DE10131657A1 - Verfahren zur direkten Herstellung von Werkzeugen durch Rapid Prototyping mit Freiform-Oberflächen - Google Patents
Verfahren zur direkten Herstellung von Werkzeugen durch Rapid Prototyping mit Freiform-OberflächenInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtung zur direkten Herstellung von Freiform-Werkzeugen 10 mit Rapid Prototyping aus einem Computermodell. Die Verfahrensschritte umfassen im wesentlichen (a) Bearbeiten einer weichen Metall-Werkzeugbasis 11, um mindestens eine Freiform-Oberfläche entsprechend dem Computermodell zu konturieren; (b) dynamisches Kaltgasspritzen der konturierten Oberfläche 10, um überlagerte stoßgeschweißte Metallpartikelschichten zu bilden; wobei die Schichten aus mindestens einer thermischen Managementunterschicht 17 im wesentlichen aus Kupfer und mindestens einer äußeren abriebresistenten Schicht 19, im wesentlichen aus Werkzeugstahl, bestehen.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Werkzeugen nach dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie Werkzeuge, die nach dem Rapid Prototy
ping hergestellt sind, nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 11.
Die Erfindung bezieht sich also auf eine Technologie zur schnellen Herstellung von
Freiform-Werkzeugen und insbesondere darauf, derartige Werkzeuge abriebresi
stenter mit einer Technik zu machen, die kein Metallschmelzen erfordert, aber den
noch einem Computermodell des Werkzeugs folgt.
Die direkte Herstellung von ziemlich passenden Formen aus Metall ausgehend von
einem Computermodell, umfaßt typischerweise Schmelzen und Verfestigen, wel
ches zu hohen Restspannungen, unerwünschten Phasen, schlechten Mikrostruktu
ren, rauher Oberfläche, Verwerfungen und anderen Problemen führen kann. Ver
schiedene Techniken des Standes der Technik können ziemlich genaue Metallfor
men dies direkt oder indirekt aus einem Computermodell herstellen. Eine derartige
Technologie besteht darin, einen Laser einzusetzen, der ein Teil durch Nacheinan
der Abscheiden kleiner lasergeschweißter Perlen in einem computergesteuerten
Muster aufbaut. Eine andere Technik verwendet die durch Lichtstrahlen geleitete
Fabrikation, andere selektives Sintern mit Laser. Andere haben wiederum thermi
sches Spritzen eingesetzt, um ein Teil durch Spritzen geschmolzener Metalltröpf
chen auf Werkstückoberflächen unter Verwendung von computergesteuerten Mas
ken und/oder Zwischen-Bearbeitungsschritten aufzubauen, um das Muster des ab
geschiedenen Materials für die nachfolgenden Schichten zu steuern. Ein weiterer
Ansatz besteht im Investment-Gießen eines Teils unter Verwendung von Wachs-
oder Polymerausschmelzmustern, die mit einem Computerverfahren, wie der Ste
reo-Lithographie, hergestellt werden. Obwohl derartige Technologien Zeit und Ko
sten für das Rapid Prototyping erniedrigen können, haben diese immer noch ihnen
innewohnende Schwierigkeiten, die eine weit verbreitete Anwendung derartiger
Technologien verhindert haben. Alle diese bekannten Technologien umfassen
Schmelzen und Verfestigung. Jede neue Schicht beginnt im geschmolzenen Zu
stand, verfestigt sich und muß gegebenenfalls auf Raumtemperatur abkühlen. Zu
einfachen Dimensionsänderungen kann die resultierende thermische Traktion signi
fikante Restspannungen im fertigen Teil hervorrufen und sogar dünne Teile dazu
veranlassen, sich zu verwerfen. Ferner können unerwünschte Phasen oder Mi
krostrukturen gebildet werden, insbesondere an Schnittstellen zwischen ungleichen
Metallen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine schnelle Herstellung abriebresistenter Werk
zeuge zu ermöglichen.
Die Erfindung löst die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patent
anspruches 1 sowie durch Werkzeuge, die nach dem Rapid Prototyping hergestellt
sind, nach Patentanspruch 11. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den
Unteransprüchen.
Insbesondere wird ein Verfahren zur direkten Herstellung von Rapid Prototype
Werkzeugen aus einem Computermodell mit einer Freiformschicht mit den Schrit
ten:
- a) Bearbeiten einer Weichmetall-Werkzeugbasis, so daß mindestens eine Freiform- Oberfläche entsprechend dem Computermodell konturiert wird;
- b) Dynamisches Kaltgas-Spritzen der konturierten Oberfläche zur Ausbildung von übereinander liegenden stoßgeschweißten Metall-Partikelschichten, die aus min destens einer thermischen Management-Unterschicht hauptsächlich aus Kupfer bestehen und mindestens einer äußeren abriebresistenten Schicht, die minde stens hauptsächlich Werkzeugstahl aufweist, herzustellen.
Es ist vorteilhaft, daß lediglich ein Weichmetall als Werkzeugbasis ausgewählt wird
und auf diese geschweißte Schichten thermisch leitfähigen Metalls und eines ab
riebresistenten Materials aufzubringen, wobei diese Aufbringung ohne Schmelzen
irgendeines Metalls während der Herstellung erfolgt.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Beschreibung sowie der
Zeichnungen erläutert. Darin zeigt:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Durchführung wesentlicher
Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 2 eine Serie vergrößerter schematischer Ansichten von Metallpartikeln, wenn
diese auf die konturierte Oberfläche der Werkzeugbasis auftreffen und dort binden;
Fig. 3 eine vergrößerte schematische Schnittansicht von Partikeln, die in Schichten
durch die dynamischen Kaltgas-Spritzschritte abgelagert worden sind;
Fig. 4 eine graphische Illustration der Variationen der mittleren Geschwindigkeit als
Funktion der Abscheidungseffizienz für verschiedene Metallpartikel, wenn sie durch
die Überschalldüse gefördert werden;
Fig. 5 eine graphische Illustration der die Geschwindigkeit in der Überschalldüse als
Funktion der Partikelgröße;
Fig. 6 eine Darstellung eines Typs aerodynamischen Fokussierelements, das mit
der erfindungsgemäßen Vorrichtung eingesetzt wird; und
Fig. 7 eine graphische Darstellung des Grades der Partikelbeschleunigung in der
Überschalldüse als Funktion der axialen Position innerhalb der Düse.
Wie in Fig. 1 gezeigt, besteht der erste Schritt des Verfahrens darin, eine Freiform
konturierte Oberfläche 10, die aus einem weichen maschinenbearbeiteten Metall
wie Aluminium besteht, zu einer Werkzeugbasis zu bearbeiten. Die Bearbeitung 12
wie Fräsen, Schleifen oder Bohren, wird durch ein NC-Modul 13 entsprechend ei
nem Computersoftwaremodell des Teiles im Computer 14 gesteuert durchgeführt;
eine derartige Bearbeitung bringt die konturierte Oberfläche 10 der Basis auf eine
fast exakte Form zum Modell, wodurch Teile mit einem derartigen Werkzeug herge
stellt werden können. Unter "Werkzeugen" werden hier Formen oder Muster ver
standen, die mehrfach verwendet werden, um ein Teil oder andere Konfigurationen
durch Schmieden oder Gießen von Metall im Werkzeug zu vervielfachen. Aluminium
wird bevorzugt für die Werkzeugbasis ausgewählt, da (i) es leicht, schnell und mit
wenig Aufwand bearbeitbar ist und (ii) mechanische und thermische Schocks bes
ser als Stahl absorbiert. Andere äquivalente Weichmetalle, die anstelle von Alumi
nium eingesetzt werden können, können ausgewählt werden aus der Gruppe be
stehend aus Kupfer-, Zink- und Aluminiumlegierungen.
In Fig. 1 ist auch ein zweiter Verfahrensschritt gezeigt, der ein relativ kaltes Gas 16,
um Pulverpartikel 15 (Partikelgröße im Bereich von 10-50 Mikron) mit Überschall
geschwindigkeit gegen die Freiformkonturierte Aluminiumoberfläche 10 mit ausrei
chender kinetischer Energie und Geschwindigkeit (500-1000 m/sec) und in unge
schmolzenem Zustand zu blasen, einsetzt, um plastische Deformation und Verfesti
gung der Partikel 15 beim Auftreffen auf die Oberfläche 10 durch ein Phänomen
analog dem Explosionsschweißen zu erhalten. Kaltgas-Spritzen eliminiert uner
wünschte Einflüsse, die Charakteristika des Standes der Technik waren, wie Korn
größen-induzierte Spannungen und das Auftreten von Oxidationsphasen in den
Metallpartikeln. Das Verfahren ermöglicht höhere Abscheidungsgeschwindigkeiten
und reduziert die Fabrikations-Zykluszeit auf 1/10 der bekannten direkten schnellen
Werkzeug-Herstellungstechnologien, während die Abscheidung weiterer Metallpar
tikel ohne Legierungsbildung oder Verdünnung möglich ist.
Es werden nacheinander verschiedene Pulvermetallpartikel aufgebracht; zunächst
wird eine thermische Management-Schicht 17 in einer Dicke 18 von 3-10 mm ab
gelagert, sodann eine abriebresistente Schicht 19 mit einer Dicke 20 von 15-20
Mikron, um die Beschichtung 21 zu vervollständigen. Die thermische Management-
Schicht 17 muß schnell Wärme zwischen der abriebresistenten Schicht und der
Aluminiumbasis leiten, um während des Einsatzes des Werkzeugs generierte
Wärme abzuleiten und so die Zykluszeit beim Werkzeugeinsatz zu erniedrigen.
Die Metallpartikel 21 der thermischen Management-Schicht bestehen hauptsächlich
aus Kupfer oder Kupferlegierung mit Partikelgrößen im Bereich von -325 Mikron,
typischerweise weniger als 22 Mikron, während die Metallpartikel 22 für die ab
riebresistente Schicht 19 im wstl. aus Werkzeugstahl mit einem Partikelgrößenbe
reich von 1-50 Mikron bestehen. Vom praktischen Gesichtspunkt aus lehrt die Er
fahrung, daß die Pulverpartikelgröße allgemein im Bereich von etwa 10-50 Mikron
sein sollte, um sich allgemein für das Kalt-Spritzabscheiden zu eignen. Direkt neben
dem Ziel bildet sich eine Hochdruck-Schockwellenkurve; diese " Schockkurve" kann
Partikel des Sprühnebels einer Partikelgröße unter etwa 5 Mikron ablenken und
abbremsen.
Die für die abriebresistente Schicht eingesetzten Partikel müssen die folgenden
Verfahrenscharakteristika haben: Abriebbeständigkeit, Härte und Eigenschaften,
wie sie für Werkzeugstahl-Material typisch sind. Werkzeugstahl erfüllt diese Cha
rakteristika in bewundernswerter Weise, aber auch andere Metallpulver wie Wolf
ram, oder Wolframlegierungen bieten ähnliche Vorteile, wenn sie mit Werkzeug
stahlpartikeln gemischt sind. Werkzeugstahl wird hierin als Stahl definiert, der eine
Zusammensetzung mit den nachfolgenden Inhaltsstoffen besitzt (Gew.-%): C 0,3-
1,5; Mn 0,25-1,6; Si 0,2-2,0; W 0,5-20,0; V 0,15-4,25; Mo 0,25-8,5; Co 0,6-
12,0; Cr 0,3-12,0; Ni 0,3-12,0; Rest Eisen besteht. Bevorzugt kann H13 Werk
zeugstahl eingesetzt werden, der aus C 1,0, M 1,0, Si 0,6, W 10,0, V 3,0, Mo 5,0,
Co 6,0, Cr 6,0, Ni 6,0, Rest Eisen besteht. Um Kaltgas-Metallspritzen durchzufüh
ren, müssen die Metallpulver mit der notwendigen Geschwindigkeit angetrieben
werden; ein komprimiertes gasförmiges Treibmittel 23 aus Helium oder He
lium/Stickstoffmischung wird eingesetzt. Die festen Metallpulverpartikel werden in
eine Partikelmisch- und Zumeßeinrichtung 24 eingebracht, die eine homogene Mi
schung von Metallpartikelgrößen in eine zylindrische Trommel 25 führt; die Trommel
besitzt Oberflächenvertiefungen 26, die eine vorherbestimmte Menge feste Metall
partikel zur Übertragung an eine Metallpulversteuerung 27 aufnimmt. Der geförderte
Strom der Metallpartikel wird mit dem Treibmittelgas 23 in einem ausreichenden
Verhältnis von Gas: Metallpartikeln gemischt, um Partikel mit hoher Geschwindig
keit zu fördern; die Mischung wird zur Vorkammer 28 der Überschalldüse 29 gelie
fert. Durch Änderung des Prozentsatzes Partikel : Gas und/oder Erhöhung der
Temperatur des Treibmittelgases kann die Geschwindigkeit des Gas/Partikelstroms
29, der die Überschalldüse verläßt, verändert werden.
Bei richtigem Einlaßgasdruck aus einer Gasquelle 30, nämlich 200-400 psi (2025-
2700 kPa) ist die Gasflußgeschwindigkeit beim kleinsten Innendurchmesser 31 der
konvergierenden/divergierenden Düse 29 lokal Schallgeschwindigkeit, mindestens
Mach 1. Wenn das Gas im divergierenden Abschnitt 32 der Düse expandiert, wer
den Überschallgasflußgeschwindigkeiten entwickelt. Wie bereits früher erläutert,
werden Pulverpartikel in den Gasfluß in der Vorkammer 28 injiziert, direkt stromauf
wärts des konvergierenden Abschnitts 33 der Düse und sodann durch den umge
benden Gasfluß beschleunigt und die Düse entlang gefördert.
Für die notwendige kritische Partikelgeschwindigkeit kann das Gas auf Helium
eingeschränkt werden, das ein niedriges Molekulargewicht hat und in dem das
Heliumgas zur Verringerung seiner Dichte erhitzt wird. Als kritische Partikelge
schwindigkeit wird hier 550-1000 m/sec (für Aluminium etwa 650 m/sec) angese
hen. Diese kritische Auftreffgeschwindigkeit ändert sich entsprechend dem als Ab
scheidung gespritzten Material, sollte aber im Bereich von 700-1100 m/sec, be
vorzugt 800-1000 m/sec für 80%ige Wirkung liegen (siehe Fig. 4). Zur Erzielung
der erhöhten Geschwindigkeit spielen Gasauswahl, Gasdruck und Partikelgröße
eine Rolle. Wie in Fig. 5 gezeigt, schränkt die Erniedrigung des Gasdrucks von 600
zu 300 psi (6076-3037 kPa) beim Einsatz von Helium die erzielbare Geschwindig
keit auf größere und größere Partikelgrößen ein. Durch Wechsel zu reinem Stick
stoff mit hohem Druck können noch weniger kleinere Partikel mit ausreichender
Geschwindigkeit gespritzt werden. Wie in Fig. 7 gezeigt, erreichen große Partikel
keine so hohe Ausgangsgeschwindigkeit wie kleinere Partikel, sogar obwohl der
Gasstrom sich bei viel höheren Geschwindigkeiten befindet. Eine elektrische Wider
stands-Heizeinrichtung 34 mit 16-20 kW wird zum Erhitzen des Heliumgases bis
400-550°C eingesetzt. Bemerkenswerterweise kühlt das Gas schnell wieder ab,
wenn es expandiert und im divergierenden Abschnitt der Düse beschleunigt, übli
cherweise mit einer Gasflußgeschwindigkeit von 4,54-9,03 kg/h (10-20 lbs/h). So
ist die Verweilzeit fester Partikel im Kontakt mit dem erhitzten Gas sehr kurz und die
Partikeltemperatur beim Auftreffen (nämlich bei ca. 50°C) liegt wesentlich unterhalb
der Gasvorheiztemperatur, um die auf das Substrat übertragene Wärmemenge zu
reduzieren.
Das Vorheizen des Treibgases führt zu niedrigerer Gasdichte, wodurch die Zug
kräfte auf die Partikel erniedrigt werden. Obwohl die maximale End-Partikelge
schwindigkeit mit vorgeheiztem Gas höher sein kann, kann es eine längere freie
Weglänge der Partikel erfordern, um angenähert die Gasgeschwindigkeit zu errei
chen, sie sind aber nichtstark von der präzisen Innengeometrie des divergierenden
Abschnitts 32 der Düse abhängig. Demzufolge kann ein einziges Düsendesign wir
kungsvoll für einen großen Bereich Materialien eingesetzt werden. Der Gaseinlaß
druck beeinflußt die Gasgeschwindigkeit nicht, allerdings erhöht die Steigerung des
Einlaßgasdrucks die Gasdichte und schafft so eine bessere Kopplung der Partikel,
um die Anfangs-Partikelbeschleunigung zu erhöhen.
Die Düse 29, die Vorheizeinrichtung 34, die Partikelzuführeinrichtung 24 können alle
in einer Anordnung 35 vorgesehen sein, die durch einen Roboter-Ausrichteinrich
tung 22 bewegbar ist, die den Sprühnebel entlang der konturierten Freiformen
Oberfläche 10 entsprechend dem Computermodell 2 bewegt. Wie in Fig. 2 gezeigt,
trifft der Überschallsprühnebel 36 der Anordnung 35 auf die Basis 11. Der präzise
Mechanismus, durch den sich die festen Teilchen deformieren und an der Alumini
umbasis binden ist offensichtlich, wenn eine minimale kritische Geschwindigkeit
zum Kaltspritzen auftritt. Wie in Fig. 2 gezeigt, trifft ein gespritztes Cu-Feststoffteil
chen 37 auf die Werkzeugbasis 11 auf und verformt sich nicht nur plastisch, son
dern kerbt zunächst die Oberfläche 10, während seitliche Druckwellen 38 die Alumi
niumbasis auftreten (Fig. 2-1). Die plastische Deformation des auftreffenden Parti
kels sowie der darunterliegenden Oberfläche zerreißt jegliche dünne Aluminiumoxi
doberfläche 38. So werden stets saubere Metalle in innigen konformen Kontakt bei
hohen lokalen Auftreff-Impulsen gebracht. Wie in den sequentiellen Darstellungen
der Fig. 2 gezeigt, führt ein sphärisches Partikel, das auf eine lokale eben Oberflä
che auftrifft, zu einem sich progressiv ausdehnenden Kontaktkreis 40, der andere
Oberflächenverunreinigungen von der Partikelsubstrat-Schnittstelle hinweg fegt. Die
Deformation führt bis zu dem Schritt, bei dem das Partikel 3 × 7 in die Oberfläche 10
einschmilzt, wobei wenig vom Partikel oberhalb der Oberfläche 10 zu sehen ist,
während praktisch keine Porosität entsteht (nämlich 2% oder weniger).
Das Bindungsverhalten ähnelt dem Schmiede-Schweißen oder Explosions-Schwei
ßen. Die verfügbare Auftreffenergie muß für die notwendige plastische Deformation,
um ein derartiges Explosions-Schweißen stattfinden zu lassen, ausreichen. Die
Computermodellierung und die mikrostrukturellen Beweise zeigen derartige plasti
sche Deformation beim Auftreffen von kaltgespritzten Partikeln, die mit dem darun
terliegenden Substrat auftreten. Berechnete und experimentelle Resultate bestäti
gen, daß kein lokales Schmelzen während derartiger Kaltspritzbedingungen auftritt.
Tatsächlich befinden sich die höchsten vorhergesagten lokalen Temperaturen un
terhalb des Schmelzpunkts der eingesetzten Metalle. Ein großer Vorteil dieses
Verfahrens besteht darin, daß sauerstoffempfindliche Materialien in Luft ohne signi
fikante Oxidation gespritzt werden können. Kaltgespritztes Kupfer und Werkzeug
stahl zeigen keine auffälligen Oxide in der Ablagerung und haben eine viel gerin
gere Porosität.
In Fig. 3 sehen die plastisch deformierten und übereinander gelagerten Partikel wie
vergrößerte "Kleckse" aus. Die thermischen Schichtpartikel-Kleckse 41 werden
durch Kleckse abriebresistenter Partikel 42 bedeckt. Derartige "Kleckse" der kalt
gespritzten Ablagerung zeigen sogar bei viel größeren Vergrößerungen scharfe
winkelförmige Grenzen, ohne irgendein Anzeichen von lokalisiertem Schmelzen.
Wenn der Partikelsprühnebel auf einen geringeren Durchmesser konzentriert wird,
kann sogar eine noch größere Detailtreue und Genauigkeit der hergestellten
gleichmäßigen abriebresistenten Schicht erzielt werden. Daher kann ein aerodyna
misches Fokussierelement 43 stromaufwärts der Überschalldüse eingesetzt wer
den, das im wesentlichen dazu dient, den partikelbeladenen Gasstrom durch eine
Flußrestriktion, wie in Fig. 6 gezeigt, zu verlangsamen. Falls das Gas 44, das die
Feststoffpartikel 45 trägt, entlang der Mittellinie 46 stromaufwärts der Verengung 47
konvergiert, werden Partikel in Richtung der Mittellinienachse durch die radial nach
innen gerichtete Flußkomponente beschleunigt. Wenn das Gas radial abbremst,
setzen die festen Partikel ihre Bewegung in Richtung der Mittellinie aufgrund ihrer
Trägheit fort. Die Expansion des Flusses, der die Verengung 47 verläßt, ist gradu
eller und die Partikel werden nicht so stark von der Mittellinie weg beschleunigt. Das
Nettoresultat ist, daß die Partikel stromabwärts der aerodynamischen Fokussie
rungsverengung eine Strömungslinie näher der Mittellinie verfolgen als die Strö
mungslinie, die sie stromaufwärts der aerodynamischen Verengung hatten. Der
Grad der Fokussierung wird dadurch bestimmt, wieviel näher das endgültige Parti
kel zur Mittellinie ist. Abhängig von Faktoren wie der Flußgeschwindigkeit, dem
Durchmesser der Verengung, der Gasviskosität und der Massendichte, Partikel
größe und der anfänglichen radialen Position des Feststoffpartikels treten verschie
dene Grade der Fokussierung auf. Diese subkritische Geschwindigkeit der Fokus
sierung kann ferner durch Verwendung mehrerer in Serie geschalteter Verengungen
verbessert werden, wie in Fig. 6 gezeigt, um die Partikel mehr in Nähe der Mitte
lachse 46 zu bewegen. Demzufolge kann mit dem aerodynamisch fokussierten Pul
verstrom und dem unter einem Winkel zur Senkrechten zur lokalen Oberfläche von
etwa 0° gehaltenen Ultraschalldüse maximales Auftreffen und Steuerung erzielt
werden.
Um die Effektivität der Beschichtung als kontinuierliche kohärente und gut gebun
dene abriebresistente Schicht zu erhöhen, können Partikel von Kupfer und Werk
zeugstahl als Übergangsgradient zwischen der thermischen Management-Schicht
aus Kupfer und der abriebresistenten Schicht aus Werkzeugstahl gemischt werden.
Kleinere Stahlpartikel (kleiner als 5 Mikron) vermischen sich leichter mit den größe
ren Kupferpartikeln (10-45 Mikron), wobei Inter-Klecksgrenzen vermieden und die
Integrität der Beschichtung verstärkt wird.
Obwohl die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen detailliert beschrie
ben wurde, ist dem Fachmann offensichtlich, daß innerhalb des Schutzumfangs der
Ansprüche mannigfache Abwandlungen und Änderungen möglich sind und die
Erfindung keinesfalls auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist.
10
Freiform-konturierte Oberfläche von
11
11
Basis
12
Bearbeitung
13
NC-Modul
14
Computer
16
kaltes Gas
15
Pulverpartikel
16
kaltes Gas
17
thermische Management-Schicht
19
abriebresistente Schicht
20
Dicke von
19
21
Beschichtung
22
Roboter-Ausrichteinrichtung
23
gasförmiges Treibmittel
24
Partikelmisch- und Zumeßeinrichtung
25
zylindrische Trommel
26
Oberflächenvertiefungen
27
Metallpulversteuerung
28
Vorkammer
29
Überschalldüse 2
30
Gasquelle
31
kleinster Innendurchmesser der Düse
29
32
divergierende Abschnitt der Düse
29
33
konvergierender Abschnitt der Düse
29
34
Vorheizeinrichtung
35
Anordnung
36
Überschallsprühnebel
37
gespritztes Cu-Feststoffteilchen
38
dünne Aluminiumoxidoberfläche
40
Kontaktkreis
41
Schichtpartikel-Kleckse
42
Kleckse abriebresistenter Partikel
43
aerodynamisches Fokussierelement
44
Gas
45
Feststoffpartikel
46
Mittellinie
47
Verengung
Claims (14)
1. Verfahren zum direkten Herstellen eines abriebresistenten Freiform-Werkzeugs
durch Rapid Prototyping aus einem Computermodell, mit:
- a) Bearbeiten einer Werkzeugbasis aus weichem Metall, um mindestens eine Frei form-Oberfläche, die im wesentlichen dem Computermodell entspricht, zu kontu rieren;
- b) dynamischem Kaltgas-Spritzen der konturierten Oberfläche, um einander überla gernde stoßgeschweißte Metallpartikelschichten darauf auszubilden, die aus mindestens einer thermischen Management-Unterschicht im wstl. aus Kupfer und mindestens einer äußeren abriebresistenten Schicht, im wesentlichen aus Werkzeugstahl, besteht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Spritzen in Schritt (b) mit einer kritischen
Auftreffgeschwindigkeit im Bereich von 550-1000 m/sec durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Weichmetall aus
gewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Kupfer-, Zink- und Aluminiumlegie
rungen.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Weichmetall
Aluminium oder eine Aluminiumlegierung ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterschicht in
einer Dicke von 3-10 mm und die Außenschicht in einer Dicke von mindestens
5-15 mm abgeschieden wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt (b) die Me
tallpartikel für die thermische Managementschicht aus der Gruppe bestehend aus
Kupfer und Kupferlegierungen, und die abriebresistenten Metallpartikel aus
Werkzeugstahl-Zusammensetzungen ausgewählt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt (b) das Kalt
gas-Spritzen mit Helium oder einer Heliummischung als Treibmittel durchgeführt
wird, das auf eine Temperatur von 250-500°C aufgeheizt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Größenbereich
der Kupferpartikel 5-44 Mikron und der Größenbereich der abriebresistenten
Partikel 1-50 Mikron beträgt.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt (b) das
Spritzen unter Verwendung einer Überschallgeschwindigkeitsdüse und Gas
durchgeführt wird, um die Partikel in einem Strom wegzuschleudern, wobei die
Kupfer- und abriebresistenten Partikel im Spritzsystem vermischt werden und
dann, wenn sie von einer Schicht in die andere wechseln, eine gemischte Mit
telzone zwischen beiden Schichten bilden.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt (b) das
Spritzen zusätzlich eine Vorrichtung zur aerodynamischen Fokussierung des
Partikelstroms direkt stromaufwärts des Eintritts in die Überschallgeschwindig
keitsdüse einsetzt, um einen stärker fokussierten Strom zum Auftreffen auf die
konturierte Oberfläche der Basis zu schaffen.
11. Werkzeug für Rapid Prototyping, mit:
- a) einer Werkzeugbasis (11), die einen Vorrat von Aluminium oder Aluminiumlegierung aufweist und auf eine angenäherte Form entsprechend dem Computermodell vorbearbeitet ist und so eine Bearbeitungsoberfläche bietet;
- b) einer stoßgeschweißten Beschichtung (17) mit Kupferpartikeln auf der bearbeiteten Werkzeugoberfläche (10);
- c) einer stoßgeschweißten Schicht (19) von Werkzeugstahlpartikeln auf der Kupferpartikelschicht (10).
12. Werkzeug nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die stoßge
schweißte Partikelschicht (17, 19) bei Partikeltemperaturen unterhalb des
Schmelzbereichs der in der Beschichtung eingesetzten Metalle erzielt wird.
13. Werkzeug nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug eine
Form ist.
14. Werkzeug nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupferschicht
(17) im Dickenbereich von 3-10 mm liegt und die Werkzeugstahlschicht (19) im
Dickenbereich von 5-15 mm.
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US09/624,926 | 2000-07-25 | ||
US09/624,926 US6602545B1 (en) | 2000-07-25 | 2000-07-25 | Method of directly making rapid prototype tooling having free-form shape |
Publications (2)
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