächenbereiche nicht generell konstant.

So kann es erforderlich sein, einen Auftrag an ver- schiedenen Stellen am Gesenk im Bereich zwischen 10 und 20 mm variiert durchzuführen und dabei selbstver- ständlich die hohen Anforderungen an das Verschleiß- verhalten und die Sollkonturnähe an einem solchen Schmiedegesenk wieder zu erreichen.

Hierzu wurde mittels eines Digitalisierungssystems das Oberflächenprofil der verschlissenen Gesenkgravur aufgenommen und mit Hilfe dieser Daten das lokal wie- der herzustellende Werkstoffvolumen auf der ver- schlissenen Oberfläche des Schmiedegesenkes dreidi- mensional bestimmt. Im Nachgang hierzu wird dann das Beschichtungsregime bestimmt, wobei festgelegt wird, welche Bereiche und mit welcher Gesamtdicke mittels Plasma-Auftragschweißen wieder hergestellt werden, wobei ausgehend von einer bekannten Schichtdicke und Spurbreite die jeweilige Anzahl von übereinander aus- gebildeten Schichten lokal aufgelöst bestimmt und deren Ausbildung dann durchgeführt wird.

In verschiedenen Bereichen eines solchen Schmiedege- senkes kann dann eine Fräsbearbeitung durchgeführt werden. Mit dem Plasma-Auftragschweißen sollten etwa 90k des zu ersetzenden Materials aufgebracht werden, wobei die so erhaltene Beschichtung in Form einer Füllage aus einem gut schweißbaren, kostengünstigen Stahl hergestellt werden kann. Dieser Teil der Be- schichtung kann mit der elektronischen Steuerung als Multispur-Auftragschweißung erfolgen, wobei eine Auf- tragsrate zwischen 5 und 12 kg/h erreicht werden kann, ohne dass es Probleme gibt.

Nach einer gegebenenfalls erforderlichen Fräs- zwischenbearbeitung kann dann eine Deckschicht, als Funktionsschicht, die aus einer Kobalt-Hartlegierung Stellit 21 besteht, mittels Laserstrahl-Auftrag- schweißen ausgebildet werden, die günstigerweise als eine geschlossene Deckschicht ausgebildet wird. Hier- zu kann beispielsweise ein 500 W Festkörperlaser ver- wendet werden.

Mit dem Laserstrahl-Auftragschweißen können Auftrags- raten zwischen 0,1 und 0,5 kg/h erreicht werden. Die Fehlertoleranz zur gewünschten wieder herzustellenden Kontur des Schmiedegesenkes liegt bei ca. + 0,2 mm und kann durch eine nachfolgende Fräsbearbeitung auf die exakte gewünschte Sollkontur gebracht werden.

Für sämtliche Fertigungsschritte, bei den verschie- densten Verfahren können die gleichen CAD-Daten wäh- rend der gesamten Prozesskette benutzt werden.