DE102008028109A1

DE102008028109A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von verstärkten Bauteilen

Info

Publication number: DE102008028109A1
Application number: DE102008028109A
Authority: DE
Inventors: Johannes Dr. San Francisco Vicek
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2008-06-13
Filing date: 2008-06-13
Publication date: 2009-12-24
Also published as: WO2009149898A1

Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung von verstärkten Bauteilen mittels eines gefüllten Hohldrahts (10) enthält die Schritte: Bereitstellen eines Hohldrahts (10), wobei der Hohldraht einen Mantel (12) und ein Füllelement (14, 16) enthält, dessen Material sich von dem Material des Mantels unterscheidet; Schmelzen des gefüllten Hohldrahts (10) mittels eines Strahlenschmelzverfahrens (20); Auftragen des gefüllten Hohldrahts (10) auf ein Bauteil und/oder eine Struktur mittels eines Auftragverfahrens (30) und Abkühlen des gefüllten Hohldrahts (10) mittels eines Abkühlverfahrens (40).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbau und/oder zur Verstärkung von Bauteilen und/oder Strukturen insbesondere im Flugzeug- und Leichtbau sowie der Raumfahrt. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Drahtauftrags – oder Drahtaufbauverfahren.
Die Herstellung von Hohldrähten und Drahtauftragsverfahren unter Verwendung metallischer Hohl- oder Vollquerschnittdrähte sind bekannt. Solche Drahtauftragsverfahren finden beispielsweise in der Oberflächenbeschichtung Einsatz. Mittels Hohl- oder Vollquerschnittdrähten, insbesondere bekannt durch den Einsatz von Hohl- und Vollquerschnittdrähten bei thermischen Spritzverfahren, werden Oberflächeneigenschaften von Bauteilen gezielt an Belastungen und Beanspruchungen, denen die Bauteile im Einsatz in der Luftfahrt ausgesetzt sind, angepasst. Dabei werden Zusatzwerkstoffe, sogenannte Spritzzusätze, innerhalb oder außerhalb eines Spritzbrenners ab- oder aufgeschmolzen, in einem Gasstrom in Form von Spritzpartikeln beschleunigt und mit hoher Geschwindigkeit auf die Oberfläche des zu beschichtenden Bauteils aufgetragen. Die Hohldrähte werden durch Kaltumformung, wie beispielsweise Ziehen, Biegen oder Walzen, von Flachbändern hergestellt. Die Herstellung von Vollquerschnittdrähten erfolgt zumeist durch Ziehen von grobem Draht durch sich verjüngende Öffnungen eines Zieheisens, Ziehsteins oder Walzgerüstes. Dieser Vorgang wiederholt sich so oft, bis der gewünschte Querschnitt des Vollquerschnittdrahtes erreicht ist.
Davon ausgehend ist es die technische Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur gezielten Verstärkung bzw. zum Aufbau von Bauteilen mittels Drahtauftrag oder Drahtaufbau vorzusehen, mit dem eine lokale und belastungsangepasste Verstärkung besonders beanspruchter Bereiche des Bauteils ermöglicht wird und mit dem Belastungseigenschaften des aufgebauten Bauteils gezielt gesteuert werden können.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen aus Anspruch 12 gelöst. Bevorzugte Aspekte sind in den abhängigen Patentansprüchen zu finden.
So wird insbesondere durch additive Verfahren und die Nutzung des in-situ-Legierens eine kostengünstigere Herstellung großer Strukturbauteile in der Luft- und Raumfahrt oder im Leichtbau ermöglicht, da die Bauteile aus dem günstigeren Grundwerkstoff gefertigt werden und ausschließlich an lastkritischen Stellen eine lokale Verstärkung mittels Beschichtung der Oberfläche des Bauteils oder mittels Drahtaufbau eines Teils des Bauteils erfolgt.
Gemäß der Erfindung beginnt der drahtbasierte Auftragsprozess zur Herstellung und/oder Verstärkung von Bauteilen aus Anspruch 1 mit der Bereitstellung eines Hohldrahts, der einen Mantel und ein Füllelement, dessen Material sich von dem Material des Mantels unterscheidet, enthält und der auf einen Trägerkörper aufgetragen wird.
Obwohl der Anteil an CFK-Bauteilen im Flugzeugbau stetig ansteigt, ist es nach heutigem Stand noch nicht möglich, komplette CFK-Strukturbauweisen zu realisieren. Geeignete Verbindungen hinsichtlich Elastizitätsmodul und Bauteilkorrosion von metallischen und CFK-Bauteilen sind somit nur durch die Verwendung hochfester, metallischer, aber mitunter kostenintensiver Werkstoffe für Anbindungsbauteile zu ermöglichen. Mittels Drahtauftrag oder Drahtaufbau unter Verwendung eines Hohldrahts, können lastkritische Bereiche an Bauteilen systematisch verstärkt und/oder aufgebaut werden. Der vorliegenden Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, Trägerkörper mittels des Hohldrahts mit einem Füllelement, der geschmolzen auf den Trägerkörper aufgetragen wird, zu verstärken bzw. aufzubauen.
Dabei entspricht der Trägerkörper bevorzugt einem Bauteil und/oder einer Struktur.
Bevorzugt enthält der Hohldraht einen metallischen Mantel. Der Vorteil eines metallischen Hohlmantels liegt zum einen darin, dass vor allem metallische Bauteile im Flugzeug oder Leichtbau, deren Werkstoffeigenschaften im Grundwerkstoff zumeist nicht den Belastungsanforderungen entsprechen und nur in Verbindung mit sehr hohen Kosten diesen angepasst werden können, durch den Auftrag geeigneter, metallischer Werkstoffkombinationen den vorgesehenen Belastungen angepasst werden können. Des Weiteren wird durch den metallischen Mantel eine gute Anbindung des Werkstoffauftrags an metallische Bauteile ermöglicht. Grundsätzlich ist aber auch ein Mantel aus einem anderen Material, das schmelzbar und auf ein Bauteil auftragbar ist, möglich.
Der Hohldraht enthält ein Füllelement. Unter Füllelement wird verstanden, dass der Hohldraht keine Luft im Inneren des Mantels enthält. Insbesondere können Füllelemente schmelzbare oder verflüssigbare Werkstoffe sein, die durch Wärmeeinwirkung schmelzen, auf dem Werkstück verteilt werden und sich dann wieder verfestigen. Je nach Art des Füllelements können entsprechend verschiedene Materialeigenschaften erzielt werden.
Das Füllelement ist vorzugsweise ein Legierungselement. Dies hat den Vorteil, dass eine gezielte Verbesserung von Materialeigenschaften metallischer Werkstoffe in Verbindung mit einem metallischen Mantel erzielt werden kann.
Das Füllelement ist bevorzugt eine thermisch zu aktivierende reaktive Phase. Dies wiederum hat den Vorteil, dass es erst unter thermischem Einfluss zu einer Reaktion zwischen Mantel und Füllelement kommt und damit die Verbindung von Mantel und Füllelement gezielt gesteuert werden kann. Grundsätzlich ist aber auch ein andersartiges Füllelement denkbar, das mit dem Mantel des Hohldrahts eine vorteilhafte Verbindung eingeht.
Der Hohldraht mit dem Füllelement wird unter Verwendung eines Schmelzverfahrens geschmolzen, wobei es sich hierbei bevorzugt um ein Strahlenschmelzverfahren handelt. Strahlenschmelzverfahren haben den Vorteil, dass Werkstoffe mittels eines hochgenau positionierbaren Strahls, jedoch in Verbindung mit einem geringen Energieeintrag, geschmolzen werden können.
Bevorzugter Weise handelt es sich hierbei wiederum um ein Laserschmelzverfahren, was den Vorteil hat, dass Werkstoffe schon bei geringem, aber konzentriertem Energieeintrag und mittels der sehr hohen Positionierungsgeschwindigkeit und Positionierungsgenauigkeit des Laserstrahls energiesparend geschmolzen werden können.
Ein weiterer bevorzugter Aspekt beim Strahlenschmelzverfahren ist das Elektronenstrahlschmelzverfahren, das den Vorteil hat, dass es auch das Verschmelzen höchstschmelzender Metalle, die Herstellung von Mischverbindungen durch das Verschweißen verschiedener Materialien, sowie das Verschweißen hochwertiger Werkstoffe ermöglicht. Grundsätzlich ist aber auch ein anderes Schmelzverfahren, das an die Werkstoffe angepasst ist, möglich.
Der geschmolzene Hohldraht wird auf ein Bauteil und/oder eine Struktur aufgetragen, wobei der Hohldraht bevorzugt nur auf einen Teil, einen Teilbereich, ein Stück oder einen Teilabschnitt eines Bauteils aufgetragen wird. Dies hat den Vorteil, dass dadurch lastkritische Bereiche am Bauteil lokal gezielt verstärkt werden und eine teuere, aufwendige und unnötige Verstärkung des gesamten Bauteils vermieden wird. Es ist unter Verwendung des drahtbasierten Aufbauprozesses aber auch möglich, komplette Bauteile, Teile von Bauteilen und/oder Strukturen aufzubauen bzw. auszubilden. Grundsätzlich ist es somit möglich, dass der geschmolzene Hohldraht, je nach Belastungsart und Anforderung, auf große Teile der Bauteiloberfläche oder auf die gesamte Bauteiloberfläche aufgetragen wird und/oder ein Bauteil gezielt unter Verwendung des geschmolzenen Hohldrahts an besonders beanspruchten Stellen aufgebaut wird.
Das Verfahren zur Herstellung verstärkter Werkstoffe schließt damit ab, dass der aufgetragene Hohldraht am Bauteil bevorzugter Weise rasch abkühlt. Eine rasche und/oder gesteuerte Abkühlung bzw. Erstarrung hat den Vorteil, dass Vergröberungen der sich dabei bildenden Ausscheidungen und Phasen vermieden werden. So wird ein homogenes Werkstoffgefüge mit einer guten Anbindung an das Bauteil und eine gezielte Anpassung der Oberflächeneigenschaften an die vorgesehene Belastung geschaffen. Grundsätzlich ist auch eine Abkühlung möglich, die eine geringe Geschwindigkeit aufweist, wenn dabei Vergrüberungen der sich bildenden Ausscheidungen vermieden werden. Insbesondere Legierungen, die nicht oder nur mit großem Aufwand erzeugt werden können, sind mit hohldrahtbasierten Auftrags- oder Aufbauprozessen zu realisieren. Es können unvorhersehbare Reaktionen der Schmelze im Guss- oder Pulverherstellungsprozess, beispielsweise durch hohe Bildungswärme hervorgerufene Temperatursprünge (Prozesssicherheit/Beherrschbarkeit), vermieden werden. Eine verbesserte Kontrolle der Größe der Ausscheidungen ist möglich, da die Erstarrungsbindungen über die Prozessparameter eingestellt werden können und nicht, wie bei der Pulverherstellung entsprechender Legierungen typisch, vom Pulverpartikeldurchmesser abhängig sind.
Wird nach Abschluss des Verfahrens der Trägerkörper, der dem Bauteil oder der Struktur entspricht, auf den der Hohldraht aufgetragen wird, entfernt, können unter Verwendung des Hohldrahtauftragsverfahrens auch komplette Bauteile oder Teile von Bauteilen und/oder Strukturen durch Drahtaufbau ausgebildet werden. Der Trägerkörper kann aber auch im Bauteil integriert bleiben. Insbesondere bei größeren Bauteilen ist das vorteilhaft, da der Aufbauprozess nur die geometrisch komplexen Bereiche abbildet und gleichzeitig so die Prozesszeit und Kosten reduziert werden können.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand der beigefügten Figuren beschrieben, in denen:
1 ein Flussdiagramm für ein Verfahren zur Herstellung von verstärken Bauteilen mittels eines drahtbasierten Auftragsprozesses ist; und
2 eine Ansicht im Querschnitt durch einen Hohldraht mit Füllelement ist.
1 zeigt die einzelnen Schritte des Verfahrens zur Herstellung von verstärkten Bauteilen, wobei der Prozess mit der Bereitstellung eines Hohldrahts 10 mit Füllelement beginnt.
Der Hohldraht 10 beinhaltet, wie in 2 gezeigt wird, einen metallischen Mantel 12 und einen Kern, der aus einem Legierungselement 14 oder einer thermisch zu aktivierenden reaktiven Phase 16 bestehen kann.
Ein Beispiel für eine Verbindung eines metallischen Mantels 12 mit einem Kern der ein Legierungselement 14 darstellt, ist ein CuNb-Legierungsmantel mit einem Kern aus Cr-Pulver. Ein Beispiel für eine Verbindung eines metallischen Mantels 12 mit einem Kern, der eine thermisch zu aktivierende reaktive Phase 16 darstellt, ist ein Ti-Legierungsmantel mit einem Kern aus Borkarbid Pulver.
Wie in 1 gezeigt wird, wird der Hohldraht 10 mit dem Füllelement im weiteren Verlauf des Verfahrens geschmolzen. Dabei handelt es sich um ein Strahlenschmelzverfahren 20, das beispielsweise durch ein Laserstrahlschmelzverfahren 24 oder ein Elektronenschmelzverfahren 26 abgebildet wird.
So können, aufgrund hoher Positioniergeschwindigkeit und Positioniergenauigkeit des Strahls bei gleichzeitig hohem Energiegehalt, selbst höchstschmelzende Werkstoffe geschmolzen werden. Im vorliegenden Beispiel kann somit die für Nb-Verbindungen erforderliche Schmelztemperatur von 2477°C (2750 K) oder die für Ti-Verbindungen erforderliche Schmelztemperatur von 1668°C (1941 K) realisiert werden.
Der geschmolzene Hohldraht wird mit einem Auftrags- oder Aufbauverfahren 30 auf ein Bauteil aufgetragen. Dabei erfolgt der Auftrag ausschließlich lokal, um lastkritische Stellen am Bauteil zu verstärken und damit den hohen Anforderungen an Sicherheit in der Luftfahrt gerecht werden.
Der auf das Bauteil aufgetragene Hohldraht kühlt nun mittels eines Abkühlverfahrens 40 ab. Eine rasche Abkühlung ist vorteilhaft und wird angestrebt. Da der Hohldraht in einer dünnen Schicht auf das Bauteil aufgetragen wird oder lediglich ein gezielter Teil des Bauteils durch den geschmolzenen Hohldraht ausgebildet wird, kühlt die Schicht am Bauteil auch bei einer Umgebungstemperatur von 20°C, was einer Abkühlung bei Raumtemperatur entspricht, rasch ab. Weitere Verfahren, die eine rasche Abkühlung des Hohldrahts am Bauteil ermöglichen, sind Abschreckverfahren mittels gekühlter Flüssigmedien (Wasser, Öl) und Abkühlverfahren, die mit niedriger Lufttemperatur arbeiten. Die rasche Abkühlung hat zur Folge, dass Vergröberungen der sich bildenden Ausscheidungen vermieden werden und somit eine homogene Gefügestruktur in der Schicht entsteht.
So bilden sich beispielsweise bei dem Hohldraht 10 mit dem CuNb-Legierungsmantel 12, der den Kern 14 aus Cr-Pulver enthält, homogene Cr2Nb-Ausscheidungen und bei dem Hohldraht 10 mit dem Ti-Legierungsmantel 12, der den Kern 16 aus Borkarbid Pulver enthält, homogene TiB2 Ausscheidungen.
Damit wird die Möglichkeit geschaffen, große Strukturbauteile in der Luft- und Raumfahrttechnik und im Leichtbau aus kostengünstigeren Grundwerkstoffen zu fertigen und ausschließlich besonders beanspruchte Stellen mittels Drahtauftrag aus hochwertigen und angepassten Werkstoffkombinationen zu ergänzen, die sich durch fein verteilte Phasen, reproduzierbare Eigenschaften und eine Anwendbarkeit auf unbeschränkte Bauteilgrößen auszeichnen.
Grundsätzlich ist es aber auch denkbar, Hohldrähte mit Füllelementen auf komplette Bauteile aufzutragen oder mittels Hohldrähten komplette Bauteile auszubilden. Beispielsweise ist unter Verwendung von hohldrahtbasierten Aufbauprozessen die Herstellung von Brennkammerstrukturen mit warmfesten Oberflächen an der inneren Brennkammerwand möglich. Dazu wird der Hohldraht von innen nach außen auf einen Dorn geschweißt und der Dorn nach der Erstarrung des aufgetragenen Hohldrahts entfernt.

10: Hohldraht mit Füllelement
12: Hohldrahtmantel
14: Legierungselement
16: thermisch zu aktivierende reaktive Phase
20: Schmelzverfahren
24: Laserstrahlschmelzverfahren
26: Elektronenstrahlschmelzverfahren
30: Auftragsverfahren
40: Abkühlverfahren

Claims

Drahtbasierter Aufbauprozess zur Herstellung und/oder Verstärkung von Bauteilen und/oder Strukturen, enthaltend: Bereitstellen eines Hohldrahts (10) mit einem Mantel (12), wobei der Hohldraht ein Füllelement (14, 16) enthält, dessen Material sich von dem Material des Hohldrahts unterscheidet; ein Schmelzverfahren (10), zum Schmelzen des Hohldrahts an einem Trägerkörper, wobei der geschmolzene Hohldraht auf einen Trägerkörper aufgebracht wird, und wobei der auf den Trägerkörper aufgebrachte Hohldraht am Trägerkörper abkühlt.
Drahtbasierter Aufbauprozess nach Anspruch 1, wobei der Trägerkörper einem Bauteil und/oder einer Struktur entspricht.
Drahtbasierter Aufbauprozess nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Hohldraht (10) einen metallischen Mantel (12) enthält.
Drahtbasierter Aufbauprozess nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Hohldraht (10) ein Legierungselement (14) als Füllelement enthält.
Drahtbasierter Aufbauprozess nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Hohldraht (10) eine thermisch zu aktivierende reaktive Phase (16) als Füllelement enthält.
Drahtbasierter Aufbauprozess nach Anspruch 4 oder 5, wobei der Hohldraht (10) mittels eines Strahlenschmelzverfahrens (20) geschmolzen wird.
Drahtbasierter Aufbauprozess nach Anspruch 6, wobei der Hohldraht (10) mittels eines Laserstrahls (24) geschmolzen wird.
Drahtbasierter Aufbauprozess nach Anspruch 6, wobei der Hohldraht (10) mittels eines Elektronenstrahls (26) geschmolzen wird.
Drahtbasierter Aufbauprozess nach Anspruch 7 oder 8, wobei der Hohldraht (10) auf einen Teil eines Bauteils aufgetragen wird.
Drahtbasierter Aufbauprozess nach Anspruch 9, wobei der Hohldraht (10) derart rasch abkühlt, dass Vergröberungen der sich bildenden Ausscheidungen vermieden werden.
Drahtbasierter Aufbauprozess nach Anspruch 10, wobei der Trägerkörper nach Erstarrung des aufgetragenen Hohldrahts entfernt wird.
Hohldraht (10) zur Herstellung und/oder Verstärkung von Bauteilen und/ oder Strukturen, enthaltend: einen Mantel (12), wobei der Mantel im Inneren hohl ist; ein Füllelement (14, 16), wobei das Füllelement sich im Inneren des Mantels befindet, und wobei sich das Material des Füllelements von dem Material des Mantels unterscheidet.
Hohldraht (10) nach Anspruch 12, wobei der Mantel (12) des Hohldrahts (10) aus Metall besteht.
Hohldraht (10) nach Anspruch 12 oder 13, wobei der Mantel (12) ein Legierungselement (14) als Füllelement enthält.
Hohldraht (10) nach Anspruch 12 oder 13, wobei der Mantel (12) eine thermisch zu aktivierende reaktive Phase (16) als Füllelement enthält.