AT515465B1 - Generieren von 3D Teilen aus Metalldrähten mittels Laserstrahlung - Google Patents

Abstract

Dreidimensionale Bauteile können durch schichtweises Verschweißen von Metallpulver oder Drähten mittels Hochleistungslaserstrahlen hergestellt werden. Die Auftragsrate kann erhöht werden, indem mehrere Drähte (6), (7), (8) symmetrisch um den Fokus des verschweißenden Laserstrahls (1) angeordnet werden, wobei aber ein wesentlich größerer Fokus zum Überdecken aller Drähte (6), (7), (8) 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 (6), (7), (8) 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 (2) verwendet wird und auch die Relativgeschwindigkeit zwischen Werkstück (9) und Laserstrahl (1) und Drähten verringert wird. Alternativ könnten auch zwei Laser, einer mit geringer Leistung und kleinem Fokus und einer mit großer Leistung und großem Fokus eingesetzt werden.

Description

Beschreibung „VERFAHREN ZUM HERSTELLEN VON 3D TEILEN AUS METALLDRÄHTEN MITTELS LASERSTRAHLUNG MIT HOHER AUFTRAGSRATE“

1. STAND DER TECHNIK

[0001] 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 hersteilen, 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 Fertigungsverfahrens kommen grundsätzlich zwei Möglichkeiten in Frage: [0002] 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 werden (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).

[0003] Bei dieser Prozessvariante können statt dem Pulver auch ein oder mehrere Drähte 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.

[0004] In der Patentschrift D1: US 2008036353 A1 wird ein Materialauftrag mit mehreren Drähten, die unabhängig voneinander zugestellt werden können und die mit einem Laser niedergeschmolzen werden, zur Herstellung von Zündelektroden offenbart. Eine weitere Patentschrift D3: US 2013213942 A1 offenbart ein Schweiß- und Beschichtungsverfahren mit Zufuhr mehrerer Schweißdrähte, wieder mit einem Laser zum Niederschmelzen. Auch das Patent D2: DE3905684 A1 offenbart einen Auftragsprozess mit zwei Drähten und einem Laser.

[0005] In der Druckschrift D1: US 2008036353 A1 wird eine Erfindung offenbart, die darin besteht, dass ein oder mehrere Drähte aus verschiedenen Materialien auf ein Werkstück auftreffen und damit Schichten mit verschiedensten Legierungen auftragen. Durch Verschieben des bereits hergestellten Werkstücks (Zündelektrode) in vertikaler Richtung kann ein zylindrischer Körper immer gleicher Gestalt hergestellt werden. Eine Relativbewegung in horizontaler Richtung ist nicht vorgesehen.

[0006] Da das wesentliche Merkmal eines Verfahrens zur Herstellung von Werkstücken mit beliebiger Gestalt darin besteht, dass Schichten, die jeweils einem Querschnitt durch das herzustellende Werkstück entsprechen, mit unterschiedlicher Ausdehnung und Gestalt aufeinander gestapelt werden, so unterscheidet sich die gegenständliche Erfindung wesentlich von der in der Schrift D1 dargelegten. Darüber hinaus offenbart die Schrift D1 zwar ein Verfahren zur Herstellung von zylindrischen Bauteilen mit unterschiedlicher Zusammensetzung aber nicht wie in der gegenständlichen Erfindung die Herstellung von Bauteilen mit teilweise grober Struktur aber hoher Auftragsgeschwindigkeit und feiner Struktur mit verringerter Auftragsgeschwindig keit. Der letztere Aspekt ist die Kernaussage des gegenständlichen Patents und unterscheidet sich sehr stark von der Kernaussage, die in Schrift D1 offenbart wird, nämlich die Herstellung von Elektroden mit verschiedenster Zusammensetzung durch Verwendung mehrere Drähte mit unterschiedlichen Materialien.

[0007] Wesentliches Merkmal der gegenständlichen Erfindung ist es, dass während der Herstellung eines Werkstücks durch sukzessives Aufträgen von Materialschichten unterschiedlicher Form und Gestalt zunächst mit mehreren Drähten gearbeitet wird, um für Bereiche mit geringer Strukturierung einen Grobauftrag mit hoher Auftragsrate zu erzielen und das dann aber beim Erreichen von Regionen, die eine feine Struktur aufweisen sollen alle Drähte bis auf einen zurückgezogen werden und damit über einen Draht mit geringerer Auftragsrate eine feinere Strukturierung erfolgt, wobei das Zurückziehen der Drähte während dem Herstellungsvorgang erfolgt. Dieser Verfahrensschritt des Zurückziehens aller Drähte bis auf einen wird in der Erfindung D1 NICHT beschrieben.

2. AUFGABE DER ERFINDUNG

[0008] Ein wesentliches Problem der bekannten Drahtauftragsverfahren besteht darin, dass bei geringer Strukturierung des Werkstücks zwar mit hoher Auftragsrate gearbeitet werden kann (analog dem Schruppen in der spanenden Bearbeitung), aber Werkstücke mit einer starken Strukturierung nur mit geringer Auftragsrate bearbeitet werden können (entspricht dem Schlichten in der spanenden Fertigung). Damit sollte ein wirklich industriell nutzbares Verfahren 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 DES LASERAUFTRAGSVERFAHREN

[0009] 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 Vorgangsweise 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 gegeben und schließlich besteht 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. So werden beim erfindungsgemäßen Verfahren zuerst alle Drähte zum Werkstück hingefahren und dann später alle bis auf einen Draht zurückgefahren, um einen Übergang vom Grobauftrag zum Feinauftrag zu ermöglichen.

[0010] 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 Fein-auftragen 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 Bereich von 500W bis 1kW verwendet werden, da derartige Laser viel besser fokussierbar sind als Diodendirektlaser.

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

4. AUSFÜHRUNGSBEISPIEL FÜR DAS ERFINDUNGSGEMÄSSE LASERAUFTRAGSVERFAHREN

[0011] 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.

Claims (3)

1. Patentansprüche 1. Verfahren zum Aufbau eines dreidimensional geformten Werkstücks (9) mit mehreren durch Drahtzufuhreinrichtungen (3), (4), (5) auf das Werkstück (9) gerichteten Drähten (6), (7), (8) und Laserstrahlung (1) zum Niederschmelzen der Drähte (6), (7), (8) und zum Verschweißen derselben mit dem Werkstück (9), dadurch gekennzeichnet, dass einerseits alle zugeführten Drähte (6), (7), (8) bis auf einen zurückgezogen werden, so dass dem Werkstück (9) nur ein Draht zugeführt wird und andererseits in diesem Betriebszustand die Fokussierlinse so in Richtung senkrecht zum Werkstück (9) verschoben wird, dass der Fokusdurchmesser so klein wird, dass er nur den einzigen in Verwendung befindlichen Draht schmilzt und mit dem Werkstück (9) verschweißt.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückziehen der Drähte (6) und (7) die Verschiebung des Bearbeitungskopfes mit zugehöriger Schweißeinrichtung mit integrierter Fokussierlinse (2) simultan und CNC-gesteuert erfolgt.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass simultan mit dem Rückziehen zweier Drähte von einem Diodendirektlaser mit relativ hoher Leistung und hohem Fokus auf einen Scheibenlaser mit relativ geringer Leistung und kleinem Fokus umgeschaltet wird. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen