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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von komplexen Bauteilen aus einem metallischen Werkstoffgemisch, beispielsweise einer Legierung, mittels additiv-generativer Fertigung, wobei blech- oder drahtförmiger metallhaltiger Werkstoff aufgeschmolzen und schichtweise aufgetragen wird.
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Additive Verfahren erlauben es, Formkörper mit einer komplexen Bauteilgeometrie aus einzelnen Schichten herzustellen. Mittels der bekannten Verfahren werden metallische Bauteile überwiegend mit nur einem Werkstoff hergestellt. Dieser Werkstoff kann elementar, d. h. aus einem Element bestehend, oder eine vorgefertigte Legierung sein, wie z. B. in
DE 10 2013 226 664 A1 für die Herstellung eines Turbinenläufers aus einer hochwarmfesten Metalllegierung oder in
US 2015/0135897 A1 für die Herstellung von Bauteilen aus einer Wismut-haltigen Legierung beschrieben.
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Die additive Fertigung von Bauteilen und Komponenten erfolgt also bisher unter Verwendung einer bereits fertigen Legierung bzw. Werkstoffsystems. Nachteilig hierbei ist, dass zum einen bestimmte Werkstoffsysteme, wie z. B. intermetallische Phasen, fertigungstechnisch nur erheblich erschwert herstellbar sind, zum anderen lassen sich auch bestimmte Legierungen aufgrund spezifischer Effekte, wie z. B. Einfluss der Schwerkraft, großtechnisch nur unzureichend in der gewünschten Zusammensetzung herstellen.
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Verfahren zur generativen Fertigung unter Verwendung von mehreren metallischen Ausgangsstoffen, die erst beim Vorgang des schichtweisen Auftragens mittels des 3D-Druckers vermischt werden, rückten erst in jüngster Zeit in den Fokus. Hierbei werden überwiegend pulverförmige Ausgangswerkstoffe vermischt, wie z. B. in
US 2014/0295087 A1 oder
WO 2015/094720 A1 beschrieben, da das pulverförmige Stoffgemisch in beliebiger Zusammensetzung herstellbar ist. Ein nachfolgendes Aufschmelzen zur Bildung des Werkstoffgemischs kann jedoch zu Entmischungsvorgängen bzw. unerwünschten Ab- oder Anreicherungen führen, sodass ein exaktes Einstellen eines vorgegebenen Werkstoffgemischs oder die generative Fertigung eines Formkörpers mit in eng begrenzten lokalen Bereichen variierender Schichtzusammensetzung erschwert bzw. nicht durchführbar ist. Auch ist die Herstellung entsprechender Pulver für die Ausgangswerkstoffe technisch aufwendig und mit entsprechenden Kosten verbunden.
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Hinsichtlich einer Erhöhung der Prozesseffizienz, insbesondere im Hinblick auf Geschwindigkeit und Aufbauvolumen, geraten zudem generative Fertigungsverfahren auf Pulverbasis an ihre Grenzen. Hier wird der Einsatz beispielsweise drahtförmiger Ausgangswerkstoffe notwendig.
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US 2015/209913 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung für die additive Fertigung eines Formkörpers mittels Hochenergiestrahl unter Verwendung eines oder mehrerer geheizter drahtförmiger Ausgangswerkstoffe. Hierbei wird eine bereits fertiggestellte Schicht aufgeschmolzen und der geheizte drahtförmige Ausgangswerkstoff in Tropfen dem Schmelzbad zugegeben. Die Heizung erfolgt resistiv, wobei ein Strom zwischen dem Draht und dem Formkörper fließt. Es kann auch vorgesehen sein, Pulse erhöhter Stromstärke auf das System zu geben, um das tröpfchenweise Abschmelzen der Drahtspitze zu unterstützen. Allerdings ist dieses Verfahren aufwendig in der technischen Umsetzung, wobei verfahrensimmanent jeweils nur ein Draht dem Schmelzbad zuführbar und keine exakt definierte Materialzusammensetzung im Formkörper einstellbar ist.
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Ein Parameter, der die Aufbaugeschwindigkeit beeinflusst, ist die Abscheiderate der Ausgangswerkstoffe. Bei der Verwendung drahtförmiger Werkstoffe kann die Abscheiderate durch den Drahtvorschub, d. h. die Zuführrate des drahtförmigen Werkstoffes zum Schmelzbad, oder durch Variation des Drahtdurchmessers geregelt werden.
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Eine Regelung der Abscheiderate mittels Änderung des Drahtdurchmessers ist stets mit einem Drahtwechsel verbunden. Ein Wechsel des Drahtes bedeutet jedoch eine Prozessunterbrechung. Die Regelung mittels Änderung des Drahtvorschubs ist aus prozesstechnischen Gründen nach oben begrenzt, wobei die Tropfenerzeugungs- bzw. -abscheidefrequenz auf etwa 100 Hertz limitiert ist.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem lagenweisen Aufbau im Sinne der additiven Fertigung eines metallischen Formkörpers mittels Auftragsschweißens die Prozesseffizienz weiter zu erhöhen, indem die Abscheiderate für den Werkstoff in weiten Grenzen ohne Unterbrechung des Fertigungsprozesses regelbar ist, wobei der Energieaufwand minimal und bei Erhöhung der Abscheiderate weitestgehend konstant gehalten sein soll. Ebenso soll eine zeitgleiche Abscheidung mehrerer unterschiedlicher Werkstoffe unter Ausbildung eines Werkstoffgemischs ermöglicht sein, wobei der Formkörper kostengünstig und insbesondere mit einem beliebig vorgebbaren, homogenen oder nach Vorgaben lokal in der Materialzusammensetzung variierenden Werkstoffgemisch erzeugbar sein soll.
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Erfindungsgemäß wird die vorstehend genannte Aufgabe mit einem Verfahren nach Patentanspruch 1 und eine Vorrichtung nach Patentanspruch 7 gelöst; zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
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Nach Maßgabe der Erfindung werden zur additiven Fertigung des metallischen Formkörpers zur Erhöhung der Abscheiderate mehrere (d. h. mindestens zwei) schmelzbare, draht- oder bandförmige Ausgangswerkstoffe (zeitgleich oder quasizeitgleich aufgrund hochfrequenten Werkstoffwechsels) schichtweise abgeschieden, wobei ein elektrischer Lichtbogen als Energiequelle zum Auf- und Abschmelzen von Material von den Ausgangswerkstoffen verwendet wird.
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Hierbei können die drahtförmigen Ausgangswerkstoffe alle aus demselben Material bestehen, sodass die Aufbaurate durch die Anzahl der aufzuschmelzenden Drähte bestimmt wird. Für eine geringe Abscheiderate wird der Lichtbogen nur zwischen einem Draht und z. B. dem Formkörper ausgebildet. Für eine Erhöhung der Abscheiderate können weitere drahtförmige Ausgangswerkstoffe dem Lichtbogen zugeführt werden, sodass zeitgleich mittels des Lichtbogens von mehreren Drähten jeweils Ausgangswerkstoff abgeschmolzen wird.
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Es können aber auch drahtförmige Ausgangswerkstoffe unterschiedlichen Materials verwendet werden, sodass eine Werkstoffmischung aus den jeweils aufgeschmolzenen Ausgangswerkstoffen gebildet wird. Nach dem Aufschmelzen (eines, mehrerer oder aller Ausgangswerkstoffe) werden die zu der Werkstoffmischung zu verschmelzenden Ausgangswerkstoffe miteinander, in Volumenanteilen entsprechend einer Zusammensetzung der Werkstoffmischung, unter Ausbildung der (noch schmelzflüssigen) Werkstoffmischung in schmelzflüssiger Phase vermischt und in einem Bearbeitungspunkt auf dem bereits fertiggestellten Teil des herzustellenden Formkörpers abgeschieden, wobei die schmelzflüssige Werkstoffmischung nach dem Abscheiden, z. B. unterstützt durch gezielte Kühlung des Bearbeitungspunktes, unter Ausbildung des festen metallischen Werkstoffgemischs mit vorgegebener Zusammensetzung erstarrt. Auf diese Weise wird jede Lage des lagenweise aufzubauenden Formkörpers in sich wiederholenden Schritten des Verfahrens aufgebaut.
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Unter Bearbeitungspunkt wird hierin die Position, d. h. ein lokal begrenzter Bereich, auf der Oberfläche des bereits fertiggestellten Teils des Formkörpers verstanden, an der die schmelzflüssigen Ausgangswerkstoffe bzw. eine Mischung derselben auf die Oberfläche aufgebracht werden.
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Ebenso können beispielsweise drei Drähte desselben (ersten) Ausgangswerkstoffes und ein weiterer Draht aus einem zweiten, von dem ersten unterschiedlichen, Ausgangswerkstoff Verwendung finden. Somit kann der zweite Ausgangswerkstoff im Bedarfsfall zulegiert werden.
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Mindestens einer, vorzugsweise alle, der Ausgangswerkstoffe wird vor dem Aufschmelzen auf eine Arbeitstemperatur unterhalb seiner Schmelztemperatur vorgeheizt, wobei die Arbeitstemperatur für jeden Ausgangswerkstoff einen anderen Temperaturwert (im Bereich zwischen der Raumtemperatur und seiner jeweiligen Schmelztemperatur) aufweisen kann. Diese Aufheizung erfolgt beispielsweise resistiv.
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Zur Erzeugung des Lichtbogens wird eine Schweißspannung an die z. B. drahtförmigen Ausgangswerkstoffe und den Formkörper (d. h. den bereits fertiggestellten Teil des Formkörpers oder eine für den Aufbau des Formkörpers verwendete Druckplattform) angelegt. In Abhängigkeit der Polung der angelegten Schweißspannung bildet sich ein Lichtbogen aus (z. B. zwischen jeweils einem drahtförmigen Ausgangswerkstoff und dem Formkörper oder zwischen zwei drahtförmigen Ausgangswerkstoffen), in dessen Folge Material von den Ausgangswerkstoffen abgeschmolzen wird.
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Indem der Lichtbogen auch zwischen zwei drahtförmigen Ausgangswerkstoffen ausgebildet sein kann, kann die generative Fertigung auf einer isolierenden Druckplattform bzw. einem Keramikkörper erfolgen.
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Es kann vorgesehen sein, nur an einen ersten der Ausgangswerkstoffe, im Folgenden „Hauptdraht“ genannt, die Schweißspannung anzulegen. In diesem Fall erfolgt das Aufschmelzen der restlichen, spannungsfreien Ausgangswerkstoffe, im Folgenden als „Nebendrähte“ bezeichnet, durch Einführen des für das Abschmelzen vorgesehenen Endbereichs, z. B. der Drahtspitze, in den Lichtbogen.
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Somit wird stets vom Hauptdraht Werkstoff abgeschmolzen, wobei zur Regelung der Abscheiderate die gewünschte Anzahl von vorgeheizten Nebendrähten dem zwischen Hauptdraht und Formkörper ausgebildeten Lichtbogen zugeführt werden. Zur Erhöhung der Abscheiderate werden z. B. ein oder mehrere vorgeheizte Nebendrähte seitlich dem Lichtbogen zugeführt. Somit wird unabhängig von der Abscheiderate nur ein Lichtbogen erzeugt bzw. für die Abscheidung genutzt. Für eine Erhöhung der Abscheiderate ist lediglich die (im Vergleich zur Erzeugung des Lichtbogens nur geringe) Energie zum Vorheizen der Nebendrähte zusätzlich aufzubringen.
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Vorzugsweise werden jedoch mindestens zwei der drahtförmigen Ausgangswerkstoffe mit einer Schweißspannung wechselnder Polarität oder einer Schweißspannung, die periodisch oder quasiperiodisch zwischen Null und einem maximalen Spannungswert oszilliert (im Folgenden werden derartige, nicht-konstante Schweißspannungen allgemein unter dem Begriff „Wechselspannung“ zusammengefasst) beaufschlagt, sodass ein Lichtbogen beispielsweise zwischen Hauptdraht und einem ersten Nebendraht sowie Hauptdraht und einem zweiten Nebendraht hin- und herspringt, wobei jeweils abwechselnd von den drahtförmigen Ausgangswerkstoffen Material abgeschmolzen wird.
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Bei Verwendung von drahtförmigen Ausgangswerkstoffen aus unterschiedlichen Materialien kann das Mischungsverhältnis der einzelnen Werkstoffe erfindungsgemäß veränderlich sein, d. h., die Materialzusammensetzung nach der Gefügebildung kann in weiten Grenzen durch die Einzelvolumina der jeweiligen schmelzflüssig zusammengeführten und aufgebrachten Ausgangswerkstoffe eingestellt werden. Insbesondere kann die Zusammensetzung des Werkstoffgemischs innerhalb des Formkörpers lokal, d. h. bereichsweise, variiert werden.
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Indem eine Zeitdauer, die der Lichtbogen zwischen einem der Ausgangswerkstoffe und dem Formkörper bzw. zwischen Haupt- und Nebendraht ausgebildet ist, vorgegeben wird, kann die Menge dieses Ausgangswerkstoffes in einem im Bearbeitungspunkt auf dem Formkörper ausgebildeten Schmelzbad reguliert werden. Somit lässt sich die Materialzusammensetzung des Schmelzbades (und somit die lokale Materialzusammensetzung des Formkörpers) durch die Zeitdauer festlegen, die der Lichtbogen zu den jeweiligen Ausgangswerkstoffen ausgebildet ist.
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Indem beispielsweise die Periodendauer einer quasiperiodischen Wechselspannung während der Fertigung verändert wird, kann das Mischungsverhältnis der Ausgangswerkstoffe in konkret vorgegebenen Bereichen des Formkörpers, d. h. lokal, nach Vorgaben variiert werden, wobei die jeweilige Brenndauer des Lichtbogens zwischen dem Formkörper und den jeweiligen Ausgangswerkstoffen bzw. zwischen dem Haupt- und den jeweiligen Nebendrähten mit dem Anteil dieser Ausgangswerkstoffe im Werkstoffgemisch skaliert. Insbesondere kann die Amplitude der anliegenden Schweißspannung für jeden Ausgangswerkstoff (zur Anpassung der Abschmelzenergie) individuell angepasst sein.
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In vorteilhafter Weise ist es folglich durch das erfindungsgemäße additive Verfahren möglich, Bauteile aus maßgeschneiderten metallischen Gefügen, bestehend aus mehreren Werkstoffen/Elementen, wie etwa Legierungen, herzustellen, indem wiederholt eine schmelzflüssige Werkstoffmischung von lediglich Tröpfchengröße abgeschieden wird, die alsdann auf dem Formkörper erstarrt. Dadurch erlaubt dieses Verfahren auch das Herstellen metallischer Formkörper aus Werkstoffgemischen, die sich mit aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, z. B. aufgrund von Entmischungseffekten der vor der additiven Fertigung bereits vermischten, pulverförmigen Werkstoffe, nur mit großem technischen Aufwand homogen und mit der gewünschten Materialzusammensetzung herstellen lassen.
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Durch den lagenweisen Aufbau im Sinne der generativen Fertigung kann ein spezifisches Werkstoffsystem mit lokal definierten und auch lokal veränderlichen Eigenschaften erzeugt werden. Indem die gewünschte Werkstoffzusammensetzung erst beim „Drucken“ des Bauteils direkt erzeugt wird, ist eine sehr genaue Anpassung und Variation der jeweiligen Werkstoffzusammensetzung in den Schichten bzw. lokalen Bereichen des Formkörpers ermöglicht, sodass ein massives Bauteil herstellbar ist, welches z. B. aufgrund der jeweils ausgewählten Legierungszusammensetzung an der einen Seite temperaturbeständig, an einer anderen Seite korrosionsbeständig und in der Mitte besonders fest ist.
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Ein weiterer Vorteil des Verfahrens liegt in der flexibel regelbaren Aufbaurate durch Aufschmelzen einer vorgebbaren Anzahl von drahtförmigen Ausgangswerkstoffen, wobei ohne Unterbrechung des Aufbauprozesses sowohl Aufbaurate als auch Werkstoffzusammensetzung des Formkörpers regelbar sind.
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Gemäß einer Ausgestaltungsvariante wird der gesamte, schichtweise aufzubauende Formkörper während der Fertigung temperiert, d. h. gekühlt oder erwärmt. Durch eine definierte Wärmeführung lässt sich in vorteilhafter Weise die Werkstoffzusammensetzung zusätzlich, d. h. neben der gezielten Kühlung des Bearbeitungspunktes, beeinflussen.
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Für die Temperierung bzw. Kühlung des Formkörpers und/oder des abgeschiedenen schmelzflüssigen Werkstoffgemischs im Bearbeitungspunkt kann ein gasförmiges Kühlmittel, z. B. ein Prozessgas, ein flüssiges Kühlmittel, z. B. eine korrosionsverhütende Flüssigkeit, oder ein pulverförmiges Kühlmittel, z. B. Kohlendioxidschnee, eingesetzt werden. Es können auch mehrere der o.g. Kühlmittel verwendet werden, wobei die Art des zu verwendenden Kühlmittels beispielsweise zeit- oder positionsgesteuert erfolgen kann. So kann an einer Kante des Formkörpers ein erstes Kühlmittel und beim Aufbau eines großen flächenhaften Bereiches ein zweites Kühlmittel eingesetzt werden.
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Die Erfindung kann weiter derart ausgebildet sein, dass zur Erzeugung des Lichtbogens eine periodisch oszillierende Wechselspannung mit sinusförmigem Spannungsverlauf verwendet wird, wobei der Amplitudenverlauf der an den Ausgangswerkstoffen anliegenden Wechselspannung während des Lichtbogenauftragsschweißens jeweils um 360° geteilt durch die Anzahl der verwendeten Nebendrähte phasenverschoben ist. Somit ergibt sich bei drei drahtförmigen Ausgangswerkstoffen, d. h. einem Hauptdraht und zwei Nebendrähten, eine Phasenverschiebung von 180° bzw. von 120° bei vier drahtförmigen Ausgangswerkstoffen, d. h. bei drei Nebendrähten. Dies führt zu einer definierten Bewegung des Lichtbogens im Sinne eines elektrischen Drehfeldes um den Hauptdraht herum.
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Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Materialzusammensetzung des Werkstoffgemischs nach Vorgaben lokal im Formkörper variiert. Diese bereichsweise variierende Materialzusammensetzung kann gezielt über die verwendete Wechselspannung und/oder auch über den Drahtvorschub gesteuert werden. Hierfür kann eine Vorschubgeschwindigkeit, d. h. die Menge des pro Zeiteinheit zugeführten Drahtes, des jeweiligen Ausgangswerkstoffs mit dem Anteil dieses Ausgangswerkstoffs im Werkstoffgemisch skalieren.
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Ebenso kann vorgesehen sein, den Lichtbogen nur zwischen dem Formkörper und einem ersten Ausgangswerkstoff, dem Hauptdraht, während der gesamten Fertigung aufrecht zu erhalten, wobei die weiteren vorgeheizten Ausgangswerkstoffe (d. h. die Nebendrähte) kontinuierlich mit der jeweils vorgegebenen Vorschubgeschwindigkeit dem Lichtbogen zugeführt werden. Hierbei entspricht somit die Vorschubgeschwindigkeit der zugeführten Drähte ihrem jeweiligen Anteil im herzustellenden Werkstoffgemisch.
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Gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens werden während der Fertigung mehrere Prozessgase verwendet, d. h. beispielsweise dem Bearbeitungspunkt zugeführt. Zum Beispiel kann bei Ausbildung des Lichtbogens zu einem ersten Ausgangswerkstoff ein erstes Prozessgas verwendet werden und bei Wechsel des Lichtbogens zu einem zweiten Ausgangswerkstoff ein zweites Prozessgas dem Bearbeitungspunkt zugeführt werden. Es kann auch eine Variation der Prozessgaszusammensetzung vorgesehen sein, wobei die Prozessgaszusammensetzung beispielsweise synchron zu einer Materialzusammensetzung des Formkörpers und/oder einer Fertigungsposition (d. h. der Positionierung des Bearbeitungspunktes z. B. relativ zu einer Kante des Formkörpers) verändert wird. Die Prozessgaszusammensetzung bzw. das verwendete Prozessgas kann synchron mit dem Wechsel des Lichtbogens zwischen den einzelnen Drähten, d. h. in Abhängigkeit des gerade abgeschiedenen Werkstoffes, variieren.
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Es kann aber auch vorgesehen sein, für die gesamte Fertigung nur ein Prozessgas zu verwenden, wobei der Massestrom, d. h. die Flussmenge, des Prozessgases während der Fertigung z. B. synchron zu der verwendeten Wechselspannung bzw. der Bewegung des Lichtbogens zwischen den verschiedenen Ausgangswerkstoffen variiert, d. h. vergrößert und verkleinert, wird.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens umfasst einen Schweißgenerator mit einer Schweißstromquelle und einer Frequenzumformeinrichtung, die geeignet ist, periodisch und quasiperiodisch oszillierenden Wechselstrom zu erzeugen, eine Druckplattform, einen Bearbeitungskopf, der mindestens zwei Werkstoffzuführeinheiten für drahtförmigen Ausgangwerkstoff umfasst, die derart gestaltet sind, dass die jeweilig dem Herstellungsprozess zugeführten (drahtförmigen) Ausgangswerkstoffe in einem gemeinsamen Punkt unmittelbar oberhalb des Bearbeitungspunktes aufschmelzbar und in schmelzflüssiger Phase mischbar (d. h. zugleich aufschmelzbar) sind, und mindestens eine Prozessgaszuführung, die gezielt dem Bereich des Bearbeitungspunktes, d. h. des Schmelzbades, Prozessgas zuführen kann.
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Die Werkstoffzuführeinheiten umfassen außerdem jeweils eine (separat ansteuerbare) Ausgangsmaterialheizvorrichtung, die geeignet ist, den jeweiligen metallhaltigen Ausgangwerkstoff auf eine beliebig vorgebbare Arbeitstemperatur, die kleiner ist, als die jeweilige Schmelztemperatur, zu erwärmen, sowie eine Drahtvorschubeinrichtung, die den draht- oder blechförmigen Ausgangwerkstoff mit einer vorgebbaren Vorschubgeschwindigkeit dem Lichtbogen zuführt.
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Außerdem umfasst die Vorrichtung eine Steuerungseinheit, die mit den oben genannten Bauteilen verbunden ist, wobei mittels dieser Steuerungseinheit die additive Fertigung insbesondere durch Steuerung des Schweißgenerators, des Bearbeitungskopfes sowie der Werkstoffzuführeinheiten steuerbar ist.
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Vorzugsweise beinhaltet die Werkstoffzuführeinheit für den Hauptdraht eine Prozessgaszuführung, die beispielsweise einen ringförmig um den drahtförmigen Ausgangwerkstoff angeordneten Prozessgasauslass aufweist. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass mehrere Werkstoffzuführeinheiten jeweils eine Prozessgaszuführung beinhalten.
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Erfindungsgemäß sind die Druckplattform bzw. der darauf aufgebaute Formkörper und der Bearbeitungskopf relativ zueinander in den drei Raumrichtungen (x-, y- und z-Richtung) bewegbar. Die Erfindung kann weiter derart ausgebildet sein, dass die Werkstoffzuführeinheiten oder auch der gesamte Bearbeitungskopf mittels einer Positioniereinrichtung in mindestens vier, vorzugsweise fünf, Freiheitsgraden relativ zum Formkörper bewegbar, d. h. verschieb- und drehbar, ist. Somit können die drahtförmigen Ausgangswerkstoffe in Bezug zum Formkörper, z. B. an einer Kante, definiert positioniert werden.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass der Bearbeitungskopf oder eine oder mehrere der Werkstoffzuführeinheiten eine Kühlmittelzufuhr für eine lokale Kühlung des Formkörpers im Bearbeitungspunkt während der Fertigung, z. B. durch lokal mittels einer Düse zuführbares, gekühltes Schutzgas, umfasst. Diese Kühlmittelzufuhr kann ein mit der Steuereinrichtung verbundenes Ventil oder Durchflussregler aufweisen, um beispielsweise zeit- und/oder positionsgesteuert die Zufuhr von Kühlmedien zu steuern.
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Um eine homogene Abscheidung der einzelnen Bahnen (d. h. Schweißraupen mit stets konstanter Breite) zu gewährleisten, ist die Anordnung der drahtförmigen Ausgangswerkstoffe bevorzugt quasi-rotationssymmetrisch, d. h. wenigstens drei Werkstoffzuführeinheiten für jeweils einen Nebendraht sind kreisförmig um die Werkstoffzuführeinheit des Hauptdrahtes angeordnet.
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Gemäß einer Ausgestaltung weist jede Werkstoffzuführeinheit eine Prozessgasdüse und einen mit der Steuereinrichtung verbundenen Prozessgasflussregler auf. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Prozessgasflussregler jeder Werkstoffzuführeinheit mit einem jeweils unterschiedlichen Prozessgasreservoir verbunden sind. Somit ist es ermöglicht, für die Dauer des Lichtbogens zu einem jeder der Ausgangswerkstoffe bzw. für konkret vorgegebene Mischungsverhältnisse der Ausgangswerkstoffe ein jeweils spezifisches Prozessgas oder Prozessgasmischung zu verwenden.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Druckplattform temperierbar, insbesondere kühlbar, ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei gleiche oder ähnliche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Dazu zeigen in schematischer Darstellung die Figuren jeweils eine Ausgestaltungsvariante der Vorrichtung bei der Durchführung des Verfahrens zum additiven Fertigen eines Bauteiles mittels Auftragsschweißens.
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Die Vorrichtung gemäß 1 umfasst den Bearbeitungskopf 10, der den Schweißgenerator 11 beinhaltet. Am Bearbeitungskopf 10 sind die Werkstoffzuführeinheit 6 für den drahtförmigen Ausgangswerkstoff 2 (Hauptdraht) und die Werkstoffzuführeinheiten 7 für jeweils die Nebendrähte 3 angeordnet. Eine dritte Werkstoffzuführeinheit 7 für einen dritten Nebendraht 3 ist in der Figur aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
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Mittels der Positioniereinrichtung 12 ist der Bearbeitungskopf 10 sowohl translatorisch in den drei Raumrichtungen als auch rotatorisch um die Rotationsachse 13 bewegbar.
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Der Schweißgenerator 11 ist mit den Werkstoffzuführeinheiten 6 und 7 elektrisch verbunden. In diesem Ausführungsbeispiel weisen alle Werkstoffzuführeinheiten 6 und 7 jeweils die Schutzgasdüse 14 zur Zuführung von Schutzgas zum Bearbeitungspunkt 9 auf.
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Zur additiven Fertigung des Formkörpers 1 auf der keramischen Druckplattform 5 wird der Lichtbogen 4 von dem Hauptdraht (erster drahtförmiger Ausgangswerkstoff) 2 zu jeweils einem der Nebendrähte 3 ausgebildet, wobei jeweils ein Materialtropfen abgeschmolzen und im Bearbeitungspunkt 9 in der Schicht 1.1 aufgetragen wird. Die einzelnen Nebendrähte 3 werden wechselweise derart gepolt, dass der Lichtbogen 4 quasi um den Hauptdraht 2 „rotiert“.
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In 2 ist der Schweißgenerator 11 mit der metallischen Druckplattform 5 und der Werkstoffzuführeinheit 6 elektrisch verbunden. In diesem Beispiel weist lediglich die erste Werkstoffzuführeinheit 6 für den Hauptdraht 2 die Schutzgasdüse 14 zur Zuführung von Schutzgas zum Bearbeitungspunkt 9 auf.
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Zur additiven Fertigung des Formkörpers 1 gemäß 2 wird der Lichtbogen 4 zwischen dem Formkörper 1 und dem Hauptdraht 2 ausgebildet. Der vorgeheizte Nebendraht 3 wird zusätzlich in den Lichtbogen 4 eingeführt. Der Hauptdraht 2 und die Nebendrähte 3 werden über regelbar angetriebene Rollen (nicht dargestellt) dem Bearbeitungspunkt 9 zugeführt. Hauptdraht 2 und Nebendraht 3 bestehen in diesem Beispiel aus unterschiedlichen Materialien. Somit wird von dem Hauptdraht, d. h. dem ersten drahtförmigen Ausgangswerkstoff, 2 und dem Nebendraht, d. h. dem zweiten drahtförmigen Ausgangswerkstoff, 3 zeitgleich jeweils ein Materialtropfen abgeschmolzen und im Bearbeitungspunkt 9 in der Schicht 1.1 aufgetragen. Die einzelnen Tropfen der beiden unterschiedlichen Ausgangswerkstoffe 2 und 3 vermischen sich hierbei in noch schmelzflüssiger Phase im Bearbeitungspunkt 9 zu einem Werkstoffgemisch. Zusätzlich wird über die Kühlmittelzufuhr 8 ein Kühlmittel zur kontrollierten Erstarrung der Schmelze dem Bearbeitungspunkt 9 nachlaufend zugeführt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schichtstapel / Formkörper
- 1.1
- Schicht
- 2
- erster drahtförmiger Ausgangswerkstoff / Hauptdraht
- 3
- zweiter drahtförmiger Ausgangswerkstoff / Nebendraht
- 4
- Lichtbogen
- 5
- Druckplattform
- 6
- Werkstoffzuführeinheit für den Hauptdraht
- 7
- Werkstoffzuführeinheit für Nebendraht
- 8
- Kühlmittelzufuhr
- 9
- Bearbeitungspunkt
- 10
- Bearbeitungskopf
- 11
- Schweißgenerator
- 12
- Positioniereinrichtung
- 13
- Rotationsachse
- 14
- Schutzgasdüse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013226664 A1 [0002]
- US 2015/0135897 A1 [0002]
- US 2014/0295087 A1 [0004]
- WO 2015/094720 A1 [0004]
- US 2015/209913 A1 [0006]
