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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung, mittels derer eine generative Fertigung eines vorzugsweise metallischen Formkörpers kostengünstig mit geringem Zeitaufwand ermöglicht ist..
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Bei den aus dem Stand der Technik bekannten 3D-Druckverfahren werden die Bauteile i.d.R. gefertigt, indem ein Werkstoff lagenweise auf sog. Substratplatten, welche aus gleichem oder ähnlichem Material wie der Druckwerkstoff bestehen, aufgebracht wird. Im Rahmen der Prozesskette wird dafür zunächst das zu druckende Bauteil durch eine geeignete CAM-Software virtuell in Schichten zerlegt. Dabei bleibt unberücksichtigt, ob es im Schnitt oder im Volumen des Bauteils Bereiche gibt, die einfachen geometrischen Grundformen wie beispielsweise Rechteck, Quadrat oder Kreis bzw. Quader, Würfel oder Kugel entsprechen.
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Das erstellte Schichtenmodell wird anschließend an einen Fertigungsautomaten übergeben und von diesem ausgeführt, sodass das gewünschte Bauteil entsteht.
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Aus dem Stand der Technik sind auch Verfahren bekannt, bei denen Bauteile mittels generativer Verfahren repariert werden. Diese Verfahren dienen nicht dem generativen Herstellen vollständig neuer Konturen. Vielmehr folgt die Beschichtung der ursprünglichen Form eines bereits vorhandenen Grundkörpers und repariert dessen Oberfläche. Beispielsweise beschreibt die
CN 104227313 A ein Verfahren zur Entfernung von Roststellen an einem Bauteil durch schichtweises Abtragen und anschließenden 3D-Druck zur Reparatur der fehlenden Stellen.
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Weiterhin sind Verfahren bekannt, bei denen in generativen Verfahren auf Grundkörper neue zusätzliche Konturen aufgebracht werden, die dann gemeinsam ein neues Bauteil bilden.
DE 10 2012 008 369 A1 zeigt ein Verfahren zum Herstellen eines fluidführenden Bauteils, wobei das Bauteil auf einen zuvor spanend hergestellten Grundkörper mittels 3D-Druck aus einem partikelförmigen Werkstoff (z. B. Metallpulver) schichtweise aufgebaut wird und anschließend spanend nachbearbeitet wird.
DE 10 2009 028 105 A1 offenbart ein generatives Verfahren zur Serienfertigung von metallischen Bauteilen, bei welchem an einen metallischen Grundkörper durch einen additiven Prozess mindestens eine lokale Geometrie auf- oder angebaut und gegebenenfalls durch einen abtragenden Prozess nachbearbeitet wird.
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Diese Verfahren arbeiten i.d.R. unabhängig von der Bearbeitungsrichtung ausschließlich optimiert auf die zu erstellende neue Kontur (z. B. eines einzelnen Rotorblatts).
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Herkömmliche automatisierte Fügeprozesse (mittels Laser oder Elektrodenstrahl) nutzen i.d.R. nur einen Draht als Zusatzwerkstoff für eine Fügeverbindung. Für eine sichere Prozessführung ist es vorteilhaft, dass der Draht im Prozesspunkt spaltfrei auf dem Werkstück aufliegt. Dies wird mittels technischer Einrichtungen, vorzugsweise ein durch Federkraft, Luftdruck oder elektrische Antriebe belasteter Teleskoparm, sichergestellt, welche in der Lage sind, Höhentoleranzen auszugleichen. Während des Prozesses befindet sich der Teleskoparm, bei korrekter Bauteillage, in der sog. 0-Position.
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Der drahtförmige Zusatzwerkstoff wird über ein Führungsrohr mittels einer Drahtdüse unter einem Winkel von 20..60° bzgl. der Werkstückoberfläche in den Prozesspunkt geführt. In üblicher Weise ragt der Draht zwischen 6 und 10mm über das Düsenende hinaus, wenn er auf den Prozesspunkt trifft. Dort wird er vom Energiestrahl gemeinsam mit dem Werkstück aufgeschmolzen.
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Die Düse überträgt die aus dem Teleskoparm über das Führungsrohr eingeleitete Andruckkraft auf den Draht, der dann seinerseits dementsprechend im Prozesspunkt auf das Werkstück gedrückt wird.
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Beim Stand der Technik bildet somit der Kontaktpunkt zwischen dem Einzeldraht und den Werkstücken den Prozesspunkt aus, der seinerseits wiederum die Positionierung der entstehenden Fügeverbindung bestimmt. Der Prozesspunkt liegt somit auf der Fügelinie zwischen den Fügepartnern bzw. bei vorhandenem Spalt auf der Spaltmitte. Die Füllung des Nahtvolumens erfolgt beim Aufschmelzen des Zusatzwerkstoffs vom Wurzelpunkt in Richtung Nahtoberfläche bzw. in Richtung der Anbindepunkte.
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Um die Intensität der zugeführten Energie im Prozesspunkt konstant zu halten, wird nach Stand der Technik die Ausgleichsbewegung der Teleskopachse mittels Wegaufnehmer erfasst. Das so gewonnene Signal wird dazu genutzt, mittels bewegter (optischer) Elemente die Lage der Spotposition relativ zum Werkstück nachzuführen, womit Spotgröße und Energieintensität konstant gehalten werden (Autofokus-Funktion). Bei Verwendung eines Einzeldrahtes erfolgt diese Korrektur nach dem Stand der Technik somit bezüglich des Wurzelpunktes.
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Bedingt durch die Technologie bzw. durch physikalische Grenzen laufen generative Fertigungsverfahren mit begrenzter Geschwindigkeit ab. Insbesondere die Abführung der zugeführten Energie ist ein limitierender Faktor. Wird das Bauteil im Druckprozess zu warm, sind im Prozess Kühlpausen vorzusehen. Damit sinkt die Produktionseffizienz. Gleichzeitig entsteht mit hoher Bauteiltemperatur auch entsprechend großer Bauteilverzug, der durch zusätzlich aufgebautes Material ggf. ausgeglichen werden muss.
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Die relativ geringe Prozessgeschwindigkeit führt durch lange Maschinenlaufzeiten und entsprechend hohem Energieeinsatz zu entsprechend hohen Stückkosten und hohen thermischen Belastungen des generierten Bauteils.
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Zwar kann die Fertigungszeit durch eine erhöhte Drahtzufuhrgeschwindigkeit verkürzt werden, doch die Reibung im Förderweg und die Systemperformance der Drahtantriebe setzten hier Grenzen. Darüber hinaus entsteht Unruhe in der Schmelze und damit in der Nahtoberfläche, wenn die Geschwindigkeit des Drahtvorschubs die Vorschubgeschwindigkeit der Führungsmaschine deutlich übersteigt.
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Die Herstellung von (insbesondere runden) Hohlräumen in einem Bauteil erfordert, dass die Konturen entweder im Querschnitt zum Hohlraum liegen oder axial mit überhängendem Verlauf generiert werden. Beispielsweise führt ein Aufbau eines Hohlzylinders mit Bearbeitung in Querrichtung zu kurzen Bahnlängen, was viele Umorientierungen sowie Anfangs- und Endpunkte zur Folge hat. Die Bearbeitung wird dadurch gebremst. Die Fertigung von Überhängen, z. B. bei axialer Bearbeitung eines Hohlzylinders, ist nur eingeschränkt möglich. Somit sind beide Verfahren wenig effizient.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben genannten Nachteile, wie lange Fertigungszeiten, zu vermeiden, wobei eine Vorrichtung und ein Verfahren zur generativen Fertigung, welche die generative Herstellung von Bauteilen auch aus unterschiedlichen Werkstoffen und mit ausgedehnten Hohlräumen mit im Vergleich zum Stand der Technik höherer Produktionseffizienz und mit geringerer Wärmezuführung erlauben, realisierbar sein sollen.
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Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur generativen Fertigung mit den kennzeichnenden Merkmalen nach Patentanspruch 1 sowie eine Vorrichtung zur generativen Fertigung mit den Merkmalen nach Patentanspruch 8 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
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Gemäß der Offenbarung werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur generativen Fertigung eines Formkörpers unter Verwendung von drahtförmigen Ausgangswerkstoffen bereitgestellt, wobei das zu generierende Bauteilvolumen teilweise durch vorgefertigte Halbzeuge ersetzt wird.
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Hierzu wird verfahrensgemäß zuerst ein Rohkörper aus vorgefertigte Halbzeugen zusammengesetzt. Die Halbzeuge werden zunächst in eine entsprechende Position zueinander gebracht und anschließend thermisch gefügt. Hierbei sind die Abmessungen bzw. die Geometrie sowie die gegenseitige Anordnung der verwendeten Halbzeuge derart bemessen, dass die Außenkontur des Rohkörpers - d. h. der verbundenen Halbzeuge einschließlich der thermisch erstellten Fügenähte - vollständig innerhalb der Außenkontur des herzustellenden Formkörpers liegt. Dies schließt ein, dass die Außenkontur des Rohkörpers auch bereichsweise mit der Außenkontur des herzustellenden Formkörpers übereinstimmen kann.
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Nach Fertigstellung des Rohkörpers wird ein Differenzkörper bestimmt, dessen Geometrie der Abweichung der Außenkontur des Rohkörpers von der Außenkontur des Formkörpers entspricht. D. h., der Differenzkörper entspricht demjenigen Volumen, das dem Rohkörper zur Bildung des gewünschten fertigen Formkörpers fehlt.
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Dieser Differenzkörper wird sodann additiv durch lagenweises Abscheiden eines schmelzflüssigen Werkstoffes auf dem Rohkörper aufgebaut. Hierzu wird zunächst ein Schichtmodell des Differenzkörpers generiert (sog. „Slicen“ des Differenzkörpers). Gemäß dieses Schichtmodells des Differenzkörpers wird sodann Werkstoff in schmelzflüssiger Form auf den Rohkörper bzw. eine zuvor abgeschiedene Lage des Werkstoffes aufgebracht oder z. B. als Draht in fester Form der Oberfläche des Rohkörpers bzw. einer zuvor abgeschiedene Lage des Werkstoffes zugeführt und dort zur Bildung einer (weiteren) Werkstofflage aufgeschmolzen.
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Durch die Verwendung vorgefertigter Halbzeuge kann die Prozesszeit zur Fertigung des Formkörpers deutlich reduziert werden. Indem nur vergleichsweise kleine Volumina lagenweise, d. h. additiv, auf den Rohkörper aufgebaut werden müssen, ist der Wärmeeintrag in das Bauteil während der generativen Fertigung gering. Dies verringert zum einen den thermisch bedingten Verzug im Bauteil und erlaubt zum anderen eine erhöhte Geschwindigkeit bei der Abscheidung der Werkstofflagen; Fertigungspausen zur Abkühlung können entfallen.
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Indem Halbzeuge aus einem Material, das zu dem auf dem Halbzeug additiv abgeschiedenen Werkstoff unterschiedlich ist, verwendet werden, kann der Formkörper aus nicht nur einem Werkstoff bestehen. Weiterhin können auch eine Mehrzahl von Halbzeugen aus unterschiedlichem Material verwendet werden, sodass z. B. eine sandwichartige Struktur entsteht oder der Formkörper bereichsweise unterschiedliche Eigenschaften (z. B. Festigkeiten) aufweist.
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Hohlkörper bzw. Formkörper mit Hohlraum können mit kurzer Prozesszeit gefertigt werden, indem entsprechende Halbzeuge, z. B. Hohlzylinder (Hohlprofile), eingesetzt werden.
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Die Erfindung kann weiter derart ausgebildet sein, dass zum Aufbau des Rohkörpers metallische Halbzeuge verwendet werden, die mittels Schweißens oder Lötens unter Verwendung eines metallischen oder metallhaltigen Zusatzmaterials thermisch miteinander gefügt werden, wobei der Differenzkörper anschließend aus demselben Zusatzmaterial lagenweise aufgebaut wird.
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Das metallische oder metallhaltige Zusatzmaterial kann in Form eines oder mehrerer Drähte an die Fügezone herangeführt und mittels eines Energiestrahles, z. B. eines Laserstrahls, aufgeschmolzen werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens zum thermischen Fügen der Halbzeuge werden mehrere in eine Fügezone zugeführte Drähte mittels des aufgeweiteten, aufgeteilten oder pendelnd bewegten Energiestrahls aufgeschmolzen, wobei das schmelzflüssige Material als Zusatzwerkstoff unter Ausbildung einer stoffschlüssigen Fügeverbindung der Werkstücke erstarrt. Bei Schweißverfahren werden neben dem Drahtwerkstoff auch Teilbereiche der Werkstücke aufgeschmolzen; bei Lötverfahren erfolgt im Regelfall nur ein Aufschmelzen des Drahtwerkstoffes. Der im Wesentlichen aus dem Drahtwerkstoff gebildete Zusatzwerkstoff kann also - je nach Art des Fügeverfahrens - nach dem Aufschmelzen Werkstoffanteile aus aufgeschmolzenem Werkstoff der gefügten Halbzeuge enthalten.
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Die Drähte werden einzeln längsverschieblich in einem Drahtband parallel nebeneinanderliegend in die Fügezone zugeführt, wobei mindestens die beiden randseitigen Drähte des Drahtbandes an einem Kontaktpunkt an jeweils einem der zu fügenden Halbzeuge angedrückt werden. Das Drahtband bildet hierbei eine Brücke zwischen den zu fügenden Halbzeugen aus, wobei es im einfachsten Fall an zwei Kontaktpunkten an den zu verbindenden Halbzeugen anliegt.
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Die Aufweitung, die Teilung und/oder die Bewegung des Energiestrahls werden so eingestellt, dass der Energiestrahl das Drahtband in seiner Quererstreckung erfasst. D. h., bei Strahlaufweitung oder bei Strahlteilung deckt der aufgeweitete oder geteilte Energiestrahl simultan die gesamte Breite des Drahtbandes ab; bei pendelnder Bewegung überstreicht der Energiestrahl in schneller Folge die gesamte Drahtbandbreite. Die mittlere Strahlachse des Energiestrahls ist vorzugsweise zentrisch auf das Drahtband gerichtet.
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Einer der Vorteile des Verfahrens ist, dass durch die Zuführung der Drähte in Form des Drahtbandes eine - im Vergleich zum Einzeldraht - relativ große Menge an Zusatzwerkstoff in die Fügezone der zu verbindenden Halbzeuge eingebracht werden kann, wobei das Drahtband mittels der Drahtdüse sehr genau in Bezug zu den zu fügenden Halbzeugen positionierbar ist.
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Das Drahtband kann zusätzlich stetig gegen die Halbzeuge gedrückt werden, beispielsweise mittels eines mit einer Ausrückkraft beaufschlagten Teleskoparms. Dieses stetige Anliegen der Drähte an den Halbzeugen ermöglicht, insbesondere bei Herstellung von Schweiß- oder Lötnähten, die Ausbildung einer exakt definierten Schmelzbadgeometrie und gewährleistet somit eine hohe Prozessstabilität bei Herstellung der Fügeverbindung.
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Auch können ungleichmäßige Spalte an Stumpf- oder T-Stößen durch das Drahtband ohne qualitative Einbußen der Fügenaht überbrückt werden.
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Großvolumigen Schweiß- und Lötverbindungen, die bei Verwendung von Einzeldrähten nur mittels Mehrlagentechnik herstellbar sind, können mit dem erfindungsgemäßen Verfahrens vielfach bereits in Einlagentechnik gefertigt werden.
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Des Weiteren kann das Drahtband durch Verkippung und Verschiebung in Relation zu den zu fügenden Halbzeugen variabel positioniert werden. Durch die Wahl der Lage und des Abstandes der Kontaktpunkte ist es möglich, die Lage und die Breite der zu erzeugenden Fügeverbindung sowie der jeweiligen Anbindungsbereiten an den Halbzeugen vorzubestimmen. Dies erlaubt u. a. die beanspruchungsgerechte Gestaltung der Schweiß- und Lötnahtgeometrie.
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Das Drahtband kann sowohl ein- als auch mehrlagig aufgebaut sein. Die randseitig positionierten Drähte des Drahtbandes, die den Kontakt zu den Halbzeugen bilden, ergeben sich jeweils aus der Anordnung der zu fügenden Halbzeuge und der Position und Lage des Drahtbandes in Relation zu den Halbzeugen.
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Soweit erforderlich, ist das Verfahren aber auch in Mehrlagentechnik für besonders großvolumigen Fügeverbindungen oder für den additiven Aufbau anwendbar.
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Dementsprechend kann vorgesehen sein, dass die additive Fertigung des Differenzkörpers analog zu dem eben beschriebenen Verfahren zum thermischen Fügen erfolgt, wobei Drähte einzeln längsverschieblich in einem Drahtband parallel nebeneinanderliegend auf die Halbzeuge bzw. eine bereits abgeschiedene Schicht zugeführt werden. Hierbei kontaktieren vorzugsweise alle Drähte des Drahtbandes, mindestens jedoch die beiden randseitigen Drähte des Drahtbandes die zu beschichtenden Halbzeuge bzw. die zuvor abgeschiedene Schicht. Im Idealfall wird also das gesamte Drahtband flach mit einer Ausrückkraft auf die zu beschichtende Oberfläche aufgedrückt.
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Der Vorteil ist, dass dieselbe Anlage sowohl für das thermische Fügen als auch für den generativen Aufbau verwendet werden kann.
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Eine Ausgestaltung des Verfahrens - sowohl zum Fügen als auch zum additiven Aufbau - sieht vor, den Energiestrahl so zu steuern, dass die Aufschmelzung der Drähte des Drahtbandes an den Kontaktpunkten bzw. Rändern beginnt, d. h., die beiden randseitigen Drähte des Drahtbandes werden zuerst aufgeschmolzen. Durch die Initiierung des Aufschmelzens an den Rändern gelingt es, trotz der größeren Menge an Zusatzwerkstoff, ein relativ kleines, stabiles Schmelzbad mit schnell nachlaufender Erstarrungsfront zu erzeugen.
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Das Verfahren wird vorzugsweise mit einem Sickout im Bereich von 5 mm bis 12 mm durchgeführt. Der Sickout ist hierbei der Abstand zwischen der Austrittsfläche am drahtaustrittsseitigen Ende der Drahtdüse und dem Punkt, an dem der am Werkstück anliegende Draht mittels des Energiestrahls aufgeschmolzen wird. In dem so gewählten Sickout-Bereich ist eine besonders gute Führung und Positionierung des Drahtbandes erreichbar.
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Die parallel im Drahtband benachbart liegenden Drähte berühren sich vorzugsweise; dies verbessert insbesondere die gegenseitige Führung, wenn die Drähte mit jeweils unterschiedlicher Zuführungsgeschwindigkeit gefördert werden. Das Verfahren ist ebenfalls mit geringem Abstand zwischen den Drähten oder mit gezielt eingestellten Lücken ausführbar. Die Anwendung von Drahtbändern mit Lücken erfolgt vorzugsweise im oben angegebenen Sickout-Bereich.
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Weiter kann vorgesehen werden, die an den Kontaktpunkten auf das Drahtband wirkenden Kontaktkräfte während des Fügens und/oder Abscheidens mittels eines oder mehrerer Kraftsensoren zu erfassen, wobei die Ausrichtung und Positionierung des Drahtbandes und/oder die zum Aufschmelzen eingekoppelte Leistung des Energiestrahls in Abhängigkeit der erfassten Kontaktkräfte gesteuert und/oder geregelt werden.
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Bei Durchführung des lagenweisen Abscheidens der Werkstoffschichten zum Aufbau des Differenzkörpers kann die Geometrie und/oder die Schichtdicke der zuvor abgeschiedenen Werkstoffschicht, d. h. derjenigen Werkstoffschicht, auf welche nun aufgebaut wird, während des Abscheidens der neuen Schicht kontinuierlich taktil erfasst werden, wobei die Ausrichtung und Positionierung des Drahtbandes, insbesondere jedoch die Zuführgeschwindigkeit einzelner Drähte in die Fügezone und/oder die in die Fügezone eingekoppelte Leistung des Energiestrahls in Abhängigkeit der erfassten Oberflächengeometrie und/oder Schichtdicke gesteuert und/oder geregelt werden, sodass Abweichungen der Schichtdicke einer Werkstoffschicht von einer durch das Schichtmodell vorgegebenen Soll-Schichtdicke instantan durch Anpassung der darüber abzuscheidenden Schicht ausgleichbar sind.
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Beispielsweise kann die Ist-Schichtdicke der bereits abgeschiedenen Werkstoffschicht mittels eines Sensors, der an einem mit der Drahtzuführeinheit verbundenen Teleskoparm angebracht ist, detektiert werden. Hierbei kann der Sensor ein Positionssensor sein, der eine Abweichung des Teleskoparms von der sog. 0-Position erfasst, wodurch Abweichungen in der Schichtdicke derjenigen Werkstoffschicht erfassbar sind, auf welche gerade eine weitere Schicht abgeschieden wird.
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Die Vorrichtung zur generativen Fertigung eines Formkörpers unter Verwendung von vorgefertigten Halbzeugen sowie drahtförmigen Ausgangswerkstoffen umfasst eine Energiestrahlerzeugungseinheit, einen Strahlkopf mit Strahlformungs-, Strahlteilungs- und/oder aktiv angetriebener Umlenkvorrichtung zum Führen des Energiestrahls und eine mittels eines Teleskoparmes mit dem Strahlkopf beweglich verbundene Drahtzuführeinheit, wobei der Teleskoparm entlang seiner Teleskopachse gegen eine Ausrückkraft verschiebbar ist, d. h., der Teleskoparm steht unter einer längsgerichteten Druckspannung. Die Ausrückkraft wird mit bekannten technischen Mitteln, zum Beispiel durch eine Feder, durch eine pneumatischen Vorrichtung oder einen elektrischen Antrieb, erzeugt.
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Die Drahtzuführeinheit weist eine Drahtdüse mit einem Drahtbandkanal zur Führung mindestens eines Drahtbandes aus parallel nebeneinanderliegenden, einzeln längsverschieblichen Drähten auf, wobei sich das Drahtband in einer von den Drähten aufgespannten Drahtbandebene im Drahtbandkanal erstreckt.
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Der Strahlkopf ist dazu eingerichtet, den Energiestrahl um eine mittlere Strahlachse aufzuweiten, aufzuteilen oder pendelnd zu bewegen. Die mittlere Strahlachse und die Teleskopachse liegen erfindungsgemäß in einer Führungsebene, die orthogonal zur Drahtbandebene ausgerichtet ist.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Vorrichtung weist die Drahtzuführeinheit ein Zuführungsrohr auf, das mit der Drahtdüse formschlüssig verbindbar ist, wobei die Drahtdüse am Zuführungsrohr gegen Verdrehung und Verschiebung arretierbar ist. Die Drahtdüse ist beispielswiese formschlüssig auf das Führungsrohr aufgeschoben und mittels einer Klemmvorrichtung an diesem fixiert.
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Die Drahtdüse kann ein oder zwei abgeflachte Ausnehmungen bzw. Freimachungen aufweisen, die derart gestaltet sind, dass die Drahtdüse in der senkrecht zur Drahtbandebene liegenden Schnittebene eine zum Drahtaustritt der Drahtdüse sich verjüngende Außenkontur aufweist. Durch die Ausnehmungen bzw. Freimachungen können in spezifischen Bearbeitungssituationen Kollisionen der Drahtdüse mit den Werkstücken und/oder dem Energiestrahl vermieden werden.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Drahtdüse eine in den Drahteintritt des Drahtbandkanals sich trichterförmig verjüngende Innenkontur aufweist. Der Trichterwinkel ist möglichst flach, d. h. deutlich kleiner als 90°, gewählt. Die trichterförmige Innenkontur erleichtert das Einfädeln der Drähte beim Düsenwechsel.
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Die Vorrichtung kann zudem eine Schwenkeinheit zur Positionierung, Ausrichtung und Führung der Drahtzuführeinheit und des Strahlkopfes in Relation zu den zu fügenden Werkstücken umfassen. Die Schwenkeinheit ist beispielsweise ein Roboterarm, an dem der Strahlkopf befestigt ist. Mittels der Schwenkeinheit kann insbesondere die Winkellage des Drahtbandes am Fügestoß eingestellt werden.
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Die Vorrichtung kann einen oder mehrere Kraftsensoren aufweisen, mittels derer orthogonal zur Drahtzuführungsrichtung auf die Drahtdüse wirkende Kräfte detektierbar sind. Die Drahtzuführrichtung ist hierbei in bekannter Weise als die Richtung entlang der Längserstreckung der Drähte hin zur Füge- bzw. Abscheidezone definiert. Der oder die Kraftsensoren können beispielsweise am Teleskoparm angebracht sein. Da die beim Fügen bzw. lagenweisen Abscheiden auf das Drahtband wirkenden Kontaktkräfte über die Drahtzuführeinheit in den Teleskoparm weitergeleitetet werden, ist eine indirekte Krafterfassung durch die Kraftsensoren am Teleskoparm durchführbar.
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Zusätzlich oder alternativ kann der Teleskoparm einen mit einer Steuer- und Regeleinheit der Vorrichtung verbundenen Positionssensor zur Bestimmung einer Verschiebung des Teleskoparms, z. B. aus der von Steuer- und Regeleinheit vorgegebenen 0-Position, aufweisen, wobei die Steuer- und Regeleinheit eingerichtet ist, auf Basis eines mit dem Positionssensor bestimmten Istwertes der Teleskoparmverschiebung eine Anpassung des Schichtmodells und / oder von Prozessparametern durchzuführen.
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Weiterhin kann die Vorrichtung eine Einrichtung zur Führung des Drahtbandes entlang der zwischen den zu fügenden Halbzeugen auszubildenden Fügenaht bzw. entlang einer bereits abgeschiedenen Werkstoffbahn einer Werkstoffschicht aufweisen. Diese Führungseinrichtung kann einen oder mehrere optische Sensoren, z. B. eine Fotodiode oder eine CCD-Kamera, umfassen.
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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
- 1: einzelne Schritte des Verfahrens zur generativen Fertigung;
- 2: einen gemäß des Verfahrens gefertigten Formkörper im Querschnitt;
- 3: das thermische Fügen mit pendelndem Energiestrahl unter Verwendung eines Drahtbandes;
- 4: eine Schichtabfolge im Querschnitt;
- 5: die Vorrichtung zur generativen Fertigung eines Formkörpers in der Seitenansicht;
- 6: die Drahtzuführeinheit in der Perspektivansicht; und
- 7: die Drahtzuführeinheit in der Draufsicht.
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Zur Fertigung eines Formkörpers werden gemäß 1a zuerst die beiden Halbzeuge 3, von denen das in der 1a oben dargestellte ein Hohlzylinder ist, mittels der Schweißnaht 17 thermisch miteinander gefügt.
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1b zeigt die mittels der Schweißnähte 17 gefügten Halbzeuge 3, die derart miteinander gefügt wurden, dass ihr Außenumriss vollständig innerhalb der Außenkontur 5 des Formkörpers liegt.
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Die miteinander gefügten Halbzeuge und die Schweißnähte 17 bilden den Rohkörper 2, wie in 1c dargestellt. Der Differenzkörper 6, der durch das fehlende Volumen zwischen Rohkörper 2 und Formkörper 1 definiert ist, wird anhand der Außenkontur 5 des Formkörpers 1 und der Außenkontur 4 des Rohkörpers 2 bestimmt. Nach dem Aufteilen des Differenzkörpers 6 in ein Schichtmodell wird er mittels generativer Fertigung lagenweise auf den Rohkörper 2 aufgebaut.
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Als Ergebnis erhält man den in 1d im Querschnitt dargestellten Formkörper 1, der gebildet ist aus den Halbzeugen 3, den Schweißnähten 17 und dem Differenzkörper 6.
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Der Formkörper 1 gemäß 2 besteht aus dem quaderförmigen Halbzeug 3, dem Hohlprofil 18, den Schweißnähten 17 und dem Differenzkörper 6, wobei die Außenkontur des Hohlprofils 18 bereichsweise mit der Außenkontur des Formkörpers übereinstimmt.
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Die 3 verdeutlicht das Fügeverfahren, wobei die 3a den Zustand vor dem Aufschmelzen der Drähte 7 des Drahtbandes 8 und die 3b den Zustand bei Vorliegen des schmelzflüssigen Zusatzwerkstoffs 12 wiedergeben. Das Aufschmelzen beginnt beim erfindungsgemäßen Drahtband-Verfahren an den Kontaktpunkten 10.
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4 zeigt im Querschnitt die in einzelnen Schweißbahnen abgeschiedenen Werkstoffschichten 13.1, 13.2 und 13.3, die gemäß der generativen Fertigung des Differenzkörpers auf dem Halbzeug 3 sukzessive aufgebracht wurden. Beim Abscheiden der oberen Werkstoffschicht 13.3 auf der darunterliegenden Werkstoffschicht 13.2 kann von der Drahtzuführeinheit 14 mittels taktiler Erfassung der Schichtdicke der bereits fertiggestellten Werkstoffschicht 13.2 eine Abweichung von der Soll-Schichtdicke erfasst und mittels Anpassung der Zuführgeschwindigkeit der Drähte 7 die Schichtdicke der darüber abgeschiedenen Werkstoffschicht 13.3 in der Art angepasst werden, dass die Werkstoffschichten 13.1, 13.2 und 13.3 im Rahmen der Abscheidegenauigkeit dem zuvor erstellten Schichtmodell des Differenzkörpers 6 entsprechen.
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Die Vorrichtung zur generativen Fertigung eines Formkörpers 1 unter Verwendung von vorgefertigten Halbzeugen 3 nach der 5 umfasst den Strahlkopf 16 und die Drahtzuführeinheit 14, die über den Teleskoparm 15 miteinander verbunden sind. Der Teleskoparm 15 ist entlang seiner Teleskopachse 15.1 verschiebbar.
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Über die Drahtdüse 14.1 der Drahtzuführeinheit 14 werden die Drähte 7 als Drahtband 8 dem Halbzeug 3 zugeführt. Der Teleskoparm 15 besitzt eine Druckfeder, die eine stetige Ausrückkraft entlang der Teleskopachse 15.1 erzeugt. Hierdurch werden die aus der Drahtdüse 14.1 austretenden Drähte 7 mit einer stetig wirkenden Kraft auf das Halbzeug 3 gedrückt.
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Zum Fügen (bzw. zum Abscheiden einer Werkstoffschicht - nicht dargestellt) werden die Drähte 7 mittels des Energiestrahls 9, im Ausführungsbeispiel mittels eines Laserstrahls, der um die mittlere Strahlachse 9.1 aufgeweitet, aufgeteilt oder pendelnd bewegt wird, aufgeschmolzen.
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Den Austritt des Drahtbandes 8 aus den parallel nebeneinanderliegenden, einzeln längsverschieblichen Drähten 7 aus der Drahtdüse 14.1 der Drahtzuführvorrichtung 14 verdeutlicht 6. Der Energiestrahl 9 trifft mit seiner mittleren Strahlachse 9.1 zentrisch auf das Drahtband 8.
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Die Drahtdüse 14.1 und das Drahtband 8 aus den parallel nebeneinanderliegenden Drähten 7 sind so ausgerichtet, dass die Führungsebene orthogonal zur Drahtbandebene liegt. Die Führungsebene steht in der Draufsicht gemäß der 7 senkrecht in der Bildebene und verläuft entlang der mittleren Strahlachse 9.1 des Energiestrahls 9. Die Drahtbandebene liegt in der Darstellung nach 7 in einer flachen Ebene, die das Drahtband 8 einschließt. Die orthogonale Ausrichtung von Führungsebene zu Drahtbandebene wird durch die Kennzeichnung der senkrechten Winkel verdeutlicht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Formkörper
- 2
- Rohkörper
- 3
- Halbzeug
- 4
- Außenkontur des Rohkörpers
- 5
- Außenkontur des Formkörpers
- 6
- Differenzkörper
- 7
- Draht
- 8
- Drahtband
- 9
- Energiestrahl
- 9.1
- mittlere Strahlachse
- 10
- Kontaktpunkt
- 11
- Werkstoff
- 12
- Zusatzwerkstoff
- 13.1
- Werkstoffschicht
- 13.2
- Werkstoffschicht
- 13.3
- Werkstoffschicht
- 14
- Drahtzuführeinheit
- 14.1
- Drahtdüse
- 14.2
- Zuführungsrohr
- 15
- Teleskoparm
- 15.1
- Teleskopachse
- 16
- Strahlkopf
- 17
- Schweißnaht
- 18
- Hohlprofil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- CN 104227313 A [0004]
- DE 102012008369 A1 [0005]
- DE 102009028105 A1 [0005]
