DE10131657A1 - Verfahren zur direkten Herstellung von Werkzeugen durch Rapid Prototyping mit Freiform-Oberflächen - Google Patents

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.

Bezugszeichenliste

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.