DE19681773B4

DE19681773B4 - Schnellfertigungssystem mit Laserfusion des Einsatzmaterials

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Publication number: DE19681773B4
Application number: DE19681773T
Authority: DE
Inventors: Joshua Rabinovich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-11-22
Filing date: 1996-11-22
Publication date: 2007-10-11
Anticipated expiration: 2016-11-23
Also published as: GB9909291D0; US5578227A; AU1287097A; JP2001504549A; DE19681773T1; JP4112625B2; GB2333485B; GB2333485A; WO1998022253A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstandes, umfassend den Vorschub eines dünnen Einsatzmaterials aus metallischen und nichtmetallischen Werkstoffen eines vorgegebenen Profils durch eine Einsatzmaterialverteilerdüse an eine gewünschte Stelle, Aufschmelzen des Einsatzmaterials mit einem Laserstrahl zur Erzeugung einer geringen lokalen Wärmezufuhr, dessen Leistungsdichte für ein Punkt- oder Nahtschweißen des Einsatzmaterials auf eine zuvor aufgeschmolzene Lage ausreicht, wobei der Querschnitt des Einsatzmaterials weitestgehend in seiner ursprünglichen Form beibehalten wird, Bewegen eines Substrats, auf dem die Lage gebildet wird, in X-Y-Richtung in einer Ebene, die in Querrichtung zum Laserstrahl verläuft und Fokussierung des Strahls mit einer bewegbaren Linse auf einen Punkt auf dem Einsatzmaterial, wodurch der Laserstrahlpunkt zum Verschweißen und Schneiden des Einsatzmaterials quer über das Einsatzmaterial geführt wird.

Description

Ein neues Schnellfertigungssystem basiert auf der Fusion eines dünnen Einsatzmaterials aus metallischen und nichtmetallischen Werkstoffen, die unterschiedliche Profile aufweisen, z. B beim Rechteckdraht.
Aus der US 5,306,890 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Gegenstands bekannt, bei dem ein dünnes Einsatzmaterial durch Verschweißen mittels eines Laserstrahls auf eine vorige Lage aufgeschmolzen wird, wobei der Querschnitt des Einsatzmaterials seine ursprüngliche Form behält. Aus der US 5,266,139 ist ein Verfahren bekannt, bei dem ein Einsatzmaterial ebenfalls auf eine vorige Lage mittels eines Laserstrahls durch Verkleben aufgeschmolzen wird. Aus der JP 04288974 ist eine Vorrichtung zur Herstellung eines Gegenstands bekannt, bei welcher ein nicht explizit dargestelltes Einsatzmaterialvorschubgerät und eine Einsatzmateriallagerspule drehbar gegenüber einem Schweißkopf gelagert sind, um einer zu schweißenden Kontur folgen zu können.
Nachteilig ist an diesem aufgezeigten Stand der Technik die mangelnde Vielfalt an einsetzbaren Werkstoffen, die unnötig hohe Wärmezufuhr für das System und die nicht zufrieden stellende Maßhaltigkeit zwischen Modell und Produkt in angemessener Zeit.
Damit stellt sich der vorliegenden Erfindung die Aufgabe, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstands zu schaffen, mit denen schnell, effektiv, präzise und unter Einsatz eines Minimums an Energie ein dreidimensionaler Gegenstand hergestellt werden kann.
Mit dem neuen System wird durch Auftragen eines Einsatzmaterials, z. B. eines dünnen Streifens aus rostfreiem Stahl, auf ein Substrat ein dreidimensionales Modell erzeugt. Das Einsatzmaterial wird in Form aufeinander folgender, sich überlagernder Schichtungen, von denen jede die Dicke des Einsatzmaterials aufweist, und in einem Muster, das innerhalb der Abgrenzungen liegt, durch die die Lagen des Teils bestimmt werden, auf das Substrat aufgeschmolzen. Aufeinander folgende Lagen werden auf die zuvor aufgeschmolzenen Lagen aufgetragen, bis das komplette Modell hergestellt ist.
Die Aufschmelzung des Einsatzmaterials erfolgt mittels eines Laserstrahls, dessen Stärke und Leistungsdichte ausreicht, um das Einsatzmaterial durch Punkt- oder Nahtschweißung zuverlässig auf die vorherige Lage aufzutragen, wobei der Querschnitt des Einsatzmaterials weitestgehend seine ursprüngliche Form behält.
Die erste Lage entspricht einem ersten Querschnittsbereich des Teils. Die erste Lage wird aufgebaut, indem das Substrat mit dem aufgeschmolzenen Abschnitt des Einsatzmaterials in der X-Y-Ebene und relativ zur Achse am Laserstrahl und der Kontaktstelle des Einsatzmaterials mit dem Substrat entlangbewegt wird.
Die Bewegungen des Substrats in der X-Y-Ebene folgen der Abgrenzung und dem Kern jeden Querschnittsbereichs des gewünschten Teils. Die Einsatzmaterialverteilerdüse lässt sich um die Laserstrahlachse drehen; hierdurch ist an jedem Punkt und jederzeit eine Ausrichtung der Einsatzmaterialausgabeachse in einer Richtung möglich, die tangential zur maximalen Krümmung verläuft. Wenn die Kontinuität des Einsatzmaterials unterbrochen werden muss, wird die aufgebrachte Laserenergie auf ein Maß erhöht, das zum Schneiden des Einsatzmaterials ausreicht.
Der hier verfolgte Grundansatz löst größere Probleme, die mit früheren Methoden einhergehen und gestattet die Umsetzung der unten im Detail aufgeführten Qualitätszielspezifikationen.
Das Schnellfertigungssystem der Erfindung ist in der Lage, aus einer großen Vielfalt metallischer und nichtmetallischer Werkstoffe massive Modell herzustellen.
Der Auftrag jeder einzelnen Lage erfolgt mit einem Minimum an lokaler Wärmezufuhr; hierdurch wird eine maximale Formstabilität des dreidimensionalen Modells gewährleistet. Bei dieser Methode entfällt jede Art nachträglicher Aushärtung.
Die Maßhaltigkeit des Modells liegt bedeutend über derjenigen von Modellen, die mittels Stereolithographie hergestellt werden. Die Steuerung des Einsatzmaterialauftrags lässt sich mit der Präzision des Werkzeugwegs herkömmlicher numerisch gesteuerter Maschinen vergleichen.
Das vorliegende System beitet eine Methode zur schnelleren Herstellung von Prototypen, deren Bauwerkstoffe mit den im Endprodukt verwendeten Werkstoffen identisch sind oder nahe an diese heranreichen.
Die Festigkeit, Maßhaltigkeit und Hitzebeständigkeit des Modells liegen wesentlich höher als bei Modellen, die mittels Methoden nach dem Stand der Technik hergestellt werden. Daher sind die mit dem System dieser Erfindung hergestellten dreidimensionalen Modelle zur Funktionsprüfung geeignet.
Der Prototyp der Erfindung kombiniert handelsübliche Komponenten, wobei ein PC-, X-, Y- und Z-Positioniertisch, ein Drehtisch, ein Abtasttisch und Schrittmotorsteuerkarten mit Standard-Softwaredienstprogrammen eingesetzt werden. Ferner wird ein versiegelter Kohlendioxidlaser eingesetzt.
Eine Fertigungsmethode beinhaltet das Aufschmelzen eines dünnen Einsatzmaterials aus metallischen und nichtmetallischen Werkstoffen mit unterschiedlichen Profilen mittels eines Laserstrahls, dessen Stärke und Leistungsdichte ausreicht, um das Einsatzmaterial durch Punkt- oder Nahtschweißung zuverlässig auf die vorherige Lage aufzutragen, wobei der Querschnitt des Einsatzmaterials weitestgehend seine ursprüngliche Form behält und eine geringe lokale Wärmezufuhr produziert wird. Das Ergebnis sind hohe Präzision und Formstabilität eines dreidimensionalen Modells und eine gute Oberflächenqualität.
Ein Substrat wird in einer X-Y-Ebene bewegt, wobei es der Abgrenzung und dem Kern eines jeden Querschnittbereichs des gewünschten Teils folgt. Eine Einsatzmaterialverteilerdüse wird um die Laserstrahlachse gedreht. Die Einsatzmaterialausgabeachse verläuft durchgehend in einer Richtung, die tangential zu einer Grenzkrümmung des Modells verläuft. Die Einsatzmaterialzufuhr erfolgt simultan zum Aufschmelzen des Einsatzmaterials auf die vorherige Lage.
Der Laserstrahl wird erzeugt, indem ein linear polarisierter Strahl aus einer Laserquelle durch eine Strahlaufweitungsvorrichtung auf einen Phasenverschiebungsspiegel gerichtet wird. Der linear polarisierte Strahl wird an dem Spiegel in einen zirkular polarisierten Strahl umgewandelt, und der zirkular polarisierte Strahl wird auf eine Linse gerichtet, die den Strahl au eine Stelle des Einsatzmaterials fokussiert.
Das Einsatzmaterial wird auf einer Spule gelagert, von der Spule abgezogen und durch einen Einsatzmaterialantrieb in die Verteilerdüse gedrückt. Bevor das Einsatzmaterial aus der Verteilerdüse austritt, wird es in der Düse gekrümmt. Durch Einführung eines Gases wie Stickstoff in diese Düse und durch Freigabe des Gases aus der Düse in der Nähe des Einsatzmaterials wird der Schmelzvorgang mit Gas geflutet.
Die Spule, der Einsatzmaterialantrieb, die Düse und die Linse werden als Gesamtbaugruppe um eine Achse des Laserstrahls gedreht. Die Achse des Laserstrahls und die Baugruppe werden entlang einer Linie bewegt, an der das Einsatzmaterial aufgeschmolzen werden soll. Die Baugruppe wird entsprechend der Krümmung der Linie um die Achse gedreht, die Linse wird bewegt und ein Strahlpunkt wird zum Schneiden des Einsatzmaterials quer über das Einsatzmaterial geführt. Eine bevorzugte Ausführungsform eines Modellbauapparates beinhaltet einen Rahmen. An dem Rahmen sind eine Laserstrahlquelle und ein Phasenverschiebungsspiegel montiert. An dem Rahmen ist weiterhin ein Gestell für das Einsatzmaterialausgabemodul montiert. An dem Gestell für das Einsatzmaterialausgabemodul ist ein Drehtisch montiert, und an dem Drehtisch ist ein Dreharm montiert. An dem Dreharm sind ein Einsatzmaterialvorschubgerät und eine Laserstrahlfokussierlinse montiert. An dem Dreharm ist eine Einsatzmateriallagerspule angebracht, und auf der Spule wird ein Einsatzmaterial aus Flachdraht gelagert. An dem Dreharm ist eine Einsatzmaterialdüse zur Aufnahme des Einsatzmaterials von der Spule und vom Vorschubgerät und zum Ausziehen des Einsatzmaterials aus einem Mundstück der Düse angebracht. Das Düsenmundstück ist an einem Laserstrahl ausgerichtet, der von der Laserquelle zum Spiegel und durch Öffnungen in dem Gestell, dem Dreharm und dem Drehtisch und durch die Linse projiziert wird. Neben der Düse wird ein in gerader Linie beweglicher Tisch angebracht. Dieser dient zur Aufnahme des Einsatzmaterials in einem vorher festgelegten Muster, entsprechend der relativen Bewegung des Tisches in einer X-Y-Richtung in Bezug auf den Rahmen. Das aus dem Düsenmundstück austretende Einsatzmaterial wird auf ein Substrat oder auf eine zuvor aufgeschmolzene Lage des Einsatzmaterials aufgeschmolzen, um durch Ablegen und Aufschmelzen aufeinander folgender Lagen des Einsatzmaterials ein Modell herzustellen.
Zur Herstellung großer Objekte kann das Substrat ortsfest bleiben, während die Spule und das Düsenmundstück sich in X-, Y- und Z-Richtung bewegen und sich an einer Achse des Laserstrahls drehen.
Das Vorschubgerät verfügt über Klemmwalzen, die von einem Schrittmotor angetrieben werden.
Die Linse ist an einer Halterung befestigt, die quer zu einer Achse des Laserstrahls geschwenkt wird. An dem Dreharm ist ein Antriebsrad befestigt, welches mit der Linsenhalterung verbunden ist, um die Linsenhalterung um den Drehzapfen zu bewegen, damit zum Schweißen und Schneiden des Einsatzmaterials ein Laserstrahlpunkt quer über das Einsatzmaterial geführt werden kann.
In der Düse befindet sich eine Schutzgasdurchführung, um eine Schnittstelle des Einsatzmaterials mit dem Laserstrahl beim Aufschmelzen mit Schutzgas fluten zu können. Ein Reaktionsgas kann verwendet werden.
Ein linear polarisierender Laserstrahl wird von einer Laserquelle auf einen Spiegel projiziert, der den Strahl zirkular polarisiert und den zirkular polarisierenden Strahl im rechten Winkel auf einen in gerader Linie beweglichen Tisch leitet, um einen rechteckigen Draht auf ein Substrat oder eine zuvor auf dem Tisch aufgeschmolzene Drahtlage aufzuschmelzen. Der zirkular polarisierende Strahl wird durch ein Zentrum eines Drehtisches und durch ein Gestell für den Drehtisch und einen Dreharm projiziert, der an dem Drehtisch befestigt ist. Der Dreharm stützt ein Schrittmotorschubgerät, der den Draht von der Spule abzieht und durch die Düse drückt. Die Düse rundet den Draht, so dass er bei Freigabe in der Nähe eines fokussierten Punktes des zirkular polarisierten Laserstrahls flach aufliegt. Der Dreharm verfügt über eine schwenkbar gelagerte Linsenhalterung, so dass die Linse, die den Strahl fokussiert, zum Schneiden des Drahtes quer über den Draht geführt werden kann. Die Bewegung des geradlinig bewegbaren Tisches in einer X-Y-Richtung wird von einem Computer und Schrittmotoren gesteuert, damit er einem vorher festgelegten Muster eines Querschnitts des Modells folgen kann. Der Dreharm dreht sich auf dem Drehtisch und gibt den Draht tangential zu Krümmungen in der Modellkontur frei. Nach jeder fertigen Lage wird der Tisch um eine Drahtstärke nach unten versetzt, und die nächste Lage wird gebildet. Zur Düse gehört eine Gasstrahlführung, um den Draht beim Aufschmelzen mit Schutzgas zu fluten.
Das neue Schnellfertigungssystem basiert auf der Fusion eines dünnen Einsatzmaterials aus metallischen und nichtmetallischen Werkstoffen. Das Einsatzmaterial wird in Form aufeinander folgender, sich überlagernder Schichtungen, von denen jede die Dicke des Einsatzmaterials aufweist, und einem Muster, das innerhalb der Abgrenzungen liegt, durch die die Lagen des Teils bestimmt werden, auf das Substrat aufgeschmolzen. Aufeinander folgende Lagen werden auf die zuvor aufgeschmolzenen Lagen aufgetragen, bis das komplette Modell hergestellt ist.
Die Aufschmelzung des Einsatzmaterials erfolgt mittels eines Laserstrahls, dessen Stärke und Leistungsdichte ausreicht, um das Einsatzmaterial durch Punkt- oder Nahtschweißung zuverlässig auf die vorherige Lage aufzutragen, wobei der Querschnitt des Einsatzmaterials jedoch weitestgehend seine ursprüngliche Form behält.
Die Lagen werden aufgebaut, indem das Substrat mit dem aufgeschlossenen Anteil des Einsatzmaterials relativ in X-Y-Richtung bewegt wird. Die Bewegung in der X-Y-Ebene folgt der Abgrenzung und dem Kern eines jeden Querschnitts des gewünschten Teils. Die Einsatzmaterialverteilerdüse lässt sich um die Laserstrahlachse drehen und gestattet eine Ausrichtung der Einsatzmaterialausgabeachse in einer Richtung, die tangential zur maximalen Krümmung eines jeden Querschnitts verläuft. Die Einsatzmaterialausgabe wird mit der relativen Bewegung des aufgeschmolzenen Einsatzmaterialanteils in der X-Y-Ebene synchronisiert.
Dieser Aufbau gestattet ein Verfolgen der Abgrenzungen der Lage mit dem Einsatzmaterial, indem ein Biegemoment an den Teil des Einsatzmaterials angelegt wird, der sich zwischen dem Verteilerdüsenmundstück und dem letzten Schweißpunkt befindet. Somit entspricht das Einsatzmaterialverformungsmaß der erforderlichen Krümmung zwischen der letzten Schweißung und dem folgenden Schweißpunkt.
Die kontrollierte Einsatzmaterialverformung gestattet eine exakte Positionierung des Einsatzmaterials auf dem Substrat und macht eine Einsatzmaterialverflüssigung vor dem Auftragen überflüssig, die eine Voraussetzung für die derzeitigen Schmelzauftragmodellierverfahren ist.
Wenn die Kontinuität des Einsatzmaterials unterbrochen werden muss, wird die aufgebrachte Laserenergie auf ein Maß erhöht, das zum Schneiden des Einsatzmaterials ausreicht.
Ein Systemaufbau besteht aus mehreren Einsatzmaterialwerkstoffen, zum Beispiel einem Streifen aus rostfreiem Stahl und einem Streifen aus organischem oder anorganischem Werkstoff, die dieselbe Stärke aufweisen und jeweils über eine eigene Verteilerdüse verfügen. Durch regelmäßigen Wechsel des Werkstoffs innerhalb des Querschnitts kann jeder Querschnitt angefertigt werden. So ist die Herstellung eines Modells aus Verbundwerkstoff möglich.
Der Auftrag der Lagen erfolgt mit einem Minimum an lokaler Wärmezufuhr; hierdurch wird eine maximale Maßhaltigkeit und Formstabilität des dreidimensionalen Modells gewährleistet. Bei dieser Methode entfällt jede Art nachträglicher Aushärtung. Die Steuerung des Einsatzmaterialauftrags lässt sich mit der Präzision des Werkzeugwegs herkömmlicher numerisch gesteuerter Maschinen vergleichen.
Dieses System bietet eine Methode zur schnellen Herstellung von Prototypen, deren Bauwerkstoffe mit den im Endprodukt verwendeten Werkstoffen identisch sind oder nahe an diese heranreichen.
Diese und weitere Bestandteile und Leistungsmerkmale der Erfindung gehen aus der Offenbarung hervor, die obige und weitergehende Spezifikationen mit den Patentansprüchen und den Zeichnungen enthält.
Die Erfindung ist auf das Verschmelzen oder Sintern von Einsatzmaterialwerkstoffen in jeder beliebigen Kombination ausgerichtet. Zur Fertigung ausschließlich metallischer oder nichtmetallischer Teile werden separate metallische oder nichtmetallische Einsatzmaterialwerkstoffe verwendet. Bei Einsatzmaterial aus mehreren Werkstoffen können gleichzeitig Metalle und Nichtmetalle verwendet werden. Durch abwechselndes Einbringen der Werkstoffe in einen Querschnitt lassen sich Teile aus Verbundwerkstoffen fertigen. Teile aus Verbundwerkstoffen können gleichfalls gefertigt werden, indem ein einziger Einsatzmaterialwerkstoff verwendet wird, der eine Kombination aus Metallen und Nichtmetallen enthält.
Mit der Erfindung lassen sich massive Modelle aus einer großen Vielfalt von metallischen, nichtmetallischen und Verbundwerkstoffen herstellen. Werkstoffe wie Titan, rostfreie Ni-Cr-Stahllegierungen, Glas, Polypropylen und Polyäthylen sind überall in Form von Draht, Fasern oder Bändern problemlos erhältlich und wurden mit hervorragenden Ergebnissen mit Lasertechnik geschweißt und geschnitten. Wenn die Kontinuität des Einsatzmaterials unterbrochen werden muss, wird die aufgebrachte Laserenergie auf ein Maß erhöht, das zum Schneiden des Einsatzmaterials ausreicht.
Obwohl es eine große Vielfalt potentiell interessanter metallischer und nichtmetallischer Werkstoffe gibt, die beim SFFD-Verfahren (Verfahren zum Freiformauftrag fester Einsatzmaterialien) eingesetzt werden können, werden nur eine begrenzte Anzahl von Werkstoffen und deren Kombinationen beschrieben. Zu den hier beschriebenen Werkstoffen gehören Werkstoffe wie Titan, rostfreier Stahl 304 und Graphitfaserband mit Epoxyidvorimprägnierung.
Zusätzlich können Cermets (Keramik-Metall-Verbundwerkstoffe) und keramische Werkstoffe eingesetzt werden.
Metallische und nichtmetallische Werkstoffe sowie eine neue Gattung von Werkstoffen wie etwa Keramik-Metall-Verbundwerkstoffe können eingesetzt werden.
Mit Hilfe der Schnellfertigungstechnologien des Wettbewerbs werden keramische Teile hergestellt, indem zunächst „grüner" Keramikschlamm (Keramikpartikel plus Flüssigkeitsbindemittel) extrudiert wird, um das gewünschte Teil zu erzeugen, und dann das „grüne Teil" gesintert wird, indem es einer Hochtemperatur- und Hochdruckumgebung ausgesetzt wird. Danach erfolgt eine Ofenbehandlung zum Ausbacken des Bindematerials und zur Verdichtung des Teils. Der erzielbaren Präzision der fertigen Teile sind aufgrund von Verwerfungen und Verwindungen durch Materialschrumpfung Grenzen gesetzt. Es gibt handelsübliche „grüne" Keramikfasern, die in der Regel mit rundem Querschnitt erhältlich und geschmeidig genug sind, um sie innerhalb der Vorschubmechanik zu einer Form mit zwei gegenüberliegenden flachen Seiten zu extrudieren.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht ein Aufbringen der „grünen" flachen Fasern, das dem Aufbringen des Metallflachdrahts entspricht.
Ein bedeutender Vorteil des vorliegenden Verfahrens für das Aufbringen eines „grünen" Keramikwerkstoffes ist das gleichzeitige Aufbringen, Verdampfen des Bindematerials und Sintern. Sintern und Verdichten des Werkstoffs erfolgen bei Aufschmelzen des Einsatzmaterials. Das gleichzeitige Aufschmelzen, Sintern und Verdichten des Einsatzmaterials erfolgt während des Aufbaus der äußeren Gestalt des Teils.
Da die Masse des zu sinternden Materials sich auf einen kleinen Abschnitt einer dünnen Faser konzentriert, auf die der Laserstrahlpunkt der Energiequelle einwirkt, kühlt dieser kleine Bereich der Faser schnell ab. Der durch das Sintern ausgelöste Materialschrumpfungsprozess wird in das Verfahren zur Herstellung des Teils integriert, und die Auswirkungen auf die Präzision des fertigen Teils sind minimal. Die Präzision des fertigen Teils wird nicht durch eine auf die Fertigung folgende Wärmebehandlung beeinträchtigt, wie es bei den Technologien des Wettbewerbs der Fall ist.
Titan ist aus verschiedenen Gründen ein attraktives Metall für Flugzeugbaukomponenten: Es verfügt über hohe Temperaturbeständigkeit (> 500 °C), geringe Dichte, hohe Festigkeit und Steifigkeit, hohe Schadenstoleranz und hohe Korrosionsbeständigkeit. Titan lässt sich hervorragend laserschweißen und ist daher für den Einsatz in SFFD-Verfahren gut geeignet.
MMC-Werkstoffe (faserverstärkte Endlosfaser-Metalleinlagerungsverbundwerkstoffe) bieten gegenüber herkömmlichen Metallen eine Anzahl von Vorteilen. Ihre überragende Leichtigkeit, Festigkeit und Steifigkeit tragen zur Verbesserung des Nutzlast-/Reichweitenverhältnisses bei und können Chancen zur kompakteren Auslegung von Untersystemen bieten. In einer Richtung verlaufendes Graphitfaserband mit Epoxydvorimprägnierung mit einem Querschnitt von 0,26 mm × 1,04 mm kann verwendet werden.
Die MMC-Produkte können gemäß der in 22 und 23 dargestellten Lagenschichtenkonfiguration gefertigt werden, beispielsweise 0° Metall, 90° Metall, 0° Metall und Graphit, 0° Metall, 90° Metall und Graphit, mehrere Wiederholungen der beiden letzten Alternativen, und schließlich 0° Metall (s. 22). Besondere Sorgfalt während dieses Verfahrens gewährleistet eine angemessene inerte Umgebung in der Nachbarschaft der Graphitfaser während des Aufschmelzens, damit Oxidation und Beschädigung der Faser verhindert werden.
Ausgerichtet an der Leistungsfähigkeit des neuen SFFD-Systems und angesichts einer Dicke des Einsatzmaterials von 0,26 mm bis 0,52 mm und einer Breite des Einsatzmaterials von 0,52 mm bis 1,04 mm können Schweißgeschwindigkeiten von 100 bis 300''/min. erzielt werden. Dies kann sich in einer Metallauftragsquote zwischen 1,6 lb und 2,4 lb/std. niederschlagen. Die Auftragsquote hängt naturgemäß auch von der äußeren Gestalt des Teils ab und kann durch angemessene Auswahl der Dicke und Breite des für ein bestimmtes Bauteil verwendeten Einsatzmaterials verbessert werden.
Die hohe Metallauftragsquote im neuen SFFD-Verfahren verbindet sich mit der Fähigkeit des Lasers zum Durchführen von Schweißoperationen mit geringer Wärmezufuhr. Der Schlüssel zum Verständnis dieser Fähigkeit des Lasers liegt in der Betrachtung der Betriebspulsbreite des Lasers. Betrachtet man z. B. einen Laser, der mit den Parametern 10 Joule, 4 ms Puls und 10 Hz arbeitet, beträgt die durchschnittliche Leistung 100W (10 J × 10 Hz), und die Pulsspitzenleistung beträgt 2,5 kW (10 J/4 ms). So reicht zur Durchführung des Schweißverfahrens eine sehr geringe Energiemenge aus.
Beim neuen SFFD-Verfahren wird dieser Vorteil der Laserschweißung mit geringer Wärmezufuhr, die nur geringe Wärmeentwicklung und geringfügige Verwindungen nach sich zieht, in vollem Umfang genutzt und mit den patentrechtlich geschützten präzisionsgesteuerten Fähigkeiten zur Form- und Konturgestaltung des Einsatzmaterials verknüpft. Das Ergebnis sind eine überlegene Methode zur erschwinglichen Fertigung komplexer Titan- und MMC-Bauteile mit hohen Produktionsquoten und ein wirklich schnelles Fertigungsverfahren.
Ein vollständig automatisiertes Schnellfertigungs- und Freiformfabrikationssystem zur Herstellung erschwinglicher, komplexer dreidimensionaler Bauteile aus Metallen und Endlosfaser-Metalleinlagerungsverbundwerkstoffen (MMC-Werkstoffen) basiert auf einem Verfahren zum Metallauftrag bei voller Dichte und einem System zur Herstellung von Endlosfaser-Metalleinlagerungsverbundwerkstoffen. Eine Auswertung dreidimensionaler Probeteile, die mit dem System direkt aus einer Nickellegierung gefertigt wurden, unterstreicht die Fähigkeiten des Verfahrens und seinen Einsatz bei der schnellen und erschwinglichen Fertigung komplexer Metall- und MMC-Bauteile.
Ein Element des neuen Systems ist das Verfahren zum Freiformauftrag fester Einsatzmaterialien (SFFD-Verfahren), mit dem ein festes, flaches Einsatzmaterial aus metallischen oder nichtmetallischen Materialien per Laser auf ein Substrat aufgeschmolzen wird, während es gleichzeitig in eine gewünschte geometrische Form gebracht wird.
Da das Einsatzmaterial ein Werkstoff ist, der über seine volle Dichte verfügt, und seine Aufschmelzung auf das Substrat mittels herkömmlicher Laserschweißmethoden erfolgt, entfällt die Verflüssigung vor dem Aufbringen des Werkstoffs. Daraus ergibt sich eine bedeutende Senkung der während des Aufschmelzens aufgebrachten Energie, und dies bedeutet eine Senkung der Eigenspannungen im Inneren des Teils, eine geringere Verformung und eine höhere Präzision des Teils.
Die vorliegende Erfindung bietet die Fähigkeit, die Seite des Einsatzmaterials mit der Seite des daran anstoßenden Einsatzmaterials in derselben Lage zu verschmelzen. Das Abtasten durch den Energiestrahl in Querrichtung zur Einsatzmateriallängsachse gestattet das Stumpfschweißen der benachbarten Seiten. Dadurch werden mehrfache Einsatzmaterialdurchläufe in derselben Lage ermöglicht.
Das Abtasten durch den Strahl erfolgt nicht nur in Querrichtung zum Einsatzmaterial, sondern auch über dessen Längsachse. Die zusätzliche Bewegung ermöglicht ein Stumpfschweißen des Endes des Einsatzmaterials an den zuvor verlegten Einsatzmaterialdurchlauf in derselben Lage (s. 18 und 19).
Die folgenden Fähigkeiten des neuen Verfahrens zeigen dessen Erschwinglichkeit und hohe Produktionsquote und heben es von den herkömmlichen Schnellfertigungsverfahren ab:

a) Es ist keine Nachbearbeitung erforderlich. Die korrekte Wahl der Laserschweißparameter gewährleistet qualitativ hochwertiges Schweißen mit einer geringen Wärmeeinflusszone, die die gleichen mechanischen Eigenschaften wie das Basismaterial aufweist. Hieraus ergeben sich Teile mit geringer Eigenspannung und höherer Präzision sowie Einsparungen im Bereich der Werkzeugausstattung für teure Nachbearbeitung und bei der Produktionszykluszeit.
b) Die Verwendung flacher, fester Einsatzmaterialien gestattet die Produktion von Teilen mit großen „Überhang"-Strukturen, ohne die Notwendigkeit zeitraubender „geopferter Werkstofflagen" oder Stützkonstruktionen, die bei anderen Schnellfertigungsmethoden verwendet werden.
c) Die Baumaterialien verfügen gegenüber pulvergesinterten Materialien, die immer eine gewisse Porösität aufweisen, über ihre volle Dichte.
d) Es besteht die Möglichkeit zur Fertigung von Endlosfaser MMC-Materialien bei Raumtemperatur und -druck und mit Präzisionssteuerung des Faserabstands.

10 veranschaulicht das neue SFFD-System. Die 13 bis 23 zeigen Beispiele für komplexe dreidimensionale Teile aus rostfreiem Stahl 304, die mit dem System produziert werden können. Ein vollständig funktionsfähiges SFFD-System verfügt über die oben erwähnten Leistungsmerkmale und Fähigkeiten. Das neue Modul für vielfache Einsatzmaterialien (MFM) beeinflusst die Auflösungsgenauigkeit und Fabrikationsgesamtpräzision des Systems, den leistungsfähigeren Laser und seine Auswirkungen auf die Fusionsqualität und -geschwindigkeit.
Vielfachwerkstoffauftragstechniken sowie Graphitfaserauftrags- und Verkapselungstechniken werden eingesetzt. Die Graphitband-/Metallmuldenpositionierung bietet die Möglichkeit der zuverlässigen Positionierung des Graphitbandes in der Metallmulde und dessen nachfolgende Aufschmelzung auf das Substrat.
Das System wird zur Herstellung komplexer Metall- und MMC-Formen wie z. B. Wabenstrukturen und anderer Merkmale komplexer Bauteile verwendet.
Die Erfindung wurde in Bezug auf bestimmte Ausführungsarten beschrieben; Änderungen und Veränderungen der Erfindung sind jedoch zulässig, soweit nicht vom Umfang der Erfindung abgewichen wird, der in den Patentansprüchen festgelegt wird.
Weitere Einzelheiten und Vorteile des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnung, in der ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel mit den dazu notwendigen Einzelheiten und Einzelteilen dargestellt ist. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung der Systemhaupt-Komponenten,
2 eine schematische Darstellung der Verteilerdüse,
3 einen im Zusammenhang mit dieser Erfindung benutzten Computer,
4 eine Teilansicht des Wurzelbereichs des Modells einer mit dieser Erfindung hergestellten Turbinenschaufel,
5 eine Querschnittseitenansicht des Endes der in 3 und 4 dargestellten Turbinenschaufel,
6 eine vergrößerte Detailansicht der in den 3 und 4 dargestellten Turbinenschaufel,
7 eine Detailansicht der Enden der Turbinenschaufel mit Darstellung der Strangverlegung und -fusion,
8 die Strangbiegespannungen,
9 im Querschnitt eine neutrale Achse, die ihre ursprünglichen Maße beibehält,
10 ein Schnellfertigungssystem nach der vorliegenden Erfindung,
11 eine Detailansicht der Stickstoffdüse und der Einsatz-Materialausgabedüse,
12 eine schematische Darstellung eines Steuergeräts.
13 eine Detailquerschnittsansicht der durch einander abwechselnde Lagen gekennzeichneten Zusammensetzung eines faserverstärkten Endlos-Faser-Metalleinlagerungsverbundwerkstoffs,
14 den Bau einer Turbinenschaufel,
15 und 16 Detailansichten eines Aufbaus von Komponenten aus 17 mit und ohne Fräsen,
17 und 18 einen senkrechten bzw. einen horizontalen Querschnitt entlang Linie C-C von 17 und eine zusammengesetzte Paraboldüse mit getrennten Wänden und Anschlussabschnitten,
19 einen Querschnittsgrundriss (entlang Linie B-B von 20) eines dreidimensionalen, mit einem Wabenkern hergestellten Artikels. Sämtliche Komponenten wurden mit der vorliegenden Erfindung hergestellt.
20 eine Querschnittsvorderansicht entlang Linie E-E der in 19 dargestellten Konstruktion.
21A und 21B Vorder- und Seitenansicht einer nach vorliegender Erfindung hergestellten Konstruktion,
22 und 23 Querschnittdetailansichten von mehrlagigen Produkten und Produkten mit einander abwechselnden Lagen, die nach vorliegender Erfindung hergestellt wurden.
Das ideale System enthält folgende größere Module:
Strahlausgabemodul 50; Einsatzmaterialwerkstoff-Ausgabemodul 60; Werkstücktischmodul 70 und CAD/CAM-Datenerzeugungsmodul und Systemsteuerungsmodul 80.
Zu 1: Das Strahlausgabemodul 50 besteht aus einem CO₂-Laser 1 mit einem linear polarisierten Ausgangsstrahl 2, einem Phasenverschiebungsspiegel 3, einem zirkular polarisierten Ausgangsstrahl 4 und eine Bildlinse 5.
Das Einsatzmaterialwerkstoff-Ausgabemodul 60 besteht aus einem Drehtisch 11 auf einem festen Untergestell 13. In einer bevorzugten Ausführungsform sind Gestell 13, Laserquelle 1 und Spiegel 3 an einem festen Rahmen montiert. Als Alternative trägt ein beweglicher Rahmen ein bewegliches Untergestell 13, das sich mit dem Lasererzeuger und Spiegel 3 am gewünschten Pfad entlangbewegt, der den Umrissen der in der Herstellung befindlichen Lage folgt. Spule 6 enthält den Einsatzmaterialzufuhrwerkstoff 7, beispielsweise in Form eines rechteckigen Drahtstreifens aus rostfreiem Stahl 304 von 0,26 mm Stärke und 0,52 mm Breite. Das Einsatzmaterial 7 wird von der in sich drehbaren Spule abgezogen und wird mit Hilfe einer Vorschubantriebsmechanik 9 durch den Verteilerarm 8 vorangetrieben. Der Antrieb 9 drückt das Einsatzmaterial 7 durch die Verteilerdüse 10, und von dort aus wird das Einsatzmaterial 7 auf das Substrat 12 weitergeleitet.
Schutzgas, z. B. Stickstoff, oder ein Reaktionsgas wird durch Leitung 16 und Düse 20 zur Aufschmelzstelle geführt (s. 2).
Verteilerarm 8, Vorschubantriebsmechanik 9, Verteilerdüse 10 und Bildlinse 5 werden in einem gemeinsamen Aggregat 17 miteinander verbunden, das durch den gesteuerten Drehtisch 11 um die Achse von Laserstrahl 6 gedreht werden kann. Der optische Mittelpunkt von Bildlinse 5 fällt mit dem geometrischen Mittelpunkt von Strahl 4 zusammen.
Das Werkstücktischmodul 70 besteht aus einem X-, Y- und Z-Achsentisch, auf dem das Substrat 12 aufliegt.
CAD-/CAM-Datenerzeugungsmodul und Systemsteuerungsmodul 80 enthalten, wie in 3 dargestellt, einen PC-kompatiblen Computer 14 mit 486er Mikroprozessor mit einem Mehrachsensteuerungsgerät und einer Eingangs-/Ausgangskarte 18.
In die CAD/CAM-Einheit des Systems werden geometrische Daten aus handelsüblichen CAD-Massivmodelliersystemen in Form von G-Code- oder .STL-Dateien eingegeben.
Das Graphikmodul des Systems zerlegt das dreidimensionale CAD-Modell in dünne, aufeinander folgende Querschnittslagen. Die Scheiben entsprechen der Dicke des Einsatzmaterialprofils, z. B. 0,26 mm, das für den Bau des Teils verwendet werden soll. Auf Grundlage der Querschnitte erstellt das Graphikmodul ähnlich wie beim G-Code numerisch gesteuerte Maschinen für den Werkzeugweg. Bei dem für die Beschreibung der Systemfunktion benutzten Beispielteil handelt es sich um eine Flugzeugturbinenschaufel. Der Wurzelbereich der Schaufel ist in 4 und 5 abgebildet, mit Darstellung der Schnitte A-A, B-B, C-C und D-D.
Der Werkzeugweg wird erzeugt, indem den Abgrenzungen des Musters gefolgt wird, durch welches die Lagen des Teils festgelegt werden. Der Werk zeugweg wird durch simultane Bewegungen des Werkstücktisches 70 in der X- und Y-Achse und der Verteilerdüse 10 durch Drehung um die Achse von Laserstrahl 4 erzeugt.
Das System generiert ein dreidimensionales Modell durch Auftragen des Einsatzmaterialstreifens 7 auf ein Substrat 12. Ein Laserstrahl 4 mit einer Punktgröße von ca. 0,15 mm Durchmesser wird auf die Kontaktstelle des Streifens mit Substrat 12 gerichtet. Das Einsatzmaterial 7 wird in Form aufeinander folgender, sich überlagernder Schichtungen, von denen jede die Dicke des Einsatzmaterials 7 aufweist, und in einem Muster, das innerhalb der Abgrenzungen liegt, durch die die Lagen des Teils bestimmt werden, auf das Substrat 12 aufgeschmolzen.
Die erste Lage entspricht dem ersten Querschnitt des Teils. Sie wird aufgebaut, indem das Substrat 12 mit dem aufgeschmolzenen Abschnitt des Einsatzmaterials 7 in der X-Y-Ebene und relativ zur Achse am Laserstrahl 2 und der Kontaktstelle des Einsatzmaterials 7 mit dem Substrat 12 entlangbewegt wird.
Die Bewegung des Substrats 12 in der X-Y-Ebene folgt der Abgrenzung und dem Kern jeden Querschnitts des zu fertigenden Gegenstandes. Die Einsatzmaterialverteilerdüse 10 lässt sich um die Laserstrahldüse drehen; hierdurch ist jederzeit eine Ausrichtung der Einsatzmaterialausgabeachse in einer Richtung möglich, die tangential zur Grenzkrümmung eines jeden Querschnitts verläuft.
Ein geringfügiger Abtasthub der Bildlinse quer über den Einsatzmaterialwerkstoff 7 ermöglicht das Schneiden und/oder Schweißen des Einsatzmaterials 7. Das Abtasten erfolgt durch einen Ausschlag des Bildlinsenhalters/Federgelenks 15 senkrecht zur Ausrichtung des Einsatzmaterials 7. Die Magneten 22 und 23 sorgen für den erforderlichen Hub. Die Vertiefung im Linsenhalter 15 und die Federgelenkeinheit 24 sorgen für die Fixierung des Linsenhalters 15 in der Neutralstellung (siehe 1).
Aufeinander folgende Lagen werden auf die zuvor aufgeschmolzenen Lagen aufgetragen, bis das komplette Modell hergestellt ist.
Das System kann mit mehreren Einsatzmaterialwerkstoffen betrieben werden, z. B. einem Streifen aus rostfreiem Stahl und einem Streifen aus organischem oder anorganischem Werkstoff, die dieselbe Stärke aufweisen und jeweils über eine eigene Verteilerdüse verfügen. Durch regelmäßigen Wechsel des Werkstoffs innerhalb des Querschnitts kann jeder Querschnitt angefertigt werden. So ist die Herstellung eines Modells aus Verbundwerkstoff möglich.
Das Strahlausgabemodul 50 enthält einen versiegelten CO₂-Laser und eine Laserstrahlsteuerungsoptik, die einen kleinen fokussierten Punkt liefern, der hohe Leistungsdichten erzeugt. Das Ergebnis ist eine kleine Wärmeeinflusszone (WEZ), die die Wärmeausbreitung an das Umgebungsmaterial minimiert.
Aufgrund einer linearen Polarisierung des Laserstrahls 2 und der Abhängigkeit der Schneide- und Schweißeigenschaften des Lasers 1 von der Materialausrichtung in Relation zur Strahlpolarisierungsebene ist die Verwendung eines Phasenverschiebungsspiegels 3 anzuraten. Ein Phasenverschiebungsspiegel 3 wandelt einen linear polarisierten Strahl in einen zirkular polarisierten Strahl um, was ungeachtet der Materialausrichtung eine beständige Schweiß- und Schneidefunktion gewährleistet.
Der so entstehende zirkular polarisierte Strahl wird mit der Fokussierlinse 5 (F = 2,5'') auf einen erwünschten kleinen Punkt in der Bildebene fokussiert, der sich an der Stelle befindet, an welcher der Laserstrahl 2 auf der oberen Fläche des Einsatzmaterials 7 auftritt. Für Linse 5 wird eine Zinkselenid-Positivlinse mit einer Brennweite von 63,5 mm verwendet.
Das Einsatzmaterialwerkstoff-Ausgabemodul 60 verwendet einen mit einem Schrittmotor mit einem Encoder und einer Grundstellungsmarkierung ausge statteten Drehtisch mit einer Stufeneinteilung von 0,1 Kreisbogen/min. Der Drehtisch 11 ist in seinem Rotationszentrum mit einer Öffnung versehen, damit der Laserstrahl 2 durchgeleitet werden kann. Folgende Untergruppen sind am Drehtisch 11 angebracht.
Auf einer Einsatzmaterialspule 6 wird ein Flachdraht 7 von 0,26 mm × 0,52 mm gelagert. Eine Flachdrahtvorschubmechanik 9 zieht einen Endlosdraht von der Spule ab und befördert den Draht für den nachfolgenden Aufschmelzvorgang durch die Verteilerdüse 10 auf das Substrat 12. Zur Vorschubmechanik gehören Reibwalzen 25, die von einem Schrittmotor und einem Encoder angetrieben werden. Die Vorschubgeschwindigkeit wird vom Systemsteuerungsgerät geregelt.
Zur Einsatzmaterialverteilerdüse 10 gehört eine Drahtführungsrille, die über eine entsprechende Form und entsprechende Abmessungen verfügt, damit eine Gleitbewegung des Flachdrahtes 7 innerhalb der Verteilerdüse 10 möglich ist. Das Düsenmundstück ist leicht oberhalb der oberen Fläche der aktuellen Lage angeordnet (s. 2). Die Düsenführungsrille gibt dem Flachdraht 7 eine radiale Form und gibt ihn tangential auf das Substrat 12 aus.
Dieses Merkmal ermöglicht den ersten engen Kontakt des Flachdrahtes 7 mit dem Substrat 12 während der Initialisierung des Drahtschmelzverfahrens. Dieser enge Kontakt ist wichtig für eine erfolgreiche Schweißoperation. Der enge Kontakt mit dem Substrat 12 wird wegen der Drahtrichtkräfte, die durch die Bewegung des Substrats 12 vom Mundstück der Verteilerdüse 10 weg induziert werden, jederzeit aufrechterhalten.
Der Vorschub des Flachdrahtes entspricht der Geschwindigkeit der Bewegung des Substrats um die Querschnittsabgrenzung zu jedem gegebenen Zeitpunkt und wird mit dieser Geschwindigkeit synchronisiert.
Das Werkstücktischmodul 70 verwendet einen Präzisionstisch. Der Tisch wird von mit Encodern ausgestatteten Schrittmotoren angetrieben.
Das Systemsteuerungsmodul 80 unterstützt den G-Code traditioneller CNC-Maschinen. Mit Hilfe des Moduls lässt sich ein PC Host-Computer als CNC-Steuerungsgerät programmieren. Es handelt sich um eine Mehrachsensteuerung mit der Möglichkeit einer simultanen Regelung von acht Achsen des X-Y-Z-Linearbewegungstisches, des Drehtisches und des Schrittmotors der Flachdrahtvorschubmechanik. Eine Eingangs-/Ausgangskarte für acht Stellungen kann direkt an das Steuerungsgerät angeschlossen werden. So können die Linsenabtastaktoren und das Magnetventil für die Stickstoffdurchflussregelung gesteuert werden.
Das für die Beschreibung der Systemfunktion verwendete Beispielteil ist eine in 4 und 5 gezeigte Flugzeugturbinenschaufel. Aufgrund der mittels CAD-Software dargestellten Turbinenschaufelquerschnitte wird ein Einsatzmaterialweg generiert, indem die Abgrenzungen und das Muster, durch die die Lagen des Teils bestimmt werden, nachvollzogen werden.
Die Schaufel ist eine Hohlkonstruktion, und die Wandstärke der Hülle beträgt 2 mm. Diese Wandstärke erfordert vier Durchgänge mit 0,5 mm breitem Einsatzmaterial.
Die 6 und 7 zeigen die Entwicklung des Anfangsquerschnitts A-A. Vor der Aufschmelzung des Einsatzmaterialstrangs 7 auf das Substrat 12 wird die Endform des Einsatzmaterials 7 auf einen spitzen Winkel gemäß 7, Detail B, vorgeschnitten. Dieser Vorschnitt wird im Einsatzmaterialvorschnittbereich 35 (10) außerhalb des Modellbaubereichs des X-Y-Tisches 11 ausgeführt. Zum Abschluss der Aufschmelzung von Strang 7 wird das Endloseinsatzmaterial 7 in der Nähe des Schweißpunktes und in der Richtung senkrecht zu seiner Ausgabeachse geschnitten.
Nach Trennung des Einsatzmaterials von der Ausgabedüse kann die endgültige Formgebung des Endes von Strang 7 vorgenommen werden (7, Detail B). Das Verfahren zur Aufschmelzung der Stränge 41 und 43 entspricht dem oben beschriebenen Vertahren.
8 zeigt die Umfangs- und Scherspannungen in einem geformten Objekt, die sich während des Schweißens entspannen.
9 zeigt Deformationen, die während des Biegens von Einsatzmaterialien auftreten können.
Zu 10: Ein auf einem Rahmen aufliegender Laserkopf 1 projiziert einen Laserstrahl 2 durch eine Strahlausweitungsvorrichtung 25 auf einen Phasenverschiebungsspiegel 3, der ebenfalls auf einem Rahmen aufliegt. Der abgeleitete Strahl 4 wird durch eine Drehvorrichtung in eine Fokussierlinie 5 geleitet, die die Strahlenenergie auf Produkt 12 fokussiert, während es auf Tisch 70 geformt wird. Das Einsatzmaterial 7 wird durch am Ende von Vorschubmotoren 9 montierte Vorschubwalzen von einer Rolle 6 abgezogen. Die Rollen- und Vorschubkonstruktionen sind in einem Rahmen 8 befestigt, der auf einem Drehtisch 11 montiert ist. Drehtisch 11 wird durch einer Motor und ein Reduziergetriebe, die an der Rückseite des Tisches 70 gezeigt werden, in einer Richtung angetrieben, die durch die Pfeile C dargestellt wird. Ein Fräsmotor treibt die auf der linken Seite in Vergrößerung gezeigte Fräse 31 an, die zur Aufrechterhaltung der Ebenheit der obersten Lage von Produkt 12 benutzt wird. Die Baugruppe aus Fräsmotor und Welle kann, wie gezeigt, innerhalb eines Winkels a gedreht werden, um die Kante des Einsatzmaterials 7 abzuschrägen. Hierdurch lässt sich, wie in 18 dargestellt, zwischen der versetzten aktuellen Lage und der vorherigen Lage ein glatter Übergang erzielen.
Tisch 70 wird in X-, Y- und Z-Richtung bewegt, wie in 10 dargestellt. Die Einsatzmaterialvorbereitungsstation 35 dient zur Vorbereitung des Drahtes, bevor er abgelegt wird. Aktoren halten die Station 35 in der Fokusebene des Laserstrahls 4. Fräse 31 kann an das Produkt herangeführt werden. Vorzugsweise wird der Tisch 70 in X- und Y-Richtung bewegt, um das Produkt 12 mit der Fräse 30 in Kontakt zu bringen. Ein zusätzlicher oder alternativer Einsatzmaterialwerkstoff wird auf Rolle 32 bereitgehalten, die Rolle 6 entspricht. Ein entsprechender Einsatzmaterialantrieb 9 kann an einem entsprechenden Rahmen 8 neben Rolle 32 installiert werden. Der bewegliche Tisch 70 wird benutzt, um das System aus Laserstrahl 2, Fokussierlinse 5 und Gasdüse 10 relativ zum Einsatzmaterialausgabesystem 60 in Position zu bringen. Durch den Einlass 16 wird ein Schutzgas wie Stickstoff oder Argon eingeführt.
Bei großen Konstruktionsvorhaben kann der Tisch 70 zum Halten des Produkts ortsfest bleiben, und der Laserstrahl 2 und das Einsatzmaterialausgabesystem 60 bewegen sich in X-, Y- und Z-Richtung, während sich das Einsatzmaterialausgabesystem 60 dreht.
Wie in 11 dargestellt, wird das Gas durch eine den Laserstrahl umgebende Düse 20 ausgeführt, um die Schweißzone des Einsatzmaterials, das von der Einsatzmaterialausgabedüse 21 ausgegeben wird, zu fluten.
12 zeigt ein Steuergerät 14 mit einer Vielfachzugriffssteuerung mit Ausgängen zum Laser 1 und zum Einsatzmaterialantrieb 9, zum Antrieb für denn Drehtisch 11 und zu den Vorschubpositionieraktoren sowie zum X-, Y- und Z-Tisch 70 (siehe 10). Das in 12 dargestellte Steuerungsgerät 14 hat eine Multifunktionskarte 13, die über Ausgänge zur Fräse 30 und zum Schutzgasregeleingang verfügt.
Je nach dem Seitenverhältnis eines Einsatzmaterialprofils gestattet das neue Verfahren den Bau von Überhangkonstruktionen bis zu 15° von der Horizontalen ganz ohne Stützkonstruktion. So lässt sich zum Beispiel bei einem Einsatzmaterial mit 0,26 mm Dicke und 1,04 mm eine Überhangwand ca. 18° zur Horizontalen ohne Stützkonstruktionen errichten.
Das SFFD-Verfahren (Verfahren zum Freiformauftrag fester Einsatzmaterialien) ist zur Herstellung von faserverstärkten Endlosfaser- Metalleinlagerungsverbundwerkstoffen (MMC-Werkstoffen) geeignet, indem wechselweise verschiedene Werkstoffe in den Querschnitt des Teils eingebracht werden.
Das Beispiel in 13 zeigt, wie sich das System zur Fertigung von MMC-Bauteilen einsetzen lässt, indem als Einsatzmaterial ein Metallflachdraht mit 0,52 mm Breite und 0,26 mm Dicke und ein vorimprägniertes Kohlenstofffaserband mit 1,04 mm Breite und ca. 0,26 mm Dicke benutzt wird. Das Bauteil hat eine Hülle, deren Wandstärke ca. 0,221 mm beträgt. Die Wand ist so aufgebaut, dass die Außenflächen (Stränge 41 und 43) aus Metall gefertigt werden und die innere Wandstruktur aus einer Kombination von Endlos-Kohlenstofftaserband 42 besteht, das lagenweise zwischen die Metallstreifen eingebracht wird.
Die Funktion des SFFD-Systems wird anhand des Beispiels eines komplexen Querschnittsprofils erläutert, wie der in den 13 und 14 dargestellten Flugzeugturbinenschaufelkontur. Aufgrund der mittels CAD-Software dargestellten Turbinenschaufelquerschnitte wird ein Einsatzmaterialweg 39 generiert, indem die Abgrenzungen und das Muster, durch die die Lagen des Teils bestimmt werden, nachvollzogen werden. Der Kern 40 der Schaufel ist hohl. Die Wand 45 wird gemäß 13 gebaut.
Vor der Aufschmelzung des Einsatzmaterialstrangs auf ein Substrat werden die Endkonturen des Einsatzmaterials erforderlichenfalls vorgeschnitten.
13 zeigt einen Querschnitt der mit dem SFFD-System hergestellten Wand der Hülle des Teils. Die Pfeile in 14 zeigen die Ausrichtung der Einsatzmaterialdüse und die Einsatzmaterialausgaberichtung 19 während des Aufbaus der Lage. Der Drehbereich des Systems beträgt +/– 360° oder ein Vielfaches davon. Teile können spiralförmig gebaut werden.
Zu den bei einem lageweise oder als Laminat aufgebauten Teil üblichen Präzisionsproblemen gehört der „Treppenstufeneffekt". Mittels einer Endfräse 31 (10) werden „Treppenstufen" 52 von den in 15 und 16 dargestellten Überhangstrukturen entfernt 51. Die Fräsfunktion kann zur Beseitigung des „Treppenstufeneffektes" bei jedem Lagenherstellungsverfahren eingesetzt werden. 17 zeigt einen Teil, bei dem der in 15 dargestellte „Treppenstufeneffekt" auftreten würde. Dieser Effekt wird, wie in 16 gezeigt, mit dem in 10 dargestellten Fräswerkzeug 31 beseitigt. Das Fräswerkzeug verfügt über eine Winkelverstellung zur Änderung des Abschrägungswinkels bei unterschiedlichen Ausmaßen des „Treppenstufeneffektes". Das gleiche Gerät, zum Beispiel eine Endfräse, kann zur Reinigung der Oberfläche der frisch aufgesetzten Lage eingesetzt werden, um die Ebenheit der letzten Lage und deren Toleranz in Z-Richtung aufrechtzuerhalten. Diese letztgenannte Funktion dieses Endfräswerkzeugs kann von einem separaten Schleifradwerkzeug ausgeführt werden, mit dem sich die Oberflächen der Lagen schneller reinigen lassen. Dieses Leistungsmerkmal kann bei der Produktion eines komplexen dreidimensionalen Teils eingesetzt werden – einer Koaxial-Parapoldüse aus Titan, wie sie in den 17 und 18 gezeigt werden. Das Teil hat einen Grundkreisinnen- und Außendurchmesser von 3,25 mm bzw. 2,6 mm und eine Höhe von 2,6 mm.
Die 17 und 18 zeigen eine Düse mit Innen- und Außenlagen 61 und 63, die durch eine Brücke 65 getrennt werden, welche während der Bildung der Lagen und der Brücke stumpf auf die Innen- und Außenlagen aufgeschweißt werden.
Die 19 und 20 zeigen Strukturen, die aus mehrstrangigen Außenwänden 71 und stumpf aufgeschweißten Bienenwabenkernen 73 geformt werden.
Die 21A und 21B sind Vorder- und Seitenansichten einer nach vorliegender Erfindung hergestellten Trägerkonstruktion 75. Der Träger kann eine Verbundstruktur haben, wie sie z. B. in den 13, 22 und 23 dargestellt sind, oder er kann einen Bienenwabenkern gemäß Darstellung in den 18 und 20 haben. Der Träger kann aus Lagen von per Laserstrahl aufgeschmolzenen und gehärteten Keramikwerkstoffen bestehen. Wegen der sofortigen Erstarrung wird jede Art von Materialverformung ausgeglichen, während die Stränge über das Produkt geführt werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstandes, umfassend den Vorschub eines dünnen Einsatzmaterials aus metallischen und nichtmetallischen Werkstoffen eines vorgegebenen Profils durch eine Einsatzmaterialverteilerdüse an eine gewünschte Stelle, Aufschmelzen des Einsatzmaterials mit einem Laserstrahl zur Erzeugung einer geringen lokalen Wärmezufuhr, dessen Leistungsdichte für ein Punkt- oder Nahtschweißen des Einsatzmaterials auf eine zuvor aufgeschmolzene Lage ausreicht, wobei der Querschnitt des Einsatzmaterials weitestgehend in seiner ursprünglichen Form beibehalten wird, Bewegen eines Substrats, auf dem die Lage gebildet wird, in X-Y-Richtung in einer Ebene, die in Querrichtung zum Laserstrahl verläuft und Fokussierung des Strahls mit einer bewegbaren Linse auf einen Punkt auf dem Einsatzmaterial, wodurch der Laserstrahlpunkt zum Verschweißen und Schneiden des Einsatzmaterials quer über das Einsatzmaterial geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Bildung eines Laserstrahls durch Ausrichten eines linear polarisierten Strahls aus einer Laserquelle auf einen Phasenverschiebungsspiegel, Umwandlung des linear polarisierten Strahls in einen zirkular polarisierten Laserstrahl am Phasenverschiebungsspiegel sowie Ausrichten des zirkular polarisierten Laserstrahls auf die Linse.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Lagerung des Einsatzmaterials auf einer Spule, Abziehen des Einsatzmaterials von der Spule und Eindrücken des Einsatzmaterials in die Verteilerdüse mittels eines Einsatzmaterialantriebs, Biegen des Einsatzmaterials in der Verteilerdüse vor Abgabe des Einsatzmaterials aus der Düse, Einführung von Gas in die Düse und Freisetzen des Gases aus der Düse in der Nähe des Einsatzmaterials.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Drehen der Einheit aus Spule, Einsatzmaterialantrieb, Düse und Linse um eine Achse des Laserstahls, relative Bewegung der Achse des Laserstrahls und der Einheit entlang einer Linie, auf der das Einsatzmaterial aufgeschmolzen wird und Drehen der Einheit um die Achse bei Krümmung der Linie.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff des Einsatzmaterials aus einem flachen grünen Keramikfasereinsatzmaterial besteht, das während der Bildung der äußeren Form des Gegenstands durchgehend aufgeschmolzen, gesintert und verdichtet wird, wobei die Schrumpfung des grünen Einsatzmaterials durch die gesteuerte Vorschubmechanik zur Ermöglichung der Herstellung komplexer keramischer Bauteils mit voller Dichte und erhöhter Präzision des fertigen Gegenstands aufgefangen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Werkstoff einzelne Mehrfachmaterialien aus Metall oder Nichtmetall verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenstand aus aneinandergrenzenden Steifen verschiedenartiger Werkstoffe gebildet wird, die in derselben Lage aus denselben oder zusätzlichen Vorschubeinrichtungen stumpfgeschweißt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenstand mit seitlich versetzten Lagen gebildet ist und die entstehenden Treppenstufen zur Erzielung eines glatten Übergangs abgeschliffen werden.
Vorrichtung zur Herstellung eines Gegenstandes, umfassend eine an einem Rahmen montierte Laserstrahlquelle (1), eine am Rahmen montierte Strahlaufweitungsvorrichtung (25) und einen am Rahmen montierten Phasenverschiebungsspiegel (3), ein am Rahmen montiertes Gestell für das Einsatzmaterialausgabemodul (60), einen am Gestell des Einsatzmaterialausgabemoduls (60) installierten Drehtisch (11) und einen am Drehtisch (11) montierten Dreharm, ein am Drehtisch (11) montiertes Einsatzmaterialvorschubgerät (9) und eine am Drehtisch (11) montierte Laserstrahlfokussierlinse (5), eine am Drehtisch (11) montierte Einsatzmateriallagerspule (6) zur Lagerung eines flachen Einsatzmaterials (7), eine mit dem Dreharm verbundene Einsatzmaterialdüse (10) zur Aufnahme von Einsatzmaterial (7) von der Spule (6) und vom Vorschubgerät (9) und zum Abziehen des Einsatzmaterials (7) aus einem Mundstück der Düse (20), das Mundstück der Düse (20), das am Laserstahl (2) ausgerichtet ist, der von der Laserquelle (1) zum Phasenverchiebungsspiegel (3) und durch das Gestell (13), den Dreharm und den Drehtisch (11) und die Linse projiziert wird, einen geradlinig beweglichen Tisch (70) zur Aufnahme des aus dem Düsenmundstück austretenden Einsatzmaterials (7) in einem vorbestimmten Muster gemäß der relativen Bewegung des Tisches (70) in einer X-Y-Richtung in Relation zum Rahmen und zum Aufschmelzen des Einsatzmaterials (7) auf ein Substrat (12) oder auf eine zuvor aufgeschmolzene Lage des Einsatzmaterials (7) für den Bau eines Gegenstands durch Auftragen und Verschmelzen aufeinander folgender Lagen des Einsatzmaterials (7) und wobei die Linse (5) in einer Halterung befestigt ist, die quer zu einer Achse des Laserstrahls (2) schwenkbar ist, wobei ein am Dreharm montiertes und mit der Linsenhalterung verbundenes Antriebsrad zur Bewegung der Linse (5) um den Drehzapfen vorgesehen ist, um zum Schweißen und Schneiden des Einsatzmaterials (7) einen Laserstrahlpunkt quer über das Einsatzmaterial zu führen.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (6) und der Drehtisch (11) und die Linse (5) an einer Achse des Laserstrahls (2) ausgerichtet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorrichtung ein Einsatzmaterialvorschubgerät (9) zugeordnet ist, das Klemmwalzen (25) umfasst, die von einem Schrittmotor angetrieben sind.
Vorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine in der Düse (20) montierte Schutzgasdurchführung zur Flutung eines Abschnitts des Einsatzmaterials (7) mit dem Laserstrahl (2) beim Aufschmelzen des Einsatzmaterials (7) mit dem Laserstahl (2).
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserquelle (1) einen linear polarisierten Stahl erzeugt und dass der Phasenverschiebungsspiegel (3) den linear polarisierten Strahl in einen zirkular polarisierten Strahl umwandelt und dass der zirkular polarisierte Strahl durch eine Linse (5) auf das Einsatzmaterial (7) geleitet wird, das soeben aus der Düse (20) ausgetreten ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (20) über eine Durchführung für das Einsatzmaterial (7) verfügt und wobei die Durchführung über einen Radius zum Biegen des Einsatzmaterials (7) in einem Radius verfügt, zum Freigeben des zum Substrat (12) oder zur zuvor aufgeschmolzenen Lage tangential verlaufenden Einsatzmaterials (7).
Vorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch einen Computer (14) mit einem Mehrachsensteuerungsgerät zur Steuerung des in gerader Linie beweglichen Tisches (70), des Drehtisches (11) der Einsatzmaterialvorschubmechanik (9).
Vorrichtung zur Herstellung eines Gegenstandes, gekennzeichnet durch ein Lasersystem zur Projektion eines Laserstahls (2) auf den Gegenstand, eine von einem Tisch (70) abgesetzt angeordnete Schutzgasdüse zur Flutung einer Auftreffstelle des Laserstrahls (2) auf den Gegenstand mit Schutzgas, ein vom Tisch (70) abgesetzt angeordnetes Gestell (13) zur Stützung der Gasdüse (20), mehrere vom Tisch (70) abgesetzt auf dem Gestell angeordnete Materiallagervorrichtungen, mehrere an dem Gestell (13) montierte und mit den Materiallagervorrichtungen verbundene Vorschubeinrichtungen zum Vorschub des Einsatzmaterials (7) auf den Gegenstand an einer Auftreffstelle des Laserstrahls (2) auf den Gegenstand, eine mit dem Gestell (15) verbundene Drehvorrichtung zum Drehen der Materiallagervorrichtungen und der Vorschubeinrichtungen in Bezug auf den Gegenstand sowie an dem Tisch (70) oder dem Gestell (13) montierte Bewegungseinrichtungen zur relativen Bewegung des Tisches (70) oder des Gestells (13) und Lasersystems in X-Y-Z-Richtung.
Vorrichtung nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch einen auf dem Gestell (13) montierten Fräsenantrieb und ein mit dem Fräsenantrieb verbundenes Fräswerkzeug (30), das an den im Bau befindlichen Gegenstand oder das gerade ausgegebene Einsatzmaterial (7) herangeführt wird und eine Fläche des im Bau befindlichen Gegenstands oder des gerade ausgegebenen Einsatzmaterials (7) fräst.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Materiallagervorrichtungen aus einer ersten und zweiten oder Mehrfachlagerspule bestehen, wobei das Einfach-, Zweifach- oder Mehrfachmaterial aus einem Einfach-, Zweifach- oder Mehrfachmaterial aus einem Einfach-, Zweifach- oder Mehrfachband mit auf den Lagerspulen (6) gelagerten Werkstoffen besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch eine Strahlaufweitungsvorrichtung (25) zur Aufweitung des Laserstrahls (2) und einen Phasenverschiebungsspiegel (3) zur Umlenkung des Laserstrahls (2) auf den Gegenstand.
Vorrichtung nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch eine mit dem Gestell (13) verbundene Linse (5) zur Fokussierung des Laserstrahls (2) während der Herstellung des Gegenstandes.
Mehrlagiger Gegenstand, hergestellt durch Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1–8.