-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Fertigen von metallischen Bauteilen.
-
Ein Verbinden von metallischen Bauteilen kann mittels mehrerer Verfahren erfolgen, die sich hinsichtlich ihrer Komplexität unterscheiden. Eine Kombination aus lokaler Verformung bei lokal realisierter Umformtemperatur gibt es bei Fügeverfahren wie Gas- und Widerstandspressschweißen oder Reibschweißen, vgl.
D. Böhme, F. -D. Hermann: Handbuch der Schweißverfahren, Teil II, DVS-Verlag, Düsseldorf 1992, Seite 45 ff. und S. 269 ff.. Bei einzelnen metallischen Bändern ist beispielsweise aus der Druckschrift
DE 195 02 140 C1 oder der Druckschrift
EP 2 090 395 A2 ein laserunterstütztes Fügen bekannt.
-
Bei Großbauteilen wie Wellen aller Art, Walzen sowie rohrförmigen Bauteilen für verschiedene Anwendungen kann beispielsweise ein Gießprozess oder die klassische metallurgische Fertigungskette, d. h. Gießen und Schmieden bzw. Freiformschneiden, zum Einsatz kommen. Dabei kommt dem Schmieden neben der endkonturnahen Formgebung vor allem die Aufgabe der Reduzierung und Beseitigung von Gefügeseigerungen, Poren und Gusslunkern zu. Durch Schmieden werden aber auch eine Gefügefeinung und eine damit verbundene Eigenschaftsverbesserungen erreicht. Einen wesentlichen Kostenfaktor des Schmiedeprozesses stellen die dafür notwendigen Werkzeuge dar.
-
Je nach Art der Bauteile erfolgt eine Weiterbearbeitung oftmals über ein sehr energieintensives Zwischenwärmen und unter Beachtung werkstoffabhängiger Abkühlregime, die zum Beispiel bei Bauteilen mit großem Querschnitt wegen einer Begrenzung von Schrumpfspannungen auch mehrere Tage in Anspruch nehmen können vgl. K. Lange: Umformtechnik, Band 2: Massivumformung, Springer-Verlag 1993 und D. M. Schibisch, L. de Vathaire: elektrowärme international, 2/2013, Seiten 79–86.
-
Bei großen und komplizierten Formen sind oftmals viele Zwischenerwärmungen notwendig. Das Anwärmen und Abkühlen großer Teile aus hochlegierten Stählen beim Schmieden und bei der Wärmebehandlung ist sehr zeitintensiv. Aus Effektivitätsgründen ist die Notwendigkeit des Zusammenfassens ähnlicher Formen beim Schmieden und ähnlicher Stahlsorten bei der Wärmebehandlung sinnvoll, wodurch zusammen mit anderen schmiedespezifischen Faktoren häufig eine kurzfristige Bereitstellung von geschmiedeten Teilen erschwert wird.
-
Dickwandige nahtlose Rohre wiederum werden typischerweise mittels Gießen und Strangpressen, Stranggießen, Schleuderguss oder Pilgerschrittverfahren gefertigt, vgl. K. -H. Brensing, B. Sommer: Herstellverfahren für Stahlrohre, Mannesmannröhren-Werke AG, 45466 Mülheim a. d. Ruhr. Insbesondere benötigen große, mittels Freiformschneiden gefertigte Bauteile nachträglich eine aufwändige spanende Endbearbeitung. Die Werkstoffauswahl der Bauteile bzw. Werkstücke erfolgt dabei nicht nur unter Beachtung der für den vorgesehenen Einsatzbereich auftretenden Beanspruchungen, sondern sie müssen auch den jeweiligen Herstellungsverfahren gerecht werden.
-
Genügen die Grundwerkstoffe den an die Bauteile gestellten potenziellen Anforderungen nicht, können Bauteile beispielsweise über Verbundguss-Technologien, wie z. B. Schleuderguss für die Herstellung von Verbundguss-Walzen (vgl. M. Winhager, J. Girardi, K. Maier: Walzenguss: Vom Wegwerfprodukt zum umweltschonenden High-Tech-Werkzeug, Gießereirundschau 51 (2004), Heft 5/6, Seiten 100–103) aus zwei Werkstoffen gefertigt werden. Da diese Technologien für eine Reihe von Teilen zu aufwändig bzw. auch für nicht alle Werkstoffe und Einsatzgebiete nutzbar sind, werden die am stärksten auf Korrosion oder Verschleiß beanspruchten Bauteiloberflächen durch nachfolgende Beschichtungstechniken mit einer Veredelungsschicht versehen.
-
Typische Verfahren für die Oberflächenveredelung sind die galvanische Beschichtung, das Beschichten mittels des Thermischen Spritzens und Auftragschweißen. Während die galvanische Beschichtung (z. B. Hartchrom-Schichten) im kalten Zustand abläuft und üblicherweise Schichtdicken bis < 0,1 mm realisiert, werden beim Thermischen Spritzen (vgl. F. Gätner, J. Voyer, Xiumei Qi, H. Kreye: Neue Herausforderungen für das Draht- und Stabflammspritzen, Universität der Bundeswehr Hamburg, Germany), mit Ausnahme des Kaltgasspritzens, ein vollständiges bis partielles Aufschmelzen des Beschichtungswerkstoffes angestrebt, wobei üblicherweise Schichtdicken s < 1 mm realisiert werden. Alle Auftragschweißprozesse, z. B. MIG/MAG-, UP-, Plasma-, Laserverfahren, basieren auf dem schmelzflüssigen Zustand des Schichtwerkstoffes und einem Anschmelzen der Subtratoberfläche, so dass je nach Verfahren und aufgetragenen Schichtdicken eine starke Erwärmung der Bauteile bzw. Bauteiloberflächen erfolgt. Die üblicherweise einlagig aufgetragenen maximalen Schichtdicken liegen bei 2–3 mm, in Ausnahmefällen werden bis zu 5 mm angegeben. Die Beschichtung großer Bauteiloberflächen ist ebenfalls sehr zeitintensiv.
-
Weiterhin beinhaltet die konventionelle Fertigungsstrecke Maßnahmen zur Beseitigung von Zunder und Stäuben sowie zum Schutz vor übermäßiger Wärmstrahlung und Lärm.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu entwickeln, mit dem kosten- und energieeffizient eine Fertigung größerer Bauteile ermöglicht wird.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 8. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
-
Eine Vorrichtung zum Fertigen von metallischen Bauteilen aus einem Substrat und einem auf das Substrat aufzubringenden Auflageelement weist eine Zuführvorrichtung auf, die eingerichtet ist, das Auflageelement auf eine zu beschichtende Oberfläche des Substrats zu führen. Außerdem weist die Vorrichtung mindestens eine Laserlichtquelle auf, die eingerichtet ist, durch mindestens einen emittierten Laserstrahl zumindest das Auflageelement an seiner Oberfläche unmittelbar vor und bzw. oder an einem Auftreffpunkt oder einem Auftreffbereich zwischen dem Auflageelement und dem Substrat auf eine zum stoffschlüssigen Fügen geeignete Temperatur zu erwärmen. Schließlich ist eine mit mindestens einer Walze ausgestatteten Walzvorrichtung vorgesehen, mit der das erwärmte Auflageelement auf das Substrat pressbar ist und hierbei eine stoffschlüssige Verbindung hergestellt wird. Eine Verfahreinheit und bzw. oder die Zuführvorrichtung sind dazu ausgebildet, durch eine Querbewegung des Substrats relativ zu der Zuführvorrichtung und bzw. oder eine Bewegung der Zuführvorrichtung das Auflageelement spurweise oder lagenweise auf das Substrat aufzubringen, so dass mindestens eine Spur des Auflageelementwerkstoffs auf der Oberfläche des Substrats angeordnet ist oder einzelne Spuren des Auflageelementwerkstoffs auf der Oberfläche des Substrats nebeneinander und bzw. oder Lagen des Auflageelementwerkstoffs übereinander angeordnet sind.
-
Mit der beschriebenen Vorrichtung ist es in energieeffizienter, kraftsparender sowie raumsparender Weise möglich, spur- und lagenweise großflächige (2D) Bauteile und bzw. oder großvolumige (3D) Bauteile zu fertigen. Diese großvolumigen Bauteile bzw. diese Bauteile mit großen Oberflächen aus einem oder mehreren festen Werkstoffen liegen dann typischerweise mit ausschließlich metallischer Bindung zwischen einzelnen Lagen bzw. Spuren vor. Das Aufbringen und Verbinden einzelner Spuren bzw. Lagen oder Spurlagen erfolgt dabei quasi in einem ”kalten” Zustand, so dass ein überwiegender Anteil des Ausgangsgefüges der zugeführten Werkstoffe erhalten bleibt. Durch ein flächiges Pressen des Auflageelements auf das Substrat wird hierbei eine zuverlässige Verbindung hergestellt. Das Substrat kann hierbei auf einem Substrathalter angeordnet sein, so dass die einzelne Walze der Walzvorrichtung das Auflageelement auf das Substrat drückt. Unter einem spurweisen Aufbringen soll hierbei insbesondere auch das Aufbringen lediglich einer einzigen Spur des Auflageelementwerkstoffs auf das Substrat verstanden werden. Die Relativbewegung zwischen der Zuführvorrichtung und dem Substrat dient dann vor allem dem Positionieren des Auflageelements auf der Substratoberfläche.
-
Typischerweise sind sowohl das Substrat als auch das Auflageelement aus einem metallischen Werkstoff ausgebildet, es kann aber auch zumindest der Werkstoff des Auflageelements oder der Werkstoff des Substrats aus einem thermoplastischen Kunststoff, vorzugsweise als ein Polymer-Matrix-Komposit auf Thermoplastbasis, ausgebildet sein. Als Werkstoffe für das Substrat und bzw. oder das Auflageelement können Stähle, Nickel- und Nickellegierungen, Kupfer- und Kupferlegierungen, Titan und Titanlegierungen, Aluminium und Aluminiumlegierungen sowie verschiedene Sondermetalle verwendet werden. Ein Substratwerkstoff und der Auflageelementwerkstoff können gleich bzw. identisch sein, es können für das Substrat und das Auflageelement aber auch verschiedene Werkstoffe verwendet werden.
-
Vorzugsweise wird durch den von der Laserlichtquelle emittierten Laserstrahl sowohl das Auflageelement als auch das Substrat an den jeweiligen zu verbindenden Oberflächen unmittelbar vor und bzw. oder an dem Auftreffpunkt oder einem Auftreffbereich auf die zum stoffschlüssigen Fügen geeignete Temperatur erwärmt. Dies ermöglicht eine verbesserte Verbindung der beiden Elemente.
-
Es kann vorgesehen sein, dass das Auflageelement bandförmig oder drahtförmig ist. Unter ”bandförmig” soll hierbei insbesondere verstanden werden, dass eine Länge und eine Breite des Auflageelements deutlich größer als eine Dicke ist, typischerweise mindestens ein Fünffaches der Dicke beträgt. Unter dem Begriff ”drahtförmig” soll insbesondere verstanden werden, dass die Länge des Auflageelements deutlich größer als seine Dicke und deutlich größer als seine Breite ist. Typischerweise beträgt die Länge mindestens ein Fünffaches der Dicke bzw. der Breite. Vorzugsweise ist das drahtförmige Auflageelement in seinem Querschnitt rechteckig, es kann aber auch kreisförmig ausgebildet sein.
-
Das Substrat sollte eine konvexe Oberfläche aufweisen und vorzugsweise zylinderförmig sein. Alternativ kann das Substrat auch plattenförmig ausgestaltet sein. Typischerweise ist das Substrat breiter als das Auflageelement, vorzugsweise beträgt eine Breite des Substrats mindestens das Doppelte einer Breite des Auflageelements. Alternativ oder zusätzlich kann das Substrat auch dicker als das Auflageelement ausgebildet sein. Eine Dicke des Substrats beträgt vorzugsweise mindestens das Doppelte einer Dicke des Auflageelements.
-
Es kann eine Vorwärmvorrichtung vorgesehen sein, mit der das Auflageelement und bzw. oder das Substrat vor dem Auftreffen der zu fügenden Oberfläche des Auflageelements auf eine Oberfläche des Substrat vorwärmbar ist. Die Vorwärmeinrichtung bildet mindestens einen Laserstrahl und bzw. oder einen Plasmabogen aus. Alternativ oder zusätzlich kann die Vorwärmeinrichtung auch einen Induktionsgenerator bzw. eine Vorrichtung zum konduktiven Erwärmen oder zum Erwärmen mittels WIG-Bogen (Wolfram-Inertgas-Bogen) aufweisen. Mit der Vorwärmeinrichtung ist es möglich, die zu fügenden Werkstoffe besser auf den nachfolgenden Verbindungsprozess vorzubereiten, da wesentliche Prozessparameter positiv beeinflusst werden, so dass der eigentliche Fügevorgang einfacher erfolgen kann.
-
Typischerweise ist der mindestens eine Laserstrahl, der von der Laserlichtquelle emittiert wird, linienförmig oder rechteckförmig ausgebildet, um einen breiten Streifen des Werkstoffs zu erhitzen. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass der mindestens eine Laserstrahl eindimensional auslenkbar ist, also vorzugsweise in stetiger Wiederholung über den zu erwärmenden Bereich verfahren wird.
-
Die Laserlichtquelle, die auch als Laserstrahlungsquelle bezeichnet wird, kann derart ausgebildet sein, dass der mindestens eine von ihr emittierte Laserstrahl auf einen Randbereich einer bereits mit dem Substrat stoffschlüssig verbundenen Spur des Auflageelements gerichtet ist, um diesen Randbereich zum erleichterten Aufbringen einer neben der bereits stoffschlüssig verbundenen Spur aufzubringenden weiteren Spur vorzubereiten. Unter dem Randbereich soll hierbei insbesondere ein Bereich mit einer Breite von 10 Prozent, vorzugsweise 5 Prozent der Breite der gesamten Spur verstanden werden.
-
Alternativ oder zusätzlich kann eine Schweißvorrichtung vorgesehen sein, mit der eine Schweißnaht zwischen zwei nebeneinander angeordneten Spuren des Auflageelements generierbar ist. Hierdurch können die Spuren besser miteinander verbunden werden.
-
Ein Verfahren zum Fertigen von metallischen Bauteilen aus einem Substrat und einem auf dem Substrat aufzubringenden sowie mit dem Substrat stoffschlüssig zu verbindenden Auflageelement weist mehrere Schritte auf. Das Auflageelement wird durch eine Zuführvorrichtung auf eine zu beschichtende Oberfläche des Substrats geführt. Zumindest das Auflageelement wird durch einen von mindestens einer Laserlichtquelle emittierten Laserstrahl an seiner Oberfläche unmittelbar vor und bzw. oder an einem Auftreffpunkt oder einem Auftreffbereich zwischen dem Auflageelement und dem Substrat auf eine zum stoffschlüssigen Fügen geeignete Temperatur erwärmt. Das erwärmte Auflageelement wird anschließend durch eine Walzvorrichtung auf das Substrat gepresst und hierbei mit dem Substrat stoffschlüssig verbunden. Das Auflageelement wird durch eine Querbewegung des Substrats relativ zu der Zuführvorrichtung und bzw. oder eine Bewegung der Zuführvorrichtung relativ zu dem Substrat spurweise oder lagenweise auf das Substrat aufgebracht, so dass mindestens eine Spur des Auflageelementwerkstoffs auf der Oberfläche des Substrats angeordnet ist oder einzelne Spuren des Auflageelementwerkstoffs auf der Oberfläche des Substrats nebeneinander und bzw. oder einzelne Lagen des Auflageelementwerkstoffs übereinander angeordnet sind.
-
Das Substrat und das Auflageelement werden vorzugsweise in einer Schutzgasatmosphäre miteinander verbunden, um eine Verschmutzung der Oberfläche und somit eine schlechtere Verbindung zu vermeiden. Als Schutzgas kann sowohl ein inertes als auch ein aktives Gas eingesetzt werden.
-
Eine Gesamtverformung des Auflageelements während des Zusammenpressens mit dem Substrat sollte im Bereich von 1 Prozent bis 50 Prozent der Ausgangsdicke des Auflageelements liegen, um eine zuverlässige Verbindung zu ermöglichen.
-
Das beschriebene Verfahren wird vorzugsweise mit der beschriebenen Vorrichtung durchgeführt bzw. die beschriebene Vorrichtung ist typischerweise zum Durchführen des erläuterten Verfahrens geeignet.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend anhand der 1 bis 6 erläutert.
-
Es zeigen:
-
1 eine seitliche schematische Ansicht einer Vorrichtung zum adaptiven Fertigen metallischer Bauteile und Bauteiloberflächen;
-
2 eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung mit einem zylinderförmigen Substrat;
-
3 eine 2 entsprechende Ansicht mit mehreren auf dem Substrat aufgebrachten Lagen;
-
4 eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung mit einem plattenförmigen Substrat;
-
5 eine 4 entsprechende Ansicht mit einer Schweißvorrichtung und
-
6 eine 4 entsprechende Ansicht mit einem Verbundblech.
-
In 1 ist in einer schematischen seitlichen Ansicht eine Vorrichtung zum adaptiven Fertigen von metallischen Bauteilen dargestellt. Ein Auflageelement 1, im dargestellten Ausführungsbeispiel ein Band aus einer NiCr-Legierung wird durch eine im dargestellten Ausführungsbeispiel durch zwei Rollen gebildete Zuführvorrichtung 7 auf ein Substrat 3 geführt. Das Substrat 3 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel plattenförmig und aus einem niedriglegierten Stahl.
-
Durch die gezeigte Vorrichtung bzw. das im Folgenden beschriebene Verfahren wird ein Bauteilvolumen, d. h. ein Volumen eines aus dem Substrat 3 und dem Auflageelement 1 gebildeten Bauteils, ausgehend von dem Substrat 3 als Grundkörper, spur- und bzw. oder lagenweise mittels des bandförmigen Auflageelements 1 als Auftragwerkstoff aufgebaut. In weiteren Ausführungsbeispielen kann das Auflageelement 1 auch drahtförmig sein.
-
Das Auflageelement 1 wird hierzu, wie bereits beschrieben, unter einem Winkel über eine Andrückrolle bzw. Walze 2 auf eine Oberfläche des Substrats 3 geführt und mit einer Kraft FW aufgewalzt, die vorzugsweise senkrecht auf eine Substratoberfläche wirkend ausgebildet ist. Unmittelbar vor dem Aufwalzen erhitzt ein rechteckiger oder linienförmiger Laserstrahl 6, der von einer Laserstrahlungsquelle oder Laserlichtquelle 4 emittiert wird, beide späteren Kontaktflächen des Substrats 3 und des Auflagenelements 1 auf geeignete Fügetemperaturen in einem Auftreffpunkt oder einem Auftreffbereich, der auch als Laserkontaktzone bezeichnet wird. Der Laserstrahl 6 ist hierbei etwas breiter als das zugeführte Auflagenelement 1, d. h. eine Breite des Laserstrahls 6 übertrifft eine Breite des Auflagenelements 1 um beispielsweise 5 Prozent. Eine Dicke des Auflageelements 1 nach dem Aufwalzen beträgt in dem dargestellten Ausführungsbeispiel noch 90 Prozent seiner Ausgangsdicke.
-
Während des Aufwalzens werden im Wesentlichen nur die beiden erhitzten Oberflächenbereiche durch die wirkende Walzkraft verformt und dadurch fest miteinander verbunden. Durch eine Querbewegung, die auf eine Drahtbreite bzw. Bandbreite des Auflageelements 1 bzw., bei zylinderförmigem oder rotationssymmetrischem Substrat 3, auf eine Rotation des Substrats 3 abgestimmt ist, erfolgt ein spurweiser bzw. spiralförmiger einlagiger (n = 1) Flächenaufbau. Nach Fertigstellung einer ersten Spur bzw. ersten Lage kann durch eine Umkehr der Querbewegung in einem kontinuierlichen Ablauf die nächste Spur oder Lage (n = 2) deponiert werden. Dies kann so oft erfolgen, bis eine vorgegebene Kontur n = x erreicht wird. Die nach der ersten Spur bzw. der ersten Lage aufgebrachten Spuren bzw. Lagen können aber auch nach Durchtrennen des Auflageelements 1 wieder vom Ausgangspunkt der ursprünglichen ersten Spur bzw. ersten Lage beginnend ausgeführt werden. Dadurch ergibt sich auch die Möglichkeit, spurweise oder lagenweise verschiedene Werkstoffe und bzw. oder verschiedene Band- und bzw. oder Drahtgeometrien einzusetzen.
-
In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist zusätzlich eine erste Vorwärmeinrichtung 5a in Form eines Induktors vorgesehen, durch die das Auflageelement 1 vor dem Auftreffen auf das Substrat 3 geführt wird und die das Auflageelement 1 vorerwärmt. Eine zweite Vorwärmeinrichtung 5b ist oberhalb des Substrats 3, aber unterhalb des Laserstrahls 6 angeordnet und erwärmt mittels eines weiteren Induktors das Substrat 3. Durch die Vorerwärmung können die jeweiligen Temperatur- und Verformungsgradienten positiv beeinflusst bzw. variiert werden. Gleichzeitig wird eine Einkopplung des Laserstrahls 6 in einen Spalt des Auftreffbereichs verbessert und es lassen sich auch höhere Prozessgeschwindigkeiten realisieren. In weiteren Ausführungsbeispielen kann das Substrat 3 auch auf einem Substrathalter angeordnet sein und auf dem Halter durch die Walzvorrichtung 2 geführt werden. Außerdem kann je nach den zu fügenden Werkstoffen des Substrats 3 und des Auflageelements 1 zum Schutz vor Oxidation eine Schutzgasatmosphäre vorgesehen sein, in der sich das Substrat 3 und das Auflageelement 1 beim Verbinden befinden. Die Vorwärmung des Auflageelements 1 bzw. des Substrats 3 erfolgt typischerweise unmittelbar vor dem Verbinden des Auflageelements 1 mit dem Substrat 3.
-
2 zeigt in einer perspektivischen Ansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorrichtung bzw. des Verfahrens mit einem zylinderförmigen Substrat 3. Wiederkehrende Merkmale sind in dieser Figur wie auch in den folgenden Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen. Die Zuführvorrichtung 7 weist nun lediglich eine Umlenkrolle und eine Zuführrolle auf. Auf der Zuführrolle ist das Auflageelement 1 aufgewickelt und wird von dort abgewickelt sowie über die Zuführrolle auf das Substrat 3 geführt. Durch die zylinderförmige Ausführung 3 dient das Substrat 3 nun als eine Art zweite Walze eines mit der Walze 2 gebildeten Walzenpaars.
-
Für die Fertigung der Bauteile kann nach dem eventuell notwendigen Durchtrennen des das Auflageelement 1 bildenden Drahts bzw. Bands und einem gegebenenfalls erfolgendem Wechsel des Werkstoffs oder einer Geometrie des Auflageelements 1 ein lokaler Volumenaufbau vorgenommen werden (siehe 3). Bei schmalen Konturänderungen kann der Volumenaufbau auch ohne Querbewegung entsprechend der vorgegebenen Band- bzw. Drahtbreite bis zur vorgegebenen Lagenzahl n = x erfolgen.
-
Eine weitere Ausführungsform, bei dem das Auflageelement 1 nun lagenweise auf bereits aufgebrachte Spuren und Lagen aufgebracht wird, ist in 3 in einer 2 entsprechenden Ansicht dargestellt. Bei einer entsprechenden Fertigung dreidimensionaler Bauteile aus dem Substrat 3 und dem Auflageelement 1 ergeben sich gegenüber konventionellen metallurgischen Fertigungsstufen mehrere Vorteile: Es wird ein stark verkürzter Fertigungsdurchlauf erzielt, bei dem nur geringe Werkzeugkosten und geringe Energiekosten anfallen. Insgesamt sind nur geringe Umformkräfte notwendig, woraus sich geringe Raumgrößen für die Anlagentechnik ergeben. Zudem sind keine hohen Anforderungen an Fundamente und Fertigungshallen zu stellen, wie sie Schmiedepressen oder Ähnliches benötigen. Zudem werden eine Zunderbildung und ein Freisetzen von Stäuben oder Partikeln vermieden und es kann auf Aufheiz- bzw. Warmhalteöfen verzichtet werden. Es ergibt sich somit eine sehr effektive automatische Bearbeitungskette.
-
Hinsichtlich der Bauteile werden nur sehr geringe Durchwärmtemperaturen benötigt, was in einer geringen Wärmeabstrahlung resultiert. Dies führt zu einer verbesserten Handhabung der Bauteile, da keine oder nur geringe Wartezeiten zwischen dem Generieren des Bauteils und einer spanenden Endbearbeitung auftreten. Außerdem können in einfacher Weise Gefügeseigerungen und grobkörnige Gefüge vermieden sowie sehr geringe Schrumpfungen und Schrumpfspannungen erreicht werden. Dies führt, auch im Zusammenhang mit dem Vorteil einer einfach erreichbaren Kombination verschiedener Werkstoffe, bei einer hohen Endkonturgenauigkeit zur effizienten Herstellung variabler Bauteile mit den gewünschten Eigenschaften.
-
4 stellt in einer perspektivischen Ansicht ein flächig ausgebildetes Substrat 3 in Form einer Platte dar, auf die das Auflagenelement aufgebracht wird. Während bei dem in den 2 und 3 gezeigten Verfahren bzw. der dort gezeigten Vorrichtung typischerweise das Substrat 3 relativ zu der feststehenden Zuführvorrichtung 7 in einer Querbewegung geführt wird, wird bei dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel über eine unterhalb des Substrats 3 angeordnete Verfahreinheit 8 diese Querbewegung durch eine oder mehrere Linearachsen erreicht. Alternativ oder zusätzlich kann die Querbewegung auch durch die Zuführvorrichtung 7 vorgenommen werden. Außerdem ist unterhalb des Substrats 3 eine Trenneinheit 13 in Form einer fliegenden Schere oder einer Trennschleifscheibe angeordnet. Mit dieser Vorrichtung ist es möglich, zunächst in einer Richtung eine Beschichtung in Form einer aufgebrachten Spur durchzuführen, dann das Auflageelement 1 durch die Trenneinheit 13 zu trennen und mit einem entsprechenden Spurversatz eine weitere Spur neben der bereits aufgebrachten auf das Substrat 3 zu realisieren.
-
Bei einer derartigen flächigen Nutzung des Verfahrens ergeben sich ebenfalls Vorteile hinsichtlich des Prozesses wie eine Vermeidung eines schmelzflüssigen Ausgangszustands und, bedingt durch die erreichbaren geringen Durchwärmtemperaturen, nur sehr geringe oder keine Schrumpfspannungen. Eine teilweise Kombination von Schrumpfungen ist vielmehr noch durch den Verformungsvorgang möglich. Gegenüber Auftragschweißverfahren ist nur ein geringer Energiebedarf für das Schichtauftragen bzw. das Lagenauftragen nötig, so dass deutlich höhere Fertigungsgeschwindigkeiten bei wesentlich kürzeren Fertigungszeiten erreichbar sind. Außerdem ist wiederum eine staub- und partikelfreie Fertigung in Endkontur bzw. sehr endkonturnah möglich bei nahezu vollständiger Werkstoffausnutzung.
-
Bezüglich der hergestellten Bauteile ergibt sich gegenüber galvanischen Verfahren oder thermischem Spritzen eine sichere und feste metallische Bindung zwischen dem Substrat 3 als Grundkörper und dem Auflageelement 1 als Auflageschicht, die typischerweise überwiegend aus hochwertigem Knetgefüge besteht, also keine oder nur geringe Gefügeseigerungen aufweist. Auch bei geringen Dicken des Auflageelements 1 von weniger als 1 mm ist die gewünschte chemische Zusammensetzung sicher gewährleistet. Verglichen mit Auftragschweißen gibt es nur ein minimales bzw. gar kein Auftreten von schmelzflüssigen Zuständen im Bereich der Werkstoffübergänge, also auch keine Aufmischung durch den Substratwerkstoff in den Restquerschnitt.
-
Die spanende Weiterbearbeitung kann sofort im Anschluss, insbesondere bei einer Bauteilfertigung ohne Vorwärmung, prinzipiell aber schon parallel zur Bauteilfertigung erfolgen.
-
Bei dem in 5 ebenfalls in einer perspektivischen Ansicht gezeigten Vorrichtung wird nun noch eine weitere, zweite Laserlichtquelle 9 verwendet, die einen zweiten Laserstrahl 10 emittiert. Dieser zweite Laserstrahl 10 dient der Vorwärmung des Substrats 3. Außerdem ist eine Schweißvorrichtung 11 oberhalb des Substrats 3 vorgesehen. Die Schweißvorrichtung 11 kann einen Schweißlaserstrahl 12 emittieren oder einen Wolfram-Inertgas- bzw. Plasmabogen ausbilden. Der Schweißlaserstrahl 12 verbindet nebeneinander liegende Spuren des Auflageelements 1 miteinander durch eine Laserschweißnaht in Form eines I-Stoßes. Das Ausbilden der Schweißnaht kann, wie in 5 dargestellt, parallel zum Deponieren des Auflageelements 1 erfolgen oder mit der gleichen Vorrichtung in einem anschließenden Verfahrensschritt geschehen.
-
Die Breite des von der ersten Laserlichtquelle 4 emittierten und auf den Auftreffbereich gerichteten ersten Laserstrahls 6 kann in dem dargestellten Ausführungsbeispiel derart eingestellt sein, dass auch eine Kante einer bereits aufgebrachten Lage bzw. einer bereits aufgebrachten Spur des Auflageelements 1 durch den Laserstrahl 6 miterhitzt wird. Hierfür kann sowohl eine statische als auch eine dynamische Strahlformung genutzt werden.
-
Die für das Auftragen und Andrücken des Auflageelements 1 verwendete Walze 2 kann eine einseitige seitliche Führung aufweisen, die vorzugsweise auf einer der beschichteten Fläche abgewandten Seite angeordnet ist, um einen seitlichen Druck für eine Verbindung zur Nachbarspur bzw. Nachbarlage zu gewährleisten.
-
Neben vollflächigen Beschichtungen bzw. Volumenaufbauten eignet sich das beschriebene Verfahren auch für ein partielles Auftragen von band- oder drahtförmigen Werkstoffen auf ebene oder rotationssymmetrische Bauteile, z. B. für die Fertigung von Verbundblechen bzw. Verbundplatinen, wie in 6 dargestellt. In dem in dieser Figur dargestellten Ausführungsbeispiel wird lediglich eine einzelne Spur des Auflageelementwerkstoffs durch eine von der Verfahreinheit 8 bewirkte Relativbewegung zwischen der Zuführvorrichtung 7 und dem Substrat 3 auf dem Substrat 3 positioniert und durch die Walzvorrichtung 2 und den Laserstrahl 6 mit dem Substrat 3 verbunden. Diese einzelne Spur des Auflagewerkstoffs kann sowohl bündig zu den Außenkanten des Substrats 3 (beispielsweise eines Blechs) aufgetragen werden oder sie wird so aufgebracht, dass sie nur teilweise überlappend mit den Kanten des Substrats 3 (oder der Substrate 3) verbunden ist. Solche auf diese Weise hergestellten Bauteile eignen sich für die Realisierung von gut fügbaren Leichtbaustrukturen, beispielsweise für die Kombination Aluminiumlegierungen (Blech) und Stahl (Auflage). Lediglich in den Ausführungsbeispielen offenbarte Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen können miteinander kombiniert und einzeln beansprucht werden.
-
Anhand des folgenden Ausführungsbeispiels soll die extrem hohe Wirtschaftlichkeit des beschriebenen Verfahrens bzw. der beschriebenen Vorrichtung veranschaulicht werden: Wird ein Stahlband mit 20 mm Breite und 3 mm Dicke für das Auftragen, d. h. als Auflageelement 1, verwendet, ergibt sich bei 10 m/min Vorschubgeschwindigkeit eine Auftragrate von 280 kg/h bzw. eine Flächenleistung von 12 m2/h. Diese Kennzahlen sind momentan auch mit Hochleistungsbeschichtungsverfahren nicht annähernd erreichbar. Gleichzeitig ist der Energieeintrag gegenüber Auftragschweißen um ein Vielfaches geringer. Da die mit dem beschriebenen Laserwalzplattieren erreichbaren Vorschubgeschwindigkeiten von der Leistung der eingesetzten Laserlichtquelle 4 und den zu bearbeitenden Werkstoffen abhängig sind, können beispielsweise bei einer Kombination zwischen Stählen und Nickellegierungen bei Einsatz geeigneter Laserlichtquellen 4 Vorschubgeschwindigkeiten von 20 m/min oder höher erreicht werden. Der Gesamtwärmeeintrag wird mit zunehmender Geschwindigkeit noch geringer.
-
Bei einer als Vergleichsbeispiel ausgewählten Beschichtung von dickwandigen Rohren zum Korrosionsschutz mittels Laserpulver-Auftragschweißen liegt die Vorschubgeschwindigkeit bei ca. 1,8 m/min, einer Einzelspurbreite von 8 mm und einer Einzelspurhöhe von 1,5 mm bei 8 kW Laserleistung. Zum Realisieren möglichst gleichmäßiger Schichthöhen müssen üblicherweise Überlappraten zu Nachbarspuren von 50 Prozent gewählt werden. Das bedeutet für einen Flächenzuwachs eine reale Spurbreite von 4 mm. Um ein Rohr mit einem Außendurchmesser von 400 mm und 18 m Länge zu beschichten, ergibt sich somit eine Beschichtungszeit von 52,5 h. Wird mit dem beschriebenen Verfahren ein Band (10 mm breit, 1,7 mm dick, nach dem Auftragen 1,5 mm dick) mit 6 m/min Vorschubgeschwindigkeit beschichtet, wobei nur 4 kW Laserleistung benötigt werden und eine Spurüberlappung geometriebedingt entfällt, ergibt sich ohne Vorwärmung von Band und bzw. oder Substratoberfläche eine Beschichtungszeit von 6,3 h. Bei Verwendung eines 20 mm breiten Bands werden bei einer Laserleistung von 8 kW sogar nur 3,15 h benötigt. Gleichzeitig fallen keine Metallstäube an, der Werkstoff wird zu 100 Prozent ausgenutzt und die Oberfläche bedarf aufgrund der Ausbildung durch glatte Walzen keiner oder nur geringer Nachbearbeitung. Außerdem fällt die Durchwärmung des Rohres gegenüber dem Auftragschweißen deutlich niedriger aus.
-
Wird der beschriebene Prozess noch durch die Vorwärmung unterstützt, sind Beschichtungsgeschwindigkeiten von größer oder gleich 10 m/min realistisch. Bei einem Wert der Vorschubgeschwindigkeit von 10 m/min ergibt sich bei 10 mm Bandbreite eine Beschichtungszeit von 3,8 h bzw. bei 20 mm Bandbreite von 1,9 h. Je nach Höhe der Vorwärmung erhöht sich zwar auch die Durchwärmtemperatur des Rohres, bleibt aber unter der beim Auftragschweißen sich einstellenden Temperatur.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 19502140 C1 [0002]
- EP 2090395 A2 [0002]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- D. Böhme, F. -D. Hermann: Handbuch der Schweißverfahren, Teil II, DVS-Verlag, Düsseldorf 1992, Seite 45 ff. und S. 269 ff. [0002]
- K. Lange: Umformtechnik, Band 2: Massivumformung, Springer-Verlag 1993 [0004]
- D. M. Schibisch, L. de Vathaire: elektrowärme international, 2/2013, Seiten 79–86 [0004]
- K. -H. Brensing, B. Sommer: Herstellverfahren für Stahlrohre, Mannesmannröhren-Werke AG, 45466 Mülheim a. d. Ruhr [0006]
- M. Winhager, J. Girardi, K. Maier: Walzenguss: Vom Wegwerfprodukt zum umweltschonenden High-Tech-Werkzeug, Gießereirundschau 51 (2004), Heft 5/6, Seiten 100–103 [0007]
- F. Gätner, J. Voyer, Xiumei Qi, H. Kreye: Neue Herausforderungen für das Draht- und Stabflammspritzen, Universität der Bundeswehr Hamburg, Germany [0008]