WO2022028646A1 - Verfahren zur erzeugung einer schicht, fertigungssystem und bauteil - Google Patents

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WO2022028646A1
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preformed
melting
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wire element
melting body
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Stefan GRÄFE
Martin Schulz
Marius GIPPERICH
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V.
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    • B23K2103/04—Steel or steel alloys

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a layer, in particular for coating and/or for producing a component, a production system and a component.
  • Coating with corrosion- and/or wear-resistant materials is one of the methods for functionalizing and increasing the service life of a component.
  • Deposition welding for example, is a coating method that is frequently used in industry. During build-up welding, both a base material and an additional material are melted on or melted on, so that after solidification a layer that is materially bonded to the base material is created.
  • an at least partially generatively manufactured component can be produced.
  • the contour and/or the function of a component can be restored, so that this process is also used for repair welding.
  • the filler material can be processed as powder, wire and/or as a strip.
  • a disadvantage of the known methods for producing a layer is that the application rates that can be achieved lag behind the material removal rates of modern milling processes. Compared to current turning processes, this disadvantage is even more pronounced, since these have higher material removal rates than milling processes.
  • the coating and/or the generative construction of components can take place using different methods. Possible processes include flame spraying, cold gas spraying, arc welding, plasma powder deposition welding, plasma spraying and selected laser processes. In the case of powdered filler materials, the processing area can be expanded with comparatively little effort by enlarging the nozzle and the diameter of the focal spot. Alternatively, the machining process can be accelerated by increasing the relative movement.
  • powder-based processes often have lower material efficiency because part of the powder supplied is not used to build up the layers. The reason for this is that some powder particles are deposited unbound on the component and/or on the machine. In addition, powder-based processes can be hazardous to health.
  • Increases in deposition rates in wire-based processes are generally achieved through the use of multiple wires.
  • Alternatively is one Increasing the feeding speed of the wire(s) is possible.
  • these options for increasing the application rates have the disadvantage that they lead to process instabilities.
  • Additional energy sources are used to reduce these process instabilities caused by wire feeding at high application rates.
  • the wire is inductively preheated or part of the melting capacity is provided by an arc welding process.
  • DE 26 05 841 A1 teaches a method in which a wire is wound around a shaft and continuously welded to the shaft. Due to the elastic properties of the wire, however, the arrangement of the wire on the shaft leads to play, in particular because only a loose fit can be formed due to the elastic properties of the wire. This means that the wire is not firmly attached to the shaft and can continue to move. In addition, this method is not suitable for today's applications for coating and/or for the production of generative components, since the wire feed and the welding have to take place on a single processing machine. The efficiency of the process is therefore low and due to the loose fit, the quality to be produced is not compatible with today's requirements.
  • the object mentioned at the outset is achieved by a method for producing a layer, in particular for coating and/or for producing a component, comprising the steps of: arranging a preformed melted body on a base body and melting the preformed melted body to form a material connection between the base body and the preformed melted body.
  • the invention is based on the finding that the complexity of known wire-based methods defines a process limit that can only be shifted with great technical effort.
  • the method described above reduces the process complexity compared to known methods. This is particularly due to the fact that no wire feed has to be regulated and as a result fewer process errors can occur. In particular when trying to achieve higher application rates with wire-based processes, it has been shown that an appropriate process quality was often not achievable. With the method described above, a high process quality is possible due to the low process complexity; in particular, several wires arranged next to one another, which are encompassed by the preformed melting body, for example, can also be melted.
  • the invention is also based on the knowledge that the provision of additional material can be decoupled from the melting process.
  • the arrangement of the preformed melting body on the base body can be carried out completely independently of the melting of the preformed melting body.
  • the arrangement of the preformed melting body on the base body can thus be understood as a set-up process.
  • the subsequent melting process is independent of this set-up process.
  • the often cost-intensive system for melting can be used completely for melting the preformed melted body without setup times arising there, in particular in the form of an arrangement of the preformed melted body on the base body.
  • the invention is also based on the knowledge that significantly higher application rates can be achieved with the method described above.
  • Laser deposition welding can have a deposition rate of 2 kg/h, for example.
  • application rates of up to 14 kg/h can be achieved with powder-based processes, for example. by means of one Laser spraying process, for example, an application rate of 0.5-1.5 kg/h can be achieved.
  • the inventors have found that an application rate of up to 20 kg/h is possible with the method described above. Approx. 1.5 times the application rate can be achieved compared to the powder-based processes currently used. In comparison to previously available wire-based processes, the 7-fold application rate is possible.
  • the preformed melting body can be designed in different ways.
  • the melting body can be designed as a spring, a wire mesh, a sleeve and/or as a half-shell. It is particularly preferred that the preformed melting body has a thin wall. Thin-walled means in particular that it can be welded through with a melting unit, in particular with a laser unit, in such a way that the bonded connection is created.
  • the integral connection between the base body and the preformed melted body is formed in particular by melting the melted body and the base body.
  • the method enables clocking to be set up in production.
  • the melting body can be preformed, in particular with a spring coiling machine.
  • the melting body can be arranged on the base body.
  • melting takes place.
  • a graduated component can be produced by arranging preformed melting bodies made of different materials. This can be important for different applications, for example a Layer can be provided for a particular strength of the component and a further, in particular outwardly facing layer can be provided to improve wear resistance.
  • the integral connection between the base body and the preformed melted body is preferably made essentially along the entire surface of the melted body that faces the base body. Essentially means in particular that more than 50%, more than 75%, more than 90%, more than 95% and in particular more than 97.5% of the area of the melting body that faces the base body is bonded to the base body .
  • the preformed melting body is designed as a spiral-shaped wire element, with two or more adjacent turns of the spiral-shaped wire element preferably abutting one another. It is particularly preferred that substantially all of the turns abut one another.
  • the spiral wire element can be a spring, for example. It is particularly preferred that the spiral-shaped wire element is designed as a tension spring element, namely in such a way that the windings rest against one another.
  • the spiral wire element preferably has more than three, more than five, more than 10 and in particular more than 20 turns.
  • the helical wire element can have 18 turns, for example.
  • the winding of wires into springs is a process that has been known for a long time and is a reliable process. As a result of this process reliability, a helical wire element with consistent properties can be provided, which enables a particularly process-reliable melting process.
  • the turns of the helical wire element may be spaced from each other. Drills or extruder screws, for example, can be produced with a spiral-shaped wire element designed in this way. The distances between the windings can be specific to the component.
  • the preformed fusion body comprises two or more helical wire elements, preferably consisting of two or more consist of or include different materials. In this way, a spring-in-spring concept can be implemented with double the spring pitch.
  • a further preferred variant of the method is characterized in that the melting takes place with a laser unit.
  • the laser unit is designed in particular to generate and/or emit a laser beam.
  • the laser unit is preferably a fiber-guided diode laser unit.
  • the laser unit can be a direct beam laser unit.
  • the laser unit can be a fiber laser, a disk laser and/or a CO2 laser.
  • the laser unit can also have other types of laser sources.
  • it is preferred that the laser unit has a power of more than 5 kW, preferably more than 50 kW, in particular more than 100 kW.
  • the laser unit produces a round or rectangular focal spot.
  • the round focal spot can have a diameter of 4.6 mm.
  • the laser unit can have a spot width of more than 5 mm, in particular of approximately 40 mm.
  • other focal spot geometries can also be used, for example the focal spot can be elliptical or have a temperature-optimized profile.
  • a fiber-guided diode laser unit or a direct beam laser unit can be used, among other things, because the method described above does not place high demands on the beam quality of the laser beam.
  • the preformed melting body is arranged on the base body in a non-positive and/or positive manner.
  • a non-positive arrangement of the preformed melting body on the base body can take place, for example, with a spiral-shaped wire element.
  • the spiral wire element can, for example, have an inner diameter that is smaller than an outer diameter of the base body, so that a press fit is formed. Due to the properties of spiral-shaped wire elements, however, this can be twisted to increase the inner diameter and then pushed onto the base body. Due to the spring force, the spiral wire element is force-fitted to the Body arranged.
  • a form-fitting arrangement of the preformed melting body can take place, for example, on a shoulder of the base body.
  • the preformed melting body is arranged on the circumference of the base body.
  • a circumferential arrangement of the preformed melting body on the base body means in particular that the preformed melting body is arranged along an outer circumference and/or an inner circumference of the base body.
  • shafts are usually coated on an outer peripheral surface.
  • arranging it on an inner circumference of a pipe can be preferred in order to protect it against corrosion by means of an inner coating.
  • a further preferred development of the method is characterized in that welding is carried out through the preformed melting body, so that the base body is melted at least in sections.
  • the melting of the base body in sections relates in particular to melting close to the surface.
  • the base body with the preformed melting body is rotated during the melting process.
  • the base body is preferably rotated about a longitudinal axis and/or about an axis of symmetry of the base body.
  • the process is further simplified by turning the base body with the preformed melting body. In this way, the laser beam only has to be guided along the longitudinal axis or the axis of symmetry of the base body and/or the melting body.
  • the radial feed is effected in particular by the rotary movement.
  • a feed direction is aligned essentially parallel to the longitudinal axis and/or to the axis of symmetry of the base body.
  • the feed direction relates in particular to the feed of the melting unit, in particular of the laser beam and/or the laser unit.
  • the feed can also be effected by the component.
  • the longitudinal axis and/or the axis of symmetry of the base body is preferred aligned coaxially to a longitudinal axis or axis of symmetry of the melting body.
  • a further preferred embodiment of the method is characterized in that the melting takes place at a feed rate of 500 mm/min to 2000 mm/min, in particular at 700 mm/min to 900 mm/min.
  • the feed rate can be realized by the melting unit, in particular the laser unit and/or the component.
  • the feed rate is preferably directed parallel to the feed direction described above.
  • the preformed melting body has an inner peripheral contour corresponding to an outer peripheral contour of the round body, and/or the preformed melting body has an outer peripheral contour corresponding to the inner peripheral contour of the base body.
  • the outer peripheral contour and/or the inner peripheral contour of the base body is designed to be rotationally symmetrical.
  • Rotationally symmetrical means in particular radially symmetrical.
  • the base body has a round outer peripheral contour.
  • the preformed melting body has a round inner peripheral contour.
  • a round outer peripheral contour of the base body can mean, for example, that the base body has a cross section that is round. This cross section has, in particular, a cross-sectional area orthogonal which is aligned parallel to the longitudinal axis and/or to the axis of symmetry of the base body.
  • a round outer peripheral contour of the base body and a round inner peripheral contour of the preformed melting body with corresponding extensions, in particular diameters, advantageously enable the preformed melting body to be arranged on the outer circumference of the base body.
  • the preformed melting body in particular the spiral-shaped wire element, consists of a metallic material or comprises a metallic material.
  • the metallic material can be or include steel, a nickel-based alloy, titanium, copper, a cobalt-based alloy and/or aluminum, for example.
  • the preformed melting body, in particular the spiral-shaped wire element can also consist of or include other meltable materials, for example plastic.
  • the preformed melting body has a thickness of 0.1 mm to 5 mm, in particular 1 mm to 2 mm.
  • the spiral wire element can have a diameter of 5 mm to 1000 mm, preferably 20 mm to 100 mm, in particular 30 mm to 40 mm.
  • a wire of the spiral-shaped wire element has a round, oval, triangular, square and/or polygonal cross section.
  • the wire can, for example, have a thickness of 0.1 mm to 5 mm, in particular 1 mm to 2 mm.
  • the preformed melting body has a first wire element and a second wire element, the first wire element and the second wire element being formed from different materials or having different materials.
  • the preformed melting body is arranged at a location independent of the melting of the preformed melting body. It is further preferred that the preformed melting body is arranged in a first processing step and the melting takes place in a second processing step that is different from the first processing step.
  • this includes the step: Checking the arrangement of the preformed melting body on the base body before melting.
  • Checking the arrangement can for example by means of a 3D scanning process.
  • the relative position of the melting body on the base body is checked. For example, this can be done by spacing a reference point of the fusible body from a reference position of the base body, for example a first and/or second end of the base body.
  • this includes the step: heat treatment of the base body with the arranged and preformed melting body before melting.
  • this comprises the step: arranging a second and/or further preformed melting body on the melted preformed melting body for the production of an at least partially generatively manufactured component. It is also preferred that the method includes the step of: melting the second and/or further preformed melting body in order to form a material connection between the base body and/or the preformed melting body and the second and/or further preformed melting body. When arranging the second and/or further preformed melting body, it is preferred that the previously arranged and melted preformed melting body is solidified.
  • the object mentioned at the outset is achieved by a manufacturing system that is set up to carry out a method according to one of the embodiment variants described above.
  • the production system preferably includes a first processing unit which is arranged and designed to produce a preformed melted body, in particular a spiral-shaped wire element.
  • the production system can include a second processing unit, which is arranged and designed to arrange the preformed melting body on a base body.
  • the manufacturing system can include a third processing unit, which is arranged and designed to melt the preformed melted body in order to form a material connection between the base body and the preformed melted body. It is particularly preferred that the manufacturing system includes the second processing unit and the third processing unit.
  • the first processing unit can also be provided.
  • the preformed melting bodies can also be provided in some other way, for example by an external supplier.
  • the object mentioned at the outset is achieved by a component obtainable by a method according to one of the embodiment variants described above.
  • the component obtained by the method according to the first aspect differs from conventionally coated components.
  • Metallographic investigations can be used to examine microstructures and chemical phases in a boundary section adjacent to a contact area between the base body and the preformed melted body.
  • chemical intermixing of the materials of the base body and the preformed melted body occurs in the boundary section, which causes a metallurgical connection.
  • the chemical mixing can be detected, for example, by means of energy-dispersive X-ray spectroscopy, also known as EDX analysis.
  • Micrographs of components that are manufactured using conventional build-up welding methods usually show that the layer is formed from a number of weld beads lying next to one another. The course of the border and In such components, the heat-affected zone in the boundary section is generally wavy and the heat-affected zone is comparatively large.
  • the production of weld beads arranged next to one another leads to renewed melting and/or tempering of the adjacent weld bead that has already been produced. This results in structural modifications in a section between two adjacent weld beads, which can be analyzed by etching a metallographic section or by energy-dispersive X-ray spectroscopy.
  • the component is characterized by a homogeneous structure according to the further aspect.
  • FIG. 1 schematic, two-dimensional views of examples
  • FIG. 2 shows a schematic, two-dimensional view of an exemplary process structure for melting a preformed melting body
  • Figure 3 another schematic, two-dimensional view of the in
  • FIG. 4 a schematic view of processing units
  • Figure 5 a schematic method.
  • FIG. 1 shows a preformed melting body 100 which is designed as a spiral-shaped wire element 101 .
  • the preformed fuser body 100 extends from a first fuser body end 102 to a second Fuse body end 104. Adjacent to first fuser end 102, a first turn 106 is provided. A second turn 108 is provided adjacent to the second fuse body end 104 . A multiplicity of further turns 110 are provided between the first turn 106 and the second turn 108 .
  • the windings 106, 108, 110 abut one another. Adjacent means in particular that there is no distance between two adjacent windings. Alternatively or additionally, there is the possibility that the windings 106, 108, 110 are spaced apart from one another.
  • the preformed melting body 100 can also be designed as a sleeve, for example. This can, for example, be arranged in a non-positive manner on the base body 200 by means of a corresponding inner peripheral contour. Other geometries of the preformed melt body have already been explained above.
  • the base body 200 extends from a first base body end 202 to a second base body end 204. Adjacent to the first base body end 202, a coating section 206 is provided. The coating section 206 is to be coated with the method. In addition, the base body 200 has a thread 208 in a section adjacent to the second base body end 204 .
  • the base body 200 is designed as a rotationally symmetrical component with a longitudinal axis 210 which also acts as an axis of symmetry 212 .
  • a mandrel 10 which is provided for clamping the base body 200 in a lathe. The mandrel 10 is in particular part of the lathe and usually not part of the base body 200.
  • the preformed melting body 100 is arranged on the base body 200 in FIG.
  • the preformed melting body 100 is melted using a laser beam 2 of a laser unit 1 .
  • the laser unit 1 is moved parallel to the longitudinal axis 210 of the base body 200 in the feed direction 4 .
  • the movement of the laser unit 1 in the feed direction 4 causes the laser beam to be moved successively from the first end 102 of the fusible body towards the second end 104 of the fusible body.
  • the first winding 106 and further windings facing the first winding 106 have already melted, which are therefore shown as fusion section 112 in FIG.
  • the original winding structure has been eliminated by melting.
  • the base body 200 rotates with the preformed melting body 100 about the longitudinal axis 210 at a speed.
  • the speed depends on the diameter of the base body 200, the focal spot size and the laser power of the laser unit 1.
  • the speed can be between one revolution per minute and 20 revolutions per minute.
  • the resulting feed rate can be, for example, 500 mm/min to 2000 mm/min, in particular 700 mm/min to 900 mm/min.
  • the component 400 is formed by the integral connection of the melting body 100 to the base body 200 .
  • FIG. 3 shows a further view of the structure shown in FIG.
  • the longitudinal axis 210 of the base body 200 is perpendicular to the image plane.
  • the base body 200 has a round outer contour.
  • the preformed melting body 100 has a round inner contour.
  • FIG. 4 shows a schematic view of a manufacturing system 500 with processing units 502-506.
  • the first processing unit 502 is arranged and configured to produce the preformed fused body 100 , in particular the spiral-shaped wire element 101 .
  • the first processing unit 502 can be a spring coiling machine, for example.
  • the second processing unit 504 is arranged and configured to arrange the preformed melting body 100 on the base body 200 .
  • the third processing unit 506 is arranged and designed to melt the preformed melting body 100 in such a way that a material connection is formed between the base body 200 and the preformed melting body 100 .
  • step 300 the preformed fusion body 100 is produced.
  • the spring coiling machine can coil a wire into a spring.
  • step 302 the preformed fusion body 100 is arranged on the base body 200 . The arrangement can take place in particular by pushing the preformed melting body 100 onto the base body 200, in particular onto the coating section 206.
  • step 304 the arrangement of the preformed melting body 100 on the base body 200 is checked.
  • the check can be carried out with a 3D scanning process, for example.
  • it is checked whether the preformed melting body 100 is arranged at a predefined position of the base body 200, in particular at a predefined coating section 206.
  • step 306 the base body 200 is heat-treated with the preformed melted body 100, in particular with the preformed melted body 100 arranged.
  • the heat treatment can be carried out at a temperature between 300°C and 800°C, for example.
  • step 306 can also take place after step 308, so that a preceding and/or subsequent heat treatment is possible.
  • Furnace heating, induction heating, resistance heating, torch heating and/or laser heating can be used for the heat treatment, for example.
  • step 308 the preformed melting body 100 is melted in order to form a material connection between the base body 200 and the preformed melting body 100 .
  • the process enables the production of graded components and defined coatings, so that the quality of the components to be produced is improved on the one hand and the field of application of the components produced is also expanded.
  • the simplification of the process also enables the use of wire-based build-up welding those companies that cannot afford large investments in high-precision manufacturing equipment. A high-quality process at low cost is thus made possible.
  • the method can be used in particular to form coatings on the outer and inner peripheral surfaces of components that are at risk of corrosion. Possible applications are, for example, process engineering and energy technology, especially in the petrochemical industry. In addition, components for waste incineration plants can be coated using the process. Furthermore, the method can be used for components in vehicle technology, in particular for components for use in electrically driven vehicles, preferably in passenger vehicles and/or trucks. Components manufactured in this way can also be used in rail vehicles, industrial trucks and construction machinery. The process can also be used to manufacture shafts and axles for ships and airplanes. In addition, applications in hydraulic systems are possible.
  • the process is also used for components that are exposed to high levels of abrasive wear.
  • Abrasive wear can occur, for example, within pipes that carry fluids containing abrasive particles.
  • Another application is the additive manufacturing of components. Due to the comparatively high order rate, the process can also be used to produce large quantities under economical conditions. This differs from all previously developed generative processes, which are essentially used exclusively in prototype construction or in single and small series production.
  • previously not or only expensively manufacturable structures can be produced. For example, in order to ensure an oil supply, long bores or passage openings are provided in transmission shafts, through which oil is made available. With the method, these bores can be produced in a simple manner, for example in that the preformed melting body has a void at the location of the through-opening to be produced.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer Schicht, insbesondere zur Beschichtung und/oder zur Herstellung eines Bauteils, ein Fertigungssystem und ein Bauteil. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung einer Schicht, insbesondere zur Beschichtung und/oder zur Herstellung eines Bauteils, umfassend die Schritte: Anordnen eines vorgeformten Schmelzkörpers (100) an einem Grundkörper (200), und Aufschmelzen des vorgeformten Schmelzkörpers (100), um eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Grundkörper (200) und dem vorgeformten Schmelzkörper (100) auszubilden.

Description

Verfahren zur Erzeugung einer Schicht, Fertigungssystem und Bauteil
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer Schicht, insbesondere zur Beschichtung und/oder zur Herstellung eines Bauteils, ein Fertigungssystem und ein Bauteil.
Das Beschichten mit korrosions- und/oder verschleißbeständigen Materialien gehört zu den Verfahren zur Funktionalisierung und zur Erhöhung der Lebensdauer eines Bauteils. Das Auftragschweißen ist beispielsweise ein in der Industrie häufig eingesetztes Verfahren zum Beschichten. Bei dem Auftragschweißen werden sowohl ein Grundwerkstoff als auch ein Zusatzwerkstoff an- bzw. aufgeschmolzen, sodass nach dem Erstarren eine mit dem Grundwerkstoff stoffschlüssig verbundene Schicht entsteht.
Mit der Erzeugung mehrerer übereinander angeordneter Schichten kann ein zumindest teilweise generativ hergestelltes Bauteil erzeugt werden. Darüber hinaus kann durch das Hinzufügen einer Schicht die Kontur und/oder die Funktion eines Bauteils wiederhergestellt werden, sodass dieses Verfahren auch zum Reparaturschweißen eingesetzt wird.
Der Zusatzwerkstoff kann als Pulver, Draht und/oder als Band verarbeitet werden. Ein Nachteil der bekannten Verfahren zur Erzeugung einer Schicht ist, dass die erzielbaren Auftragsraten deutlich hinter den Zeitspanvolumina moderner Fräsprozesse Zurückbleiben. Im Vergleich zu derzeitigen Drehprozessen ist dieser Nachteil noch stärker ausgeprägt, da diese höhere Zeitspanvolumina als Fräsprozesse aufweisen. Insbesondere für rotationssymmetrische Bauteile besteht derzeit kein schweiß- und/oder laserbasiertes Verfahren, das einen zeit- und kosteneffizienten Auftrag von dickeren Schichten oder eine entsprechende additive Fertigung ermöglicht. Insbesondere bei Produktionsketten, in denen ab- und auftragende Verfahren miteinander getaktet werden, ist deren Kopplung kritisch.
Die Beschichtung und/oder der generative Aufbau von Bauteilen kann mittels unterschiedlicher Verfahren erfolgen. Mögliche Verfahren sind beispielsweise das Flammspritzen, das Kaltgasspritzen, das Lichtbogenschweißen, das Plasma- Pulver-Auftragschweißen, das Plasmaspritzen sowie ausgewählte Laserverfahren. Bei pulverförmigen Zusatzwerkstoffen kann die Bearbeitungsfläche mit vergleichsweise geringem Aufwand erweitert werden, indem die Düse und der Brennfleckdurchmesser vergrößert wird. Alternativ kann eine Beschleunigung des Bearbeitungsprozesses durch eine Erhöhung der Relativbewegung erreicht werden.
Durch diese Verfahren können jedoch lediglich dünne Schichten konturnah erzeugt werden. Dicke Schichten, insbesondere Panzerschichten oder Absätze, sind hiermit üblicherweise nicht herstellbar. Darüber hinaus weisen pulverbasierte Verfahren oftmals eine geringere Materialeffizienz auf, da ein Teil des zugeführten Pulvers nicht für den Aufbau der Schichten verwendet wird. Die Ursache hierfür liegt darin, dass sich einige Pulverpartikel ungebunden am Bauteil und/oder an der Maschine absetzen. Darüber hinaus können pulverbasierte Verfahren gesundheitsgefährdend sein.
Steigerungen der Auftragsraten bei drahtbasierten Verfahren werden im Allgemeinen durch die Verwendung mehrerer Drähte erreicht. Alternativ ist eine Steigerung der Zuführgeschwindigkeit des bzw. der Drähte möglich. Diese Möglichkeiten zur Steigerung der Auftragsraten sind jedoch mit dem Nachteil verbunden, dass diese zu Prozessinstabilitäten führen. Um diese Prozessinstabilitäten durch die Drahtzuführung bei hohen Auftragsraten zu reduzieren, werden zusätzliche Energiequellen eingesetzt. Der Draht wird zum Beispiel induktiv vorgewärmt oder ein Teil der Schmelzleistung wird über ein Lichtbogen-Schweißverfahren bereitgestellt. Diese Hybridverfahren werden zwar häufig als eine Kombination der positiven Eigenschaften beschrieben, jedoch handelt es sich vielmehr um einen Kompromiss zwischen exakter Steuerbarkeit, den höheren Kosten der Laservorrichtung und der kostengünstigen Energiebereitstellung der zusätzlichen Energiequellen.
Die DE 26 05 841 A1 lehrt beispielsweise ein Verfahren, bei dem ein Draht um eine Welle gewickelt wird und fortlaufend mit der Welle verschweißt wird. Aufgrund der elastischen Eigenschaften des Drahtes führt die Anordnung des Drahtes an der Welle jedoch zu einem Spiel, insbesondere weil aufgrund der elastischen Eigenschaften des Drahtes lediglich eine Spielpassung ausbildbar ist. Somit sitzt der Draht nicht fest auf der Welle und kann sich weiterhin verschieben. Darüber hinaus ist dieses Verfahren für heutige Anwendungen zur Beschichtung und/oder zur Herstellung generativer Bauteile nicht geeignet, da die Drahtzufuhr und das Verschweißen an einer einzelnen Bearbeitungsmaschine erfolgen muss. Die Effizienz des Verfahrens ist daher gering und aufgrund der Spielpassung ist die herzustellende Qualität nicht mit heutigen Anforderungen vereinbar.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer Schicht, insbesondere zur Beschichtung und/oder zur Herstellung eines Bauteils, ein Fertigungssystem und ein Bauteil bereitzustellen, die einen oder mehrere der genannten Nachteile vermindern oder beseitigen. Es ist insbesondere eine Aufgabe der Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, die ein Erzeugen einer Schicht und/oder ein Herstellen eines Bauteils mit verbesserter Prozesssicherheit und/oder einer gesteigerten Auftragsrate ermöglicht.
Gemäß einem ersten Aspekt wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Erzeugung einer Schicht, insbesondere zur Beschichtung und/oder zur Herstellung eines Bauteils, umfassend die Schritte: Anordnen eines vorgeformten Schmelzkörpers an einem Grundkörper und Aufschmelzen des vorgeformten Schmelzkörpers, um eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Grundkörper und dem vorgeformten Schmelzkörper auszubilden.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Komplexität bekannter drahtbasierter Verfahren eine Prozessgrenze definiert, die lediglich durch einen hohen technischen Aufwand verschoben werden kann. Das im Vorherigen beschriebene Verfahren reduziert die Prozesskomplexität gegenüber bekannten Verfahren. Dies ist insbesondere darin begründet, dass keine Drahtzufuhr geregelt werden muss und infolgedessen weniger Prozessfehler entstehen können. Insbesondere bei dem Versuch, höhere Auftragsraten mit drahtbasierten Verfahren zu realisieren, hat sich gezeigt, dass eine angemessene Prozessqualität oftmals nicht erreichbar war. Mit dem im Vorherigen beschriebenen Verfahren ist eine hohe Prozessqualität durch die geringe Prozesskomplexität möglich, insbesondere können auch mehrere nebeneinander angeordnete Drähte, die beispielsweise von dem vorgeformten Schmelzkörper umfasst werden, aufgeschmolzen werden.
Der Erfindung liegt ferner die Erkenntnis zugrunde, dass die Zusatzwerkstoffbereitstellung von dem Aufschmelzprozess entkoppelt werden kann. Das Anordnen des vorgeformten Schmelzkörpers an dem Grundkörper kann vollständig unabhängig von dem Aufschmelzen des vorgeformten Schmelzkörpers durchgeführt werden. Das Anordnen des vorgeformten Schmelzkörpers an den Grundkörper kann somit als ein Rüstprozess verstanden werden. Der anschließende Aufschmelzprozess ist von diesem Rüstprozess unabhängig. Somit kann die oftmals kostenintensive Anlage zum Aufschmelzen vollständig zum Aufschmelzen des vorgeformten Schmelzkörpers verwendet werden, ohne dass dort Rüstzeiten, insbesondere in Form einer Anordnung des vorgeformten Schmelzkörpers an dem Grundkörper, entstehen.
Der Erfindung liegt darüber hinaus die Erkenntnis zugrunde, dass mit dem im Vorherigen beschriebenen Verfahren signifikant höhere Auftragsraten erzielt werden können. Das Laserauftragschweißen kann beispielsweise eine Auftragsrate von 2 kg/h aufweisen. Ferner können mit pulverbasierten Verfahren beispielsweise Auftragsraten von bis zu 14 kg/h realisiert werden. Mittels eines Laserspritzprozesses kann beispielsweise eine Auftragsrate von 0,5 - 1 ,5 kg/h erreicht werden. Die Erfinder haben herausgefunden, dass mit dem im Vorherigen beschriebenen Verfahren eine Auftragsrate von bis zu 20 kg/h möglich ist. Im Vergleich zu derzeitig eingesetzten pulverbasierten Verfahren können ca. 1 ,5-fache Auftragsraten erzielt werden. Im Vergleich zu bisher verfügbaren drahtbasierten Prozessen ist die 7-fache Auftragsrate möglich.
Eine weitere Erkenntnis liegt darin, dass die Anlagenkosten nicht wesentlich gesteigert werden. Es hat sich herausgestellt, dass für das Aufschmelzen des vorgeformten Schmelzkörpers keine hohe Strahlqualität erforderlich ist. Die vergleichsweise geringere Strahlqualität ist ausreichend, da keine Tiefschweißeffekte, deren Erzeugung eine lokal stark fokussierte Energie mit guter Strahlqualität erfordert, bewirkt werden müssen. Folglich ist lediglich ein vergleichsweise großer Brennfleck erforderlich, wie er beispielsweise bei dem Wärmeleitungsschweißen eingesetzt wird.
Der vorgeformte Schmelzkörper kann unterschiedlich ausgebildet sein. Insbesondere kann der Schmelzkörper als eine Feder, ein Drahtgeflecht, eine Hülse und/oder als eine Halbschale ausgebildet sein. Es ist insbesondere bevorzugt, dass der vorgeformte Schmelzkörper dünnwandig ausgebildet ist. Dünnwandig bedeutet insbesondere, dass dieser mit einer Schmelzeinheit, insbesondere mit einer Lasereinheit, derart durchschweißbar ist, dass die stoffschlüssige Verbindung entsteht. Die stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Grundkörper und dem vorgeformten Schmelzkörper wird insbesondere durch Aufschmelzen des Schmelzkörpers und des Grundkörpers ausgebildet.
Das Verfahren ermöglicht die Einrichtung einer Taktung in der Produktion. In einem ersten Schritt kann beispielsweise der Schmelzkörper vorgeformt werden, insbesondere mit einer Federwindemaschine. In einem zweiten Schritt kann der Schmelzkörper an dem Grundkörper angeordnet werden. In einem dritten Schritt erfolgt das Aufschmelzen. Diese Schritte können teilweise parallelisiert werden und somit eine optimale Taktung der unterschiedlichen Schritte erfolgen.
Durch die Anordnung von vorgeformten Schmelzkörpern aus unterschiedlichen Materialien kann ein graduiertes Bauteil herstellbar sein. Dies kann für unterschiedliche Anwendungen von Bedeutung sein, beispielsweise kann eine Schicht für eine besondere Festigkeit des Bauteils vorgesehen sein und eine weitere, insbesondere nach außen gewandte Schicht kann zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit vorgesehen sein. Die stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Grundkörper und dem vorgeformten Schmelzkörper erfolgt vorzugsweise im Wesentlichen entlang der gesamten Fläche des Schmelzkörpers, die dem Grundkörper zugewandt ist. Im Wesentlichen bedeutet insbesondere, dass mehr als 50 %, mehr als 75 %, mehr als 90 %, mehr als 95 % und insbesondere mehr als 97,5 % der Fläche des Schmelzkörpers, die dem Grundkörper zugewandt ist, mit dem Grundkörper stoffschlüssig verbunden ist.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante des Verfahrens ist vorgesehen, dass der vorgeformte Schmelzkörper als ein spiralförmiges Drahtelement ausgebildet ist, wobei vorzugsweise zwei oder mehr benachbarte Windungen des spiralförmigen Drahtelements aneinander anliegen. Es ist insbesondere bevorzugt, dass im Wesentlichen alle Windungen aneinander anliegen. Das spiralförmige Drahtelement kann beispielsweise eine Feder sein. Es ist insbesondere bevorzugt, dass das spiralförmige Drahtelement als Zugfederelement ausgebildet ist, nämlich derart, dass die Windungen aneinander anliegen.
Das spiralförmige Drahtelement weist vorzugsweise mehr als drei, mehr als fünf, mehr als 10 und insbesondere mehr als 20 Windungen auf. Das spiralförmige Drahtelement kann beispielsweise 18 Windungen aufweisen. Das Winden von Drähten zu Federn ist ein seit langem bekanntes Verfahren und ein prozesssicheres Verfahren. Durch diese Prozesssicherheit kann ein spiralförmiges Drahtelement mit gleichbleibenden Eigenschaften bereitgestellt werden, das einen besonders prozesssicheren Aufschmelzprozess ermöglicht.
Alternativ oder zusätzlich können die Windungen des spiralförmigen Drahtelements beabstandet voneinander sein. Mit einem derartig ausgebildeten spiralförmigen Drahtelement können beispielsweise Bohrer oder Extruderschnecken hergestellt werden. Die Abstände zwischen den Windungen können bauteilspezifisch ausgebildet sein.
Es ist darüber hinaus bevorzugt, dass der vorgeformte Schmelzkörper zwei oder mehr spiralförmige Drahtelemente aufweist, die vorzugsweise aus zwei oder mehr unterschiedlichen Materialien bestehen oder diese umfassen. Somit kann ein Feder-in-Feder Konzept bei doppelter Federsteigung realisiert werden.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsvariante des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass das Aufschmelzen mit einer Lasereinheit erfolgt. Die Lasereinheit ist insbesondere zur Erzeugung und/oder zum Emittieren eines Laserstrahls ausgebildet. Die Lasereinheit ist vorzugsweise eine fasergeführte Diodenlasereinheit. Darüber hinaus kann die Lasereinheit eine Direktstrahllasereinheit sein. Ferner kann die Lasereinheit ein Faserlaser, ein Scheibenlaser und/oder ein CO2-Laser sein. Die Lasereinheit kann auch andersartige Laserquellen aufweisen. Es ist darüber hinaus bevorzugt, dass die Lasereinheit eine Leistung von mehr als 5 kW, vorzugsweise mehr als 50 kW, insbesondere mehr als 100 kW, aufweist.
Es ist bevorzugt, dass die Lasereinheit einen runden oder rechteckigen Brennfleck erzeugt. Beispielsweise kann der runde Brennfleck einen Durchmesser von 4,6 mm aufweisen. Darüber hinaus kann die Lasereinheit eine Spotbreite von mehr als 5 mm, insbesondere von ca. 40 mm aufweisen. Ferner können auch weitere Brennfleckgeometrien eingesetzt werden, beispielsweise kann der Brennfleck ellipsenförmig ausgebildet sein oder ein temperaturoptimiertes Profil aufweisen. Eine fasergeführter Diodenlasereinheit bzw. eine Direktstrahllasereinheit können unter anderem deswegen eingesetzt werden, da das im Vorherigen beschriebene Verfahren keine hohen Anforderungen an die Strahlqualität des Laserstrahls stellt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante des Verfahrens ist vorgesehen, dass der vorgeformte Schmelzkörper kraft- und/oder formschlüssig an dem Grundkörper angeordnet wird.
Ein kraftschlüssiges Anordnen des vorgeformten Schmelzkörpers an den Grundkörper kann beispielsweise mit einem spiralförmigen Drahtelement erfolgen. Das spiralförmige Drahtelement kann beispielsweise einen Innendurchmesser aufweisen, der geringer ist als ein Außendurchmesser des Grundkörpers, so dass eine Presspassung ausgebildet wird. Durch die Eigenschaften spiralförmiger Drahtelemente kann dieses jedoch aufgedreht werden, um den Innendurchmesser zu vergrößern, und anschließend auf den Grundkörper geschoben werden. Durch die Federkraft wird das spiralförmige Drahtelement kraftschlüssig an dem Grundkörper angeordnet. Eine formschlüssige Anordnung des vorgeformten Schmelzkörpers kann beispielsweise an einem Absatz des Grundkörpers erfolgen.
Es ist darüber hinaus bevorzugt, dass der vorgeformte Schmelzkörper umfangsseitig an dem Grundkörper angeordnet wird. Eine umfangsseitige Anordnung des vorgeformten Schmelzkörpers an dem Grundkörper bedeutet insbesondere, dass der vorgeformte Schmelzkörper entlang eines Außenumfangs und/oder eines Innenumfangs des Grundkörpers angeordnet wird. Beispielsweise erfolgt die Beschichtung von Wellen üblicherweise an einer Außenumfangsfläche. Darüber hinaus kann das Anordnen an einem Innenumfang eines Rohres bevorzugt sein, um dieses mittels einer Innenbeschichtung gegen Korrosion zu schützen.
Eine weitere bevorzugte Fortbildung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass durch den vorgeformten Schmelzkörper hindurchgeschweißt wird, so dass der Grundkörper zumindest abschnittsweise aufgeschmolzen wird. Das abschnittsweise Aufschmelzen des Grundkörpers betrifft insbesondere ein oberflächennahes Aufschmelzen.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsvariante des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass der Grundkörper mit dem vorgeformten Schmelzkörper während des Aufschmelzens gedreht wird. Die Drehung des Grundkörpers erfolgt vorzugsweise um eine Längsachse und/oder um eine Symmetrieachse des Grundkörpers. Durch ein Drehen des Grundkörpers mit dem vorgeformten Schmelzkörper wird der Prozess weiter vereinfacht. Der Laserstrahl muss so lediglich entlang der Längsachse bzw. der Symmetrieachse des Grundkörpers und/oder des Schmelzkörpers entlanggeführt werden. Der radiale Vorschub wird insbesondere durch die Drehbewegung bewirkt.
Es ist darüber hinaus bevorzugt, dass eine Vorschubrichtung im Wesentlichen parallel zu der Längsachse und/oder zu der Symmetrieachse des Grundkörpers ausgerichtet ist. Die Vorschubrichtung betrifft insbesondere den Vorschub der Schmelzeinheit, insbesondere des Laserstrahls und/oder der Lasereinheit. Darüber hinaus kann der Vorschub auch durch das Bauteil bewirkt werden. Die Längsachse und/oder die Symmetrieachse des Grundkörpers ist vorzugsweise koaxial zu einer Längsachse bzw. Symmetrieachse des Schmelzkörpers ausgerichtet.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsvariante des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass das Aufschmelzen mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 500 mm/min bis 2000 mm/min, insbesondere mit 700 mm/min bis 900 mm/min, erfolgt. Die Vorschubgeschwindigkeit kann von der Schmelzeinheit, insbesondere der Lasereinheit und/oder dem Bauteil realisiert werden. Die Vorschubgeschwindigkeit ist vorzugsweise parallel zur im Vorherigen beschriebenen Vorschubrichtung gerichtet.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsvariante des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass der vorgeformte Schmelzkörper eine zu einer Außenumfangskontur des Rundkörpers korrespondierende Innenumfangskontur aufweist, und/oder der vorgeformte Schmelzkörper eine zu der Innenumfangskontur des Grundkörpers korrespondierende Außenumfangskontur aufweist.
Es ist insbesondere bevorzugt, dass die Außenumfangskontur und/oder die Innenumfangskontur des Grundkörpers rotationssymmetrisch ausgebildet ist. Rotationssymmetrisch bedeutet insbesondere radialsymmetrisch.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsvariante des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass der Grundkörper eine runde Außenumfangskontur aufweist. Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass der vorgeformte Schmelzkörper eine runde Innenumfangskontur aufweist. Eine runde Außenumfangskontur des Grundkörpers kann beispielsweise bedeuten, dass der Grundkörper einen Querschnitt aufweist, der rund ist. Dieser Querschnitt weist insbesondere eine Querschnittsflächenorthogonale auf, die parallel zur Längsachse und/oder zur Symmetrieachse des Grundkörpers ausgerichtet ist. Durch eine runde Außenumfangskontur des Grundkörpers und eine runde Innenumfangskontur des vorgeformten Schmelzkörpers mit korrespondierenden Erstreckungen, insbesondere Durchmessern, wird das Anordnen des vorgeformten Schmelzkörpers an dem Außenumfang des Grundkörpers in vorteilhafter Weise ermöglicht. Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass der vorgeformte Schmelzkörper, insbesondere das spiralförmige Drahtelement, aus einem metallischen Material besteht oder ein metallisches Material umfasst. Das metallische Material kann beispielsweise Stahl, eine Nickelbasislegierung, Titan, Kupfer, eine Cobaltbasislegierung und/oder Aluminium sein oder umfassen. Der vorgeformte Schmelzkörper, insbesondere das spiralförmige Drahtelement, kann darüber hinaus auch aus weiteren schmelzbaren Materialien bestehen oder diese umfassen, beispielsweise Kunststoff.
In einerweiteren bevorzugten Fortbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass der vorgeformte Schmelzkörper eine Stärke von 0,1 mm bis 5 mm, insbesondere von 1 mm bis 2 mm, aufweist. Darüber hinaus kann das spiralförmige Drahtelement einen Durchmesser von 5 mm bis 1000 mm, vorzugsweise 20 mm bis 100 mm, insbesondere 30 mm bis 40 mm aufweisen.
Darüber hinaus kann es bevorzugt sein, dass ein Draht des spiralförmigen Drahtelements einen runden, ovalen, dreieckigen, viereckigen und/oder polygonalen Querschnitt aufweist. Der Draht kann beispielsweise eine Stärke von 0,1 mm bis 5 mm, insbesondere von 1 mm bis 2 mm, aufweisen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante des Verfahrens ist vorgesehen, dass der vorgeformte Schmelzkörper ein erstes Drahtelement und ein zweites Drahtelement aufweist, wobei das erste Drahtelement und das zweite Drahtelement aus unterschiedlichen Materialien ausgebildet sind oder unterschiedliche Materialien aufweisen.
In einer weiteren bevorzugten Fortbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass das Anordnen des vorgeformten Schmelzkörpers ortsunabhängig von dem Aufschmelzen des vorgeformten Schmelzkörpers erfolgt. Es ist ferner bevorzugt, dass das Anordnen des vorgeformten Schmelzkörpers in einem ersten Bearbeitungsschritt und das Aufschmelzen in einem von dem ersten Bearbeitungsschritt verschiedenen, zweiten Bearbeitungsschritt erfolgt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante des Verfahrens umfasst dieses den Schritt: Überprüfen der Anordnung des vorgeformten Schmelzkörpers an dem Grundkörper vor dem Aufschmelzen. Das Überprüfen der Anordnung kann beispielsweise mittels eines 3D-Scanprozesses erfolgen. Insbesondere wird die relative Position des Schmelzkörpers an dem Grundkörper überprüft. Beispielsweise kann dies durch die Beabstandung eines Referenzpunktes des Schmelzkörpers von einer Referenzposition des Grundkörpers, beispielsweise einem ersten und/oder zweiten Ende des Grundkörpers erfolgen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante des Verfahrens umfasst dieses den Schritt: Wärmebehandeln des Grundkörpers mit dem angeordneten und vorgeformten Schmelzkörper vor dem Aufschmelzen. Dadurch werden thermische Spannungen reduziert, insbesondere des Grundkörpers und/oder des vorgeformten Schmelzkörpers. Darüber hinaus wird die erforderliche Schmelzleistung, insbesondere Laserleistung, zum Aufschmelzen des vorgeformten Schmelzkörpers durch die Wärmebehandlung reduziert.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante des Verfahrens ist vorgesehen, dass dieses den Schritt umfasst: Anordnen eines zweiten und/oder weiteren vorgeformten Schmelzkörpers an dem aufgeschmolzenen vorgeformten Schmelzkörper zur Herstellung eines zumindest teilweise generativ hergestellten Bauteils. Es ist darüber hinaus bevorzugt, dass das Verfahren den Schritt umfasst: Aufschmelzen des zweiten und/oder weiteren vorgeformten Schmelzkörpers, um eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Grundkörper und/oder dem vorgeformten Schmelzkörper und dem zweiten und/oder weiteren vorgeformten Schmelzkörper auszubilden. Bei der Anordnung des zweiten und/oder weiteren vorgeformten Schmelzkörpers ist es bevorzugt, dass der zuvor angeordnete und aufgeschmolzene vorgeformte Schmelzkörper erstarrt ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch ein Fertigungssystem, das eingerichtet ist, ein Verfahren nach einer der im Vorherigen beschriebenen Ausführungsvarianten auszuführen. Das Fertigungssystem umfasst vorzugsweise eine erste Bearbeitungseinheit, die angeordnet und ausgebildet ist, um einen vorgeformten Schmelzkörper, insbesondere ein spiralförmiges Drahtelement, herzustellen. Darüber hinaus kann das Fertigungssystem eine zweite Bearbeitungseinheit umfassen, die angeordnet und ausgebildet ist, um den vorgeformten Schmelzkörper an einem Grundkörper anzuordnen. Darüber hinaus kann das Fertigungssystem eine dritte Bearbeitungseinheit umfassen, die angeordnet und ausgebildet ist, um den vorgeformten Schmelzkörper aufzuschmelzen, um eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Grundkörper und dem vorgeformten Schmelzkörper auszubilden. Es ist insbesondere bevorzugt, dass das Fertigungssystem die zweite Bearbeitungseinheit und die dritte Bearbeitungseinheit umfasst. Die erste Bearbeitungseinheit kann darüber hinaus auch vorgesehen sein. Alternativ zur ersten Bearbeitungseinheit können die vorgeformten Schmelzkörper auch anderweitig bereitgestellt werden, beispielsweise von einem externen Lieferanten.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch ein Bauteil, erhältlich durch ein Verfahren nach einer der im Vorherigen beschriebenen Ausführungsvarianten.
Das durch das Verfahren nach dem ersten Aspekt erhaltene Bauteil unterscheidet sich von konventionell beschichteten Bauteilen. Mittels metallographischen Untersuchungen können Mikrostrukturen und chemische Phasen in einem Grenzabschnitt angrenzend an eine Kontaktfläche zwischen dem Grundkörper und dem vorgeformten Schmelzkörper untersucht werden. In dem Grenzabschnitt tritt bei dem Bauteil gemäß dem weiteren Aspekt eine chemische Durchmischung der Materialien des Grundkörpers und des vorgeformten Schmelzkörpers auf, die eine metallurgische Verbindung bewirkt. Die chemische Durchmischung kann beispielsweise mittels einer energiedispersiven Röntgenspektroskopie, auch EDX- Analyse genannt, nachgewiesen werden.
Bei Verfahren zur galvanischen Beschichtung oder zur Beschichtung aus der Gasphase, wie PVD oder CVD, entstehen keine metallurgischen Verbindungen und der Grundkörper wird im Wesentlichen nicht thermisch beeinflusst. Im Vergleich zu anderen Schweißverfahren besteht der Unterschied unter anderem darin, dass bei dem Bauteil gemäß dem weiteren Aspekt ein geradliniger und homogener Grenzabschnitt ausgebildet wird, wobei die Wärmeeinflusszone vergleichsweise klein ist.
Schliffbilder von Bauteilen, die mit konventionellen Auftragsschweißverfahren hergestellt sind, zeigen üblicherweise, dass die Schicht aus mehreren aneinander liegenden Schweißraupen ausgebildet ist. Der Verlauf der Grenz- und Wärmeeinflusszone im Grenzabschnitt ist bei solchen Bauteilen in der Regel wellenförmig ausgebildet und die Wärmeeinflusszone ist vergleichsweise groß. Darüber hinaus führt die Herstellung von nebeneinander angeordneten Schweißraupen zu einem erneuten Anschmelzen und/oder Anlassen der benachbarten, bereits hergestellten Schweißraupe. Dadurch entstehen in einem Abschnitt zwischen zwei benachbarten Schweißraupen Gefügemodifikationen, die durch Ätzen eines metallographischen Schliffes oder durch energiedispersive Röntgenspektroskopie analysierbar sind. Im Gegensatz hierzu zeichnet sich das Bauteil nach dem weiteren Aspekt durch ein homogenes Gefüge aus.
Für weitere Vorteile, Ausführungsvarianten und Ausführungsdetails der weiteren Aspekte und ihrer möglichen Fortbildungen wird auch auf die zuvor erfolgte Beschreibung zu den entsprechenden Merkmalen und Fortbildungen des Verfahrens verwiesen. Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden exemplarisch anhand der beiliegenden Figuren erläutert. Es zeigen:
Figur 1 : schematische, zweidimensionale Ansichten beispielhafter
Ausführungsformen eines Grundkörpers und eines vorgeformten Schmelzkörpers;
Figur 2: eine schematische, zweidimensionale Ansicht eines beispielhaften Verfahrensaufbaus zum Aufschmelzen eines vorgeformten Schmelzkörpers;
Figur 3: eine weitere schematische, zweidimensionale Ansicht des in
Figur 2 gezeigten Aufbaus;
Figur 4: eine schematische Ansicht von Bearbeitungseinheiten;
Figur 5: ein schematisches Verfahren.
In den Figuren sind gleiche oder im Wesentlichen funktionsgleiche bzw. -ähnliche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
In Figur 1 ist ein vorgeformter Schmelzkörper 100 gezeigt, der als spiralförmiges Drahtelement 101 ausgebildet ist. Der vorgeformte Schmelzkörper 100 erstreckt sich von einem ersten Schmelzkörperende 102 zu einem zweiten Schmelzkörperende 104. Angrenzend an das erste Schmelzkörperende 102 ist eine erste Windung 106 vorgesehen. Angrenzend an das zweite Schmelzkörperende 104 ist eine zweite Windung 108 vorgesehen. Zwischen der ersten Windung 106 und der zweiten Windung 108 sind eine Vielzahl weiterer Windungen 110 vorgesehen. Die Windungen 106, 108, 110 liegen aneinander an. Aneinander anliegend bedeutet insbesondere, dass zwischen zwei benachbarten Windungen kein Abstand besteht. Alternativ oder ergänzend besteht die Möglichkeit, dass die Windungen 106, 108, 110 voneinander beabstandet sind.
Der vorgeformte Schmelzkörper 100 kann beispielsweise auch als eine Hülse ausgebildet sein. Diese kann beispielsweise durch eine entsprechende Innenumfangskontur kraftschlüssig an den Grundkörper 200 angeordnet werden. Weitere Geometrien des vorgeformten Schmelzkörpers wurden im Vorherigen bereits erläutert.
Der ebenfalls in Figur 1 gezeigte Grundkörper 200 erstreckt sich von einem ersten Grundkörperende 202 hin zu einem zweiten Grundkörperende 204. Angrenzend an das erste Grundkörperende 202 ist ein Beschichtungsabschnitt 206 vorgesehen. Der Beschichtungsabschnitt 206 soll mit dem Verfahren beschichtet werden. Darüber hinaus weist der Grundkörper 200 in einem Abschnitt angrenzend an das zweite Grundkörperende 204 ein Gewinde 208 auf. Der Grundkörper 200 ist als ein rotationssymmetrisches Bauteil ausgebildet, mit einer Längsachse 210, die auch als Symmetrieachse 212 wirkt. Ferner ist in Figur 1 ein Dorn 10 gezeigt, der zum Einspannen des Grundkörpers 200 in eine Drehmaschine vorgesehen ist. Der Dorn 10 ist insbesondere Teil der Drehmaschine und üblicherweise nicht Teil des Grundkörpers 200.
In Figur 2 ist der vorgeformte Schmelzkörper 100 an dem Grundkörper 200 angeordnet. Der vorgeformte Schmelzkörper 100 wird mittels eines Laserstrahls 2 einer Lasereinheit 1 aufgeschmolzen. Die Lasereinheit 1 wird parallel zur Längsachse 210 des Grundkörpers 200 in Vorschubrichtung 4 bewegt. Durch die Bewegung der Lasereinheit 1 in Vorschubrichtung 4 wird der Laserstrahl sukzessive von dem ersten Schmelzkörperende 102 hin zum zweiten Schmelzkörperende 104 bewegt. Infolgedessen ist die erste Windung 106 und weitere der ersten Windung 106 zugewandte Windungen bereits aufgeschmolzen, die daher in der Figur 2 als Schmelzabschnitt 112 dargestellt sind. Die ursprüngliche Struktur mit Windungen ist durch das Aufschmelzen beseitigt worden. Während die Lasereinheit 1 in Vorschubrichtung 4 bewegt wird, rotiert der Grundkörper 200 mit dem vorgeformten Schmelzkörper 100 um die Längsachse 210 mit einer Drehzahl.
Die Drehzahl ist abhängig von dem Durchmesser des Grundkörpers 200, der Brennfleckgröße und der Laserleistung der Lasereinheit 1. Beispielsweise kann die Drehzahl zwischen einer Umdrehung pro Minute und 20 Umdrehungen pro Minute liegen. Die resultierende Vorschubgeschwindigkeit kann beispielsweise 500 mm/min bis 2000 mm/min, insbesondere 700 mm/min bis 900 mm/min, betragen.
Durch das stoffschlüssige Verbinden des Schmelzkörpers 100 mit dem Grundkörper 200 wird das Bauteil 400 ausgebildet.
In der Figur 3 ist eine weitere Ansicht des in Figur 2 gezeigten Aufbaus gezeigt. Die Längsachse 210 des Grundkörpers 200 steht in der Figur 3 senkrecht in der Bildebene. Insbesondere ist gezeigt, dass der Grundkörper 200 eine runde Außenkontur aufweist. Darüber hinaus ist gezeigt, dass der vorgeformte Schmelzkörper 100 eine runde Innenkontur aufweist.
Figur 4 zeigt eine schematische Ansicht eines Fertigungssystems 500 mit Bearbeitungseinheiten 502-506. Die erste Bearbeitungseinheit 502 ist angeordnet und ausgebildet, um den vorgeformten Schmelzkörper 100, insbesondere das spiralförmige Drahtelement 101 , herzustellen. Die erste Bearbeitungseinheit 502 kann beispielsweise eine Federwindemaschine sein. Die zweite Bearbeitungseinheit 504 ist angeordnet und ausgebildet, um den vorgeformten Schmelzkörper 100 an dem Grundkörper 200 anzuordnen. Die dritte Bearbeitungseinheit 506 ist angeordnet und ausgebildet, um den vorgeformten Schmelzkörper 100 derart aufzuschmelzen, dass eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Grundkörper 200 und dem vorgeformten Schmelzkörper 100 ausgebildet wird.
In Figur 5 ist ein schematisches Verfahren gezeigt. In Schritt 300 wird der vorgeformte Schmelzkörper 100 hergestellt. Dies kann insbesondere mit einer Federwindemaschine erfolgen. Die Federwindemaschine kann einen Draht zu einer Feder winden. Dadurch wird ein spiralförmiges Drahtelement ausgebildet, das als vorgeformter Schmelzkörper wirkt. In Schritt 302 wird der vorgeformte Schmelzkörper 100 an dem Grundkörper 200 angeordnet. Das Anordnen kann insbesondere durch ein Aufschieben des vorgeformten Schmelzkörpers 100 auf den Grundkörper 200, insbesondere auf den Beschichtungsabschnitt 206, erfolgen.
In Schritt 304 wird die Anordnung des vorgeformten Schmelzkörpers 100 an dem Grundkörper 200 überprüft. Die Überprüfung kann beispielsweise mit einem 3D- Scanprozess erfolgen. Insbesondere wird bei der Überprüfung der Anordnung überprüft, ob der vorgeformte Schmelzkörper 100 an einer vordefinierten Position des Grundkörpers 200, insbesondere an einem vordefinierten Beschichtungsabschnitt 206 angeordnet ist.
In Schritt 306 wird der Grundkörper 200 mit dem vorgeformten Schmelzkörper 100, insbesondere mit dem angeordneten vorgeformten Schmelzkörper 100, wärmebehandelt. Die Wärmebehandlung kann beispielsweise bei einer Temperatur zwischen 300°C und 800°C durchgeführt werden. Der Schritt 306 kann alternativ oder zusätzlich auch nach dem Schritt 308 erfolgen, sodass eine vor- und/oder nachgelagerte Wärmebehandlung möglich ist. Für die Wärmebehandlung kann beispielsweise eine Ofenerwärmung, eine Induktionserwärmung, eine Widerstandserwärmung, eine Brennererwärmung und/oder eine Lasererwärmung eingesetzt werden.
In Schritt 308 erfolgt schließlich das Aufschmelzen des vorgeformten Schmelzkörpers 100, um eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Grundkörper 200 und dem vorgeformten Schmelzkörper 100 auszubilden.
Mit dem im Vorherigen beschriebenen Verfahren werden kürzere Prozesszeiten und eine verbesserte Bauteilqualität durch eine geringere Prozesskomplexität erzielt. Darüber hinaus ermöglicht das Verfahren die Herstellung graduierter Bauteile und definierter Beschichtungen, so dass die Qualität der zu erzeugenden Bauteile einerseits verbessert ist und darüber hinaus auch das Anwendungsfeld der erzeugten Bauteile erweitert wird. Insbesondere die Vereinfachung des Prozesses ermöglicht die Anwendung des drahtbasierten Auftragschweißens auch solchen Unternehmen, die keine großen Investitionen in hochpräzise Fertigungsmittel leisten können. Es wird somit ein qualitativ hochwertiger Prozess zu geringen Kosten ermöglicht.
Mit dem Verfahren können insbesondere Beschichtungen an Außen- und Innenumfangsflächen von korrosionsgefährdeten Bauteilen ausgebildet werden. Mögliche Anwendungen sind beispielsweise die Verfahrenstechnik und die Energietechnik, insbesondere in der Petrochemiebranche. Darüber hinaus können Bauteile für Müllverbrennungsanlagen mit dem Verfahren beschichtet werden. Ferner kann das Verfahren für Bauteile in der Fahrzeugtechnik, insbesondere für Bauteile zur Verwendung in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen, vorzugsweise in Personen- und/oder Lastkraftfahrzeugen, eingesetzt werden. Derartig hergestellte Bauteile können außerdem in Schienenfahrzeugen, Flurförderfahrzeugen und Baumaschinen verwendet werden. Darüber hinaus können mit dem Verfahren Wellen und Achsen für Schiffe und Flugzeuge hergestellt werden. Darüber hinaus sind Anwendungen in hydraulischen Systemen möglich.
Ferner wird das Verfahren für Bauteile eingesetzt, die einem hohen abrasiven Verschleiß ausgesetzt sind. Abrasiver Verschleiß kann beispielsweise innerhalb von Rohren auftreten, die Fluide mit abrasiven Partikeln leiten. Ein weiterer Anwendungsfall ist die generative Herstellung von Bauteilen. Aufgrund der vergleichsweise hohen Auftragsrate können mit dem Verfahren auch große Stückzahlen zu wirtschaftlichen Bedingungen hergestellt werden. Dies ist ein Unterscheid zu allen bisher entwickelten generativen Verfahren, die im Wesentlichen ausschließlich im Prototypenbau oder in der Einzel- und Kleinserienfertigung eingesetzt werden. Ferner können mit dem Verfahren bisher nicht oder lediglich aufwendig herstellbare Strukturen erzeugt werden. Beispielsweise werden zur Sicherstellung einer Ölversorgung in Getriebewellen lange Bohrungen bzw. Durchgangsöffnungen vorgesehen, durch die Öl bereitgestellt wird. Mit dem Verfahren können diese Bohrungen in einfacher Weise hergestellt werden, indem beispielsweise der vorgeformte Schmelzkörper an der Stelle der herzustellenden Durchgangsöffnung eine Leerstelle aufweist. BEZUGSZEICHEN
1 Lasereinheit
2 Laserstrahl
4 Vorschubrichtung
10 Dorn
100 vorgeformter Schmelzkörper
101 spiralförmiges Drahtelement
102 erstes Schmelzkörperende
104 zweites Schmelzkörperende
106 erste Windung
108 zweite Windung
110 Windungen
112 Schmelzabschnitt
200 Grundkörper
202 erstes Grundkörperende
204 zweites Grundkörperende
206 Beschichtungsabschnitt
208 Gewinde
210 Längsachse
212 Symmetrieachse
400 Bauteil
500 Fertigungssystem
502 erste Bearbeitungseinheit
504 zweite Bearbeitungseinheit
506 dritte Bearbeitungseinheit

Claims

ANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Erzeugung einer Schicht, insbesondere zur Beschichtung und/oder zur Herstellung eines Bauteils (400), umfassend die Schritte:
Anordnen eines vorgeformten Schmelzkörpers (100) an einem Grundkörper (200), und
Aufschmelzen des vorgeformten Schmelzkörpers (100), um eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Grundkörper (200) und dem vorgeformten Schmelzkörper (100) auszubilden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei der vorgeformte Schmelzkörper (100) als ein spiralförmiges Drahtelement (101) ausgebildet ist, wobei vorzugsweise zwei oder mehr benachbarte Windungen (106, 108, 110) des spiralförmigen Drahtelements (101) aneinander anliegen.
3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Aufschmelzen mit einer Lasereinheit (1) erfolgt, wobei vorzugsweise die Lasereinheit (1) eine fasergeführte Diodenlasereinheit und/oder eine Direktstrahllasereinheit ist und ferner vorzugsweise eine Leistung von mehr als 5 kW, insbesondere mehr als 100 kW, aufweist.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der vorgeformte Schmelzkörper (100) kraft- und/oder formschlüssig an dem Grundkörper (200) angeordnet wird, und/oder umfangsseitig an dem Grundkörper (200) angeordnet wird.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei durch den vorgeformten Schmelzkörper (100) hindurch geschweißt wird, sodass der Grundkörper (200) zumindest abschnittsweise aufgeschmolzen wird. 6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Grundkörper (200) mit dem vorgeformten Schmelzkörper (100) während des Aufschmelzens gedreht wird, insbesondere um eine Längsachse (210) des Grundkörpers (200), vorzugsweise um eine Symmetrieachse (212) des Grundkörpers (200), und/oder eine Vorschubrichtung im Wesentlichen parallel zu der Längsachse (210) und/oder zu der Symmetrieachse (212) des Grundkörpers (200) ausgerichtet ist.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Aufschmelzen mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 500 mm/min bis 2000 mm/min, insbesondere mit 700 mm/min bis 900 mm/min, erfolgt.
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der vorgeformte Schmelzkörper (100) eine zu einer Außenumfangskontur des Grundkörpers (200) korrespondierende Innenumfangskontur aufweist, und vorzugsweise die Außenumfangskontur des Grundkörpers (200) rotationssymmetrisch ausgebildet ist.
9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Grundkörper (200) eine runde Außenumfangskontur aufweist, und/oder der vorgeformte Schmelzkörper (100) eine runde Innenumfangskontur aufweist.
10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der vorgeformte Schmelzkörper (100), insbesondere das spiralförmige Drahtelement (101), aus Stahl besteht oder Stahl umfasst. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der vorgeformte Schmelzkörper (100) eine Stärke von 0,1 mm bis 5 mm, insbesondere 1 mm bis 2 mm, aufweist, und/oder das spiralförmige Drahtelement (101) einen Durchmesser von 5 mm bis 1000 mm, vorzugsweise 20 mm bis 100 mm aufweist, und/oder ein Draht des spiralförmigen Drahtelements (101) einen runden, ovalen, dreieckigen, viereckigen und/oder polygonalen Querschnitt aufweist. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der vorgeformte Schmelzkörper (100) ein erstes Drahtelement und ein zweites Drahtelement aufweist, wobei das erste Drahtelement und das zweite Drahtelement aus unterschiedlichen Materialien ausgebildet sind oder unterschiedliche Materialien aufweisen. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Anordnen des vorgeformten Schmelzkörpers (100) ortsunabhängig von dem Aufschmelzen des vorgeformten Schmelzkörpers (100) erfolgt, wobei vorzugsweise das Anordnen des vorgeformten Schmelzkörpers (100) in einem ersten Bearbeitungsschritt und das Aufschmelzen in einem von dem ersten Bearbeitungsschritt verschiedenen, zweiten Bearbeitungsschritt erfolgt. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend den Schritt: Überprüfen der Anordnung des vorgeformten Schmelzkörpers (100) an dem Grundkörper (200) vor dem Aufschmelzen, insbesondere mittels eines 3D- Scanprozesses. - 22 -
15. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend den Schritt: Wärmebehandeln des Grundkörpers (200) mit dem angeordneten und vorgeformten Schmelzkörper (100) vor dem Aufschmelzen.
16. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend den Schritt:
Anordnen eines zweiten und/oder weiteren vorgeformten
Schmelzkörpers an dem aufgeschmolzenen vorgeformten
Schmelzkörper (100) zur Herstellung eines zumindest teilweise generativ hergestellten Bauteils, und vorzugsweise Aufschmelzen des zweiten und/oder weiteren vorgeformten Schmelzkörpers, um eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Grundkörper (200) und/oder dem vorgeformten Schmelzkörper (100) und dem zweiten vorgeformten Schmelzkörper auszubilden.
17. Fertigungssystem, das eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1-16 auszuführen, insbesondere umfassend: eine erste Bearbeitungseinheit (502), die angeordnet und ausgebildet ist, um einen vorgeformten Schmelzkörper (100), insbesondere ein spiralförmiges Drahtelement (101), herzustellen, und/oder eine zweite Bearbeitungseinheit (504), die angeordnet und ausgebildet ist, um den vorgeformten Schmelzkörper (100) an einem Grundkörper (200) anzuordnen, und/oder eine dritte Bearbeitungseinheit (506), die angeordnet und ausgebildet ist, um den vorgeformten Schmelzkörper (100) aufzuschmelzen, um eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Grundkörper (200) und dem vorgeformten Schmelzkörper (100) auszubilden.
18. Bauteil (400), erhältlich durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1-16.
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