AT515465A1

AT515465A1 - Generieren von 3D Teilen aus Metalldrähten mittels Laserstrahlung

Info

Publication number: AT515465A1
Application number: ATA974/2013A
Authority: AT
Inventors: Dieter Dipl Ing Dr Schuöcker
Original assignee: Oberösterreichisches Laserzentrum E V
Priority date: 2013-12-20
Filing date: 2013-12-20
Publication date: 2015-09-15
Also published as: AT515465B1

Abstract

Dreidimensionale Bauteile können durch schichtweises Verschweißen von Metallpulver oder Drähten mittels Hochleistungslaserstrahlen hergestellt werden. Die Auftragsrate kann erhöht werden, indem mehrere Drähte symmetrisch um den Fokus des verschweißenden Laserstrahls angeordnet werden, wobei aber ein wesentlich größerer Fokus zum Überdecken aller Drähte verwendet werden muss, womit aber feine Strukturen nicht mehr hergestellt werden können. Es wird nun erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass zum groben und raschen Auftragen alle Drähte Verwendung finden. Zur Herstellung feiner Strukturen werden dann so viele Drähte zurückgezogen, dass nur mehr ein Draht zum Einsatz kommt und damit auch ein kleinerer Fokus durch Verschieben des Bearbeitungskopfes mit integrierter Fokussierlinse, verwendet wird. Alternativ könnten auch zwei Laser, einer mit geringer Leistung und kleinem Fokus und einer mit großer Leistung und großem Fokus eingesetzt werden.

Description

Vorschlag für Patentanmeldung „Generieren von 3D Teilen aus Metalldrähten mittels LaserStrahlung" 1. Stand der Technik Üblicherweise werden dreidimensional geformte Metallteile mit vorgegebenen Maßen durch Schneidvorgänge aus dem Vollen herausgearbeitet, wobei das Material in Form von kleinen Werkstoffteilen, wie etwa Spänen, abgetragen wird (Beispiele dafür sind z.B. Drehen und Fräsen). Eine andere Möglichkeit der Herstellung solcher Teile besteht im aufeinanderfolgenden Aufträgen von dünnen Schichten von kleinen Werkstückteilchen wie Pulver und nachfolgendem Verbinden der Teilchen solch einer Schicht untereinander wie auch mit der unter darunter liegenden schon fertig verschmolzenen Schicht, wobei man von additiven Herstellungsprozessen (Additive Manufacturing) spricht. Werden die Teile aus Kunststoff hergestellt, so benötigt man nur geringe Temperaturen, die dem Schmelzpunkt des Materials entsprechen und kann damit in sehr einfacher Weise und sehr preiswert 3D Drucker realisieren. Will man allerdings Bauteile aus Metall herstellen, so muss man den Schmelzpunkt erreichen, was im Wesentlichen nur mittels fokussierter Hochleistungslaserstrahlung durchgeführt werden kann (Laser Additive Manufacturing / LAM). Für diese Art des additiven Fertigungsverfahren« k®mKi«ei*..§rundsätzlich zwei Möglichkeiten in Frage:

Einerseits kann das zugeführte Material als Pulver auf eine Grundfläche aufgetragen und dann mit dem Laser entsprechend dem jeweiligen Querschnitt des Werkstücks niedergeschmolzen und damit verschweißt wird (Selektives Lasersintern / SLS) werden. Andererseits kann das Metallpulver durch eine Düse auf das in Herstellung befindliche Werkstück geblasen und vor dem Auftreffen auf das Werkstück mit Hilfe eines Laserstrahls geschmolzen werden, so dass dann die Schmelztröpfchen mit dem Werkstück verschweißt werden (Blown Powder Process).

Bei dieser Prozessvariante kann statt dem Pulver auch ein Draht dem Werkstück zugeführt und auch wieder kurz vor Erreichen des Werkstücks mit Hilfe eines Hochleistungslaserstrahls geschmolzen werden, was den Vorteil hat, dass ein größeres Volumen pro Zeiteinheit aufgebaut werden kann. 2. Aufgabe der Erfindung

Die Aufgabe der gegenständlichen Erfindung ist nun das Volumen das pro Zeiteinheit aufgetragen wird, welches bei den derzeit verwendeten Verfahren etwa ein Kilogramm pro Stunde beträgt, wesentlich zu erhöhen und damit eine wirtschaftliche Nutzung zu erlauben.

Ein weiteres Problem der* b^ka^nten»ÄiÄv6tragsprozesse besteht darin, dass bei geringer Strukturierung des Werkstücks mit hoher Auftragsrate gearbeitet werden kann (analog dem Schruppen in der spanenden Bearbeitung), während Werkstücke mit einer starken Strukturierung nur mit geringer Auftragsrate bearbeitet werden können (entspricht dem Schlichten in der spanenden Fertigung). Damit sollte eine wirklich industriell nutzbare Technologie für das LAM mit Drahtzufuhr einerseits eine hohe Auftragsrate (Volumen pro Stunde) und auch die Möglichkeit einer Umschaltung zwischen hoher Auftragsrate mit grober Struktur und geringer Auftragsrate mit feiner Struktur erlauben. 3. Erfindungsgemäße Verbesserung der LaserauftragsVorrichtung

Es werden statt einer Drahtzufuhreinrichtung mehrere z.B. drei Drahtdüsen verwendet und diese dann symmetrisch rund um den niederschmelzenden Laserstrahl angeordnet. Dabei werden die zugeführten Drähte nahe dem Werkstück durch einen gemeinsamen Laserstrahl mit entsprechend großem Fokusdurchmesser gemeinsam mit dem Werkstück aufgeschmolzen, so dass sich verflüssigtes Drahtmaterial auf dem Werkstück niederlässt und mit diesem verschweißt wird. Bei einer solchen Anordnung kann natürlich eine höhere Auftragsrate als mit der Zufuhr nur eines Drahtes erzielt werden, weiters ist durch die rotationssymmetrische Anordnung der Drähte rund um den schmelzenden Laserstrahl keine

Richtungsabhängigkeit gegebenem*« &CJa*Llelälich bestent auch die Möglichkeit, einen groben Auftrag durch Verwendung aller zugeführten Drähte zu realisieren und schließlich auch einen feinstrukturierteren Aufbau allerdings mit geringerer Auftragsrate durch Zurückziehen aller Drähte bis auf einen einzigen zu verwirklichen. Während beim Grobaufbau mit allen Drähten der Fokusdurchmesser relativ groß sein muss, um alle Drähte zu erreichen und mit dem Werkstück zu verschweißen, so ist beim Feinauftragen mit nur einem Draht ein wesentlich kleinerer Fokusdurchmesser zu verwenden, um damit nur einen kleineren Bereich des Werkstücks aufzuschmelzen, was im Sinne eines Feinauftrages ist. Aus diesem Grund muss die Fokussierlinse CNC gesteuert verschoben werden können.

Eine weitere Möglichkeit einen relativ großen Fokus für einen Grobauftrag und einen erheblich kleineren Fokus für den Feinauftrag zu erzielen, besteht in der Verwendung zweier Laser. Dabei kann für die Erzielung des großen Fokus und die dafür notwendige höhere Laserleistung (um die für das Aufschmelzen des Materials und sein Verschweißen notwendige Intensität zu erzielen) ein Diodendirektlaser verwendet werden. Derartige Laser sind heute in der Leistungsklasse bis 6kW verfügbar. Die Strahlung dieses Lasers kann etwa durch eine 600μ Faser dem Bearbeitungskopf und der Fokussierlinse zugeführt werden. Für den Feinauftrag kann etwa ein Scheiben- oder Faserlaser mit einer erheblich kleineren Leistung «im«seiseKsh von 5ÜÜW brs 1kW verwendet werden, da derartige Laser viel besser fokussierbar sind als Diodendirektlaser. 4. Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße LaserauftragsVorrichtung

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt Abb.l.

Eine Aufbauplattform (10) wird von einem

Knickarmroboter (11) unter die Drahtzufuhreinrichtungen (3), (4) und (5) und den Bearbeitungskopf (2) so positioniert, dass der Laserstrahl (1) senkrecht auf das in Entstehung befindliche Werkstück (9) auftrifft. Die zugeführten Drähte (6), (7) und (8) erreichen das

Werkstück (9) im Fokus der Laserstrahlung und werden dort gemeinsam mit dem unter dem Fokus liegenden Werkstückbereich geschmolzen und verschweißt. Wird nur ein Draht verwendet, so wird die Größe des Fokus durch Verschieben des Bearbeitungskopfes (2) verringert und auf das Drahtende gerichtet.

Bezugszeichenliste (1) Laserstrahl (2) Bearbeitungskopf mit integrierter Fokussierlinse (3) , (4), (5) Drahtzufuhreinrichtung (6) , (7), (8) Drähte (9) Werkstück (10) Plattform (11) Roboter

Claims

Patentansprüche* ...* 1. Vorrichtung zum Aufbau eines dreidimensional geformten Werkstücks mit mehreren durch Drahtzufuhreinrichtungen auf das Werkstück gerichteten Drähten und Laserstrahlung zum Niederschmelzen der Drähte und zum Verschweißen derselben mit dem Werkstück dadurch gekennzeichnet, dass einerseits alle zugeführten Drähte bis auf einen zurückgezogen werden können, so dass dem Werkstück nur ein Draht zugeführt wird und andererseits in diesem Betriebszustand die Fokussierlinse so in Richtung senkrecht zum Werkstück verschoben wird, dass der Fokusdurchmesser so klein wird, dass er nur den einzigen in Verwendung befindlichen Draht schmilzt und mit dem Werkstück verschweißt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 bei der das Rückziehen der Drähte nach Anspruch 1 und die Verschiebung des Bearbeitungskopfes mit integrierter Fokussierlinse simultan und CNC-gesteuert erfolgt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der simultan mit dem Zurückziehen zweier Drähte von einem Diodendirektlaser mit relativ hoher Leistung und großem Fokus auf einen Scheibenlaser mit relativ geringer Leistung und kleinerem Fokus umgeschaltet wird.