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Gebiet der Technik
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Die vorliegende Offenbarung betrifft im Allgemeinen das Bilden von Maschinenteilen. Genauer betrifft die vorliegende Offenbarung ein System und Verfahren zum Verbessern der Lebensdauer solcher Teile.
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Stand der Technik
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Um die Teile von Arbeitsmaschinen zu bilden, ist Gusseisen ein bevorzugtes Material für Teile von schwerem Gerät aufgrund seiner geringen Kosten, seines geringen Gewichts und seiner mechanischen Eigenschaften. Jedoch können Gusseisenteile reißen, wenn sie überlastet oder überhitzt werden. Ein solcher Ausfall kann verheerend sein und der Reparaturvorgang kann schwierig zu implementieren sein, da er unterschiedliche Materialien beinhaltet und Kompetenzen im Schweißen sowie vorsichtiges Wärmemanagement erfordert.
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US 2015/0167129 bespricht bestimmte verstärkte Legierungskomponenten und Verfahren, diese zu bilden.
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Kurzdarstellung
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In einem Beispiel gemäß dieser Offenbarung kann ein Verfahren der additiven Fertigung das Bilden eines Maschinenteils, das einen ersten Abschnitt aufweist, der aus einem Gusseisenmaterial gebildet ist; Bilden eines zweiten Abschnitts benachbart zum ersten Abschnitt, der aus einer Kombination aus dem Gusseisenmaterial und einem anderen Material gebildet ist; und Bilden eines dritten Abschnitts benachbart zum zweiten Abschnitt, der nur aus dem anderen Material gebildet ist, wobei sich der dritte Abschnitt an einem vorbestimmten kritischen Bereich des Maschinenteils befindet.
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In einem Beispiel gemäß dieser Offenbarung kann ein Maschinenteil durch ein Verfahren gebildet werden, einschließlich des Bildens des Maschinenteils, das einen ersten Abschnitt aufweist, der aus einem Gusseisenmaterial gebildet ist; Bildens eines zweiten Abschnitts benachbart zum ersten Abschnitt, der aus einer Kombination aus dem Gusseisenmaterial und einem anderen Material gebildet ist; und Bildens eines dritten Abschnitts benachbart zum zweiten Abschnitt, der nur aus dem anderen Material gebildet ist, wobei sich der dritte Abschnitt an einem vorbestimmten kritischen Bereich des Maschinenteils befindet.
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In einem Beispiel gemäß dieser Offenbarung kann ein Verfahren des Wiederaufbereitens oder Reparierens eines Maschinenteils das Verwenden von additiver Fertigung beinhalten, sodass ein erster Abschnitt des Maschinenteils, der am weitesten von einem vorbestimmten kritischen Bereich des Maschinenteils entfernt ist, repariert wird unter Verwendung eines Gusseisenmaterials; unter Verwendung von additiver Fertigung, sodass ein zweiter Abschnitt des Maschinenteils benachbart zum ersten Abschnitt aus einer Kombination aus dem Gusseisenmaterial und einem anderen Material gebildet wird; und unter Verwendung von additiver Fertigung, sodass ein dritter Abschnitt des Maschinenteils benachbart zum zweiten Abschnitt nur aus dem anderen Material gebildet wird, wobei sich der dritte Abschnitt am vorbestimmten kritischen Bereich des Maschinenteils befindet.
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Figurenliste
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In den Zeichnungen, die nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet sind, können gleiche Ziffern ähnliche Komponenten in verschiedenen Ansichten beschreiben. Gleiche Ziffern mit unterschiedlichen Buchstabensuffixen können verschiedene Instanzen ähnlicher Komponenten darstellen. Die Zeichnungen veranschaulichen allgemein, beispielhaft, jedoch nicht einschränkend, verschiedene Ausführungsformen, die in dem vorliegenden Dokument erörtert werden.
- 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung für additive Fertigung gemäß einer Ausführungsform.
- 2 zeigt ein Verfahren des Bildens eines Maschinenteils gemäß einer Ausführungsform.
- 3 zeigt ein Beispiel für ein Maschinenteil, das durch das Verfahren aus 2 gebildet wird, gemäß einer Ausführungsform.
- 4 zeigt ein Detail des Maschinenteils aus 3 gebildet wird, gemäß einer Ausführungsform.
- 5 zeigt ein Verfahren des Wiederaufbereitens oder Reparierens eines Maschinenteils gemäß einer Ausführungsform.
- 6 zeigt ein Verfahren für additive Fertigung gemäß einer Ausführungsform.
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Ausführliche Beschreibung
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Gießvorrichtung für additive Fertigung 100 gemäß einer Ausführungsform. Die Vorrichtung für additives Gießen 100 kann zum Bilden eines 3D-gedruckten Maschinenteils aus Metall dienen. Die Gießvorrichtung 100 kann im Allgemeinen eine bewegliche Ausgabeeinheit für Formmaterial 110 beinhalten. Die Ausgabeeinheit 110 kann eine oder mehrere Düsen 112 zum Ablagern des Formmaterials beinhalten. Die Vorrichtung 100 beinhaltet ferner eine bewegliche Gießeinheit für Metallschmelze 120, die einen Tiegel 121 beinhalten kann. Die Gießeinheit 120 kann eine oder mehrere Düsen 122 zum Ausgießen von mindestens einer Metallschmelze beinhalten. Die Vorrichtung 100 kann ferner einen Konstruktionstisch 130 zum Halten des abgeschiedenen Formmaterials und der gegossenen Metallschmelze beinhalten.
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Die Vorrichtung 100 beinhaltet ferner eine Steuerung 150, die konfiguriert ist, um die bewegliche Ausgabeeinheit für Formmaterial 110 zu steuern, um einen ersten Abschnitt einer Form 114 Schicht für Schicht abzulagern, und um die bewegliche Gießeinheit für Metallschmelze 120 zu steuern, um mindestens eine flüssige Substanz in den ersten Abschnitt der Form zu gießen, um eine erste Gussschicht 124 zu bilden. Die Steuerung kann dann die bewegliche Ausgabeeinheit für Formmaterial 110 steuern, um einen zweiten Abschnitt der Form 114 Schicht für Schicht auf dem ersten Abschnitt abzulagern. Und die Steuerung 150 kann dann die bewegliche Gießeinheit für Metallschmelze 120 steuern, um die mindestens eine Metallschmelze in den zweiten Abschnitt der Form zu gießen, um eine zweite Gussschicht 124 auf mindestens einem Abschnitt der ersten Gussschicht 124 zu bilden.
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In einem Beispiel kann die Steuerung 150 eine Induktionsheizvorrichtung 140 in Position bewegen oder steuern, um das Material im Tiegel 121 zu erhitzen und zu schmelzen. Die Induktionsheizvorrichtung 140 kann auch verwendet werden, um jede Gussschicht aus Metallschmelze 124 vor dem Gießen einer zusätzlichen Metallschmelzschicht vorzuheizen. Das Vorheizverfahren kann den Temperaturgradienten zwischen der bereits verfestigten Gussschicht und der Schmelze, die gegossen wird, um die zusätzliche Gussschicht zu bilden, verringern.
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In manchen Ausführungsformen können die bewegliche Ausgabeeinheit für Formmaterial 110 und/oder die Gießeinheit für Metallschmelze 120 konfiguriert sein, um sich in zwei oder drei Achsen zu bewegen. In manchen Ausführungsformen können die bewegliche Ausgabeeinheit für Formmaterial 110 und/oder die Gießeinheit für Metallschmelze 120 auf einem XY-Tisch montiert sein, der konfiguriert ist, um die bewegliche Ausgabeeinheit für Formmaterial 110 und/oder die Gießeinheit für Metallschmelze 120 zu jeglichem Punkt über den Konstruktionstisch 130 zu bewegen. In manchen Ausführungsformen kann die bewegliche Ausgabeeinheit für Formmaterial 110 gesteuert werden (z. B. durch Steuerung 150), um Formabschnitte 114 (z. B. erste, zweite, dritte, vierte usw. Abschnitte) Schicht für Schicht abzulagern.
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Das Formmaterial kann jegliches Material sein, das geeignet ist, um von einer Abscheideeinheit abgelagert/gedruckt zu werden und eine Form für die Metallschmelze bereitzustellen. Zum Beispiel kann das Formmaterial Granulat beinhalten, das mit einem Bindemittel vermischt ist und konfiguriert ist, um Schmelze bei erhöhten Temperaturen zu halten. Das Granulat kann Keramikpulver (z. B. Zirconiumdioxid, Aluminiumoxid, Magnesiumoxid usw.), Sand, Ton, Metallpulver und jegliche Kombination davon beinhalten.
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Wie angemerkt ist Gusseisen ein bevorzugtes Material für Teile von schwerem Gerät aufgrund seiner geringen Kosten, seines geringen Gewichts und seiner mechanischen Eigenschaften. Jedoch können Gusseisen und Gusseisenteile reißen, wenn sie überlastet oder überhitzt werden.
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Das vorliegende System verwendet ein Verfahren für additive Metallfertigung, wie z. B. 3D-Drucken, zum Herstellen neuer Komponenten (oder Reparieren/Wiederaufbereiten bestehender Komponenten), die aus Gusseisen bestehen. Wie besprochen werden wird, beinhalten Teile, die aus dem vorliegenden System gebildet sind, an Abschnitten des Teils, die bestimmte kritische, hochbeanspruchte oder empfindliche/störanfällige Bereiche (z. B. Hohlräume, Öffnungen, Erhöhungen, Ecken usw.) umgeben und dazu führen, einen Gradienten, wo ein anderes Material mit erwünschten Eigenschaften (z. B. duktiler (wie z. B. Stahl)) allmählich in das Gusseisen-Drucken eingeführt wird. In einem Beispiel kann das System, wie in 1 besprochen, in einem Verfahren einschließlich eines mehrstufigen Materialkombinations- und - ausgabevorgangs verwendet werden, um einen Übergang in dem Teil von Gusseisen in einem Abschnitt zu Gusseisen plus ein anderes Material in einem benachbarten zu nur das andere Material zu erreichen, das die kritischen Bereiche des Teils definiert.
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Daher ist, zum Beispiel, durch selektives Übergehen von Gusseisen zu Stahl, das Risiko von Rissen gemildert und die Möglichkeit, höheres Kraftdrehmoment im lokalisierten Bereich anzuwenden, ist besser.
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Daher zeigt, zum Beispiel, 2 ein Verfahren des Bildens eines Maschinenteils gemäß einer Ausführungsform. In einem Beispiel kann das additive Fertigungsverfahren ein 3D-Druckverfahren unter Verwendung einer Vorrichtung sein, wie in 1 gezeigt und beschrieben.
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Das Verfahren 200 kann einen ersten Schritt 202 des Bildens eines Maschinenteils beinhalten, das einen ersten Abschnitt aufweist, der aus einem Gusseisenmaterial gebildet ist. Daher kann, zum Beispiel, ein Abschnitt des Maschinenteils, der entfernt von einem kritischen Bereich des Maschinenteils ist, nur aus Gusseisen gebildet sein. Das Verfahren 200 kann einen zweiten Schritt 204 des Bildens eines zweiten Abschnitts des Maschinenteils benachbart zu dem ersten Abschnitt und gebildet aus einer Kombination aus dem Gusseisenmaterial und einem anderen Material beinhalten.
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Daher, während sich das additive Fertigungsverfahren näher an den kritischen Bereich des Maschinenteils bewegt, wird das andere Material allmählich zu dem Gusseisenmaterial im Gießverfahren hinzugefügt, um einen Übergangsbereich bereitzustellen. Bilden des zweiten Abschnitts des Maschinenteils kann das allmähliche Einführen des anderen Materials in das Gusseisenmaterial beinhalten. Zum Beispiel kann der zweite Abschnitt gebildet sein, sodass der zweite Abschnitt von einer geringen Konzentration des anderen Materials nahe dem ersten Abschnitt zu einer hohen Konzentration des anderen Materials nahe dem dritten Abschnitt übergeht.
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Das Verfahren kann einen dritten Schritt 206 des Bildens eines dritten Abschnitts benachbart zum zweiten Abschnitt beinhalten, der nur aus dem anderen Material gebildet ist, wobei sich der dritte Abschnitt an einem vorbestimmten kritischen Bereich des Maschinenteils befindet.
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In einem Beispiel integriert das vorliegende Verfahren einen allmählichen Übergang während des additiven Fertigungsverfahrens von dem Gusseisenmaterial zu einem duktileren Material, wie z. B. Stahl oder ein anderes, wodurch es als eine Pufferschicht wirkt, die zu bestimmten kritischen, hochbeanspruchten oder empfindlichen/störanfälligen Bereichen (z. B. einem Lagerzapfen) hinführt und diese dann umgibt. Das andere Material kann weniger anfälliger für ein Reißen sein und ist leichter zu reparieren.
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Hier führen die allmähliche Kombination und der Übergang des Gusseisenmaterials zu dem hinzugefügten Material dazu, dass das hinzugefügte Material als eine Pufferschicht wirkt, die weniger anfällig für ein Reißen und außerdem leichter zu reparieren ist, da das Schweißen von Stahl, zum Beispiel, einfacher als das Reparieren von Gusseisen ist. Genauer wird das Material mit mehr Duktilität an der Position platziert, die anfälliger für ein Reißen unter Überhitzung oder Überlastung ist.
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3 zeigt ein Beispiel für ein Maschinenteil 300, das durch das Verfahren aus 2 gebildet wird, gemäß einer Ausführungsform. 4 zeigt ein Detail des Maschinenteils 300 gemäß einer Ausführungsform.
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Hier kann das Maschinenteil 300 allgemein ein Maschinenteil, wie z. B. eine Riemenscheibe oder ein Zahnrad mit einem Außenabschnitt 302, einem Mittelabschnitt 304 und einem zentralen Abschnitt 306, der ein Loch 308 umgibt, das sich zum Beispiel an einer Welle dreht, darstellen. In diesem Beispiel befindet sich ein kritischer Bereich 307 in der Region des Maschinenteils 300 nahe dem Loch 308. Zum Beispiel kann dies eine hochbeanspruchte Stelle des Maschinenteils 300 mit hohem Druck sein. Durch Bereitstellen des Übergangsmittelabschnitts 304 für den duktilen dritten Abschnitt 306 wird der kritische Bereich 307 unter höheren Beanspruchungen agieren als wenn das gesamte Teil aus Gusseisenmaterial hergestellt wäre. Der Übergangsmittelabschnitt 304 stellt bereit, dass das Maschinenteil Integrität hat, da die anderen Materialien langsam vermischt werden, während das andere Material allmählich zu dem Gusseisenmaterial hinzugefügt wird, bis der kritische Bereich 307 nur aus dem anderen (wie z. B. duktileren) Material gebildet ist.
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In diesem Beispiel kann der kritische Bereich des Maschinenteils so bestimmt werden, dass er der kritische Bereich 307 nahe dem zentralen Abschnitt 306 nahe dem Loch 308 ist. (In anderen Beispielen, abhängig von der physischen Beschaffenheit und Verwendung des Maschinenteils, kann der kritische Bereich im Außenabschnitt 302 oder dem Mittelabschnitt 304 sein).
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Nun erneut auch unter Bezugnahme auf 2 kann, in diesem Beispiel, das Maschinenteil 300, gebildet durch das Verfahren von Verfahren 200, ein Gusseisenmaterial 320 im Außenabschnitt 302 beinhalten, dann wird der Mittelabschnitt 304 das Gusseisenmaterial 320 und das andere Material 330 (wie z. B. Stahl) beinhalten, während der zentrale Abschnitt 306 nur das andere Material 330 beinhalten wird.
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In manchen Beispielen kann der vorbestimmte kritische Bereich des Maschinenteils einen hochbeanspruchten, störanfälligen Bereich des Maschinenteils beinhalten. Zum Beispiel ein Bereich nahe einem Hohlraum oder ein Bereich unter Beanspruchung von einem Riemen oder mit einer hohen Last darauf.
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In einem Beispiel kann das andere Material 330 ein duktileres Material als das Gusseisenmaterial 320 sein. Zum Beispiel kann das andere Material 330 ein Stahlmaterial sein.
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Daher schützt das System das Maschinenteil vor einem Ausfall aufgrund der Duktilität des Stahlmaterials. Außerdem, wenn das Maschinenteil ausfällt, ist es einfacher, den Ausfall zu reparieren, da der Stahlbereich leichter geschweißt werden kann als Gusseisen. Ein solches Maschinenteil wie hier besprochen kann widerstandsfähiger als ein Teil sein, das aus reinem Gusseisen hergestellt ist, und kann leichter zu reparieren sein, wenn sich ein Riss entwickelt. Daher bietet das Verfahren eine Verbesserung der Stärke und Qualität von Maschinenkomponenten.
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Maschinenteil 300 kann allgemein viele Maschinenteile darstellen, die unter Verwendung des vorliegenden Systems gebildet werden können, wobei die Komponente einen kritischen Bereich beinhaltet. Zum Beispiel können verschiedene Maschinenteile, die unter Verwendung des vorliegenden Systems gebildet werden können, eine Motor/Getriebe-Komponente beinhalten und der kritische Bereich kann ein Bereich sein, der anfällig für Beanspruchung ist. Zum Beispiel kann das Teil ein Getriebegehäuse sein und der kritische Bereich kann ein Befestigungspunkt sein. Weitere Beispiele beinhalten eine Schaufel und Chocky Bar.
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5 zeigt ein Verfahren 400 des Wiederaufbereitens oder Reparierens eines Maschinenteils gemäß einer Ausführungsform. Das Verfahren 400 kann einen ersten Schritt 402 des Verwendens von additiver Fertigung beinhalten, um das Maschinenteil zu reparieren, sodass ein erster Abschnitt des Maschinenteils, der am weitesten von einem vorbestimmten kritischen Bereich des Maschinenteils entfernt ist, unter Verwendung eines Gusseisenmaterials repariert wird. Das Verfahren 400 beinhaltet einen zweiten Schritt 404 des Verwendens von additiver Fertigung, um das Maschinenteil zu reparieren, sodass ein zweiter Abschnitt des Maschinenteils benachbart zu dem ersten Abschnitt aus einer Kombination aus dem Gusseisenmaterial und einem anderen Material gebildet wird. Das Verfahren 400 kann einen dritten Schritt 406 des Verwendens von additiver Fertigung beinhalten, um das Maschinenteil zu reparieren, sodass ein dritter Abschnitt des Maschinenteils benachbart zu dem zweiten Abschnitt nur aus dem anderen Material gebildet wird, wobei sich der dritte Abschnitt am bestimmten kritischen Bereich des Maschinenteils befindet.
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Wie oben angemerkt kann in manchen Beispielen das andere Material ein duktileres Material als das Gusseisenmaterial sein, zum Beispiel ein Stahlmaterial. Das additive Fertigungsverfahren kann unter Verwendung eines 3D-Druckvorgangs durchgeführt werden.
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Jedes der oben besprochenen Maschinenteile kann unter Verwendung des vorliegenden Systems wiederaufbereitet oder repariert werden. Daher können Teile, die durch ein normales Fertigungsverfahren hergestellt werden, unter Verwendung des vorliegenden Vorgangs wiederaufbereitet werden, und Teile, die durch den vorliegenden Vorgang hergestellt werden, können unter Verwendung des vorliegenden Vorgangs wiederaufbereitet und repariert werden.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Das vorliegende System kann auf jedes Teil oder jede Komponente einer Maschine angewendet werden, wo das Teil aus Gusseisen hergestellt ist, einschließlich Getriebe, Motor und anderer Teile, die Verschleiß ausgesetzt sind. Es kann außerdem auf die Wiederaufbereitung und Reparatur solcher Teile angewendet werden.
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Das hier besprochene additive Fertigungsverfahren kann zum Beispiel ähnlich wie ein Verfahren, das in US-Patentanmeldung
2020/0206810 besprochen wird, die Magnus Metal LTD. zugeteilt wurde, durchgeführt werden, die hier durch Referenz in ihrer Gesamtheit integriert ist.
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Zum Beispiel kann das Verfahren einen mehrstufigen Vorgang beinhalten, in dem Metallmaterial mit einem Mikrotiegel, der mit Hilfe einer Induktionsspule erhitzt wird, ausgegeben wird. Das Material mit mehr Duktilität wird zu dem Gusseisen hinzugefügt und dann an der Position, die anfälliger für ein Reißen unter Überhitzung oder Überlastung ist, platziert.
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6 zeigt ein detaillierteres Verfahren 500 für das additive Fertigungs- (oder Reparatur-) Verfahren, das oben besprochen wird. Zum Beispiel kann das Verfahren 500 einen Schritt 502 des Empfangens eines dreidimensionalen (3D) Teilemodells und Erzeugens eines 3D-Formmodells beinhalten. Nachdem das Formmodell in die Steuerung des Systems eingegeben wurde, kann das Verfahren 500 einen Schritt 504 des Ablagerns, auf einen Konstruktionstisch, eines ersten Abschnitts einer Form beinhalten. Das Verfahren 500 kann einen Schritt 506 des Gießens einer Metallschmelze in den ersten Abschnitt der Form beinhalten, um eine erste Gussschicht zu bilden. Das Verfahren 500 kann einen Schritt 508 des Verfestigens von mindestens einem Abschnitt der ersten Gussschicht beinhalten.
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Das Verfahren 500 kann einen Schritt 510 des Ablagerns eines zweiten Abschnitts der Form auf dem ersten Abschnitt der Form beinhalten. In einer Option kann das Verfahren 500 einen Schritt 512 des Vorheizens von jeder Gussschicht vor dem Gießen einer zusätzlichen Gussschicht beinhalten. Das Verfahren 500 kann einen Schritt 514 des Gießens der Metallschmelze in den zweiten Abschnitt der Form beinhalten, um eine zweite Gussschicht auf mindestens einem Abschnitt der ersten Gussschicht zu bilden. Das Verfahren 500 kann einen Schritt 516 des Verfestigens von mindestens einem Abschnitt der zweiten Gussschicht beinhalten. Schließlich kann das Verfahren 500 einen Schritt 518 des Wiederholens der obigen Schritte beinhalten, bis ein Teil gebildet ist, mit einem ersten Abschnitt, der aus einem Gusseisenmaterial gebildet ist, einem zweiten Abschnitt, der aus dem Gusseisenmaterial und einem zweiten, anderen Material gebildet ist, und einem dritten Abschnitt, der sich an einem kritischen Bereich des Maschinenteils befindet, der nur aus dem zweiten anderen Material gebildet ist.
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In anderen Ausführungsformen können andere Verfahren zum 3D-Drucken von Metallobjekten das Ablagern von Metallpulver/-teilchen Schicht für Schicht beinhalten, gefolgt von einem selektiven Lasersintern (SLS), um die dünne, abgelagerte Schicht zu schmelzen/verfestigen.
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Zusammenfassend stellt das vorliegende System, wie oben besprochen, ein Verfahren für metallisches 3D-Drucken, additive Fertigung bereit, wobei ein zusätzliches Material (z. B. Stahl) allmählich zu dem Gusseisen-Druckmedium hinzugefügt wird unter Verwendung eines Bildungs/Integrations-Verfahrens für additive Fertigung, um eine Materialzusammensetzung zu ergeben, die in duktiles Material im Maschinenteil nahe kritischen Bereichen übergeht. Ein solches Maschinenteil wie hier besprochen kann widerstandsfähiger als ein Teil sein, das aus reinem Gusseisen hergestellt ist, und kann leichter zu reparieren sein, wenn sich ein Riss entwickelt. Daher bietet das Verfahren eine Verbesserung der Stärke und Qualität von Maschinenkomponenten.
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Die vorstehende detaillierte Beschreibung dient der Veranschaulichung und ist nicht einschränkend. Der Umfang der Offenbarung sollte daher unter Bezugnahme auf die beigefügten Ansprüche bestimmt werden, zusammen mit dem vollen Umfang der Äquivalente, zu denen diese Ansprüche berechtigt sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2015/0167129 [0003]
- US 2020/0206810 [0034]
