DE19903436A1 - Precision laser welding or sintering producing three-dimensional objects, first forms an envelope, then fills it e.g. with foamed metal, for rapid manufacture of extremely diverse complex shapes including clad turbine blades in ceramic - Google Patents
Precision laser welding or sintering producing three-dimensional objects, first forms an envelope, then fills it e.g. with foamed metal, for rapid manufacture of extremely diverse complex shapes including clad turbine blades in ceramicInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Formkörper aus zumindest teilweise schmelzbarem Material, bei dem das Laserstrahl-Präzi sions-Auftragschweißverfahren oder selektives Lasers intern angewendet wird. Mit der Erfindung können gün stig und schnell Prototypen von Formkörpern oder Kleinserien solcher Formkörper hergestellt werden, wobei auch Formkörper mit filigranen Konturen relativ einfach und präzise hergestellt werden können.The invention relates to a method for manufacturing three-dimensional molded body from at least partially fusible material in which the laser beam precision sion deposition welding process or selective laser is applied internally. With the invention gün prototypes of moldings or Small series of such molded articles are produced with molded bodies with filigree contours relative can be easily and precisely manufactured.
Mit dem Laserstrahl-Präzisions-Auftragschweißverfah ren wurden bisher die verschiedensten Bauteile voll ständig oder bei verschlissenen bzw. teilweise zer störten Bauteilen, diese durch vollständigen Materi alauftrag in Gänze hergestellt bzw. die verschlisse nen bzw. fehlenden Teile entsprechend ersetzt. Dabei wurde der Laserstrahl und/oder das Werkstück unter Verwendung von 3D-CAD-Datensätzen in mindestens drei Achsen gesteuert und ein schichtweiser Aufbau durch Aufschmelzen von Pulvern vorgenommen, wie dies auch bei anderen unter dem Begriff Rapid-Prototyping fal lenden Verfahren durchgeführt wird. Dabei können die verschiedensten Materialien verwendet werden, die jedoch unter dem Laserstrahleinfluß aufgeschmolzen werden müssen, so daß bei dem fertigen Werkstück oder Bauteil dichte Strukturen, hohe Festigkeiten und hohe Präzision erreicht werden können. With the laser beam precision cladding process various components have been full constantly or with worn or partially zer disturbed components, this by complete materi Al order made in whole or the wear NEN or missing parts replaced accordingly. Here the laser beam and / or the workpiece was under Use of 3D CAD data sets in at least three Controlled axes and a layered structure Melt powders made like this too others fall under the term rapid prototyping lent procedure is carried out. The various materials can be used however melted under the influence of the laser beam must be so that in the finished workpiece or Component tight structures, high strength and high Precision can be achieved.
Der Einsatz dieses Verfahrens ist aber auf bestimmte hierfür geeignete Werkstoffe begrenzt, so daß die Eigenschaften solcher Bauteile nur in bestimmten Grenzen entsprechend beeinflußt werden können.However, the use of this method is specific suitable materials limited so that the Properties of such components only in certain Limits can be influenced accordingly.
Ein weiterer wesentlicher Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß relativ kleine Beschichtungsraten erzielt werden können und demzufolge die Zeit für die Herstellung eines Bauteiles mit diesem Verfahren re lativ hoch ist. Es können lediglich Schichten mit einer begrenzten Schichtdicke und mit dem Laserstrahl in einer Schicht nur Spuren im mm-Bereich erzeugt werden, so daß der Laserstrahl bei größer dimensio niertem Bauteil in einer Schicht eine größere Anzahl von Einzelspuren erzeugen muß.Another major disadvantage of this method is that relatively low coating rates can be achieved and therefore the time for Production of a component using this process is relatively high. Only layers can be used a limited layer thickness and with the laser beam only traces in the mm range are generated in one layer be so that the laser beam at larger dimensions component in one layer of single tracks.
Das Laserstrahl-Präzisions-Auftragschweißverfahren ist z. B. von E. Beyer, K. Wissenbach in "Oberflächen behandlung mit Laserstrahlung", Springer-Verlag Ber lin, Heidelberg, New York, 1998 beschrieben worden.The laser beam precision cladding process is z. B. by E. Beyer, K. Wissenbach in "Surfaces treatment with laser radiation ", Springer-Verlag Ber lin, Heidelberg, New York, 1998.
Für bestimmte Bauteile und hier insbesondere bei hoch beanspruchten Bauteilen werden verschiedene Werkstoffe oder Materialien verwendet, um einmal die gewünschten Eigenschaften zu erreichen und zum ande ren die Materialkosten entsprechend niedrig zu hal ten. So ist es in vielen Fällen üblich, ein relativ kostengünstiges Material oder einen solchen Werkstoff mit einer Beschichtung zu versehen, um die gewünsch ten Oberflächeneigenschaften erreichen. So werden beispielsweise Hartstoffe, wie verschiedene Carbide, enthaltende Pulvermischungen verwendet und mittels bekannter Auftragschweißverfahren oder durch Metall spritzen auf einen Grundkörper aus einem wesentlich kostengünstigeren und gegebenenfalls auch mit anderen Eigenschaften behafteten Grundkörper aufgebracht. Hierbei treten jedoch häufig Haftungsprobleme auf, die beim bestimmungsgemäßen Gebrauch zu Abplatzungen führen können und demzufolge eine entsprechend kürze re Lebensdauer oder entsprechende Einsatzbeschränkun gen zu verzeichnen sind.For certain components and here in particular highly stressed components are different Materials or materials used to get the to achieve desired properties and on the other the material costs are kept low accordingly So it is common in many cases, a relative inexpensive material or such a material provided with a coating to the desired achieve th surface properties. So be for example hard materials such as various carbides, containing powder mixtures used and by means known cladding process or by metal spray on a basic body from an essential cheaper and possibly also with others Properties afflicted base body applied. However, liability problems often arise here, chipping when used as intended can lead and therefore a correspondingly short re lifespan or corresponding usage restrictions are recorded.
Ganz besonders problematisch ist der Auftrag solcher Beschichtungen bei verschiedenen Metallen, wie Alumi nium und Magnesium, die unter atmosphären Bedingungen äußerst reaktiv sind, so daß an der Oberfläche ausge bildete Oxidschichten die Haftung von zusätzlichen Beschichtungen besonders stark beeinträchtigen.The order of such is particularly problematic Coatings on various metals, such as Alumi nium and magnesium working under atmospheric conditions are extremely reactive, so that out on the surface formed oxide layers the adhesion of additional Affect coatings particularly badly.
Solche Hochleistungsbeschichtungen können auch nicht auf beliebige Grundkörper aufgebracht werden, da hierfür in der Regel bestimmte Oberflächenstrukturen erforderlich sind. Beschichtungen können außerdem nicht auf alle Werkstoffe aufgebracht werden und auch Kompositwerkstoffe oder Verbundwerkstoffe, bei denen ein aus mindestens zwei verschiedenen Materialien bestehender Grundkörper beschichtet werden soll, kön nen in vielen Fällen bisher nicht zur Verfügung ge stellt werden.Such high-performance coatings cannot either can be applied to any base body, because As a rule, certain surface structures for this required are. Coatings can also not be applied to all materials and also Composite materials or composite materials where one made from at least two different materials existing base body should be coated, can in many cases have so far not been available be put.
Des weiteren ist das unter den Begriff "Rapid-Proto typing" fallende selektive Lasersintern bekannt. Hierbei wird ein Metall- oder Keramikpulver in einer relativ dünnen Schicht gleichmäßig aufgebracht und anschließend die aufgebrachte Pulverschicht selektiv gesintert. D. h., daß ein Laserstrahl einer bestimmten vorgebbaren Kontur folgend über die aufgetragene Pul verschicht geführt und das Pulver durch den Energie einfluß des Laserstrahls in diesen Bereichen gezielt gesintert wird, wohingegen die Bereiche, die nicht durch den Laserstrahl beeinflußt werden ungesintert bleiben. So kann ein entsprechender dreidimensionaler Körper Schicht für Schicht aufgebaut werden. Ein sol cher Körper kann aus den verschiedensten Pulvern oder Pulvermischungen hergestellt werden, wobei die ver schiedenen Metalle, Metall-Legierungen oder auch Ke ramikpulver Verwendung finden.Furthermore, this is under the term "Rapid Proto typing "falling selective laser sintering known. This is a metal or ceramic powder in one relatively thin layer applied evenly and then selectively applied the powder layer sintered. That is, a laser beam of a certain one predetermined contour following the applied pulse layered and the powder through the energy influence of the laser beam in these areas is sintered, whereas the areas that are not are influenced by the laser beam unsintered stay. So a corresponding three-dimensional Be built up layer by layer. A sol cher body can be made from various powders or Powder mixtures are produced, the ver different metals, metal alloys or Ke Find ceramic powder.
Für die gewünschte Auslenkung des Laserstrahles wer den üblicherweise 3D-CAD-Daten verwendet.For the desired deflection of the laser beam, who usually used 3D CAD data.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, mittels bekannter Laserstrahl-Präzisions-Auftragsschweißtechnik oder selektiver Lasersintertechnik dreidimensionale Form körper kostengünstig, in kurzer Zeit und gegebenen falls unter gezielter Beeinflussung bestimmter Eigen schaften herstellen zu können.It is therefore an object of the invention, by means of known Laser beam precision surfacing or selective laser sintering technology three-dimensional shape body inexpensive, in a short time and given if under specific influence of certain own to be able to manufacture.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungs formen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Lö sung, können mit den in den untergeordneten Ansprü chen enthaltenen Merkmalen erreicht werden. Vorteil haft kann das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstel lung von Prototypen, und zur Kleinserienfertigung eingesetzt werden. Die erfindungsgemäß hergestellten Formkörper können günstigerweise als Gieß-, Spritz-, oder Druckgußformen sowie als Formen für die Herstel lung von Schaumkörpern verwendet werden.According to the invention, this object is achieved with the features of claim 1 solved. Advantageous design shapes and developments of the Lö according to the invention solution, can with the in the subordinate claims Chen contained features can be achieved. Advantage the process according to the invention for the manufacture development of prototypes and for small series production be used. The manufactured according to the invention Shaped bodies can advantageously be cast, sprayed, or die casting molds as well as molds for the manufacturers development of foam bodies can be used.
Ein weiterer günstiger Einsatzbereich besteht für Formkörper, bei denen ein Hüllkörper aus Titan mit einem Kern aus Magnesium, z. B. für Turbinenschaufeln hergestellt wird und hier die besonders günstigen Eigenschaften dieser Metalle ausgenutzt und die Ver arbeitungsprobleme vermieden werden können.Another favorable area of application is for Shaped body, in which an enveloping body made of titanium a core of magnesium, e.g. B. for turbine blades is produced and here the particularly cheap Properties of these metals exploited and the ver work problems can be avoided.
Erfindungsgemäß wird dabei so vorgegangen, daß mit dem bekannten Laserstrahl-Präzisions-Auftragschweißen unter Verwendung von 3D-CAD-Daten, die zumindest die Außen- und Innenkontur eines Hüllkörpers vorgeben, ein solcher schichtweise aufgebaut wird. Hierfür wird unter Berücksichtigung der gewünschten Oberflächen eigenschaften für den Formkörper, ein Material in Pulverform verwendet, das zumindest teilweise schmelzbar ist. Dabei können in einem solchen Pulver auch Komponenten enthalten sein, die, wie beispiels weise bestimmte Hartstoffe, bei den mit dem Laser strahl erreichbaren Temperaturen nicht in die schmelzflüssige Phase gelangen und auch nicht aufge löst werden und durch andere Pulverbestandteile beim Erstarren der schmelzflüssigen Phase eingeschlossen werden können.According to the invention, the procedure is such that the well-known laser beam precision cladding using 3D CAD data that at least the Specify the outer and inner contour of an envelope, such a layer is built up. For this will taking into account the desired surfaces properties for the molded body, a material in Powder form used, at least partially is fusible. In such a powder components may also be included, such as wise certain hard materials, with those with the laser temperatures not reachable in the beam get molten phase and not opened be solved and by other powder components in the Solidification of the molten phase included can be.
Durch das Laserstrahl-Präzisions-Auftragschweißen können Hüllkörper mit geringer Wandstärke, die mini mal bei 0,1 mm liegt, Schicht für Schicht aufgebaut werden, wobei auch filigrane Innen- und Außenkonturen bzw. Überhänge und Hinterschneidungen am Hüllkörper ausgebildet werden.By laser beam precision cladding can envelopes with thin walls, the mini times 0.1 mm, built up layer by layer with filigree inner and outer contours or overhangs and undercuts on the envelope be formed.
Zur Verringerung des für die Herstellung erforderli chen Zeitaufwandes für solche dreidimensionalen Form körper wird der Hüllkörper nachfolgend befüllt, wobei zum einen das Hüllkörpermaterial oder zumindest ein weiteres Material für die Befüllung verwendet werden kann.To reduce the manufacturing requirements Chen expenditure of time for such three-dimensional shape body is subsequently filled, whereby on the one hand the envelope material or at least one additional material can be used for the filling can.
Günstigerweise kann bei der oder im Anschluß an die Befüllung mit dem befüllten Material ein fester Kern im Inneren des Hüllkörpers ausgebildet werden, der sämtliche Hohlräume oder Teile davon ausfüllt.Conveniently, at or after the A solid core is filled with the filled material be formed inside the envelope, the fills all cavities or parts thereof.
So kann der Hüllkörper mit einem schmelzflüssigen Material befüllt und der Kern bei Erstarren der Schmelze ausgebildet werden. Neben den verschiedenen anderen bekannten Gießverfahren, kann hier durch Druckbeaufschlagung auch das Druckgußverfahren ange wendet werden, um besonders homogene und lunkerfreie Kerne zu erhalten.So the enveloping body with a molten The material is filled and the core solidifies Melt are formed. In addition to the various other known casting methods, can be here Pressurization also indicated the die casting process be used to make particularly homogeneous and void-free To get cores.
Der Kern kann auch aus einem Metallschaum ausgebildet werden, wobei auch hier bekannte Verfahren verwendet werden können. Durch einen Kern aus einem Metall schaum kann die Masse für einen so hergestellten Formkörper entsprechend reduziert werden.The core can also be formed from a metal foam are used, here also known methods can be. Through a metal core The mass can foam for a so produced Moldings are reduced accordingly.
Eine andere Möglichkeit zur Erzeugung eines solchen Metallschaumes, die abweichend von den herkömmlichen Verfahren ist, besteht darin, vor dem Befüllen mit der Schmelze in den Hüllkörper ein organisches Mate rial, beispielsweise ein Granulat oder ein Pulver eines Polymers einzufüllen, das durch z. B. Erwärmung, die Wärme der Schmelze entgast, verdampft oder reak tiv Gas gebildet wird und dadurch das freigesetzte Gas entsprechende Hohlräume im erstarrenden Material ausbildet.Another way to create one Metal foam that differs from the conventional The procedure is to fill before the melt in the shell an organic mate rial, for example a granulate or a powder fill a polymer, which by z. B. warming, the heat of the melt degasses, evaporates or reacts tiv gas is formed and thereby the released Cavities corresponding to gas in the solidifying material trains.
Es kann aber auch so vorgegangen werden, daß der vor bereitete Hüllkörper mit einem festen, beispielsweise pulverförmigen Material befüllt und anschließend durch Erwärmung und Aufschmelzen bzw. Sintern der Kern erhalten werden kann. Die entsprechende Erwär mung kann in herkömmlichen Öfen, aber auch induktiv bzw. unter Nutzung einer elektrischen Widerstandshei zung durchgeführt werden. Dabei kann es ausreichen, daß lediglich der Hüllkörper aus einem hierfür ent sprechend geeigneten Material besteht und das einge füllte Material lediglich durch Wärmeleitung und/oder in Verbindung mit Konvektion in die erforderlichen Temperaturbereiche gebracht wird.But it can also be done so that the front prepared envelope with a solid, for example filled powdered material and then by heating and melting or sintering the Core can be obtained. The corresponding Erwär mung can be used in conventional ovens, but also inductively or using an electrical resistance be carried out. It can be enough that only the envelope from a ent speaking appropriate material and that filled material only by heat conduction and / or in connection with convection in the required Temperature ranges is brought.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können auch dop pelwandige Hüllkörper ausgebildet werden, die dann beispielsweise als Form für die Herstellung entspre chender Bauteile eingesetzt werden können. Dabei wirkt sich besonders günstig die hohe Variabilität, die Möglichkeit der Ausbildung besonders filigraner Konturen und die mögliche Dünnwandigkeit solcher Hüllkörper vorteilhaft aus. Die zwischen den Doppel wänden ausgebildeten Hohlräume können dann mit geeig neten Materialien befüllt und entsprechende Formteile durch Polymerisation, Sintern oder Erstarren einer Schmelze hergestellt werden. Bei verschiedenen Formen solcher Formteile kann es erforderlich sein, den Hüllkörper aus mindestens zwei Teilen herzustellen, so daß eine geteilte Form zur Verfügung gestellt wer den kann.With the method according to the invention, dop fur-walled envelopes are formed, which then for example, as a mold for production appropriate components can be used. Here the high variability has a particularly favorable effect, the possibility of training particularly delicate Contours and the possible thin walls of such Envelope advantageously. The one between the doubles Cavities formed in the walls can then be used filled materials and corresponding molded parts through polymerization, sintering or solidification Melt are produced. With different shapes such molded parts may be required To manufacture envelopes from at least two parts, so that a split form is provided that can.
Ein doppelwandiger Hüllkörper kann aber auch verwen det werden, wenn der Hohlraum zwischen den beiden Wänden mit einem isolierenden Material ausgefüllt wird, so daß beispielsweise eine Wärmedämmung in Richtung des Inneren des Hüllkörpers erreichbar ist.A double-walled envelope can also be used be detected if the cavity between the two Walls filled with an insulating material is so that, for example, thermal insulation in Direction of the inside of the envelope is accessible.
Insbesondere bei Formkörpern, die aus mehr als einem Werkstoff bestehen sollen, kann es günstig sein, den Hüllkörper so herzustellen, daß an seiner Innenwan dung in bestimmten Bereichen Stege ausgebildet sind, die in den Innenraum hineinragen, um beispielsweise die Festigkeit zu erhöhen oder in bestimmten Berei chen ein entsprechendes Spannungsregime einzuhalten oder den Halt eines im Hüllkörper ausgebildeten Ker nes, durch eine stegkonturbedingte Klammerwirkung, zu verbessern. Solche Stege können entlang der verschie densten Achsen oder auch spiralförmig ausgebildet sein.Especially in the case of moldings which consist of more than one Material should exist, it can be cheap Manufacture envelope so that on its inner wall webs are formed in certain areas, that protrude into the interior, for example to increase the strength or in certain areas to maintain an appropriate voltage regime or the hold of a ker formed in the envelope nes, due to a web contour-related clamp effect improve. Such bridges can be moved along the most axes or also spiral his.
Wie bereits eingangs erwähnt, kann für die Herstel lung des Hüllkörpers mit dem Laserstrahl-Präzisions- Auftragschweißverfahren ein Pulver oder eine Pulver mischung verwendet werden, deren Auswahl gezielt auf die Beeinflussung mechanischer, thermischer, elektri scher, magnetischer oder physiologischer Eigenschaf ten des fertigen Formkörpers gerichtet werden kann.As already mentioned at the beginning, for the manufacturer the envelope with the laser beam precision Deposition welding process a powder or a powder mix can be used, the selection of which is targeted influencing mechanical, thermal, electri shear, magnetic or physiological properties th of the finished molded article can be directed.
Dabei besteht die Möglichkeit, das zu verwendende Pulver bzw. eine Pulvermischung während des Aufbaus des Hüllkörpers zu variieren, so daß die entsprechen den Eigenschaften am fertigen Formkörper lokal ge zielt beeinflußt werden können. Bestimmte Bereiche könnten dann, z. B. eine höhere Elastizität, eine bes sere Wärmeleitfähigkeit oder andere entsprechende Eigenschaften aufweisen, als dies in anderen Berei chen des fertigen Formkörpers der Fall ist.It is possible to use what is used Powder or a powder mixture during construction to vary the envelope so that they correspond the properties of the finished molded article locally targets can be influenced. Certain areas could then, e.g. B. a higher elasticity, a bes sere thermal conductivity or other equivalent Have properties than in other areas chen of the finished molded body is the case.
Zur Erhöhung der Festigkeit des fertigen Formkörpers kann ein hierfür geeigneter Stützkörper, beispiels weise in Skelettbauweise verwendet werden, um den der Hüllkörper mittels Laserstrahl-Präzisions-Auftrag schweißen schichtweise aufgebaut wird und der nach folgend vollständig vom Hüllkörpermaterial umschlos sen ist. Vorteilhaft sollte ein solcher Stützkörper aus einem höherschmelzenden Material, als dies das Hüllkörpermaterial ist, bestehen. Sollte das Stütz körpermaterial jedoch aufgeschmolzen werden, kann eine entsprechende Auflegierung des Hüllkörpermateri als erreicht werden. So kann entsprechend der jewei ligen Geometrie und Dimensionierung eines solchen Stützkörpers lokal gezielt Einfluß auf die Material- und demzufolge auch die Eigenschaften des fertigen Formkörpers genommen werden.To increase the strength of the finished molded article can be a suitable support body, for example be used in skeleton construction, around which the Envelope body using laser beam precision application welding is built up in layers and the after subsequently completely enclosed by the envelope material is. Such a support body should be advantageous made of a higher melting material than this Envelope material is exist. Should the support body material, however, can be melted a corresponding alloying of the envelope material than be achieved. According to the respective geometry and dimensioning of such Support body locally targeted influence on the material and consequently also the properties of the finished one Shaped body are taken.
Ein weiteres Beispiel für eine mögliche Herstellung eines Formkörpers besteht darin, im Inneren des Hüllkörpers, gleichzeitig beim Aufbau des Hüllkörpers mit dem Laserstrahl-Präzisions-Auftragschweißverfah ren eine Form- und/oder Stützstruktur herzustellen. So kann mit der Herstellung einer Formstruktur im Inneren des Hüllkörpers ein Hohlraum ausgebildet wer den, der im Nachgang bei der Ausbildung im Hüllkörper weiter hohl bleibt, so daß diese Formstruktur die Kernfunktion beim Gießen bzw. Sintern übernehmen kann.Another example of a possible manufacture a molded body is inside the Envelope, simultaneously with the construction of the envelope with the laser beam precision cladding process ren to produce a form and / or support structure. So with the production of a mold structure in A cavity is formed inside the enveloping body the one that followed during training in the envelope remains hollow, so that this shape structure Take over core function in casting or sintering can.
Eine solche Stützstruktur kann beispielsweise ähnlich wie ein Fachwerk ausgebildet werden und dadurch der fertige Formkörper, der im Inneren einen Kern aus einem beispielsweise leichten und gegebenenfalls auch einem Material mit relativ geringer Festigkeit auf weist, trotzdem eine hohe Stabilität und gleichzeitig eine Massereduzierung erreicht werden kann.Such a support structure can be similar, for example be trained like a truss and thereby the finished molded body, which has a core inside for example light and possibly also a material with relatively low strength has a high stability and at the same time mass reduction can be achieved.
Da für die Ausbildung des Kernes im Inneren des Hüll körpers zumindest eine Befüllöffnung und gegebenen falls zusätzlich mindestens eine Entlüftungsöffnung erforderlich ist, sollten diese nach der Ausbildung des Kernes wieder mit dem Laserstrahl-Präzisions-Auf tragschweißverfahren verschlossen werden, so daß eine dichte und homogene Oberfläche am Formkörper erhalten werden kann.As for the formation of the core inside the shell body at least one filling opening and given if additionally at least one ventilation opening is required, this should be done after training of the core again with the laser beam precision opening Tragschweißverfahren be closed, so that a maintain dense and homogeneous surface on the molded body can be.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorteilhaft mit mechanischen Bearbeitungsschritten kombiniert durch geführt werden, wobei es sich hierbei um verschieden ste zerspanende Bearbeitungen, wie z. B. Fräsen, aber auch um Erodierverfahren handeln kann. Die Kombina tion dieser verschiedenen Verfahren ist besonders sinnvoll, wenn bestimmte Bereiche des Formkörpers bearbeitet werden müssen, die am fertigen Formkörper und hier auch am Hüllkörper nur schwer oder gar nicht mehr zugänglich sind.The method according to the invention can advantageously be used mechanical processing steps combined by be performed, which are different machining processes, such as B. milling, but can also be eroding processes. The Kombina tion of these different procedures is special useful when certain areas of the molded body must be machined on the finished molded body and here also on the envelope only with difficulty or not at all are more accessible.
Für die Herstellung des Hüllkörpers können die ver schiedensten Metalle und Legierungen (z. B. Kobalt- oder Nickel-Hartlegierungen) verwendet werden, wobei in diesen auch bekannte Hartstoffe enthalten sein können.For the manufacture of the envelope, the ver various metals and alloys (e.g. cobalt or hard nickel alloys) are used, wherein known hard materials can also be contained in these can.
Für die Ausbildung des Kernes im Inneren eines sol chen Hüllkörpers können ebenfalls die verschiedensten Metalle und Legierungen sowie die verschiedenen Ke ramiken, zellulosehaltige Materialien oder auch Kunststoffe verwendet werden. Dabei können für die Ausbildung des Kernes neben dem Hüllkörpermaterial auch solche Materialien verwendet werden, deren Schmelz- bzw. Sintertemperatur unter der Schmelztem peratur des Hüllkörpermaterials liegen.For the formation of the core inside a sol Chen envelope can also be the most diverse Metals and alloys as well as the various Ke ramiken, cellulosic materials or Plastics are used. Here, for the Formation of the core next to the envelope material also such materials are used, the Melting or sintering temperature below the melting point temperature of the envelope material.
Für den Fall, daß der Kern aus dem Hüllkörpermaterial oder einem höherschmelzenden Material als dies das Hüllkörpermaterial ist, bestehen soll, kann der Hüll körper beim Einfüllen der entsprechenden Schmelze oder beim Aufschmelzen von außen gekühlt werden. In the event that the core is made of the envelope material or a higher melting material than this Envelope material is intended to exist, the envelope can body when filling the corresponding melt or cooled from the outside when melting.
Der Hüllkörper kann, wie bereits erwähnt, mit einer minimalen Wandstärke von 0,1 mm hergestellt und dabei eine Rauhtiefe Rz von 20 bis 200 µm erreicht werden, so daß für viele Anwendungsfälle auf eine entspre chende Nachbearbeitung der Oberfläche des Hüllkörpers verzichtet werden kann. Für das Laserstrahl-Präzi sions-Auftragschweißen können relativ preiswerte CO2- oder Nd : YAG-Laser mit relativ geringer Leistung un terhalb 1 kW verwendet werden, so daß der anlagen technische Aufwand, insbesondere unter dem Kosten aspekt begrenzt bleibt.As already mentioned, the enveloping body can be produced with a minimum wall thickness of 0.1 mm and a roughness depth R z of 20 to 200 μm can be achieved, so that a corresponding reworking of the surface of the enveloping body can be dispensed with for many applications. Relatively inexpensive CO 2 - or Nd: YAG lasers with a relatively low power below 1 kW can be used for laser beam precision build-up welding, so that the technical outlay remains limited, particularly with regard to costs.
Stehen einmal die für die Herstellung eines entspre chenden Formkörpers erforderlichen 3D-CAD-Daten zur Verfügung, können weitere solcher Formkörper ohne weiteres identisch reproduziert werden, was insbeson dere bei der Herstellung von entsprechenden Formwerk zeugen, die in größeren Abständen ersetzt werden müs sen, bedeutsam ist.Stand once for the production of a corresponding 3D mold data required for the corresponding molded body Available, more such moldings without further reproduced identically, which in particular in the manufacture of appropriate molding testify that need to be replaced at larger intervals is important.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist aber auch dann besonders vorteilhaft, wenn die Konstruktion eines Formkörpers teilweise verändert wird, so daß diese Änderungen relativ einfach berücksichtigt und dement sprechend geänderte neue Formkörper sehr schnell her gestellt werden können, wie dies beispielsweise für bestimmte Prototypen, die in Versuchsreihen Verwen dung finden, häufig erforderlich ist.However, the method according to the invention is also then particularly advantageous if the construction of a Shaped body is partially changed so that this Changes are taken into account relatively easily and are demented speaking changed new moldings very quickly can be asked, such as for certain prototypes that are used in test series finding is often required.
Die erfindungsgemäße Lösung kann aber auch unter Rückgriff auf aus der Technik des selektiven Laser sinterns bekannte Erkenntnisse durchgeführt werden, was sich insbesondere dann vorteilhaft auswirkt, wenn zumindest ein Hüllkörper aus einem Keramikmaterial hergestellt werden soll. The solution according to the invention can also under Use of selective laser technology known knowledge is carried out internally, which is particularly advantageous if at least one envelope made of a ceramic material to be manufactured.
Mit dem Verfahren des selektiven Lasersinterns können auch Hüllkörper hergestellt werden, die keine dichte Struktur aufweisen, sondern die Wände eines solchen Hüllkörpers in bestimmten Grenzen auch porös sind, wobei eine solche Porösität sowohl mit Keramik, wie auch mit Metallen erreicht werden kann. Ein solcher poröser Hüllkörper kann nun wieder mit einem entspre chenden Kernmaterial befüllt werden. Werden solche Kernmaterialien verwendet, die beispielsweise für verschiedenste Fluide absorbierende Eigenschaften aufweisen, können solche fertigen Formkörper als Speicherelemente für ein solches Fluid Verwendung finden.Using the selective laser sintering process envelopes can also be produced that are not sealed Have structure, but the walls of such Envelope are also porous within certain limits, such porosity with both ceramics, such as can also be achieved with metals. Such a porous envelope can now correspond with a core material. Become such Core materials used, for example, for various fluid-absorbing properties have such finished moldings as Storage elements for such a fluid use Find.
Es können aber auch andere Materialien, wie z. B. zel lulosehaltige Materialien in einen solchen Hüllkörper eingefüllt werden und ein solcher Formkörper kann dann, z. B. als Filter verwendet werden, wobei bei spielsweise eine Grobfilterung mit dem porösen Hüll körper und eine Feinfilterung mit dem befüllten Kern material erreicht werden kann.But other materials, such as. B. zel materials containing lulose in such an envelope can be filled and such a shaped body then, e.g. B. can be used as a filter, with for example, a rough filtering with the porous envelope body and a fine filter with the filled core material can be achieved.
Die erfindungsgemäßen Formkörper können, in kompakter Form, d. h. als nahezu Vollkörper durch selektives Lasersintern hergestellt werden, wenn das überschüs sige Pulver nicht aus dem fertigen Hüllkörper ent fernt, sondern das im Inneren des Hüllkörpers ver bliebene Pulver durch Erwärmung aufgeschmolzen bzw. gesintert wird, so daß ein nun in Gänze aus dem gleichen Material bestehender Vollformkörper herge stellt werden kann.The moldings according to the invention can be compact Shape, d. H. as an almost full body through selective Laser sintering can be produced if that is too much not powder from the finished envelope remotely, but ver inside the envelope remaining powder melted by heating or is sintered, so that a whole from the same material of existing full molded body can be put.
Wird mit höheren Energien, als beim selektiven Lasersintern gearbeitet, so kann der Hüllkörper, wie vom selektiven Lasersintern bekannt, durch vollstän digen schichtweisen Pulverauftrag hergestellt werden, wobei die schichtweise Stabilisierung nicht durch Sintern, sondern durch Verschweißen der Pulverparti kel erreicht werden kann.Is with higher energies than with selective Laser sintered, so the envelope can, like known from selective laser sintering, through complete layers of powder are produced, the layer-by-layer stabilization does not go through Sintering, but by welding the powder batches together kel can be achieved.
Ein Formkörper kann auch aus einem Hüllkörper, der mit einem geeigneten Pulver befüllt ist, hergestellt werden, in dem das den Kern bildende Pulver im Hüll körper durch heißisostatisches Pressen gesintert wird. In diesem Falle sollte jedoch der Hüllkörper eine ausreichende Festigkeit aufweisen und Poren bzw. Öffnungen für die erforderliche Druckbeaufschlagung aufweisen.A molded body can also consist of an enveloping body is filled with a suitable powder in which the powder forming the core in the shell body sintered by hot isostatic pressing becomes. In this case, however, the envelope should have sufficient strength and pores or Openings for the necessary pressurization exhibit.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit Vorrichtungen durchgeführt werden, bei denen eine Relativbewegung eines Laserstrahles in bezug zu einer Bauplattform, auf der der Hüllkörper schichtweise aufgebaut werden soll, zumindest in zwei orthogonal zueinander ausge richteten Achsen möglich ist. Es sollte außerdem eine Bewegung der Bauplattform orthogonal zur Ebene der Bauplattform oder mittels einer Strahlformungseinheit die Lage des Fokuspunktes verändert werden können, wobei hier auf bekannte Antriebe und Strahlführungs elemente, wie beispielsweise Scannerspiegel, zurück gegriffen werden kann.The method according to the invention can be carried out with devices be carried out with a relative movement a laser beam in relation to a construction platform, on which the envelope is built up in layers should, at least in two orthogonal to each other aligned axes is possible. It should also be a Movement of the building platform orthogonal to the plane of the Construction platform or by means of a beam shaping unit the position of the focus point can be changed, here on known drives and beam guidance elements such as scanner mirrors can be gripped.
Insbesondere beim Laserstrahl-Präzisions-Auftrag schweißen sollte der Laserstrahl unter Verwendung eines Laserbearbeitungskopfes zumindest teilweise geführt werden. Dabei kann in dem Laserbearbeitungs kopf sowohl die Pulverzuführung, wie auch eine Gas führung integriert sein. Das zugeführte Gas kann ein mal für die Förderung des Pulvers sorgen und zum an deren auch als Schutzgas fungieren. Especially when it comes to precision laser beam application should use the laser beam to weld of a laser processing head at least partially be performed. It can in the laser processing head both the powder feed and a gas leadership must be integrated. The gas supplied can be a times to promote the powder and to whose also act as a protective gas.
Es kann aber auch, wie bisher bei den herkömmlichen selektiven Lasersinterverfahren, das Pulver aus einem Vorratsbehälter mittels eines Rakels, der auch die Schichtdickendosierung einer einzelnen Pulverschicht übernehmen kann, schichtweise aufgetragen werden. Dabei werden alternierend im Wechsel eine Pulver schicht aufgetragen und selektiv bestimmte Bereiche dieser aufgetragenen Schicht durch Laserstrahlerwär mung gesintert bzw. verschweißt.But it can also, as has been the case with conventional systems selective laser sintering process, the powder from a Storage container by means of a squeegee, which is also the Layer thickness metering of a single powder layer can be applied in layers. This alternately turns into a powder layer applied and selectively certain areas this applied layer by laser radiation heat sintered or welded.
Eine solche Vorrichtung kann außerdem dadurch ergänzt werden, daß zusätzlich zumindest eine zerspanende oder eine Erodiereinheit vorhanden ist/sind, die ebenfalls in mindestens zwei orthogonal zueinander ausgerichteten Achsen manipulierbar sind, so daß ent sprechende Bearbeitungen am zumindest teilweise fer tigen Hüllkörper vorgenommen werden können, ohne daß ein entsprechender Maschinenwechsel mit zusätzlichem Zeitaufwand erforderlich wird.Such a device can also be supplemented by this be that in addition at least one cutting or an eroding unit is / are that also in at least two orthogonal to each other aligned axes can be manipulated so that ent talking edits at least partially fer term envelope can be made without a corresponding machine change with additional Time is required.
Eine zerspanende Bearbeitungseinheit oder auch eine Erodiereinheit können auch Bestandteil eines Industrieroboters oder mit einem solchen verbunden sein, so daß eine hohe Flexibilität bei der mechani schen Bearbeitung an einem Hüllkörper erreicht werden kann.A machining unit or one Eroding unit can also be part of a Industrial robot or connected to one be, so that a high flexibility in the mechani machining on an envelope can be achieved can.
Nachfolgend soll die Erfindung an Beispielen be schrieben werden.The invention is intended to be based on examples be written.
Es sollen Parameter genannt werden, wie ein Flügel zellenrad mit der Erfindung hergestellt werden kann. Dabei wird der Hüllkörper mit dem Laserstrahl- Präzisions-Auftragschweißverfahren hergestellt. Für den Hüllkörer wird ein aus 60 Masse-% WC/Co und 40 Masse-% NiBSi bestehendes Pulver verwendet und der Hüllkörper entsprechend der gewünschten Außenkontur des Flügelzellenrades mit einem CO2-Laser, der eine Leistung von 3,5 kW erreicht, hergestellt. Die Rela tivgeschwindigkeit Hüllkörper zu Laserstrahlbewegung liegt bei ca. 250 mm/min und es wird mit einer Laserintensität im Strahlfleck, von 1,5 × 104 W/cm2 gearbeitet.Parameters should be mentioned as to how a vane cell wheel can be manufactured with the invention. The envelope is manufactured using the laser beam precision cladding process. A powder consisting of 60 mass% WC / Co and 40 mass% NiBSi is used for the enveloping body and the enveloping body is produced according to the desired outer contour of the vane wheel with a CO 2 laser that achieves a power of 3.5 kW. The relative speed of the enveloping body to the laser beam movement is approx. 250 mm / min and it is worked with a laser intensity in the beam spot of 1.5 × 10 4 W / cm 2 .
Als Förder- und Schutzgas wird Argon verwendet.Argon is used as the conveying and protective gas.
Der Kern eines solchen Flügelzellenrades wird aus einem NiBSi-Pulver, das in den fertigen Hüllkörper gefüllt worden ist, gebildet. Das überwiegend Nickel enthaltende Pulver hat zusätzlich 1,5 Masse-% B, 2,3 Masse-% Si und 0,25 Masse-% C. Die Ausbildung des Kernes kann nunmehr durch Aufschmelzen des Pulvers bei Temperaturen im Bereich 1050 bis 1150°C erfol gen.The core of such a vane wheel is made from a NiBSi powder that is in the finished envelope has been filled. Mostly nickel Powder containing has an additional 1.5 mass% B, 2.3 Mass% Si and 0.25 mass% C. The formation of the Kernes can now by melting the powder at temperatures in the range of 1050 to 1150 ° C gene.
Für die Herstellung eines Pumpengehäuses als Alumini umformteil, das als Einzelstück für Versuchszwecke in einem Motor verwendet werden sollte, wird ein Hüll körper aus AlSi10Mg-Pulver unter Verwendung eines Nd : YAG-Lasers durch Laserstrahl-Präzisions-Auftrag schweißen mit einer durchschnittlichen Wandstärke von etwa 1,2 mm hergestellt.For the production of a pump housing as aluminum Formed part, which as a single piece for experimental purposes in an engine should be used will be an envelope AlSi10Mg powder body using a Nd: YAG laser by laser beam precision order welding with an average wall thickness of made about 1.2 mm.
Der so erhaltene Hüllkörper wird mit dem gleichen AlSi10Mg-Pulver befüllt, wobei hier eine Schmelze verwendet wird. Dabei kann die Befüllung in mehreren Schritten stufenweise vorgenommen werden. Die Schmelztemperatur dieses Materials liegt bei 590°C.The envelope thus obtained is the same AlSi10Mg powder filled, here a melt is used. The filling can be done in several Steps are carried out in stages. The The melting temperature of this material is 590 ° C.
Das fertige Pumpengehäuse hat konstruktiv bedingt lokal verschiedene Wandstärken, wobei große Teile jedoch Wandstärken von etwa 10 mm erreichen. Daraus folgt, daß mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Fertigungszeit eines solchen Pumpengehäuses gegenüber dem herkömmlichen Laserstrahl-Präzisions-Auftrag schweißen stark verkürzt werden kann.The finished pump housing has a design locally different wall thicknesses, with large parts however, achieve wall thicknesses of around 10 mm. Out of it follows that with the inventive method Manufacturing time of such a pump housing compared the conventional laser beam precision order welding can be greatly shortened.
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