DE102007017753A1

DE102007017753A1 - Herstellung großer Bauteile durch kinetisches Kaltgaskompaktieren von Werkstoffpartikeln

Info

Publication number: DE102007017753A1
Application number: DE200710017753
Authority: DE
Inventors: Markus Dirscherl
Original assignee: Innovaris GmbH and Co KG
Current assignee: HERMLE MASCHINENBAU GMBH, 78559 GOSHEIM, DE
Priority date: 2007-04-16
Filing date: 2007-04-16
Publication date: 2008-10-23
Also published as: WO2008125354A3; WO2008125354A2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils mit einer Höhe von mindestens 60, vorzugsweise 100 mm, durch kinetisches Kaltgaskompaktieren von Werkstoffpartikeln, wobei das Bauteil durch schichtweises Aufsprühen von Werkstoffpartikeln hergestellt wird und jede Auftragsschicht vor dem Aufsprühen der nächsten Auftragsschicht zumindest teilweise spanend bearbeitet wird, insbesondere durch Fräsen.

Description

Die vorliegende Anmeldung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von hohen Bauteilen durch kinetisches Kompaktieren, insbesondere thermisches Spritzen, von Werkstoffpartikeln die im Wesentlichen nicht aufgeschmolzen sind.
Zur Beschichtung von Oberflächen durch Kaltgasspritzen oder kinetisches Spritzen mit Partikeln, die nicht aufgeschmolzen werden, sind in wissenschaftlichen Veröffentlichungen sowie in der Patentliteratur eine Anzahl von Anwendungen dokumentiert. Im Wesentlichen betreffen sie jedoch Schichtdicken in der Größenordnung von einigen Mikrometern bis hin zu Millimetern. In Ausnahmen wird auch die Herstellung dickerer Schichten bis maximal 40 mm beschrieben, wobei sich jedoch mit zunehmender Dicke Probleme mit der Haftung ergeben.
Klassische Verfahren zur Herstellung von Bauteilen mit einer Dicke von mehreren Zentimetern sind reine Gießformen oder Sinterformen mit einer verlorenen Form. Zu den neueren generativen Fertigungsverfahren zählen als wichtigste das direkte und indirekte Lasersintern im Pulverbett, das Elektronenstrahlsintern sowie das Auftragsschweißen.
Bei klassischen Gießverfahren oder Schmelzverfahren, z. B. durch Schweißen, können im Wesentlichen keine Materialkombinationen wie z. B. Aluminum-Stahl verarbeitet werden.
Das Auftragschweißen baut komplexe porenfreie, meist stählerne Geometrien durch den einstufigen Prozess eines energiereichen konturnahen schichtweisen Schweißprozesses auf. Auch hierbei sind Grenzen in der Verarbeitbarkeit von bestimmten Materialkombinationen, wie z. B. Aluminium-Stahl, gegeben.
Aufbauend auf dem Laserauftragsschweißverfahren wurde das sogenannte CMB (controlled metal buildup) Verfahren entwickelt, eine Kombination eines Laserauftragschweißprozesses und einer Hochgeschwindigkeits-Fräsbearbeitung in einer Maschine, wobei der Auftrag metallischen Materials durch den Laserauftragschweißprozess und die Erzeugung der geforderten Form- und Maßtoleranzen sowie Oberflächengüte durch den Hochgeschwindigkeits-Fräsprozess gewährleistet werden.
Indirekte und direkte Lasersinterverfahren sind in der Bauteilgröße limitiert. Auch hier besteht die technische Einschränkung darin, dass keine Materialkombinationen, wie z. B. Aluminium-Stahl oder Gradientenwerkstoffe, mit einem fließenden Übergang zwischen zwei Werkstoffen gefertigt werden können.
Das Elektronenstrahlsinterverfahren ist dem gegenüber zwar sehr schnell, jedoch aufgrund des sehr aktiven Schmelzbades auch ungenau. Zudem erfordert das im Vakuum ablaufende Verfahren einen hohen technischen Aufwand der dementsprechend auch die Baugröße limitiert. Jedoch sind auch hier aufgrund physikalischer Limitierungen keine Materialkombinationen wie Aluminium mit Kupfer oder Stahl möglich.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein stabiles Bauteil durch kinetisches Kaltgaskompaktieren von Werkstoffpartikeln mit einer Höhe von mindestens 60, vorzugsweise 100 mm, mit einer Kombination verschiedenster Materialien herzustellen.
Dies wird in erster Linie dadurch erreicht, dass das Werkstück durch schichtweises Aufsprühen der Partikel hergestellt wird, wobei jede Schicht vor dem Aufsprühen der nächsten Schicht zumindest teilweise spanend, insbesondere durch Fräsen, bearbeitet wird. Neben der reinen Nivellierung der Bauteilhöhe ist es Aufgabe der Bearbeitung, für die nächste Spritzschicht möglichst optimale Haftungsbedingungen durch eine gezielt strukturierte Oberfläche zu schaffen. Ein ungezieltes Aufrauen oder Abtragen der obersten Partikelschicht alleine hat sich dabei als nicht ausreichend erwiesen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren können Bauteile mit einer Höhe von mindestens 60 mm, aber auch mit einer Höhe von 100 mm und mehr, hergestellt werden.
Von entscheidender Bedeutung für die Stabilität des erzeugten Bauteils ist dabei die Abstimmung von Auftragsparametern und Bearbeitung, um eine optimale Haftung der Schichten zu erreichen. Dies trifft besonders auf den Aufbau mit verschiedenen Materialien zu, mit denen z. B. Gradientenwerkstoffe mit sich kontinuierlich ändernder Materialzusammensetzung aufbaut werden.
Wesentliche Parameter sind dabei die kinetische Energie der Partikel, die Temperatur sowie Abstand und Geschwindigkeit des Spritzstrahles beim Auftrag.
Der Vordruck des Trägergases ist hierbei der maßgebliche Parameter für die in der Sprühdüse, insbesondere Lavaldüse, erreichbare Machzahl und damit auch für die maximale Partikelbeschleunigung. In Kombination von Wasserdampf und einem geeigneten Dampferzeuger konnten Systemdrücke bis 160 bar realisiert werden, wobei sich zeigte, dass verschieden Materialien im Druckbereich zwischen 65bar und 100 bar besonders gute Schichtqualitäten aufweisen.
Zusätzlich hierzu konnte die Heißgastemperatur auch eines elektrisch leitfähigen Gases mit einer elektrischen Heizung bis auf 1050°C gesteigert werden, was bei hochschmelzenden Werkstoffen zu besonders guten Ergebnissen führt. Derartige Temperaturen konnten bisher nur durch direkte Verbrennung und Nutzung der Verbrennungsabgase erreicht werden. Dieses Verfahren kann jedoch nicht mit z. B. zündfähigen Partikelgemischen angewendet werden.
In Verbindung mit diesen Parametern führen eine Vorschubgeschwindigkeit der Lavaldüse beim Aufspritzen zwischen 10 m/s und 20 m/s bevorzugt zwischen 20 m/s und 60 m/s sowie ein Spritzabstand zwischen Auftragsfläche und Austritt der Lavaldüse zwischen 80 mm und 400 mm zu hoher Schichthaftung und damit hoher Werkstückqualität.
Ein weiterer Einflussfaktor stellt die Wahl des Gases dar. Bevorzugt wird als Hauptgas Wasserdampf und/oder sauerstoffreduzierte Luft mit einem Sauerstoffanteil kleiner 3% verwendet. Weiter wird auch als Trägergas sauerstoffreduzierte Luft mit einem Sauerstoffgehalt kleiner 3% verwendet. Nach der Pulverzumischung zum Trägergas kann zum Trägergas zusätzlich noch Wasserdampf gemischt werden. Eine Kondensierung des Wasserdampfes muss dabei aber weitgehend verhindert werden.
Zusätzlich können die herzustellenden Bauteile auch mit komplexen innen liegenden Geometrien ausgestattet werden. Hierbei wird ein Bauteil mit einem Grundmaterial A durch thermisches Spritzen aufgebaut. Sodann werden mit einem zum Material A verschiedenen Material B aufbauende Bereiche mit unterschiedlichen Eigenschaften geschaffen. So kann z. B. das Grundmaterial über eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit verfügen, während das Ergänzungsmaterial über eine besonders hohe Verschleißfestigkeit oder Härte verfügt. Während des Aufbaus werden in dem Bauteil bereits innen liegende Konturen, wie Kühl- oder Heizkanäle vorgesehen. Vorgefertigte Einlegeteile aus zum Grundwerkstoff verschiedenen Materialien werden während des Aufbaus integriert.
Der Übergang vom Material A zum Material B muss dabei nicht schlagartig sein, sondern kann auch in Form eines Gradien ten mit zunehmendem Anteil des Materials B oder als Bereich mit einem festen Verhältnis der Materialien A und B erfolgen.
Derartige Bauteile sind z. B. Werkzeuge für die thermische Formgebung, wie Spritzguss, Druckguss oder Blasvorrichtungen sowie Kühlkörper oder Motorenbauteile. Besonders interessant ist dieses Verfahren, wenn der Grundkörper aus kostengünstigem Material, wie z. B. Eisenpulver aufgebaut und erst an den konturnahen Bereichen mit Werkzeugstahl aufgebaut wird.
Abschließend können die mechanischen Eigenschaften durch Vakuumglühen verändert werden. Um einen möglichen Verzug infolge der Wärmebehandlung auszugleichen, kann das Bauteil an den für eine Nachbearbeitung zugänglichen Stellen mit einem Aufmaß versehen sein, um anschließend auf Endmaß bearbeiten zu können.
Schlussendlich kann das Bauteil durch weitere, dem Stand der Technik entsprechende Verfahren, wie z. B. Härten, Beschichten, Wärmebehandlung, bevorzugt Vakuumglühen, etc. veredelt werden.
Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihre Äquivalente zu verlassen.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Bauteils mit einer Höhe von mindestens 60 mm, vorzugsweise 100 mm, durch kinetisches Kaltgaskompaktieren, insbesondere thermisches Spritzen, von Werkstoffpartikeln, wobei das Bauteil durch schichtweises Aufsprühen von Werkstoffpartikeln hergestellt wird und jede Auftragsschicht vor dem Aufsprühen der nächsten Auftragsschicht zumindest teilweise spanend bearbeitet wird, insbesondere durch Fräsen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägergas in der Sprühdüse, insbesondere Lavaldüse, auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sprühabstand zwischen Auftragsfläche und Austritt der Lavaldüse zwischen 80 mm und 400 mm einstellbar ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lavaldüse beim Aufsprühen der Werkstoffpartikel mit einer Geschwindigkeit von 10 m/s bis 20 m/s, vorzugsweise höherer Geschwindigkeit, bewegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstoffpartikel mit einem Sprühdruck des Trägergases im Bereich von 65 bar bis 100 bar aufgetragen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnete, dass die Werkstoffpartikel mit einem Sprühdruck des Trägergases im Bereich von 30 bis 65 bar aufgetragen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstoffpartikel mit einer Gasstrahltemperatur des Trägergases von 800°C bis 1050°C aufgetragen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstoffpartikel mit einer Gasstrahltemperatur des Trägergases von 300° bis 800°C aufgetragen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaststrahltemperatur des Trägergases durch einen elektrisch beheizten Gaserhitzer erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägergas und/oder Hauptgas zum Beschleunigen der Werkstoffpartikel durch die Lavaldüse überhitzten Wasserdampf und/oder Stickstoff und/oder sauerstoffreduzierte Luft mit einem Sauerstoffanteil kleiner 3 aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das herzustellende Bauteil mit komplexen innen liegenden Geometrien ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das herzustellende Bauteil aus mindestens zwei verschiedenen metallischen pulverförmigen Materialien hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang zwischen den verschiedenen Materialien in Form einer Gradienten abnehmenden Konzentration des einen und zunehmenden Konzentration des anderen Materials ausgeführt wird.