-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.
-
Die Herstellung von Zahnrädern und Verzahnungen ist aufgrund der üblicherweise sehr langen Prozessketten und aufwendigen Herstellungsverfahren teuer und wenig flexibel, aber normalerweise sehr gut geeignet für große Stückzahlen. Die Herstellung von derartigen Bauteilen für Prototypen, beispielsweise auf Laser-Sinter-Anlagen, ist sehr flexibel, genau und endkonturnah realisierbar, für größere Stückzahlen aber viel zu langsam und teuer.
-
Die
DE 10 2011 114 844 A1 zeigt ein gattungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines Bauteils, insbesondere eines Zahnrads, bei welchem ein Bauteilrohling mit einer endkonturnahen Form hergestellt wird. Entsprechende Verzahnungen werden dabei endkonturnah vorgeschmiedet, wobei lediglich noch eine Feinbearbeitung im Anschluss daran erfolgt.
-
Die
DE 10 2006 060 791 zeigt ein Verfahren zur elektrochemischen Bearbeitung eines gehärteten Bauteils, wobei das Bauteil in einem ersten Verfahrensschritt vorgeschmiedet und anschließend gehärtet wird.
-
Die
EP 1 694 985 B1 zeigt ein Herstellungsverfahren für eine Laufverzahnung, wobei die Laufverzahnung vorgeschmiedet und elektrochemisch weiterverarbeitet wird.
-
Die
DE 10 2011 011 242 A1 zeigt ein Verfahren zur Herstellung eines Verzahnungskörpers durch ein generatives Fertigungsverfahren, wobei es sich bei dem generativen Fertigungsverfahren beispielsweise um selektives Lasersintern handeln kann.
-
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils bereitzustellen, mittels welchem unterschiedlichste Eigenschaften des Bauteils auf besonders einfache Weise erzielt werden können.
-
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
-
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines Bauteils, insbesondere eines Zahnrads, wird ein Bauteilrohling mit einer endkonturnahen Form hergestellt, wobei sich das erfindungsgemäße Verfahren dadurch auszeichnet, dass zumindest ein pulverförmiges Material aufgeschmolzen und als Beschichtung an zumindest einem Bereich des hergestellten Bauteilrohlings aufgebracht wird.
-
Die Dicke der Beschichtung kann dabei entsprechend einer vorgegebenen Belastung des Bauteils gewählt werden. Der Bauteilrohling selbst kann beispielsweise durch Umformen, insbesondere durch Schmieden oder Sintern und/oder durch spanende Verfahren hergestellt werden, bevor die Beschichtung mittels eines Rapid Prototyping Verfahrens an dem Bauteilrohling hergestellt wird. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, für den Bauteilrohling beispielsweise ein Material zu wählen, welches besonders schweißgeeignet und/oder besonders schwingfest ist, ohne Rücksicht auf die Materialeigenschaften der Beschichtung legen zu müssen. Es kann beispielsweise ein artfremder Werkstoff für die Beschichtung gewählt werden, der eine gewünschte Härte und dergleichen aufweist. Wichtig ist nur, dass sich die beiden Werkstoffe metallurgisch verbinden lassen, ohne dass es z. B. zu Rissbildung, Versprödung etc. kommt. Durch geschickte Parameterwahl kann zudem die Aufschmelzung des massiven Partners sehr gering gehalten werden, was gegenüber konventionellem Schweißen weitergehende Freiräume bei der Wahl des anderen Werkstoffs zulässt. Darüber hinaus kann der Bauteilrohling relativ einfach hergestellt werden, da durch die Beschichtung erst eine tatsächliche Endkontur des Bauteilrohlings hergestellt wird. Im Bereich der Beschichtung ist gegebenenfalls noch im Anschluss an die Herstellung der Beschichtung eine Feinbearbeitung, wie beispielsweise ein Schleifen, erforderlich, wobei keine wesentliche Veränderung der Formgebung der Beschichtung und somit des Bauteils mehr erfolgt. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens können zudem eine Vielzahl von Prozessschritten eingespart werden, wobei zudem eine optimale Kombination von Werkstoffen für den Bauteilrohling und die Beschichtung gewählt werden kann.
-
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Bauteilrohling mit einer endkonturnahen Zahnung, welche zumindest eine endkonturnahe Zahnform aufweist, hergestellt und die Beschichtung in Form einer Zahnschicht an der endkonturnahen Zahnung aus dem zumindest einen aufgeschmolzenen pulverförmigen Material hergestellt wird. Die Oberfläche der Zahnschicht kann beispielsweise aus einer Hartlegierung auf einer Cobalt-Chrom-Basis hergestellt werden, welche auch unter dem Namen Stellite bekannt ist. Je nach Einsatzgebiet kann die Hartlegierung Anteile von Chrom, Wolfram, Nickel, Molybdän und Kohlenstoff aufweisen, da durch die Bildung von Carbiden einen großen Einfluss auf die Eigenschaften der Legierung hat. Das Hauptmerkmal von Stellite ist eine hohe Beständigkeit gegen Verschleiß wie beispielsweise Korrosion oder Abrasion, die auch bei hohen Temperaturen erhalten bleibt, wodurch sie aber auch schwer zu bearbeiten sind. Dadurch, dass der Bauteilrohling unabhängig von der Zahnschicht hergestellt wird, stellt dies jedoch kein größeres Problem dar. Der Bauteilrohling mit seiner endkonturnahen Zahnung kann zunächst auf relativ einfache Weise hergestellt werden, bevor die Beschichtung in Form der Zahnschicht an der endkonturnahen Zahnung aus dem zumindest einen aufgeschmolzenen pulverförmigen Material hergestellt wird. Im Gegensatz zur konventionellen Herstellung von Zahnrädern kann also mittels des Verfahrens der Bauteilrohling mit einer endkonturnahen Zahnung hergestellt und anschließend durch Aufbringen der Beschichtung die tatsächliche Endkontur der Zahnung erzielt werden. Lange und teure Prozessketten, wie sie üblicherweise bei der Herstellung von Zahnrädern notwendig sind, können dadurch entfallen. In der Regel ist der Schichtwerkstoff hochwertiger und teurer als das Grundmaterial. Durch die o. g. Vorgehensweise wird dadurch nur eine geringe Menge im Verhältnis zum Gesamtbauteil benötigt.
-
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das zumindest eine pulverförmige Material durch Lasersintern aufgeschmolzen und als die Beschichtung aufgebracht wird. Lasersintern, was auch unter dem Namen selektives Lasersintern bekannt ist, ist ein Verfahren, um räumliche Strukturen durch Sintern aus einem pulverförmigen Ausgangsstoff herzustellen. Die Beschichtung wird vorzugsweise also Schicht für Schicht aufgebaut. Durch die Wirkung der Laserstrahlen können so beliebige dreidimensionale Geometrien auch mit Hinterschneidungen erzeugt werden, zum Beispiel auch Zahnformen bei Zahnrädern, die sich in konventioneller mechanischer oder gießtechnischer Fertigung nicht herstellen lassen.
-
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Bauteilrohling während des Lasersinterns auf einer außenumfangsseitig von einer Begrenzungsform begrenzten Bauteilplattform angeordnet und das zumindest eine pulverförmige Material in einem Zwischenraum zwischen dem Bauteilrohling und der Begrenzungsform zugeführt wird. Die Bauteilform und die Begrenzungsform sind in ihrer Anordnung und hinsichtlich ihrer Abmessungen dabei vorzugsweise derart ausgestaltet, dass der Zwischenraum zwischen dem Bauteilrohling und der Begrenzungsform nur wenig größer als die spätere Beschichtung gewählt ist, so dass nur relativ wenig von dem pulverförmigen Material in den Zwischenraum eingefügt werden muss. Es wird also kein ganzes Pulverbett, wie üblicherweise beim Lasersintern üblich, benötigt, sondern nur Pulver zwischen den Bauteilrohling und die Begrenzungsform eingefüllt und gegebenenfalls abgezogen. Zum einen wird der Aufwand beim Herstellen der Beschichtung dadurch erheblich reduziert, wobei zum anderen auch wesentlich weniger pulverförmiges Material in Umlauf ist.
-
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass nacheinander mehrere unterschiedliche pulverförmige Materialien aufgeschmolzen und jeweils als Einzelschichten hergestellt werden, welche zusammen die Beschichtung bilden. Eine der Schichten kann beispielsweise in Form von einer Haftvermittlerschicht als erstes an dem Bauteilrohling aufgebracht werden, so dass die weiteren Schichten besonders zuverlässig an der Haftvermittlerschicht und somit auch zumindest mittelbar an dem Bauteilrohling anhaften bleiben. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, dass eine der Schichten in Form von einer Dämpfungsschicht hergestellt wird, wobei diese Dämpfungsschicht eine elastische Schicht ist, die beispielsweise zur Dämpfung von Schlägen und Schwingungen dienen kann. Zumindest eine der Schichten kann alternativ oder zusätzlich auch als poröse Schicht mit einem vorgegebenen Schmierstoffaufnahmevolumen hergestellt werden, um in einem Notlauffall eine Art Mischreibung beispielsweise zwischen Zahnflanken und einem Gegenpart zu realisieren. Je nach Anwendungsfall kann die Beschichtung auch beispielsweise als Verschleißschutz bei Stößeln, Werkzeugen, Kolben und dergleichen dienen. Auch ist es möglich, die Beschichtung als Lagerschicht für Gleit- oder Wälzlager vorzusehen. Darüber hinaus ist es auch denkbar, dass die Beschichtung als korrosionsschützende Schicht auf dem Bauteilrohling aufgebracht wird.
-
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass zumindest ein Teil der Beschichtung nach ihrer Herstellung, insbesondere durch Abschrecken, gehärtet wird. Dies kann beispielsweise durch eine Selbstabschreckung direkt nach dem Auftragen der Beschichtung, welche kurz aufschmilzt und dann relativ schnell wieder abkühlt, erfolgen. Alternativ ist es aber auch möglich, die Beschichtung nach ihrer Herstellung durch anderweitige Abschreckverfahren zu härten. Dadurch kann insbesondere die Oberflächenhärte der aufgetragenen Beschichtung verbessert werden.
-
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Bauteilrohling aus einem schweißbaren Material hergestellt wird. Falls es sich bei dem hergestellten Bauteil um ein Zahnrad handelt, kann somit der Teil des Zahnrads, welcher aus dem Bauteilrohling gebildet wird, auf besonders einfache Weise mit anderen Komponenten verschweißt werden.
-
Schließlich ist es gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass der Bauteilrohling aus einem anderen Material als die Beschichtung hergestellt wird. Somit können die Eigenschaften des Bauteilrohlings und der Beschichtung optimal auf jeweils gegebene Herstell- und Bauteilverwendungsrandbedingungen eingestellt werden.
-
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
-
Die Zeichnung zeigt in:
-
1 eine schematische Darstellung einer Verfahrensabfolge zum Herstellen eines Zahnrads;
-
2 eine schematische Darstellung einer Lasersinteranlage, wobei ein Bauteilrohling während des Lasersinterns auf einer beweglichen Bauteilplattform angeordnet wird, während eine Zahnschicht aus zumindest einem aufgeschmolzenen pulverförmigen Material angebracht wird;
-
3 eine weitere schematische Ansicht der Lasersinteranlage, wobei ein Teil der Zahnschicht bereits an dem Bauteilrohling angebracht worden ist;
-
4 eine weitere schematische Darstellung der Lasersinteranlage, wobei die Zahnschicht an dem Bauteilrohling fertig gestellt worden ist; und in
-
5 eine alternative Ausführungsform der Lasersinteranlage, wobei der Bauteilrohling während des Lasersinterns auf einer außenumfangsseitig von einer Begrenzungsform begrenzten Bauteilplattform angeordnet und das zumindest eine pulverförmige Material in einen Zwischenraum zwischen dem Bauteilrohling und der Begrenzungsform zugeführt wird. Die Bauteilplattform kann dabei so ausgeführt sein, dass sie sich absenken lässt und so die Zähne schrittweise auf der ganzen Flankenbreite beschichtet werden können.
-
In den Figuren werden gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
-
Eine Abfolge von Verfahrensschritten zum Herstellen eines Zahnrads 10 ist in einer schematischen Darstellung in 1 gezeigt. Zunächst wird ein Bauteilrohling 12 mit einer endkonturnahen Form hergestellt, wobei die endkonturnahe Form eine endkonturnahe Zahnung 14 aufweist, welche mehrere endkonturnahe Zähne 16 umfasst. Anschließend wird zumindest ein hier nicht dargestelltes pulverförmiges Material aufgeschmolzen und als Beschichtung 18 in Form einer Zahnschicht an der endkonturnahen Zahnung 14 hergestellt. Für das Aufschmelzen des pulverförmigen Materials und Aufbringen der Beschichtung 18 können verschiedenste Rapid Prototyping Verfahren eingesetzt werden, wobei vorzugsweise die Beschichtung 18 durch Lasersintern, auch als selektives Lasersintern bezeichnet, aufgebracht wird.
-
Der Bauteilrohling 12 wird beispielsweise umgeformt, geschmiedet, gegossen oder gesintert. Die Beschichtung 18 besteht dabei zumindest aus einem zuvor aufgeschmolzenen pulverförmigen Material, beispielsweise einem Hartstoff oder einem beim Auftragen aushärtenden Stoff, wobei die Beschichtung 18 so aufgetragen wird, dass jeweilige Zahnformen des Zahnrads 10 zumindest im Wesentlichen der tatsächlich gewünschten Endkontur entsprechen. Die Beschichtung 18 kann anschließend gegebenenfalls noch auf ein Endmaß geschliffen werden.
-
Die Oberfläche der Beschichtung 18 kann beispielsweise aus einer Hartlegierung auf einer Cobalt-Chrom-Basis hergestellt werden, welche auch unter dem Namen Stellite bekannt ist. Je nach Einsatzgebiet kann die Hartlegierung Anteile von Chrom, Wolfram, Nickel, Molybdän und Kohlenstoff aufweisen.
-
Zur Herstellung der Beschichtung 18 ist es auch möglich, dass nacheinander mehrere unterschiedliche pulverförmige Materialien aufgeschmolzen und jeweils als einzelne Schichten hergestellt werden, welche zusammen die Beschichtung 18 bilden. Eine der Schichten kann beispielsweise in Form von einer Haftvermittlerschicht als erstes an dem Bauteilrohling 12 aufgebracht werden. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, dass eine der Schichten in Form von einer Dämpfungsschicht, also einer elastischen Schicht, hergestellt wird. Darüber hinaus ist es auch möglich, dass zumindest eine der Schichten, vorzugsweise die äußerste der Schichten, als poröse Schicht mit einem vorgegebenen Schmierstoffaufnahmevolumen hergestellt wird. Ferner kann zumindest ein Teil der Beschichtung 18 nach ihrer Herstellung durch Abschrecken gehärtet werden. Mit anderen Worten ist also der pulverförmige Werkstoff härtbar, entweder durch Selbstabschreckung direkt nach dem Auftragen, da dieser ja kurz aufschmilzt und dann wieder sehr schnell abkühlt. Alternative Abschreckverfahren sind aber auch möglich, um eine entsprechende Härte der Beschichtung 18 zu erzielen. Vorzugsweise wird der Bauteilrohling 12 aus einem schweißbaren Material hergestellt, wobei der Bauteilrohling 12 aus einem anderen Material als die Beschichtung 18 hergestellt werden kann.
-
Anhand der 2 bis 5 wird nachfolgend erläutert, wie die Beschichtung 18 durch Lasersintern an dem Bauteilrohling 12 aufgebracht wird.
-
Der Bauteilrohling 12 wird nach dessen Herstellung vorzugsweise zunächst gereinigt und anschließend einer Lasersinteranlage 20 zugeführt, wo der Bauteilrohling 12 auf einer Bauteilplattform 22 angeordnet wird. Ein Pulverbett aus zumindest einem pulverförmigen Material 24 wird dabei derart zugeführt, dass der Bauteilrohling 12 außenumfangsseitig zumindest teilweise von dem pulverförmigen Material 24 umhüllt wird. Ein Laser 26 wird dabei derart angesteuert, dass ein Laserstrahl 28 um die Kontur des Bauteilrohlings 12 herumwandert, so dass das pulverförmige Material 24 unter Ausbildung der Beschichtung 18 aufgeschmolzen und an dem Bauteilrohling 12 hergestellt wird. Der Bauteilrohling 22 wird dabei sukzessive abgesenkt, während das pulverförmige Material 24 mittels des Lasers 28 aufgeschmolzen und mit dem Bauteilrohling 12 verschmolzen wird. Die Bauteilplattform 22 wird sukzessive mit neuen Schichten des pulverförmigen Materials 24 bedeckt, wobei das Aufschmelzen des pulverförmigen Materials 24 wiederholt wird, bis die gesamte Beschichtung 18 an dem Bauteilrohling 12 hergestellt worden ist. Gegebenenfalls muss der Laserstrahl 28 angestellt werden, um die Bauteilkante des Bauteilrohlings 12 dabei nicht aufzuschmelzen. Unter Umständen muss eine hier nicht näher bezeichnete Scanneroptik des Lasers 26 auch bewegt werden.
-
In 3 ist die Lasersinteranlage 20 in einer weiteren schematischen Darstellung gezeigt. Wie zu erkennen, ist der Bauteilrohling 12 wesentlich tiefer als in 2 in das pulverförmige Material 24 eingetaucht, wobei ein Teil der Beschichtung 18 bereits außenumfangsseitig an dem Bauteilrohling 12 hergestellt worden ist. In 4 ist die Lasersinteranlage 20 in einer weiteren schematischen Ansicht gezeigt, wobei der Bauteilrohling 12 nun vollständig in das aus dem pulverförmigen Material 24 ausgebildete Pulverbett versenkt worden ist und die Beschichtungen 18 fertig gestellt worden sind.
-
In 5 ist eine alternative Ausführungsform der Lasersinteranlage 20 schematisch gezeigt. Der Bauteilrohling 12 wird während des Lasersinterns auf der außenumfangsseitig von einer Begrenzungsform 30 begrenzten Bauteilplattform 22 angeordnet, wobei das zumindest eine pulverförmige Material 24 einem Zwischenraum 32 zwischen dem Bauteilrohling 12 und der Begrenzungsform 30 zugeführt wird. Im Gegensatz zu den in den 2 bis 4 gezeigten Ausführungsformen der Lasersinteranlage 20 wird also kein ganzes Pulverbett mehr benötigt, stattdessen wird das pulverförmige Material 24 nur noch zwischen den Bauteilrohling 12 und der als Matrize dienenden Begrenzungsform 30 eingefüllt und gegebenenfalls abgezogen. Dadurch ergibt sich ein deutlich verringerter Aufwand bei der Herstellung der Beschichtung 18 und insbesondere ist dadurch wesentlich weniger pulverförmiges Material 24 im Umlauf. Das pulverförmige Material kann dabei in den Zwischenraum 32 eingefüllt oder auch eingeblasen werden, wobei überschüssiges pulverförmiges Material 24 gegebenenfalls abgestreift wird.
-
Unabhängig von der Ausgestaltung der Lasersinteranlage 20 können auch nacheinander mehrere unterschiedliche pulverförmige Materialien 24 aufgeschmolzen und jeweils als einzelne Schichten hergestellt werden, welche zusammen die Beschichtung 18 bilden. Dadurch können unterschiedlichste Eigenschaften bei der Beschichtung 18 erzielt werden. Somit sind unterschiedliche Werkstoffe für den Bauteilrohling 12 als solchen und die Beschichtung 18 möglich. Sobald die Endkontur fertig hergestellt worden ist, also die Beschichtung 18 fertig hergestellt worden ist, erfolgt kein Härteprozess mehr an dem gesamten Zahnrad 10. Es wird gegebenenfalls höchstens noch die Beschichtung 18 zumindest teilweise durch Selbstabschreckung direkt nach dem Auftragen gehärtet. Mittels des erläuterten Verfahrens können dabei auch ungewöhnliche oder auch spezielle Zahnformen hergestellt werden.
-
Das erläuterte Verfahren ist dabei nicht nur auf die Herstellung von Zahnrädern 10 beschränkt, sondern kann auch für Verzahnungen zum Formschluss, beispielsweise an Nocken oder ähnlichen Bauteilen verwendet werden. Die Beschichtung 18 ist dabei auch nicht auf Zahnschichten an Zahnrädern 10 beschränkt. Mittels des erläuterten Verfahrens können beispielsweise auch Beschichtungen 18 als Verschleißschutz für Stößel, Werkzeuge, Kolben und dergleichen hergestellt werden. Darüber hinaus kann die Beschichtung 18 mittels des erläuterten Verfahrens auch beispielsweise als Lagerschicht für Gleit- oder Wälzlager hergestellt werden. Darüber hinaus ist es auch denkbar, dass die Beschichtung 18 als korrosionsschützende Schicht aufgebracht wird.
-
Durch das erläuterte Verfahren kann mit einer relativ geringen Anzahl an Prozessschritten ein sehr komplexes Bauteil hergestellt werden, wobei zunächst der Bauteilrohling 12 hergestellt und anschließend durch die Beschichtung 18 die tatsächliche Endkontur zumindest im Wesentlichen an dem herzustellenden Bauteil, beispielsweise dem Zahnrad 10, realisiert wird. Dadurch ist eine optimale Kombination von unterschiedlichen Materialien bzw. Werkstoffen möglich, wobei für die Beschichtung 18 beispielsweise auch Werkstoffe gewählt werden können, die besonders hart aber nicht umformbar sind.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102011114844 A1 [0003]
- DE 102006060791 [0004]
- EP 1694985 B1 [0005]
- DE 102011011242 A1 [0006]
