EP2534280A1 - Verfahren zur herstellung eines bauteils und ein derartiges bauteil - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines bauteils und ein derartiges bauteil

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EP2534280A1
EP2534280A1 EP11711016A EP11711016A EP2534280A1 EP 2534280 A1 EP2534280 A1 EP 2534280A1 EP 11711016 A EP11711016 A EP 11711016A EP 11711016 A EP11711016 A EP 11711016A EP 2534280 A1 EP2534280 A1 EP 2534280A1
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EP
European Patent Office
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layer
component
core
sections
load
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EP11711016A
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English (en)
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EP2534280B1 (de
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Manuel H. Hertter
Andreas Jakimov
Marcin Olbrich
Mihaela-Sorina Seitz
Jürgen Kraus
Bertram Kopperger
Klaus Broichhausen
Hans Banhirl
Erwin Bayer
Wolfgang Werner
Eberhard Knodel
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MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Aero Engines GmbH
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Publication date
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Publication of EP2534280B1 publication Critical patent/EP2534280B1/de
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Anticipated expiration legal-status Critical

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D—PROCESSES FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05D1/00—Processes for applying liquids or other fluent materials
    • B05D1/02—Processes for applying liquids or other fluent materials performed by spraying
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
    • C23C24/02—Coating starting from inorganic powder by application of pressure only
    • C23C24/04—Impact or kinetic deposition of particles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
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    • F01D5/28—Selecting particular materials; Particular measures relating thereto; Measures against erosion or corrosion
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    • Y10T428/24479—Structurally defined web or sheet [e.g., overall dimension, etc.] including variation in thickness

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a component and a component produced in this way according to the preamble of patent claim 9.
  • Vibration resistance or low brittleness at high hardness Vibration resistance or low brittleness at high hardness.
  • the components are made of reinforced metal alloys, which can only be processed by conventional manufacturing processes to a limited extent. Furthermore, it is disadvantageous that most of the entire body of the component consists of this metal alloy, so that individual component areas are not optimized individually depending on the load occurring. Furthermore, the metal alloy is mostly limited to a consideration of structural properties such as fatigue strength and weight. To achieve, for example, a high abrasion resistance or temperature resistance, the component is usually coated with a corresponding protective layer, which is applied in a subsequent and thus further manufacturing process. For example, in US Pat. No. 6,365,222 B1 it is proposed to coat a blade ring of a compressor with a friable protective layer by cold gas spraying.
  • a disadvantage of the abovementioned cold gas spraying techniques is that the applied layers only have external properties such as temperature resistance and abrasion resistance of the building partly positively influence. Structural properties such as increasing the fatigue strength are not achievable with the known cold gas spraying. Furthermore, it is disadvantageous that the conventional production methods severely restrict the shape or geometry of the components, which in turn can adversely affect the component properties.
  • the object of the present invention is to provide a method for producing a component which eliminates the aforementioned disadvantages and has the individualized component regions adapted to a respective load, and also a component produced in this way with optimized component regions.
  • At least one load line of the component is calculated. Then, a core for the component is provided. Subsequently, at least in sections, a layer is applied by cold gas spraying onto the core, wherein at least one layer section is formed in the layer, the material and orientation of which is selected according to the load line.
  • the inventive method has the advantage that the component can be optimally dimensioned according to its required properties.
  • the core serves virtually only as a substrate or support for the layer, in which due to the different materials and the consideration of the respective load lines, the required properties are integrated.
  • component regions with a high fatigue strength can consist of a different material and have a different geometry than component regions with a high temperature resistance.
  • a hybrid-like layer is created, which is optimally adapted to the mechanical loads, so that actually conflicting requirements can be optimally combined.
  • the provision and attachment of separate structural reinforcement structures is no longer necessary.
  • the inventive type of cold spraying technique relatively soft and quasi-organic overflowing transitions between the different materials are created.
  • This type of transitions avoids a step formation and thus allows a harmonious load introduction and load distribution in or on the component. Furthermore, it is advantageous that for the construction of the building partly only one manufacturing method, namely the cold gas spraying is used. The application of several different methods is therefore not necessary.
  • the layer is applied in different layer thicknesses. This allows a flexible design of the component form or of component regions, regardless of the shape and size of the core.
  • the layer thickness can certainly move in the centimeter range, so that, for example, rib-like reinforcing elements arise.
  • the production of the layer section can be strip-like in a width corresponding to a coverage distribution of a sprayed jet or by means of a mask that covers the areas on which the material is not to be applied during spraying.
  • a plurality of layer sections are applied, the interstices of which are filled at least occasionally with another type of material.
  • an optimal load structure is created, whose course corresponds to the load lines, wherein the material in the spaces next to the pure leveling serves to stabilize the layer sections.
  • a plurality of layers are applied.
  • a cover layer which defines a closed upper or outer surface of the component.
  • the component can be subjected to a removing and / or hardening post-processing.
  • a component according to the invention has a core which, at least in sections, has a layer applied by cold gas spraying.
  • the layer comprises at least one layer section whose material and orientation is selected according to at least one calculated load line.
  • Such a component has optimum component properties and can be produced in almost any shape or in any geometry.
  • the layer completely surrounds the core, so that the material and the shape of the Kems is almost freely selectable and the core can be performed, for example, weight optimized and / or optimal adhesion conditions for the applied layer has.
  • a plurality of layer sections are provided for forming a load structure, which can form dendritic and / or organic structural sections for harmonic load initiation and load transfer.
  • the materials differ from at least some structural sections. This allows the materials to be individually adjusted to the loads.
  • the core which can be both sheet-like and skeletal or framework-like, can consist of almost any material. In one exemplary embodiment, it consists of a different material or materials than the layer.
  • the method according to the invention can also be used when, for example, components have to be marked without negatively influencing their strength properties. Examples are the counterfeit-proof marking of metallic or hybrid components with manufacturer's mark or series marking. Likewise, the inventive method for aesthetic or practical design of everyday objects such as knife cutting and jewelry application can be found.
  • FIG. 1 shows a cross section through a first component according to the invention
  • FIG. 2 shows a detailed representation of the component from FIG. 1,
  • FIG. 3 shows a further detailed representation of the component from FIG. 1,
  • FIG. 4 shows a longitudinal section through a second component according to the invention
  • Figure 5 shows a cross section through the component of Figure 4,
  • FIG. 6 shows a cross section through a third component according to the invention.
  • FIG. 1 shows a cross section through a greatly simplified component 2 according to the invention.
  • the component 2 has a full-body-like core 4, which is encased by a layer 6.
  • the layer 6 was applied by cold gas spraying and, according to the invention, absorbs the actual load on the component 2. It has a nose-like loading structure 8 which extends away from the core 4 and runs along calculated load lines such as stress and force lines.
  • the layer 6 is applied in different layer thicknesses and surrounded to form a closed surface 10 by a cover layer 12 with a constant layer thickness, which was also applied by cold gas spraying.
  • the layer thicknesses and the materials of the layer 6, the load structure 8 and the cover layer 12 are selected according to the loads to be absorbed and can accordingly vary.
  • the core 4 serves primarily as a substrate for the layer 6 and accordingly has a core material which is chosen virtually independent of the loads to be absorbed. Due to the sheathing of the core 4 with the layer 6 or the cover layer 12, its outer contour has in principle no influence on the desired geometry or final contour of the component 2. This is defined exclusively by the layer 6 or the cover layer 12.
  • FIG. 2 shows a plan view of a partial region of the component 2 according to the invention in the region of a further loading structure 8, not shown in FIG. 1, which runs along load lines.
  • the load structure 8 extends away from the core 4 and has a plurality of layer sections 14 or reinforcing elements, which are applied by cold gas spraying.
  • the material of the respective layer section 14 is selected according to the load to be absorbed. Likewise, their geometry corresponds to the expected load and can vary individually.
  • a free end portion 16 of the load structure 8 is formed triangular or ramp-like and merges steplessly into the core 4.
  • the layer sections 14 define interspaces 18 which are filled with a different material than the layer sections 14 by cold gas spraying.
  • the load structure 8 with the filled-in spaces 18, i. the layer 6 is, as explained in Figure 1 of the cover layer 12 to form the closed surface 10 sheathed.
  • the layer 6 has in cross-section a multiplicity of approximately oval layered bodies 20 with peripheral projections which, according to the load lines, consist of various NEN materials and are arranged according to the load lines to each other.
  • the different materials are represented in FIG. 3 by the different hatchings-strip-like and dotted.
  • the laminates 20 Due to the application of the cold gas injection technique according to the invention, the laminates 20 apparently interlock and thereby form relatively soft and organic transitions, which has an advantageous effect on the introduction or absorption and distribution of the load on the component 2.
  • 20 air chambers 22 are formed selectively between the laminates depending on the function of each layer area.
  • the air chambers 22 can be designed specifically for influencing the damping behavior or the heat transfer, for example.
  • FIGS. 4 and 5 show sections through a second component 2 according to the invention.
  • This has a discrete load structure 8, which is formed from a multiplicity of rib-like reinforcing elements 26a, 26b or layer sections spaced apart from each other and running parallel to each other.
  • the reinforcing elements 26a, 26b have a rectangular cross-section and extend for optimal adjustment of the component 2 with regard to its strength, its vibration behavior and, for example, its temperature behavior along expected or occurring load and force lines.
  • the reinforcing elements 26a, 26b are therefore set at an angle ⁇ to the component longitudinal axis. They are applied in layers by cold gas spraying, wherein their width b preferably corresponds to the coverage angle of the sprayed jet. As indicated by the hatching they consist of a different material than the base material or core material of the component 2 and are fully enclosed in the base material or covered by this.
  • the material of the reinforcing elements 26a, 26b depends on the expected or occurring loads.
  • FIG. 6 shows a cross-section through a third component 2 according to the invention, the load structure 8 of which forms the surface 10 of the component 2 in sections from a multiplicity of rib-like reinforcing elements 26a, 26b or layer sections with a rectangular cross section.
  • the reinforcing elements 26 are formed in such a way in the component 2 or integrated in this that a their outer surfaces 28 is exposed and flush merges into the surface 10 of the component 2. Due to the different materials between the base material of the component 2 and the material of the reinforcing elements 26a, 26b, this embodiment is particularly suitable for the formation of the component 2 with zonal surface different hardnesses and / or abrasion resistance.
  • the reinforcing elements 26a, 26b may also be made of different materials.
  • the load lines of the component 2 are determined as a result of, for example, forces, vibrations or temperatures to be absorbed.
  • the core 4 is made of a core material, wherein the core 4 already has such a surface quality that cleaning or corresponding surface treatments are omitted.
  • the layer 6 is formed on the core 4 by cold gas spraying.
  • the load structure 8 is aligned along the calculated load lines and a material suitable for the respective load is used.
  • a spray gun is used with a spray cone which corresponds to the width of the respective layer section 14 or reinforcing element 26a, 26b.
  • the interstices 18 between the layer sections 14 are filled with the core material by cold gas spraying.
  • the cover layer 12 is sprayed on the layer 6 to form a closed surface 10 consisting of the core material by cold gas spraying.
  • the component 2 to achieve a correspondingly resilient end contour of a post-processing in the form of an erosive and / or a solidified process.
  • Other methods according to the invention provide a material other than the core material as material for filling in the intermediate spaces 18 or as material for the cover layer 12.
  • the choice of the respective material for the filling of the gaps 18 and the cover layer 12 depends in particular on the function to be performed, such as, for example, improvement of damping properties, abrasion resistance or temperature resistance.
  • a component comprising a cold spray applied layer having at least one layer portion or reinforcing member whose material and orientation is selected according to a strain line, and a method of manufacturing such a component by cold gas spraying.

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Abstract

Offenbart ist ein Bauteil, das eine durch Kaltgasspritzen aufgetragene Schicht aufweist, die zumindest einen Schichtabschnitt bzw. ein Verstärkungselement hat, dessen Material und Orientierung gemäß einer Belastungslinie gewählt ist, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Bauteils durch Kaltgasspritzen.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Herstellung eines Bauteils und ein derartiges Bauteil
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils und ein derart hergestelltes Bauteil nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9.
Bei stark belasteten Bauteilen wie zum Beispiel Schaufeln von Verdichtern oder Turbinen, rotierenden Bauteilen wie Kurbelwellen, Bauteilen mit zyklischer Belastung wie Pleuel, Bauteilen statischer Art mit hoher Wärmebeanspruchung wie zum Beispiel Kühlstrukturen sowie bei Werkzeugen muss häufig ein Kompromiss zwischen unterschiedlichen und gegensätzlichen Anforderungen eingegangen werden. Beispiele sind bei einem geringen Gewicht eine hohe
Schwingfestigkeit oder bei großer Härte eine geringe Sprödigkeit.
Zur Erfüllung dieser gegensätzlichen Anforderungen werden die Bauteile verstärkt aus Metalllegierungen geschaffen, die sich durch konventionelle Herstellungsverfahren nur bedingt verarbeiten lassen. Des Weiteren ist nachteilig, dass meistens der gesamte Grundkörper des Bauteils aus dieser Metalllegierung besteht, so dass einzelne Bauteilbereiche nicht individuell je nach der auftretenden Belastung optimiert sind. Des Weiteren beschränkt sich die Metalllegierung meistens auf eine Betrachtung der strukturellen Eigenschaften wie Schwingfestigkeit und Gewicht. Zur Erzielung von zum Beispiel einer hohen Abriebfestigkeit oder Temperaturbeständigkeit wird das Bauteil meistens mit einer entsprechenden Schutzschicht beschichten, die in einem nachfolgenden und somit weiteren Herstellungsverfahren aufgetragen wird. So wird zum Beispiel in dem Patent US 6,365,222 Bl vorgeschlagen, einen Schaufelring eines Verdichters mit einer zerreibbaren Schutzschicht durch Kaltgasspritzen zu beschichten. Dabei werden auf den Grundkörper zuerst eine Haftschicht und anschließend die Schutzschicht aufgetragen. Darüber hinaus ist es aus dem Patent US 6,905,728 Bl bekannt, das Kaltgasspritzen zur Reparatur von Turbinenschaufeln einzusetzen. Dabei werden Ausbrüche durch ein entsprechendes Material durch Kaltgasspritzen aufgefüllt und anschließend die derart reparierten Schaufelbereiche verfestigt.
Nachteilig an den vorgenannten Kaltgasspritztechniken ist jedoch, dass die aufgetragenen Schichten nur äußere Eigenschaften wie Temperaturbeständigkeit und Abriebfestigkeit des Bau- teils positiv beeinflussen. Strukturelle Eigenschaften wie zum Beispiel die Erhöhung der Schwingfestigkeit sind mit den bekannten Kaltgasspritzverfahren nicht erreichbar. Des Weiteren ist nachteilig, dass die herkömmlichen Herstellungsverfahren die Form bzw. Geometrie der Bauteile stark einschränken, was sich wiederum nachteilig auf die Bauteileigenschaften auswirken kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, das die vorgenannten Nachteile beseitigt und das individualisierte, einer jeweiligen Belastung angepass- te Bauteilbereiche aufweist, sowie ein derart hergestelltes Bauteil mit optimierten Bauteilbereichen zu schaffen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Schritten des Patentanspruchs 1 und durch ein Bauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Bauteils wird zumindest eine Belastungslinie des Bauteils berechnet. Dann wird ein Kern für das Bauteil bereitgestellt. Anschließend wird zumindest abschnittsweise eine Schicht durch Kaltgasspritzen auf den Kern aufgetragen, wobei in der Schicht zumindest ein Schichtabschnitt entsteht, dessen Material und Orientierung gemäß der Belastungslinie gewählt ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass das Bauteil gemäß seinen geforderten Eigenschaften optimal dimensioniert werden kann. Der Kern dient quasi lediglich als Substrat bzw. Träger für die Schicht, in die aufgrund der unterschiedlichen Materialien und der Berücksichtigung der jeweiligen Belastungslinien die geforderten Eigenschaften integriert sind. So können zum Beispiel Bauteilbereiche mit einer hohen Schwingfestigkeit aus einem anderen Material bestehen und eine andere Geometrie aufweisen als Bauteilbereiche mit einer hohen Temperaturbeständigkeit. Erfindungsgemäß wird eine hybridartige Schicht geschaffen, die optimal an den mechanischen Belastungen angepasst ist, so dass auch eigentlich gegensätzliche Anforderungen optimal kombiniert werden können. Die Bereitstellung und Befestigung von separaten konstruktiven Verstärkungsstrukturen ist nicht länger notwendig. Durch die erfindungsgemäße Art der Kaltgasspritztechnik werden relativ weiche und quasi organisch ineinander überlaufende Übergänge zwischen den unterschiedlichen Materialien geschaffen. Diese Art der Übergänge vermeidet eine Stufenbildung und ermöglicht somit eine harmonische Belastungseinleitung und Belastungsverteilung in bzw. über das Bauteil. Weiterhin ist vorteilhaft, dass zur Ausbildung des Bau- teils nur ein Herstellungsverfahren und zwar das Kaltgasspritzen verwendet wird. Die Anwendung mehrerer verschiedener Verfahren ist somit nicht notwendig.
Bei einem Ausführungsbeispiel wird die Schicht in unterschiedlichen Schichtdicken aufgetragen. Dies erlaubt eine flexible Gestaltung der Bauteilform bzw. von Bauteilbereichen unabhängig von der Form und Größe des Kerns. Dabei kann sich die Schichtdicke durchaus im Zentimeterbereich bewegen, so dass beispielsweise rippenartige Verstärkungselemente entstehen.
Die Herstellung des Schichtabschnitt kann streifenartig in einer Breite entsprechend einer Deckungsverteilung eines gespritzten Strahls erfolgen oder mittels einer Maske, die beim Spritzen die Bereiche abdeckt, auf die das Material nicht aufgetragen werden soll.
Bei einem Ausführungsbeispiel werden mehrere Schichtabschnitte aufgetragen, deren Zwischenräume zumindest vereinzelt mit einem andersartigen Material aufgefüllt werden. Hierdurch wird eine optimale Belastungsstruktur geschaffen, deren Verlauf den Belastungslinien entspricht, wobei das Material in den Zwischenräumen neben der reinen Einebnung zur Stabilisierung der Schichtabschnitte dient.
Bei einem Ausführungsbeispiel wird eine Vielzahl von Schichten aufgetragen. So ist es zum Beispiel vorstellbar, eine Deckschicht aufzutragen die eine geschlossene Ober- bzw. Außenfläche des Bauteils definiert.
Zur Erreichung einer Endkontur kann das Bauteil einer abtragenden und/oder verfestigenden Nachbearbeitung unterzogen werden.
Ein erfindungsgemäßes Bauteil hat einen Kern, der zumindest abschnittsweise eine durch Kaltgasspritzen aufgetragene Schicht aufweist. Erfindungsgemäß umfasst die Schicht zumindest einen Schichtabschnitt, dessen Material und Orientierung gemäß zumindest einer berechneten Belastungslinie gewählt ist.
Ein derartiges Bauteil weist optimale Bauteileigenschaften auf und ist nahezu in jeder Form bzw. in j eder Geometrie herstellbar.
Vorzugsweise umgibt die Schicht den Kern vollständig, so dass das Material und die Form des Kems nahezu frei wählbar ist und der Kern zum Beispiel gewichtsoptimiert ausgeführt sein kann und/oder optimale Haftungsbedingungen für die aufzutragende Schicht aufweist.
Bevorzugterweise ist eine Vielzahl von Schichtabschnitten zur Bildung einer Belastungsstruktur vorgesehen, die dendritische und/oder organische Strukturabschnitte zur harmonischen Belastungseinleitung und Belastungsweiterleitung bilden können.
Bei einem Ausfuhrungsbeispiel unterscheiden sich die Materialien zumindest einiger Strukturabschnitte. Hierdurch können die Materialien individuell auf die Belastungen eingestellt werden.
Der Kern, der sowohl flächenartig als auch skelettartig bzw. gerüstartig sein kann, kann nahezu aus jedem Material bestehen. Bei einem Ausfuhrungsbeispiel besteht er aus einem anderen Material bzw. anderen Materialien als die Schicht.
Sonstige vorteilhafte Ausfuhrungsbeispiele sind Gegenstand weiterer Unter ansprüche.
Zusätzlich kann das erfindungsgemäße Verfahren auch dann Anwendung finden, wenn zum Beispiel Bauteile gekennzeichnet werden müssen ohne dabei deren Festigkeitseigenschaften negativ zu beeinflussen. Beispiele sind die fälschungssichere Kennzeichnung von metallischen oder hybriden Bauteilen mit Herstellerzeichen oder Serienkennzeichnen. Ebenso kann das erfindungsgemäße Verfahren bei ästhetischer oder praxisnaher Gestaltung von Gebrauchsgegenständen wie Messerschneiden und Schmuck Anwendung finden.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung anhand schematischer Darstellungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 einen Querschnitt durch ein erstes erfindungsgemäßes Bauteil,
Figur 2 eine Detaildarstellung des Bauteils aus Figur 1 ,
Figur 3 eine weitere Detaildarstellung des Bauteils aus Figur 1 ,
Figur 4 einen Längsschnitt durch ein zweites erfindungsgemäßes Bauteil,
Figur 5 einen Querschnitt durch das Bauteil aus Figur 4, und
Figur 6 einen Querschnitt durch ein drittes erfindungsgemäßes Bauteil.
In den Figuren tragen gleiche konstruktive Elemente die gleichen Bezugsziffern, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit bei mehreren gleichen konstruktiven Elementen in einer Figur jeweils nur ein Element mit einem Bezugszeichen versehen ist. Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch ein stark vereinfachtes erfindungsgemäßes Bauteil 2. Das Bauteil 2 hat einen vollkörperartigen Kern 4, der von einer Schicht 6 ummantelt ist. Die Schicht 6 wurde durch Kaltgasspritzen aufgebracht und nimmt erfindungsgemäß die eigentliche Belastung des Bauteils 2 auf. Sie weist eine nasenartige Belastungsstruktur 8 auf, die sich von dem Kern 4 weg erstreckt und entlang von kalkulierten Belastungslinien wie Spannungs- und Kraftlinien verläuft. Die Schicht 6 ist in unterschiedlichem Schichtdicken aufgetragen und zur Bildung einer geschlossenen Oberfläche 10 von einer Deckschicht 12 mit konstanter Schichtdicke umgeben, die ebenfalls durch Kaltgasspritzen aufgetragen wurde.
Die Schichtdicken und die Materialien der Schicht 6, der Belastungsstruktur 8 und der Deckschicht 12 sind entsprechend den aufzunehmenden Belastungen ausgewählt und können demnach variieren. Der Kern 4 dient vorrangig als Substrat für die Schicht 6 und hat dementsprechend ein Kernmaterial, das quasi unabhängig von den aufzunehmenden Belastungen gewählt ist. Durch die Ummantelung des Kerns 4 mit der Schicht 6 bzw. der Deckschicht 12 hat seine Außenkontur prinzipiell keinen Einfluss auf die Sollgeometrie bzw. Endkontur des Bauteils 2. Diese wird ausschließlich von der Schicht 6 bzw. der Deckschicht 12 definiert.
Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf einen Teilbereich des erfindungsgemäßen Bauteils 2 im Bereich einer weiteren in Figur 1 nicht gezeigten Belastungsstruktur 8, die entlang von Belastungslinien verläuft. Die Belastungsstruktur 8 erstreckt sich von dem Kern 4 weg und weist eine Vielzahl von Schichtabschnitten 14 bzw. Verstärkungselementen auf, die durch Kaltgasspritzen aufgebracht sind. Das Material des jeweiligen Schichtabschnittes 14 ist gemäß der aufzunehmenden Belastung ausgewählt. Ebenso entspricht ihre Geometrie der zu erwarteten Belastung und kann individuell variieren. Beispielhaft ist ein freier Endabschnitt 16 der Belastungsstruktur 8 dreieckig bzw. rampenartig ausgebildet und geht stufenlos in den Kern 4 über. Die Schichtabschnitte 14 begrenzen Zwischenräume 18, die mit einem andersartigen Material als die Schichtabschnitte 14 durch Kaltgasspritzen aufgefüllt sind. Die Belastungsstruktur 8 mit den aufgefüllten Zwischenräumen 18, d.h. die Schicht 6, ist wie in Figur 1 erläutert von der Deckschicht 12 zur Bildung der geschlossenen Oberfläche 10 ummantelt.
Gemäß Figur 3 weist die Schicht 6 im Querschnitt eine Vielzahl von etwa ovalen Schichtkörpern 20 mit umfangsseitigen Vorsprüngen auf, die entsprechend den Belastungslinien aus verschiede- nen Materialien bestehen und entsprechend den Belastungslinien zueinander angeordnet sind. Die verschiedenen Materialien sind in der Figur 3 durch die verschiedenen Schraffuren - streifenartig und gepunktet - dargestellt. Aufgrund der erfindungsgemäßen Anwendung der Kaltgas- spritztechnik verzahnen sich die Schichtkörper 20 scheinbar und bilden dabei relativ weiche und organische Übergänge aus, was sich vorteilhaft auf die Einleitung bzw. Aufnahme und Verteilung der Belastung auf das Bauteil 2 auswirkt. Vereinzelt werden je nach der Funktion des jeweiligen Schichtbereiches gezielt zwischen den Schichtkörpern 20 Luftkammern 22 gebildet. Die Luftkammern 22 können zum Beispiel zur Beeinflussung des Dämpfungsverhaltens oder des Wärmeübergangs gezielt ausgebildet werden.
Ferner ist in Figur 3 zu erkennen, dass durch die Schicht 6 Unebenheiten 24 in dem Kern 4 des Bauteils 2 ausgeglichen werden, und dass die Schichtkörper 20 ebenfalls mit dem Kern 4 eine scheinbar verzahnte Verbindung eingehen.
Die Figuren 4 und 5 zeigen Schnitte durch ein zweites erfindungsgemäßes Bauteil 2. Dieses weist eine diskrete Belastungsstruktur 8 auf, die aus einer Vielzahl von voneinander beabstande- ten und parallel zueinander verlaufenden rippenartigen Verstärkungselementen 26a, 26b bzw. Schichtabschnitten gebildet ist. Die Verstärkungselemente 26a, 26b haben einen rechteckigen Querschnitt und erstrecken sich zur optimalen Einstellung des Bauteils 2 hinsichtlich seiner Festigkeit, seines Schwingungsverhaltens und bspw. seines Temperaturverhalten entlang von zu erwartenden bzw. auftretenden Belastungs- und Kraftlinien. In dem gezeigten Ausfuhrungsbeispiel sind die Verstärkungselemente 26a, 26b daher um einen Winkel α zur Bauteillängsachse angestellt. Sie sind schichtweise durch Kaltgasspritzen aufgebracht, wobei ihre Breite b vorzugsweise dem Deckungswinkel des gespritzten Strahls entspricht. Wie durch die Schraffur angedeutet bestehen sie aus einem andersartigen Material als das Grundmaterial bzw. Kernmaterial des Bauteils 2 und sind vollumfänglich in dem Grundmaterial eingeschlossen bzw. von diesem ummantelt. Das Material der Verstärkungselemente 26a, 26b richtet sich nach den zu erwartenden bzw. auftretenden Belastungen.
Figur 6 zeigt einen Querschnitt durch ein drittes erfindungsgemäßes Bauteil 2, dessen Belastungsstruktur 8 aus einer Vielzahl von voneinander beabstandeten und parallel zueinander verlaufenden rippenartigen Verstärkungselementen 26a, 26b bzw. Schichtabschnitten mit einem rechteckigen Querschnitt abschnittsweise die Oberfläche 10 des Bauteils 2 bildet. Hierzu sind die Verstärkungselemente 26 derart in dem Bauteil 2 ausgebildet bzw. in dieses integriert, dass eine ihrer Außenflächen 28 frei liegt und bündig in die Oberfläche 10 des Bauteils 2 übergeht. Aufgrund der unterschiedlichen Materialien zwischen dem Grundmaterial des Bauteils 2 und dem Material der Verstärkungselemente 26a, 26b eignet sich dieses Ausführungsbeispiel insbesondere zur Ausbildung des Bauteils 2 mit zonenartigen unterschiedlichen Oberflächenhärten und/oder Abriebfestigkeiten. Selbstverständlich können die Verstärkungselemente 26a, 26b ebenfalls aus unterschiedlichen Materialien bestehen.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren beispielsweise zur Herstellung des Bauteils 2 aus den Figur 1 bis 3 werden zuerst die Belastungslinien des Bauteils 2 infolge von zum Beispiel aufzunehmenden Kräften, Schwingungen oder Temperaturen bestimmt. Dann wird der Kern 4 aus einem Kernmaterial bereitgestellt, wobei der Kern 4 bereits eine solche Oberflächenbeschaffen- heit aufweist, dass Reinigungs- bzw. entsprechende Oberflächenbehandlungen entfallen. Nun wird durch Kaltgasspritzen die Schicht 6 auf dem Kern 4 ausgebildet. Dabei wird die Belastungsstruktur 8 entlang den errechneten Belastungslinien ausgerichtet und ein für die jeweilige Belastung geeignetes Material verwendet. Vorzugweise wird eine Spritzpistole mit einem Spritzkonus verwendet, der der Breite des jeweiligen Schichtabschnitts 14 bzw. Verstärkungselements 26a, 26b entspricht. Nach dem Herstellen der Belastungsstruktur 8 werden die Zwischenräume 18 zwischen den Schichtabschnitten 14 mit dem Kernmaterial durch Kaltgasspritzen aufgefüllt. Anschließend wird auf die Schicht 6 die Deckschicht 12 zur Bildung einer geschlossenen Oberfläche 10 bestehend aus dem Kernmaterial durch Kaltgasspritzen aufgespritzt. Abschließend wird das Bauteil 2 zur Erzielung einer entsprechend belastbaren Endkontur einer Nachbearbeitung in Form eines abtragenden und/oder eines verfestigten Verfahrens unterzogen.
Andere erfindungsgemäße Verfahren sehen als Material zur Auffüllung der Zwischenräume 18 bzw. als Material für die Deckschicht 12 ein anderes Material als das Kernmaterial vor. Die Wahl des jeweiligen Materials für die Auffüllung der Zwischenräume 18 und die Deckschicht 12 richtet sich insbesondere nach der zu erfüllenden Funktion wie zum Beispiel Verbesserung von Dämpfungseigenschaften, von Abriebfestigkeiten oder von Temperaturbeständigkeiten.
Offenbart ist ein Bauteil, das eine durch Kaltgasspritzen aufgetragene Schicht aufweist, die zumindest einen Schichtabschnitt bzw. ein Verstärkungselement hat, dessen Material und Orientierung gemäß einer Belastungslinie gewählt ist, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Bauteils durch Kaltgasspritzen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (2) , mit den Schritten:
- Berechnen von zumindest einer zu erwarteten Belastungslinie des Bauteils (2),
- Bereitstellen eines Kerns (4), und
- Auftragen einer Schicht (6) zumindest abschnittweise auf den Kern (4) durch Kaltgasspritzen, wobei in der Schicht (6) zumindest ein Schichtabschnitt (14, 26) ausgebildet wird, dessen Material und Orientierung gemäß der Belastungslinie gewählt ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schicht (6) in unterschiedlichen Schichtdicken aufgetragen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Schichtabschnitt (14, 26) streifenartig in einer Breite entsprechend einer Deckungsverteilung eines gespritzten Strahls hergestellt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei der Schichtabschnitt (14, 26) durch Auflegen einer Maske beim Spritzen hergestellt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mehrere Schichtabschnitte (14, 26) aufgetragen werden, deren Zwischenräume (18) zumindest vereinzelt mit einem andersartigen Material aufgefüllt werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Vielzahl von Schichten (6) aufgetragen wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Deckschicht (12) aufgetragen wird, die eine äußere Oberfläche (10) bildet.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bauteil (2) einer abtragenden und/oder verfestigenden Nachbearbeitung zur Erzielung einer Endkontur unterzogen wird.
9. Bauteil (2) mit einem Kern (4), der zumindest abschnittsweise eine durch Kaltgasspritzen aufgetragene Schicht (6) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (6) zumindest einen Schichtabschnitt (14, 26) hat, dessen Material und Orientierung gemäß zumindest einer berechneten Belastungslinie gewählt ist.
10. Bauteil nach Anspruch 9, wobei die Schicht (6) den Kern (4) ummantelt.
11. Bauteil nach Anspruch 9 oder 10, wobei eine Vielzahl von Schichtabschnitten (14, 26) zur Bildung einer Belastungsstruktur (8) vorgesehen ist.
12. Bauteil nach Anspruch 9, 10 oder 11, wobei die Schichtabschnitte (14, 26) dendritische und/oder organische Strukturabschnitte bilden.
13. Bauteil nach Anspruch 11 oder 12, wobei zumindest einzelne Schichtabschnitte (14, 26) unterschiedliche Materialien aufweisen.
14. Bauteil nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei die Schicht (6) aus anderen Materialien als der Kern (4) besteht.
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