DE102017113586A1

DE102017113586A1 - Verfahren und Vorrichtung zur generierenden Herstellung von Formkörpern

Info

Publication number: DE102017113586A1
Application number: DE102017113586.3A
Authority: DE
Inventors: Peter Mayr; Andrè Hälsig; Kevin Höfer; Torsten Auerbach
Original assignee: Technische Universitaet Chemnitz
Current assignee: Technische Universitaet Chemnitz
Priority date: 2017-06-20
Filing date: 2017-06-20
Publication date: 2018-12-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur generierenden Herstellung von Formkörpern unter Verwendung des Plasma-Pulver-Auftragschweißens, wobei bereitgestellte CAD-Daten automatisch in Ebenenkonturen zerlegt (Slicen) und daraus ein Roboterprogramm für das Plasma-Pulver-Auftragschweißen in Abhängigkeit von Prozessparametern erstellt wird, wobei eine bauteilbezogene Bahnoptimierung zur prozesssicheren Realisierung der jeweiligen Einzelschichten und im Anschluss daran die generierende Herstellung des Bauteils innerhalb der Vorrichtung erfolgt derart, dass während des Auftragsprozesses die Art und Menge des metallischen Pulvers mit Hilfe einer Software gesteuert und geregelt wird.Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur generierenden Herstellung von Formkörpern unter Verwendung des Plasma-Pulver-Auftragschweißens, wobei die Vorrichtung eine nach oben beweglich abgeschlossene Kammer mit einer laminaren und einer inerten Schutzgaszuführung aufweist, wobei mittels einer radial symmetrischen Schutzgaszuführung eine laminare Strömung erzeugbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur generierenden Herstellung von Formkörpern und findet insbesondere unter Nutzung eines modifizierten Plasma-Pulver-Auftragschweißen Anwendung.
Aus der Druckschrift EP 1 230 055 B1 ist die Herstellung von Formkörpern durch eine Verfahrenskombination aus Plasma-Pulver-Auftragsschweißen (PPA) und Laserauftragschweißen bekannt.
Verfahrensgemäß wird ein Formkörper schichtweise aufgebaut oder alternativ eine aus mindestens zwei einzelnen Schichten bestehende Beschichtung auf ein Werkstück aufgebracht. In einem Verfahrensschritt wird eine Plattform auf der der dreidimensionale Formkörper aufgebaut werden soll oder ein Werkstück, das mit einer entsprechenden Beschichtung versehen werden soll, in eine in mindestens zwei Achsen in Bezug zu zwei unterschiedlichen Wärmequellen bewegbaren Spannvorrichtung eingespannt.
Die im Formkörper innenliegenden oder die in Richtung auf die Oberfläche des Werkstückes angeordneten Schichten werden mittels Plasma-Pulver-Auftragschweißen oder unter Verwendung eines Induktors mit größerer Schichtdicke und Spurbreite der einzelnen Schichten ausgebildet. Des Weiteren wird zumindest eine außenliegende Deckschicht mit kleinerer Schichtdicke und Spurbreite mittels Laserstrahl-Auftragschweißens ausgebildet.
Nachteilig bei der beschriebenen Technologie ist die Notwendigkeit zweier Verfahren. Das PPA-Verfahren kommt hierbei lediglich zur Herstellung von innenliegenden Konturen (Füllstruktur) zum Einsatz. Im Anschluss werden die äußeren Konturen bzw. Funktionsflächen durch Laserauftragschweißen hergestellt. Der Vorteil dieser Kombination ist die höhere Nähe zur Endkontur (Laserauftragschweißen) in Kombination mit der hohen Abschmelzrate des PPA-Verfahrens. Der Einsatz des Laserpulverauftragschweißens bringt jedoch auch Nachteile, wie aufwendige Schutzmaßnahmen vor der Laserstrahlung, kleiner Wirkungsgrad durch geringes Laser-Absorptionsvermögens des Metallpulvers, hoher Energieverbrauch, höhere Anschaffungskosten für den Laserprozess, die Lasersicherheit sowie das Pulverauftragssystem und geringe Auftragsleistung, in Verbindung mit längeren Fertigungszeiten mit sich. Gleichzeitig sind aufgrund der hohen Anforderungen an die Pulverqualität die Kosten für die notwendigen Zusatzwerkstoffe sehr hoch (teilweise um bis zu Faktor fünf höher). Ein weiterer Nachteil besteht in dem sehr feinen Pulver, welches hohe Ansprüche an die Arbeitssicherheit beim Pulverhandling stellt. So gilt es Hautkontakt zu vermeiden, Atem-/ bzw. Mundschutz zu tragen und explosionsgeschützte Gerätschaften zu verwenden.
Durch die Bewegung der Spannvorrichtung zwischen den verschiedenen Wärmequellen werden Ungenauigkeiten in den Herstellungsprozess eingeschleppt, welche den technischen und wirtschaftlichen Aufwand eine hohe Konturtreue mit dem Laserprozess zu erzeugen teilweise eliminieren.
Hinzu kommt die Problematik der Schichtanbindung der jeweiligen Verfahren sowie der beiden Auftragsverfahren (Laser & PPA) untereinander, was das Risiko an Inhomogenität und Unstetigkeit erhöht.
Da generative Fertigungsverfahren maßgeblich von der Qualität der einzelnen Schicht abhängig sind, ist dies als problematisch zu betrachten. Das heißt, dass das gesamte Produkt durch die Qualität der „schlechtesten“ Einzelschicht bestimmt wird. Gleichzeitig benötigen beide Prozesse unterschiedliche Pulverfraktionen an Grundwerkstoffen, was sowohl die Kosten, als auch die Pulverförderungstechnologie beeinflusst. Mit Hilfe der beschriebenen Vorrichtung ist es ferner nicht möglich reaktive bzw. sauerstoffaffine Werkstoffe zu verarbeiten, da die Entkopplung von der Atmosphäre im beschriebenen Patent nicht betrachtet wird. Ebenfalls wird lediglich die Möglichkeit einer Materialvariation zwischen der inneren und äußeren Schicht beschrieben. Die Vorteile der Sandwichbauweise (alternierende Werkstoffe innerhalb des Bauteils bzw. der einzelnen Schicht) gehen dabei gänzlich verloren.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur generierenden Herstellung von Formkörpern mittels Plasma-Pulver-Auftragsschweißens zu entwickeln.
Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des ersten Patentanspruchs gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft die generierende Herstellung von Formkörpern unter Verwendung des Plasma-Pulver-Auftragschweißens (3DPMD = 3 Dimensional Plasma Metal Deposition). Verfahrensgemäß werden bereitgestellte CAD-Daten automatisch in Ebenenkonturen zerlegt (Slicen), wobei aus diesen Schichten ein Roboterprogramm für das Plasma-Pulver-Auftragschweißen in Abhängigkeit von Prozessparametern erstellt wird. Die Prozessparameter umfassen dabei neben geometrischen Informationen auch die notwendigen Schweißbefehle für die Herstellung. In Abhängigkeit der Prozessparameter und Bauteilrandbedingungen kann das Slicen in verschiedenen Versätzen erfolgen.
Vorteilhafter Weise findet ein 6-Arm-Knickarmroboter Anwendung, wodurch mehrere Freiheitsgrade realisierbar sind. Jedoch sind auch CNC-Handlingsysteme anwendbar.
Nach der Erstellung des Roboterprogramms erfolgt eine bauteilbezogene Bahnoptimierung zur prozesssicheren Realisierung der jeweiligen Einzelschichten. Nach diesen Schritten beginnt die generierende Herstellung des Bauteils innerhalb der Vorrichtung mittels Plasma-Pulver-Auftragschweißen unter Zuführung von metallischem Pulver. Während des Auftragsprozesses kann erfindungsgemäß die Art und Menge des metallischen Pulvers sowohl manuell, als auch automatisiert gesteuert und geregelt werden.
Dies ermöglicht zum einen die Menge an zugeführtem Pulver anzupassen und zum anderen gezielt Additive beziehungsweise beliebige Zusatzwerkstoffe, wie zum Beispiel Verstärkungspartikel, zuzuführen. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, während des Prozesses die Legierungszusammensetzung zu verändern.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung können bis zu vier verschiedene Werkstoffe bzw. Pulverarten gleichzeitig sowie auch sequentiell in einem Schichtauftrag verwendet werden, wobei die Pulverarten sowohl einzeln als auch gemeinsam ohne Unterbrechung des Auftragsvorgangs zugeführt werden. Es können somit Multi-Material-Bauteile hergestellt werden, wobei hierdurch auch die Möglichkeit besteht, den verschiedenen Schichten sowie innerhalb der jeweiligen Schichten unterschiedliche Werkstoffe und indirekt Eigenschaften zuzuordnen. Ziel ist hierbei die gezielte Zuweisung von Eigenschaften an die realen Beanspruchungen des Bauteils.
Das metallische Pulver besteht vorzugsweise aus Titan, Aluminium, Eisen, Niob, Nickel, oder Molybdän als Hauptkomponente des Pulvers. Mittels weiterer Additive beziehungsweise beliebiger Zusatzwerkstoffe können gewünschte Eigenschaften und Merkmale der Bauteile verändert und verstärkt werden. Auch eine Kombination von magnetischen und nicht magnetischen Werkstoffen oder hochlegierten Stählen unterschiedlicher Qualität ist denkbar.
Verfahrensgemäß ist eine Entkopplung des Fertigungsprozesses von der Atmosphäre insbesondere für die Verarbeitung von reaktiven, metallischen Werkstoffen wie den zuvor genannten Hauptkomponenten sinnvoll. Die Herstellung des Bauteils erfolgt dabei unter der Zuführung eines Schutzgases.
Eine generative Herstellung ohne die Zuführung eines Schutzgases ist bei der Verarbeitung von Aluminium, Eisen und hochlegierten Stählen möglich.
Anschließend bzw. zwischen den einzelnen aufgetragenen Schichten des Formkörpers/Bauteils kann ein mechanischer Bearbeitungsschritt und/oder eine Wärmebehandlung am Bauteil zum Sicherstellen der Konturtreue beziehungsweise der Komplexität des Bauteils erfolgen. Die Wärmebehandlung erfolgt vorzugsweise mittels Plasmalichtbogen durch den Plasmabrenner, wobei ein definiertes und reproduzierbares Verfahren zur Wärmebehandlung des Bauteils bzw. der einzelnen Schichten umsetzbar ist. Auch sind externe Systeme zur Insitu Wärmebehandlung oder Wärmenachbehandlung in der Anwendung möglich.
Das Verfahren eignet sich zur Reparatur partieller bzw. großflächiger Bereiche zur Erhöhung der Bauteilqualität bzw. zur Reduzierung der Ausschussrate. Des Weiteren bietet das Verfahren die Möglichkeit der Realisierbarkeit komplexer Geometrien bzw. verschiedener Wandstärkendifferenzen.
Auch ermöglicht das Verfahren eine zeit- und kostenreduzierte Erzeugung von endkonturnahen Bauteilen im Vergleich zu pulverbettbasierten Verfahren sowie sehr gute optische sowie parametrische Überwachbarkeit des Auftragsprozesses. Dies resultiert aus einer geringeren Anforderung an das Pulvermaterial, das heißt es kann auch unregelmäßiges und relativ grobes Pulver von mittlerer Qualität verwendet werden. Zudem ist ein großes Auftragsvolumen von 0,5 kg bis 20 kg pro Stunde möglich.
Die Entkopplung des Fertigungsprozesses von der Atmosphäre ist insbesondere für die Verarbeitung von reaktiven, metallischen Werkstoffen ein entscheidender Faktor. Umgesetzt wird dies durch eine spezielle erfindungsgemäße Vorrichtung. Dabei findet der Herstellungsprozess des generierend hergestellten Bauteils in einer nach oben beweglich abgeschlossene Kammer mit einer laminaren und inerten Schutzgaszuführung statt. Die laminare Strömung wird durch eine radial symmetrische Schutzgaszuführung erreicht. Dabei werden Restsauerstoffgehalte von maximal 20ppm sicherstellt.
Mittels einer externen Kühlung und einer integrierten Erwärmungseinheit sowie einer bauteilnahen Temperaturüberwachung und -regelung kann eine definierte Bauteiltemperatur eingestellt werden.
Die Vorrichtung dient zum atmosphärischen Schutz des Bauteils sowie des Auftragsprozesses in verschiedenen Lagen mit integrierter Prozessüberwachung und Wärmeführungseinheit. Die Vorrichtung bietet vor, während und nach dem Auftragsprozess die Möglichkeit des Vor- und Nachwärmen des Bauteils in inerter Atmosphäre innerhalb der Vorrichtung.
Dabei kann eine Entkopplung des Wärmebehandlungsprozesses vom Auftragsprozess erfolgen.
Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:

1 den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur generierenden Fertigung von Formteilen mit Hilfe des Plasma-Pulver-Auftragschweißens beschrieben. Der Verfahrensablauf ist in 1 dargestellt. Hierbei werden bereitgestellte CAD-Daten 1, gemäß 1 beispielhaft ein Hohlkörper in Form eines Zylinders, automatisch in die jeweiligen Ebenenkonturen 2 zerlegt. Dieses Vorgehen wird als Slicen bezeichnet, wobei der Zylinder mittels Slicen in einzelne Schichten zerlegt wird.
Nach der erfolgten Zerlegung der CAD-Daten 1 in einzelne Schichten 2 wird mittels einer Software ein Roboterprogramm 3, vorzugsweise für einen Knickarmroboter erzeugt. Gleichzeitig können definierte Schweiß-, Prozess- und Werkstoffparameter übergeben und integriert werden. Abhängig von den Prozessparametern und Bauteilrandbedingungen kann das Slicen in verschiedenen Versätzen erfolgen. Gleichzeitig erfolgt eine bauteilbezogene Bahnoptimierung zur prozesssicheren Realisierung der jeweiligen Einzelschichten.
Nach der Erstellung des Roboterprogramms 3 erfolgt die generative Herstellung des Bauteils 4 innerhalb der Vorrichtung unter Verwendung des Plasma-Pulver-Auftragschweißens 4.1. Dabei wird Metallpulver, insbesondere mit den Hauptkomponenten Titan, Aluminium, Eisen, Niob, Nickel, Molybdän als Auftragsmaterial verwendet. Das Pulver wird im Plasmastrahl erhitzt und auf die Werkstücksoberfläche schichtweise aufgetragen. Hier schmilzt es vollständig im Schmelzbad auf dem Substrat, wobei sich eine echte metallurgische Verbindung bildet.
Während des schichtweisen Auftragsprozesses kann die Art und Menge des metallischen Pulvers sowohl manuell, als auch automatisiert gesteuert und geregelt werden. Dies ermöglicht zum einen die Menge an zugeführtem Pulver anzupassen und zum anderen gezielt Additive beziehungsweise beliebige Zusatzwerkstoffe, wie zum Beispiel Verstärkungspartikel, zuzuführen. Der Prozess ermöglicht bis zu vier verschiedene Werkstoffe bzw. Pulverarten gleichzeitig sowie auch sequentiell in einem Schichtauftrag zu verwenden. Hierbei können diese sowohl einzeln als auch gemeinsam zugeführt werden. Dies kann schichtweise erfolgen, wobei vorteilhafter Weise eine langsame Veränderung der Verhältnisse unter den einzelnen Pulver erfolgt.
Weiterhin ist es durch unterschiedliche Materialien möglich, den verschiedenen Schichten sowie innerhalb der jeweiligen Schichten unterschiedliche Werkstoffe und somit indirekt Eigenschaften zuzuordnen. In Folge dessen entstehen Hybridbauteile mit definierbaren Eigenschaften.
Bezugszeichenliste

1: CAD-Daten
2: Ebenenkonturen (Slicen)
3: Roboterprogramm
4: Bauteil
4.1: Plasma-Pulver-Auftragschweißen

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

EP 1230055 B1 [0002]

Claims

Verfahren zur generierenden Herstellung von Formkörpern unter Verwendung des Plasma-Pulver-Auftragschweißens, dadurch gekennzeichnet, dass bereitgestellte CAD-Daten automatisch in Ebenenkonturen zerlegt (Slicen) und daraus ein Roboterprogramm für das Plasma-Pulver-Auftragschweißen in Abhängigkeit von Prozessparametern erstellt wird wobei eine bauteilbezogene Bahnoptimierung zur prozesssicheren Realisierung der jeweiligen Einzelschichten und im Anschluss daran die generierende Herstellung des Bauteils innerhalb der Vorrichtung erfolgt derart, dass während des Auftragsprozesses die Art und Menge des metallischen Pulvers sowohl manuell, als auch automatisiert gesteuert und geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von den Prozessparametern und Bauteilrandbedingungen das Slicen in verschiedenen Versätzen erfolgen kann.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass bis zu vier verschiedene Werkstoffe, Additive und Verstärkungspartikel bzw. Pulverarten gleichzeitig sowie auch sequentiell in einem Schichtauftrag verwendet werden, wobei die Pulverarten sowohl einzeln als auch gemeinsam zugeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein langsamer stetiger Übergang der Werkstoffe erfolgt derart, dass von einer Schicht zur nächsten Schicht eine stetige Verschiebung der Verhältnisse der einzelnen Pulverarten erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass metallische Pulver, insbesondere mit den Hauptkomponenten Titan, Aluminium, Eisen, Niob, Nickel, Molybdän verarbeitet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Entkopplung des Fertigungsprozesses von der Atmosphäre insbesondere für die Verarbeitung von reaktiven, metallischen Werkstoffen erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass anschließend bzw. zwischen den einzelnen aufgetragenen Schichten des Formkörpers ein mechanischer Bearbeitungsschritt und/oder eine Wärmebehandlung am Bauteil erfolgen.
Vorrichtung zur generierenden Herstellung von Formkörpern unter Verwendung des Plasma-Pulver-Auftragschweißens, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine nach oben beweglich abgeschlossene Kammer mit einer laminaren und einer inerten Schutzgaszuführung aufweist, wobei mittels einer radial symmetrischen Schutzgaszuführung eine laminare Strömung erzeugbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer externen Kühlung und integrierter Erwärmungseinheit sowie einer bauteilnahen Temperaturüberwachung und -regelung eine definierte Bauteiltemperatur einstellbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der integrierten Erwärmungseinheit das Bauteil vor, während und nach dem Prozess innerhalb der Vorrichtung mit Wärme behandelbar ist.