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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung komplexer Bauteile,
insbesondere mit komplexen, innen liegenden Kavitäten.
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In
DE 100 58 748 ist ein Verfahren
offenbart zur Herstellung eines Bauteils welches die Vorteile des
schichtweisen Aufbaus mit den Vorteilen einer spanenden Bearbeitung
vereint und insbesondere die Erzeugung scharfer Konturen ermöglicht.
Das Verfahren ermöglicht es aufgrund der fehlenden Flexibilität
der beiden Auftragsverfahren für Trägermaterial
und Baumaterial nicht das Baumaterial und das Trägermaterial
in Kombination mit den abtragenden Bearbeitungsschritten beliebig
zu kombinieren.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, hier Abhilfe
zu schaffen.
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Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zur Herstellung
komplexer Bauteile, insbesondere mit komplexen, innen liegenden Kavitäten,
durch einen kombinierten Aufbau des Bauteils durch thermisches Spritzen
und abtragende Bearbeitung, bei dem beim thermischen Spritzen Schichten
aus Trägermaterial und aus Baumaterial aufgetragen werden,
wobei das Trägermaterial und das Baumaterial aufgrund der ähnlichen
Eigenschaften unter Verwendung des gleichen Auftragsverfahrens aufgebracht
werden.
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Die
Besonderheit der vorliegenden Erfindung liegt somit in der Verwendung
des gleichen Auftragsverfahrens für das Trägermaterial
sowie das Baumaterial. Durch diese Maßnahme vereinfacht sich
auch die Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens erheb lich,
da für beide Auftragsverfahren im Wesentlichen die gleichen
Komponenten verwendet werden können.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Nach
einer bevorzugten Ausgestaltung können bei der Erfindung
die Schritte „Auftragen Baumaterial", „Auftragen
Trägermaterial" und „Abtragen" beliebig miteinander
kombiniert werden.
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Vorzugsweise
erfolgt das Abtragen durch Fräsen.
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Weiterhin
vorzugsweise erfolgt das Auftragen sowohl des Träger- als
auch des Baumaterials durch kinetisches Kompaktieren von Metallpulver: Ein
Verfahren, bei dem es sich um ein thermisches Spritzverfahren handelt,
das insbesondere auf der hohen kinetischen Energie der Pulverpartikel
basiert.
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Dadurch,
dass das Trägermaterial sowie das Baumaterial nicht in
flüssiger, z. B. aufgelöster oder geschmolzener
Form vorliegt, können die Bewegungsachsen sowohl im Bauteil
als auch in der Auftragsvorrichtung liegen. Ein Bewegen des Bauteils,
z. B. drehen, schwenken oder eine Linerbewegung, ist somit jederzeit
möglich. Weiterhin wird das Bauteil nicht sehr heiß,
was sich positiv auf die Genauigkeit, die Spannungen sowie auf die
Ausgestaltung der Vorrichtung auswirkt. Dadurch, dass weder Trägermaterial
noch Baumaterial in flüssiger Form vorliegen, ist auch
das Vorhandensein einer Form oder einer Aussparung, in welche das
Träger- bzw. Baumaterial eingefüllt werden müsste,
nicht erforderlich.
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Nach
einer bevorzugten Ausgestaltung kann das Baumaterial aus einer Kombination
mehrerer Werkstoffe bestehen. Da es sich beim Auftragen des Materials
nicht um einen schmelzmetallurgischen Prozess handelt, kann das
Baumaterial auch aus Materialienkombinationen, z. B. Stahl, Eisen,
Kupfer und Aluminium, bestehen, die üblicherweise sonst
nicht möglich wären.
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Nach
einer bevorzugten Ausgestaltung können Schichten der Materialien
A und B – Baumaterialen – einzeln oder beliebig
auf- oder nebeneinander aufgetragen und so Bereiche mit unterschiedlichen Eigenschaften
geschaffen werden. Es kann z. B. das Material A über eine
besonders hohe Wärmeleitfähigkeit verfügen
während das Material B über eine besonders hohe
Verschleißfestigkeit oder Härte verfügt.
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Nach
einer bevorzugten Ausgestaltung kann der Grundkörper aus
kostengünstigem Material wie z. B. Eisenpulver aufgebaut
und erst an den konturnahen Bereichen mit Werkzeugstahl weiter aufgebaut
wird.
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Nach
einer vorteilhaften Weiterbildung können die Grenzen zwischen
den einzelnen Werkstoffen des Baumaterials scharf begrenzt oder
auch fließend sein. Somit muss der Übergang von
Material A zu Material B nicht schlagartig erfolgen, sondern kann
in Form eines Gradienten z. B. mit zunehmendem Anteil des Materials
B oder als Bereich mit einem festen Verhältnis der Materialien
A und B erfolgen.
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Durch
das erfindungsgemäße Auftragsverfahren werden
ferner die Nebenzeiten erheblich reduziert, da die Pulverpartikel
von Baumaterial und Trägermaterial unmittelbar beim Auftreffen
bereits ihren endgültigen Zustand haben und nicht z. B.
erst abtrocknen oder abbinden müssen. Ferner können alle
Folgeprozesse, z. B. Abkühlen des Werkstücks bis
ein anderer Prozess starten kann, ohne Wartezeiten erfolgen.
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Besonderer
Vorteil ist ferner die einfache Verarbeitbarkeit sowie die gute
Zerspanbarkeit und die gute Abformungseigenschaft des Trägermaterials auf
dem Baumaterial und umgekehrt.
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Durch
die gute Abformungseigenschaft können Geometrien, z. B.
Hinterschneidungen im Baumaterial, als Negativabbild ins Trä germaterial
eingebracht werden. Das eingebrachte Negativabbild wird dann anschließend
sauber vom Baumaterial abgebildet.
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Eine
Besonderheit des Verfahrens besteht ferner darin, komplexe, innen
liegende Geometrien herstellen zu können, welche eine spanabhebend gefertigte
Oberfläche oder eine durch eine spanabhebend gefertigte
Oberfläche abgebildete Oberfläche aufweisen.
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Weitere
Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung anhand der Zeichnungen.
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In
den Figuren sind verschiedene Verfahrensabläufe dargestellt,
welche je nach Komplexität des Bauteils zu seinem Aufbau
in der erfindungsgemäßen Art und Weise eingesetzt
werden können. Die verschiedenen Verfahrensabläufe
sind:
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1 Störkontur
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2 Kavität
mit spitzem Winkel
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3 Hülle
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4 Scharfkantige
Kontur
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5 Hinterschneidungen
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6 Umkehrpunkte
innerhalb
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7 Umkehrpunkte
außerhalb
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8 Bahnüberlappung
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1 zeigt,
dass Kombinationen der Verfahrensschritte „Auftrag Trägermaterial", „Auftrag
Baumaterial" und „abtragende Bearbeitung" z. B. dann nötig
sind, wenn sich benachbarte Geometrien bei der Herstellung stören
würden. Eine mögliche Abfolge sieht wie folgt
aus:
- 1. Auftragen des Baumaterials für
Geometrie mit Kontur 2
- 2. Fräsen von Kontur 2
- 3. Auftragen von Trägermaterial
- 4. Kavität für Geometrie mit Kontur 1 fräsen
- 5. Kavität mit Baumaterial auffüllen
- 6. Planfräsen
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2 zeigt,
dass Kombinationen der Verfahrensschritte „Auftrag Trägermaterial", „Auftrag
Baumaterial" und „abtragende Bearbeitung" z. B. dann nötig
sind, wenn sich Kavitäten mit insbes. einem spitz zulaufenden
Winkel nicht wirtschaftlich oder genau herstellen lassen. Eine mögliche
Abfolge sieht wie folgt aus:
- 1. Auftragen von
Trägermaterial
- 2. Fräsen des Negativabbild der Kavität von
Kontur 1 in das Trägermaterial
- 3. Auftragen des Baumaterials um das Trägermaterial
- 4. Planfräsen
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Aufgrund
der einfachen Verarbeitung des Trägermaterials kann dieses
auch verwendet werden, um eine Hülle um das eigentliche
Bauteil darzustellen, um einen Pyramideneffekt zu eliminieren (3).
Dies erfolgt durch schräges bzw. seitliches auftragen.
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Analog
zu dem in dem
DE 100
58 748 C1 beschriebenen Verfahren können durch
Kombination der Verfahrensschritte „Auftragen Baumaterial", „Auftragen
Trägermaterial" und „abtragende Bearbeitung" beliebige
Geometrien, z. B. scharfkantige Innengeometrien realisiert werden
(
4).
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Ferner
können mit dem beschriebenen Verfahren durch Kombination
der Verfahrensschritte „Auftragen Baumaterial", „Auftragen
Trägermaterial" und „abtragende Bearbeitung" beliebige
Geometrien, z. B. Hinterschneidungen realisiert werden (5).
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Um
einen möglichst gleichmäßigen Materialauftrag
sowie keine Überhitzung aufgrund zu langsamer Bahngeschwindigkeit
zu bekommen, sollte die Bahngeschwindigkeit möglichst konstant
sein. Dies kann z. B. durch Bahnverrundungen oder Bahnverschleifungen
erreicht werden. Somit ist es möglich, die Umkehrpunkte
innerhalb des Bauteils zu legen (6).
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Wenn
beim Auftragen zu viel Energie, z. B. hohe Gastemperatur oder viel
kinetische Energie in das Bauteil eingebracht wird, kann es notwendig sein,
z. B. Umkehrpunkte außerhalb des Bauteils zu legen. Weitere
Gründe, die Umkehrpunkte außerhalb des Bauteils
zu legen, sind z. B. zu langsame Bahngeschwindigkeit aufgrund besonderer
Konturen, Umkehrpunkte im Bauteil oder Überlappungen der
Auftragsbahnen (7).
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8 zeigt
eine Bahnüberlappung wodurch im und um den Umkehrpunkt
mehr Material aufgetragen wird.
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Die
Start- und Endpunkte sollten bevorzugt außerhalb des Bauteils
liegen.
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Die
Materialen können entweder definiert entlang einer Kontur,
flächig oder auch kombiniert aufgetragen werden.
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Um
z. B. Kanten, Taschen oder Nuten besser auffüllen zu können,
kann bei Bedarf auch schräg an den Fuß der Konturen
aufgetragen werden.
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Bei
Bedarf kann zwischen den Schritten „Auftragen Baumaterial"
oder „Auftragen Trägermaterial" oder „Abtragen"
plangefräst werden. Um bei abrasiven Materialien ein Abstahlen
der Kanten zu vermeiden kann mit Aufmaß gearbeitet werden. Nach
Fertig stellung des Materialauftrages kann die Geometrie auf Fertigmaß bearbeitet
werden.
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Das
Bauteil kann einer Nachbehandlung, z. B. einer Wärmebehandlung,
wie Vakuumglühen unterzogen werden, wenn die mechanischen
Eigenschaften des Bauteils verändert werden sollen. Um einem
möglichen Verzug in Folge der Wärmebehandlung
auszugleichen, kann das Bauteil an den für eine Nachbearbeitung
zugänglichen Stellen, z. B. die Kavität eines
Spritzgusswerkzeuges, mit einem Aufmass versehen sein, um anschließend
auf Endmaß bearbeitet zu werden.
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Auch
andere Nachbearbeitungen, wie z. B. Beschichten, Härten,
usw. und andere Nachbehandlungen, wie Wärmebehandlung unter
Druck sind denkbar.
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Vorzugsweise
wird das thermische Spritzen unter Verwendung von Wasserdampf und/oder
Stickstoff und/oder Luft durchgeführt. Als besonders geeignet
hat sich als Hauptgas wasserdampf- oder sauerstoffreduzierte Luft
sowie als Trägergas sauerstoffreduzierte Luft herausgestellt.
Der Sauerstoffgehalt sollte kleiner 3% sein.
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Als
Trägermaterial wird vorzugsweise eine Mischung bestehend
aus Magnesium mit Eisen und/oder Kupfer und/oder Nickel verwendet.
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Beim
thermischen Spritzen kommt es vor, dass Schichten aus Partikeln
unterschiedlich hoher Festigkeit übereinander gespritzt
werden müssen. Wenn Partikel mit hoher Festigkeit auf einen
Untergrund mit einer vergleichweise geringen Festigkeit gespritzt
werden, dringen diese harten Partikel in den relativ weichen Untergrund
ein und verbinden sich fest mit dem Untergrund. Beim Auftreffen
von Partikel mit einer geringeren Festigkeit als der Untergrund wird
der Untergrund dagegen nur gering verformt. Dies hat zur Folge,
dass sich die Partikel mit der geringeren Festigkeit nur schlecht
mit dem Untergrund verbinden und deshalb keine ausreichende Anbindung
oder Verankerung in dem Untergrund finden.
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Dies
kann dadurch umgangen werden, dass die erste Schicht vor dem Auftragen
der weiteren Schicht zumindest bereichsweise derart vorbehandelt
wird, dass eine ausreichende Haftung zwischen der ersten und der
weiteren Schicht sichergestellt ist.
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Infolge
dieses Verfahrens kann gewährleistet werden, dass die weitere
Schicht auch dann ausreichend fest auf der ersten Schicht haftet,
wenn die Partikel der weiteren Schicht weicher sind als die Partikel
der ersten Schicht.
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Die
Vorbehandlung der ersten Schicht kann durch Strahlen oder Plasma
erfolgen, wodurch die Oberfläche der ersten Schicht aktiviert
oder aufgeraut wird.
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Besonders
effektiv lässt sich dies realisieren, wenn die Schichten
zur Haftverbesserung zumindest teilweise stufenförmig aufbereitet
wird. Durch dieses stufenförmige Bearbeitung der Schicht
kann auch eine Haftverbesserung an schrägen Flächen
erreicht werden.
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Um
Geometriefehler insbes. an gekrümmten Bereich zu minimieren,
können die Stufen unterschiedlich hoch ausgebildet werden.
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Eine
Haftverbesserung auf Flächen und insbesonders in Kavitäten
sowie sonstigen Geometrien lässt sich auch dadurch erzielen,
dass vor dem Auftragen der weiteren Schicht eine Zwischenschicht
auf die erste Schicht aufgebracht wird, welche besser in der ersten
Schicht verankert ist und der weiteren Schicht wiederum eine bessere
Anbindung ermöglicht.
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Die
Zwischenschicht kann aus dem gleichen oder einem anderen Material
als die erste Schicht bestehen. Insbesondere hin sichtlich Körngröße,
Härte, Legierungszusammensetzung usw. kann sich die Zwischenschicht
von der ersten Schicht unterscheiden.
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Bevorzugt
besteht die Zwischenschicht aus Partikel die sich gut in dem Untergrund
verankern können
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Beim
thermischen Spritzen werden üblicherweise Schichten mit
einer Dicke von wenigen 1/10 mm bis zu maximal einigen Millimetern übereinander gespritzt.
Bei dicken Schichten wird z. B. die Oberfläche ungleichmäßig,
oder die Eigenspannungen werden zu groß. Deshalb muss die
Oberfläche vor dem Auftragen der nächsten Schicht
bearbeitet und insbesondere niveliert werden. Dieses Glätten
kann z. B. durch ein spanabhebendes Bearbeitungsverfahren erfolgen.
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Wenn
jedoch eine metallische Schicht spanabhebend bearbeitet wird, kann
je nach Werkstoff oder Materialpaarung die Anbindung der nächsten Schicht
problematisch sein. Bekannt ist, dass ein Partikel mit einer hohen
Festigkeit in einen Untergrund mit einer vergleichsweise geringen
Festigkeit eindringt und somit gut auf dem Untergrund haftet. Beim
Auftreffen eines Partikels mit geringerer Festigkeit als der Untergrund
wird der Untergrund jedoch nur gering verformt, was eine schlechte
Haftung der nachfolgenden Schicht auf dem Untergrund zur Folge hat.
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Wenn
der Untergrund mit einem spanabhebenden Bearbeitungswerkzeug bearbeitet
wird, um eine glatte Oberfläche zu erzeugen, kann das Schneidwerkzeug
die Oberfläche verdichten, wenn es z. B. durch Verschleiß oder
aufgrund der verwendeten Schneidengeometrie nicht scharf schneidet. Eine
verdichtete Oberfläche ist im Mikroschliff daran zu erkennen,
dass die Partikel des Untergrundes verformt bzw. verschmiert sind.
Diese verdichtete Zone kann zwischen wenigen Mikrometern bis zu
einigen zehntel Millimeter dick sein und verhindert eine gute Haftung
der nachfolgenden Schicht insbesondere dann, wenn die nachfolgende
Schicht aus Partikeln besteht, die die gleiche oder eine geringere
Festigkeit aufweisen, als die Partikel der verdichteten Zone.
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Die
Verdichtung der Oberfläche ist im Wesentlichen unabhängig
von der Bearbeitungsart und tritt bei spanabhebenden Bearbeitungsvorgängen wie
Schleifen, Fräsen, Drehen usw. gleichermaßen auf.
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Dies
lässt sich dadurch umgehen, wenn die Nachbearbeitung ohne
ein Verdichten des Untergrundes erfolgt.
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Dies
hat den Vorteil, dass die Partikel der nachfolgend aufgebrachten
Schicht gut auf dem Untergrund haften kann, da dieser bei der Nachbearbeitung
nicht verdichtet wird.
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Eine
Nachbearbeitung ohne Verdichtung des Untergrundes kann auf verschiedene
Art und Weise erfolgen z. B. mit sehr scharfen Werkzeugen oder mit Werkzeuge
mit einer geeigneten Schneidengeometrie.
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Besonders
einfach lässt sich dies realisieren, wenn die Nachbearbeitung
in zwei Schritten erfolgt, wobei in dem ersten Schritt eine Grob-
und in dem zweiten Schritt eine Feinbearbeitung erfolgt.
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Zur
Nachbearbeitung eignen sich insbesondere spanabhebende Bearbeitungsvorgänge,
wie z. B. Fräsen, Drehen, Schleifen usw.
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Besonders
einfach gestaltet sich die Nachbearbeitung, wenn der Fräsvorgang
in zwei Schritten erfolgt, wobei im ersten Schritt ein Schruppwerkzeug verwendet
wird, das insbesondere die raue Spritzkontur entfernt. Im zweiten
Schritt wird ein scharfes Schlichtwerkzeug verwendet, wodurch vorrangig
die Verdichtung der Oberfläche vermieden wird.
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Eine
weitere Möglichkeit zur Vermeidung einer Verdichtung stellt
das Anstellen des Schneidwerkzeuges in einem Winkel zur Bearbeitungsrichtung
(positives oder negatives Sturzfräsen) dar. Dabei ist wesentlich,
dass die abgehobene Schneide des Werkzeuges die bearbeitete Oberfläche
nicht mehr berührt.
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Vorteilhaft
ist weiterhin eine Bearbeitung bei der sich entweder Schneidwerkzeug
oder Werkstück oder beide gleichzeitig bewegen, wobei je
nach Art des Grundmaterials und des Bearbeitungsvorgangs z. B. Fräsen
oder Schlichten Gegenlauf oder Gleichlauf vorzuziehen ist.
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Einen
weiteren wesentlichen Verdichtungsfaktor stellt der laufende Verschleiß des
Werkzeuges dar. Maßgeblich hierfür ist die Kontaktzeit,
in der die Schneide mit dem jeweiligen Oberflächenelement
in direktem Kontakt steht. Diese kann durch kleine Überlappung
und Erhöhung des Vorschubes verringert werden.
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Weiterhin
kann der laufende Verschleiß durch die Verwendung von Fräswerkzeugen
mit extrem kurzer Schneidenlänge vermieden werden. Aufgrund
von deren Steifigkeit können Schneidwerkstoffe, Schneidengeometrien
und Schneidenbeschichtungen eingesetzt werden, die bei Werkzeugen
mit langer Schneidenlänge nicht möglich sind.
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Bei
Bedarf besteht die Möglichkeit, etwas tiefer zu Fräsen,
um den nachteiligen Effekt des Fräsereckenradius oder einer
Fase (definierter Eckenradius, Fase oder durch Verschleiß entstandene
Kontur) zu reduzieren, sowie Problemen, z. B. Längenausdehnung
oder Verschleppen von Material, vorzubeugen.
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Infolge
des erfindungsgemäßen Verfahrens können
bereits während des Aufbaues in dem Bauteil innen liegende
Konturen, wie Kühl- oder Heizkanäle vorgesehen
werden. Vorgefertigte Einle geteile aus beliebigen Materialien können
während des Aufbaus ebenfalls integriert werden.
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Alle
oben beschriebenen Komponenten können auch in Alleinstellung
oder in beliebiger Kombination in anderen Herstellungsverfahren
von metallischen oder Verbundbauteilen zur Anwendung kommen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10058748 [0002]
- - DE 10058748 C1 [0032]