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Die Erfindung bezieht sich auf eine
Vorrichtung und auf Verfahren zur Erzeugung von Gegenständen. Insbesondere
bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung und auf Verfahren
zur Erzeugung von Gegenständen
durch Freiformschweißen.
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Die Erzeugung von Gegenständen für Flugtriebwerke
kann durch verschiedene Techniken der Ablagerung eines Schweißmaterials
durchgeführt werden.
Diese Techniken umfassen das Ziehen eines Lichtbogens zwischen zwei
Elektroden, wobei die erste Elektrode in einem Schweißkopf angeordnet
ist, dem Schweißmaterial
zugeführt
wird, das in Form eines Drahtes ausgebildet ist, welcher von einer
Haspel abgespult wird. Die zweite Elektrode hat die Gestalt eines
Substrats oder einer Auflage, auf der das Schweißmaterial abgelagert wird,
um den Gegenstand zu erzeugen. Die Auflage kann die Gestalt einer
Metallplatte haben. Es wird ein inertes Gas dem Schweißkopf zugeführt, während dieser
arbeitet.
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Wenn der Schweißkopf und die Auflage an eine
Spannungsquelle angeschlossen sind, dann wird ein Lichtbogen in
dem inerten Gas gezogen, wodurch der Metalldraht und das Substrat
schmelzen. Dann wird das Metall auf der Auflage in gesteuerter Weise
abgelagert. Der Schweißkopf
ist auf einem Roboterarm gelagert, und die Platte ist auf einem
beweglichen Drehtisch gelagert. Durch Steuerung der Bewegung des
Roboterarms und des Drehtisches kann Metall auf der Platte abgelagert
werden, um Gegenstände
jeder gewünschten
Gestalt zu erzeugen.
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Ein derartiges Verfahren zur Herstellung
von Gegenständen
benutzt einen Schweißkopf
mit einer permanenten Elektrode, und es wird ebenfalls ein getrennter
Metalldraht dem Schweißkopf
zugeführt. Dieses
Verfahren wird allgemein als Wolfram-Inertgas-Schweißung bezeichnet und allgemein
mit TIG-Schweißen
abgekürzt.
Die Benutzung des Wortes „Wolfram" soll als eine Synekdoche
betrachtet werden, und es ist für
den Fachmann klar, dass andere geeignete Materialien als Elektrode
benutzt werden könnten.
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Ein anderes derartiges Verfahren
benutzt eine Opfer-Elektrode im Schweißkopf. Bei dieser Anordnung
bildet der Schweißdraht,
der das Schweißmaterial
liefert, auch die Elektrode und wird durch den Schweißkopf geführt. Dieses
Verfahren ist allgemein bekannt als metallisches Inertgas-Schweißen, das
allgemein als MIG-Schweißen
abgekürzt
wird.
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Die DE-A-34 30 144, die den Oberbegriff
der Ansprüche
1 und 6 bildet, beschreibt eine Vorrichtung zum Aufbau eines Werkstücks auf
einer rotierenden Basis. Die Vorrichtung benutzt gekühlte Formschuhe auf
beiden Seiten der Werkstückwand,
die hierbei aufgebaut wird. Jeder Formschuh wird unabhängig betätigt, um
die Wand zu bilden. Es können,
unter Benutzung dieser Vorrichtung, komplexe Werkstücke mit
Wänden
sich verändernder
Form und Dicke sehr genau hergestellt werden.
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Die FR-A-2 324 405 beschreibt die
Konstruktion von Behältern
mit großer
Kapazität,
beispielsweise von Kernreaktoren. Die Behälter werden auf einer Basis
aus T-Trägern
hergestellt, auf denen ein Lagerring ruht. Der Behälter wird
auf dem Lagerring durch Ablagerung von Metall durch Freiformschweißen erzeugt.
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Ein Problem bei diesen Techniken
besteht darin, dass Spannungen in dem Gegenstand aufgebaut werden
können,
so dass sich der Gegenstand verzieht, wenn er von der Platte freigegeben
wird.
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Nach einem Merkmal der Erfindung
betrifft diese ein Verfahren zur Herstellung eines Gegenstands durch
Freiformschweißen,
wobei das Verfahren einen Schweißkopf und eine Auflage benutzt,
auf der der Gegenstand hergestellt wird, und ein auf der Auflage
abzulagerndes Schweißmaterial
zugeführt wird,
und die Auflage und der Schweißkopf
derart an eine Elektrizitätsquelle
angeschlossen werden, dass ein Lichtbogen zwischen dem Schweißkopf und
der Auflage oder dem Gegenstand gezogen wird, um das Material zu
schmelzen, und wobei ein vorstehender Teil auf der Auflage vorgesehen
ist, und die Auflage und der Schweißkopf relativ zueinander manipuliert werden,
um das Material auf dem vorstehenden Teil abzulagern und darauf
den Gegenstand zu erzeugen, und wobei der erzeugte Gegenstand danach von
dem vorstehenden Teil freigegeben wird, wobei das Verfahren dadurch
gekennzeichnet ist, dass der vorstehende Teil einen ersten Abschnitt
und einen zweiten Abschnitt aufweist, und der Gegenstand auf dem
ersten Abschnitt erzeugt wird, während
der zweite Abschnitt einen schmaleren Querschnitt als der erste
Abschnitt aufweist, und sich von dem ersten Abschnitt nach der Auflage
erstreckt.
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Das Verfahren kann außerdem den
Schritt aufweisen, Schweißkopf
und Auflage relativ zueinander so zu bewegen, dass ein Schweißmaterial
auf der Auflage derart aufgetragen wird, dass der vorstehende Teil
gebildet wird, bevor der Gegenstand auf der Auflage hergestellt
wird.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der
Erfindung betrifft diese eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Gegenstands
durch Freiformschweißen
gemäß dem Anspruch
10, wobei die Vorrichtung einen Schweißkopf, eine Auflage, auf der
der Gegenstand erzeugt wird, und Mittel aufweist, um ein Schweißmaterial
zuzuführen,
wobei die Auflage einen vorstehenden Teil aufweist, der einen ersten
Abschnitt besitzt, auf dem der Gegenstand erzeugt wird, und einen zweiten
Abschnitt aufweist, der sich von dem ersten Abschnitt nach der Auflage
erstreckt, wobei der zweite Abschnitt im Querschnitt schmaler ist
als der erste Abschnitt.
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Die Auflage kann von einem Träger abgestützt werden,
der aus einem Drehtisch besteht, und in eine gewünschte Lage beweglich ist.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der
Erfindung betrifft diese eine Trägeranordnung
zur Benutzung bei einer Vorrichtung zur Erzeugung eines Gegenstands
durch Freiformschweißen
gemäß dem Anspruch
6, wobei die Trägeranordnung
eine Auflage und einen vorstehenden Teil auf der Auflage aufweist,
auf der der Gegenstand erzeugt werden kann.
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Vorzugsweise ist der vorstehende
Teil so ausgebildet, dass er die Wärmeleitung von dem Gegenstand
während
der Erzeugung des Gegenstands verhindert. Der vorstehende Körper kann
einen ersten Abschnitt aufweisen, auf dem der Gegenstand erzeugt
wird, und außerdem
einen zweiten Abschnitt, der sich von dem ersten Abschnitt nach
der Auflage erstreckt, wobei der zweite Abschnitt schmaler im Querschnitt
ist als der erste Abschnitt. Vorzugsweise verjüngt sich der erste Abschnitt
einwärts
nach dem zweiten Abschnitt. Der zweite Abschnitt kann sich nach
außen
nach der Auflage hin erweitern.
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Das Schweißmaterial kann eine Titanlegierung,
beispielsweise Titan 6/4 sein, die 6 Aluminium und 4% Vanadium enthält, oder
das Schweißmaterial kann
irgendeine andere geeignete Legierung sein.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel
hat der vorstehende Körper
die Form einer Wandung, die sich auf dem Grundkörper herum erstreckt, und vorzugsweise
kreisförmig
ausgebildet ist.
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Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben; in der Zeichnung zeigen:
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1 ist
eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung zur Herstellung
eines Gegenstands;
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2 ist
eine Draufsicht einer Trägeranordnung
zur Benutzung in Verbindung mit der Vorrichtung nach 1; und
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3 ist
ein Schnitt längs
der Linie III-III gemäß 2.
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In 1 ist
eine Vorrichtung 10 gezeigt, die zur Herstellung eines
Gegenstands durch Ablagerung eines Schweißmaterials dient. Die Vorrichtung 10 weist
einen Lichtbogen-Schweißkopf 12 auf,
der am freien Ende eines Trägermechanismus
in Gestalt eines Roboterarms 14 montiert ist. Der Roboterarm 14 weist
eine Basis 16 auf, auf der schwenkbar mehrere Abschnitte 18 lagern,
die um eine Vielzahl von Achsen 20 schwenkbar sind, so
dass der Schweißkopf 12 in
jede gewünschte
Position überführt werden
kann. Der Schweißkopf 12 weist
eine erste Elektrode 19 auf.
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Eine Vorratstrommel 22 mit
Metalldraht 24 ist in Form einer Haspel ausgebildet, um
die der Draht 24 herum aufgewickelt ist. Das Metall ist
eine Titanlegierung, beispielsweise Titan 6/4, mit 6% Aluminium und
4% Vandium. Der Draht 24 wird von der Haspel 22 nach dem
Schweißkopf 12 derart überführt, dass das
Ende des Drahts 24 kurz unter der Spitze des Schweißkopfs 12 liegt.
Der Draht 24 wird durch geeignete Haltemittel 26 an
Ort und Stelle gehalten.
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Die Vorrichtung 10 weist
auch eine Zuführung
eines inerten Gases, in Form eines Zylinders 28 auf, von
dem ein Schlauch 30 nach dem Schweißkopf 12 durch ein
Rohr verläuft,
das sich benachbart zum Roboterarm 14 erstreckt. Das Gas
ist irgendein geeignetes inertes Gas oder es sind inerte Gase oder Kombinationen
von inerten und aktiven Gasen, beispielsweise von Argon oder Argon/Kohlendioxid
und hierdurch wird ein Medium geschaffen, in dem ein Lichtbogen
gebildet wird, wie dies weiter unten beschrieben wird.
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Unter dem Schweißkopf 12 sind Trägermittel 34 angeordnet,
die aus einem Drehtisch 36 bestehen, der auf einer Plattform 38 montiert
ist. Die Plattform ist schwenkbar, wie durch den Pfeil A angedeutet, über ein
Gelenk 40 mit einem Ständer 42 verbunden,
der seinerseits drehbar, wie durch den Pfeil B angegeben, auf einem
Basisteil 44 ruht.
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Eine in 1 nicht dargestellte Auflage ist auf
dem Drehtisch 36 montiert. Die Auflage besitzt einen Träger, auf
dem das Material des Drahtes 24 abgelagert wird, um den
Gegenstand zu erzeugen. Gemäß dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
hat der Träger
die Gestalt einer Grundplatte 52 (3), auf der der Gegenstand hergestellt
wird. Die Grundplatte 52 bildet eine zweite Elektrode,
wobei ein Lichtbogen zwischen der ersten Elektrode im Schweißkopf und der
zweiten Elektrode gezogen wird, die in Gestalt einer Grundplatte 52 ausgebildet
ist.
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Steuermittel in Gestalt eines Computers 46 steuern
die Bewegung der Auflage 34 und des Roboterarms 14 und
hierdurch wird auch die Zufuhr von Argon und die Zuführung 22 für den Metalldraht 24 eingestellt.
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Ein Gehäuse 150 definiert
eine Kammer 152, die den Arm 14 und die Auflage 34 umschließt, wodurch
auch die Trägeranordnung 48 und
der darauf herzustellende Gegenstand umschlossen ist. Bei dem dargestellten
Ausführungsbeispiel
sind der Zylinder
28 mit dem inerten Gas und der Computer 46 in
dem Gehäuse 150 enthalten.
Das Gehäuse 150 kann
aus einem geeigneten starren Material, beispielsweise Aluminium,
oder aus Plastikmaterial bestehen. Das Gehäuse kann auch Fenster aufweisen, damit
der auf diese Weise hergestellte Gegenstand beobachtet werden kann,
und es kann eine Tür
angeordnet werden, um die Innenseite des Gehäuses 150 zugänglich zu
machen.
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Eine zweite Zufuhr eines inerten
Gases in Form eines zweiten Zylinders 154 ist vorgesehen,
um inertes Gas, beispielsweise Argon, über ein Rohr 156 so
in die Kammer 152 einzuführen, dass die Atmosphäre innerhalb
der Kammer 152 im wesentlichen sauerstoff-frei wird, oder
wenigstens weniger als 40 ppm Sauerstoff darin enthalten ist, und
die Atmosphäre
im wesentlichen frei ist von Stickstoff oder wenigstens weniger
als 140 ppm Stickstoff enthält.
Gemäß dem dargestellten
Ausführungsbeispiel
nach 1 wird das Argon
der Kammer 152 kurz über dem
Boden 160 zugeführt.
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Das Argongas wird mit einer Menge
von 300–400
l/min zugeführt.
Diese Zuführungsrate
für das
Argongas ist erforderlich, um Turbulenzen zu erzeugen und dadurch
eingeschlossene Lufttaschen innerhalb der Kammer 150 zu
entfernen.
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Die Luft und das der Kammer 152 zugeführte Argongas
werden über
ein Ventil 162 oder mehrere Ventile evakuiert, die an der
Oberseite des Gehäuses angeordnet
sind.
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In 2 ist
eine Auflage zur Montage auf dem Drehtisch 36 dargestellt.
Die Auflage ist kreisförmig
im Grundriß und
besteht aus einer Basisplatte 50 aus Stahl, auf der eine
Grundplatte 52 angeordnet ist, welche die gleiche Größe und Gestalt
wie die Basisplatte 50 hat. Die Grundplatte 52 besteht
aus einem Material, das konform ist mit dem Material des Drahtes 24,
das heißt
die Grundplatte besteht aus einem Material, welches ähnliche
metallurgische Eigenschaften wie das Material des Drahtes 24 hat.
Beispielsweise besteht bei dem Ausführungsbeispiel die Grundplatte 52 aus
einer Titanlegierung.
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Ein äußerer ringförmiger Sicherungskörper 54 ist
auf der Oberseite der Grundplatte 52 angeordnet und mit
einer Vielzahl von Löchern 56 versehen, die
den Gewindelöchern 58 in
der Grundplatte 52 und den Gewindebohrungen 60 in
der Basisplatte 50 entsprechen.
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Durch die Löcher 56 sind Schrauben
oder Bolzen 62 geführt
und in die Gewindelöcher 58 und 60 eingeschraubt,
um den Ringkörper 54 an
der Grundplatte 52 festzulegen, und um dadurch die Grundplatte 52 an
Ort und Stelle zu sichern.
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Ein zentraler Sicherungsring 64 ist
ebenfalls auf der Oberseite der Grundplatte 52 angeordnet
und dieser definiert mehrere Löcher 66,
die den Gewindelöchern 68 in
der Grundplatte und den Gewindelöchern 70 in
der Basisplatte 50 entsprechen. Mehrere Schrauben 72 sind
in die Löcher 66 eingeschraubt, um
den zentralen Ring 64 auf der Grundplatte 52 zu sichern
und um dadurch die Grundplatte 52 zu sichern.
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Die Auflage ist am Drehtisch 36 durch
geeignete bekannte Sicherungsmittel befestigt, die durch eine zentrale Öffnung 73 hindurchlaufen
und sich vollständig
durch die Auflage erstrecken.
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Dann wird eine Ringwand 74 auf
der Grundplatte 52 durch das oben beschriebene Freiformschweißen aufgebracht.
Dies geschieht dadurch, dass der Drehtisch 36 gedreht und
der Schweißkopf 12 relativ
zur Grundplatte 52 derart bewegt wird, dass die Wand 74 durch
Erzeugung kontinuierlicher Ringlagen aus Schweißmaterial aufgebaut wird.
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Gemäß 3 besteht die Wand 74 aus einem
ersten Abschnitt 76, auf dem der Gegenstand hergestellt
wird. Der erste Abschnitt 76 verjüngt sich nach innen an einem
unteren Abschnitt 77 nach einem zweiten Abschnitt 78 hin.
Der zweite Abschnitt 78 erstreckt sich von dem ersten Abschnitt 76 nach unten
und hat einen kleineren Querschnitt als der erste Abschnitt 76.
Ein unterer Bereich 79 des Abschnitts 78 erweitert
sich nach außen
nach der Grundplatte 52 hin.
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Auf diese Weise erhält die Wand 74 einen
allgemeinen stundenglasförmigen
Querschnitt und der schmalere zweite Abschnitt 78 wirkt
als Begrenzung für
die Wärmeleitung
von dem ersten Abschnitt 76. Dies hat den Vorteil, dass
dann wenn der Gegenstand auf dem ersten Abschnitt 76 durch
das oben beschriebene Verfahren abgelegt wird, einige Wärme durch
den ersten Abschnitt 76 absorbiert wird. Indem die Wärmeleitung
von dem ersten Abschnitt 76 weg begrenzt wird, kann die
Wärme in
dem Gegenstand zurückgehalten werden,
und infolgedessen werden die Beanspruchungen, die in dem so hergestellten Gegenstand
eingeführt
werden, vermindert. Deshalb besteht nur eine geringe Gefahr, dass
sich der Gegenstand deformiert, wenn er freikommt, indem er von
der Wand 74 abgeschnitten wird.
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Im Betrieb sind sowohl der Drehtisch 36 als auch
der Schweißkopf 12 beide
an eine Elektrizitätsquelle
angeschlossen und Argon wird über
die Leitung 30 vom Zylinder 28 nach dem Schweißkopf 12 überführt, um
eine Argon-Abschirmung um die Elektrode des Schweißkopfs 12 herum
zu bilden, und diese erstreckt sich nach der Grundplatte 52 oder
jenen Teil des Gegenstands auf den gerade eingewirkt wird. Das Argongas
wird ionisiert, um ein Plasma zu bilden, und es wird ein Lichtbogen
zwischen der ersten Elektrode 19 im Schweißkopf 12 und
der Grundplatte 52 gebildet. Der Lichtbogen erzeugt eine
hohe Temperatur, die ausreicht, um das Material der Grundplatte 52 in
der Nähe
des Lichtbogens zu schmelzen, und um das Ende des Drahts 24 zu schmelzen,
das sich auch in der Nähe
des Lichtbogens befindet. Dieses vom Draht 24 abgeschmolzene
Material und die Grundplatte 52 bilden ein geschmolzenes
Schweißbad.
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Die Lage des Schweißkopfs 12 relativ
zum Drehtisch 36 wird durch den Computer 46 gesteuert, in
dem sowohl die Lage des Schweißkopfs 12 als auch
die Lage des Drehtisches 36 eingestellt werden. Der Computer 46 steuert
außerdem
die Zuführungsrate
des Drahts 24. Durch geeignete Manipulation des Schweißkopfs 12 relativ
zum Drehtisch kann ein Bauteil, beispielsweise zur Benutzung in
einem Gasturbinentriebwerk, schichtweise durch Ablagerung des Schweißmaterials
vom Draht 24 aufgebaut werden. Wenn der Bauteil teilweise
hergestellt ist, lagert der Schweißkopf 12 Material
auf dem Bauteil ab und nicht mehr auf der Grundplatte 52.
Infolgedessen erstreckt sich die Abschirmung von dem Schweißkopf 12 nach
dem Teil des Gegenstands der hergestellt wird, und der Lichtbogen
wird zwischen dem Schweißkopf 12 und
dem Gegenstand gebildet.
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Die Bildung der Wand 74 wird
durch das oben beschriebene Ablagerungsverfahren erzeugt. Die verschiedenen
Breiten an unterschiedlichen Teilen der Wand 74 können entweder
durch Veränderung
der Drehgeschwindigkeit des Tisches oder durch Veränderung
der Bogenenergie oder durch beide geändert werden.
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Um die Wand 74 zu erzeugen
wird der Tisch kontinuierlich gedreht, und die Bogenenergie wird
so gewählt,
dass auf der Grundplatte 52 Schweißmaterial abgelagert wird,
das geeignet ist zur Erzeugung des sich verjüngenden Bereichs 79.
Dadurch dass langsam die Drehgeschwindigkeit des Tisches vergrößert oder
die Bogenenergie verringert wird, kann die Menge von Schweißmaterial,
die abgelagert wird, derart vermindert werden, dass die Ablagerung
nach innen nach dem zweiten Abschnitt 78 vermindert wird.
Die Bedingungen der Ablagerungen werden dann konstant gehalten,
um den zweiten Abschnitt 78 aufzubauen.
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An der Oberseite des zweiten Abschnitts 78 werden
die Bedingungen wiederum geändert,
um die Menge von abgelagertem Schweißmaterial zu erhöhen. Diese
Veränderung
ist wiederum graduell, so dass der sich verjüngende Abschnitt am unteren
Teil 77 hergestellt wird. Dies wird entweder durch Verringerung
der Drehgeschwindigkeit des Drehtischs 36 oder durch Erhöhung der
Bogenenergie oder durch beide Maßnahmen erreicht. Wenn der
sich verjüngende
untere Abschnitt 77 vollendet ist, werden die Bedingungen
aufrechterhalten, bis der erste Abschnitt 76 voll abgelagert
ist.
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Auf diese Weise wird ein vorstehender
Abschnitt auf einer Grundplatte zur Benutzung bei einer Freiformablagerung
erreicht, wodurch die Wärmeleitung
von dem Gegenstand der darauf erzeugt werden soll abgeleitet wird,
wodurch die Beanspruchungen in dem Gegenstand vermindert werden,
und eine Verformung des Gegenstands verhindert wird, wenn der Gegenstand
von der Wand freigegeben wird.
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Es können verschiedene Abwandlungen
getroffen werden, ohne vom Rahmen der Erfindung abzuweichen. Bei
dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel
wurde eine Wolfram-Inertgas-Verschweißung vorgenommen (TIG), bei
der Metalldraht 24 von der Elektrode 19 getrennt
ist. Das Verfahren und die Vorrichtung können aber auch mit einem metallischen
Inertgas-Schweißverfahren
(MIG) benutzt werden, wobei der Draht 24 durch die Mitte
des Schweißkopfs 12 zugeführt wird
und die erste Elektrode 19 bildet, die während des
Ablagerungsprozesses verbraucht wird.