DE19841892C1 - Method and apparatus for producing workpieces by buildup welding - Google Patents

Method and apparatus for producing workpieces by buildup welding

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Abstract

Workpiece holding unit (1) with the substrate plate (2) is placed into sleeve (6). Before application of each subsequent layer, the sleeve is raised (or the workpiece (3) is lowered) so that the level of the sleeve edge coincides with the top surface of the last layer. Spaces between workpiece contours and between the workpiece and the sleeve edge are filled with mineral or ceramic powder. The method for layer-wise production of a workpiece (3) on a substrate plate (2) by buildup welding, for example, by laser generation, involving subsequent machining of the contours and the top of each latest layer is characterized by the following steps: (a) the workpiece holding unit (1) with the substrate plate is placed into a sleeve (6); (b) before application of each subsequent layer, the sleeve is raised (or the workpiece is lowered) so that the level of the sleeve edge coincides with the top surface of the last layer; and (c) the spaces between the workpiece contours, as well as those between the workpiece and the sleeve edge are filled with a mineral or ceramic powder. An Independent claim is also included for an apparatus for producing workpieces by buildup welding which includes a sleeve which is axially movable relative to the workpiece holding unit.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Werkstücken. Bei dem Verfahren werden mittels Auftragsschweißen, zum Beispiel Lasergenerieren, schichtweise erhabene Strukturen auf die Oberfläche einer Substratplatte aufgebracht, die in einer Werkstückhalterung gehalten wird. Nach jedem, ggf auch nach mehrfachem Auftragen einer Metallschicht, erfolgt eine spanende Konturenbearbeitung der aufgebrachten Schichten. Außerdem wird die jeweils zuletzt aufgebrachte Schicht vor dem Aufbringen einer nächsten Schicht in der Regel spanend planbearbeitet. Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens weist eine Werkstückhalterung, eine Einrichtung zum Auftragsschweißen und eine Einrichtung zur spanenden Bearbeitung eines Werkstücks auf.The invention relates to a method and a device for producing workpieces. At The process is applied in layers by means of build-up welding, for example laser generation raised structures applied to the surface of a substrate plate, which in a Workpiece holder is held. After each, if necessary also after repeated application of one Metal layer, cutting contours of the applied layers are machined. In addition, the last layer applied is applied before the next one As a rule, the shift is machined. The device for performing the method has a workpiece holder, a device for cladding and a device for machining a workpiece.

Zur schnellen Fertigung von Werkstücken, zum Beispiel von metallischen Werkzeugen, ist ein Verfahren geeignet, das in der jüngsten Zeit unter dem Begriff "Controlled Metal Build Up" (CMB) bekanntgeworden ist. Hierbei handelt es sich um ein kombiniertes Verfahren von Auftragsschweißen und spanender Bearbeitung, zum Beispiel Laserauftragsschweißen (Lasergenerieren) und Hochgeschwindigkeitsfräsen. Dabei wird in einen fokussierten Laserstrahl mit Hilfe einer Düse Metallpulver eingeblasen und dort vollständig aufgeschmolzen. Durch eine Relativbewegung zwischen Düse und der Arbeitsfläche des Werkstücks kann man eine Art Schweißraupe aufbringen, die in mehreren Schichten dann konturnahe Erhebungen einer gewünschten Struktur ergeben. Statt eines Metallpulvers kann auch ein Metalldraht in das Schmelzbad eingebracht werden.For the rapid production of workpieces, for example metallic tools, is a Process suitable, which has recently been called "Controlled Metal Build Up" (CMB) has become known. This is a combined process from Cladding and machining, for example laser cladding (Laser generation) and high-speed milling. It is focused into a laser beam with the help of a nozzle, metal powder is blown in and completely melted there. By a Relative movement between the nozzle and the work surface of the workpiece can be of a kind Apply a weld bead, which in several layers then has contour-like elevations desired structure. Instead of a metal powder, a metal wire can also be inserted into the Melting bath can be introduced.

Nach dem Auftragen einer Schicht erfolgen zwei Fräsoperationen, da die Ecken, Kanten und Oberflächen der aufgebrachten Schicht Verrundungen aufweisen. Mit einer Fräsoperation wird die Kontur der gewünschten Struktur nachgefräst und somit die Kantenschärfe und die Form- und Maßgenauigkeit des Werkstücks sichergestellt. Mit einer weiteren Fräsoperation wird wieder eine ebene Oberfläche erzeugt, so daß ein weiteres Auftragen nicht zu Fehlern in den nächsten Schichten führen kann. Die Operationen können in einer Maschine vollzogen werden, so daß ein automatischer Ablauf der Verfahrensschritte erfolgt. Das Nachfräsen der Kontur kann ggf. auch erst nach mehrfachem Aufbringen einer Schicht oder zusätzlich zum Nachfräsen nach jedem Schichtauftrag nach dem Aufbringen mehrerer Schichten erfolgen. After applying a layer, two milling operations are carried out, since the corners, edges and Surfaces of the applied layer have fillets. With a milling operation milled the contour of the desired structure and thus the edge sharpness and the shape and dimensional accuracy of the workpiece ensured. With another milling operation again creates a flat surface so that further application does not lead to errors in the next layers can lead. The operations can be done in one machine, so that the process steps are carried out automatically. The contour can be re-milled if necessary, only after applying a layer several times or in addition for re-milling each layer application after several layers have been applied.  

Werden sehr schmale Strukturen aufgebracht, so kann eventuell auch auf das Planfräsen verzichtet werden.If very narrow structures are applied, it may also be possible to use face milling to be dispensed with.

Der Vorteil dieses kombinierten Verfahrens besteht einmal darin, daß ein Werkstück mit porenfreiem und homogenem Gefüge entsteht. Zum anderen führt das Verfahren schneller zu einem fertigen Produkt als mit einem rein spanenden Fertigungsverfahren, obwohl dem Auftragen jeder Schicht ein Zerspanungsprozeß nachgeschaltet ist, da dieser mit Fräswerkzeugen mit kleinstem Durchmesser bis unterhalb von 1 mm und geringer Zerspanungstiefe durchgeführt werden kann.The advantage of this combined method is that a workpiece with pore-free and homogeneous structure is created. On the other hand, the process leads to faster a finished product than with a purely machining manufacturing process, although that Applying each layer is followed by a machining process, as this is done with milling tools with the smallest diameter down to less than 1 mm and low cutting depth can be.

Als zu verarbeitende Materialien kommen Stähle, Kupfer, aber auch Hartlegierungen in Frage.Steels, copper and also hard alloys can be used as materials to be processed.

Das geschilderte Verfahren ist zum Beispiel aus der DE-PS 195 33 960 bekannt.The described method is known for example from DE-PS 195 33 960.

Nachteilig bei dem Verfahren ist bisher, daß die bereits bearbeiteten Konturen des Werkstücks beim Aufbringen der weiteren Schichten durch spritzende Schweißpartikel geschädigt werden. Die Schweißpartikel haften an den Oberflächen der Strukturen und können dann nur durch eine erneute, das heißt mehrfach wiederholte, zerspanende Behandlung der Konturen wieder entfernt werden.A disadvantage of the method so far is that the contours of the workpiece that have already been machined can be damaged by spraying welding particles when the other layers are applied. The welding particles adhere to the surfaces of the structures and can then only by one renewed, i.e. repeatedly repeated, machining treatment of the contours removed become.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit denen eine solche mehrfache Nachbehandlung entfallen kann.The invention has for its object to provide a method and an apparatus with which can dispense with such multiple post-treatment.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren gelöst, bei dem die Werkstückhalterung mit der Substratplatte in eine zur Bearbeitungsseite des Werkstücks offene Hülse eingebracht wird und vor dem Aufbringen der zweiten und jeder nachfolgenden Schicht die Hülse so weit nach oben über das Werkstück geschoben wird, respektive das Werkstück entsprechend abgesenkt wird, bis die Fläche des oberen Randes der Hülse mit der Oberfläche der aufgebrachten Strukturen eine Ebene bildet, und die Zwischenräume zwischen den Strukturen sowie zwischen den Strukturen und dem Rand der Hülse mit einem mineralischen oder keramischen Pulver bis zu deren Oberkante dicht aufgefüllt werden.According to the invention the object is achieved by a method in which the workpiece holder introduced with the substrate plate in a sleeve open to the machining side of the workpiece and the sleeve so far before applying the second and each subsequent layer is pushed up over the workpiece, or the workpiece accordingly is lowered until the surface of the top of the sleeve matches the surface of the applied structures forms a level, and the spaces between the structures as well as between the structures and the edge of the sleeve with a mineral or ceramic powder are filled up to the top edge.

Durch das mineralische oder keramische Pulver wird das Werkstück sicher vor den Schweißspritzern der nächsten Schichten geschützt. The workpiece is protected from the mineral or ceramic powder Protected welding spatter of the next layers.  

Erfolgt der Schichtauftrag mittels Lasergenerieren unter Verwendung von Metallpulver, so kann auf der Oberfläche des Werkstücks nicht aufgeschmolzenes Metallpulver verbleiben. Es empfiehlt sich in diesem Fall, das auf der Oberfläche der zuvor aufgebrachten Metallschicht verbliebene Metallpulver durch Absaugen zu entfernen, bevor die nächste Schicht von mineralischem oder keramischem Pulver eingefüllt wird.If the layer is applied by means of laser generation using metal powder, then Metal powder that has not melted remains on the surface of the workpiece. It In this case it is advisable to do this on the surface of the previously applied metal layer remove any remaining metal powder by suction before the next layer of mineral or ceramic powder is filled.

Außerdem empfiehlt es sich, überschüssiges Pulver mit einem Schieber in der Ebene des Randes der Hülse zu entfernen und/oder mit beispielsweise einer Walze etwas zu verdichten.It is also recommended to use excess powder with a slider in the plane of the edge to remove the sleeve and / or to compress something with, for example, a roller.

Ob das Planfräsen vor oder nach dem Einbringen des Pulvers erfolgen muß, hängt von der Art des Pulvers ab. Manche Pulver neigen dazu, sich auf der vorher plangefrästen Oberfläche relativ fest abzusetzen und können dann mittels des Schiebers nicht vollständig entfernt werden. In diesem Fall empfiehlt es sich, das Pulver vor dem abschließenden Planfräsen einzubringen. In anderen Fällen kann das Planfräsen vor dem jeweiligen Einbringen des Pulvers erfolgen. In Abhängigkeit von der Breite der aufgebrachten Strukturen und dem verwendeten Werkstoff kann unter Umständen auch ganz auf das Planfräsen verzichtet werden.It depends on the type whether the face milling has to be done before or after the powder has been introduced of the powder. Some powders tend to be relatively on the previously milled surface fixed and can then not be completely removed using the slider. In In this case, it is advisable to apply the powder before the final face milling. In In other cases, face milling can take place before the powder is introduced. In Depending on the width of the structures applied and the material used under certain circumstances, face milling can also be dispensed with entirely.

Auch das Konturenfräsen kann nach dem Pulvereintrag erfolgen. Wenn es erst nach dem Aufbringen mehrerer Schichten erfolgt, ist dies ohnehin nicht anders möglich. Das Pulver stört dabei die Fräsbearbeitung nicht.Contour milling can also be carried out after the powder has been added. If it’s only after If several layers are applied, this is not otherwise possible anyway. The powder is annoying not milling.

Eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung ist so aufgebaut, daß sie eine die Werkstückhalterung umgebende Hülse aufweist, deren Innenkontur der Außenkontur der Werkstückhalterung angepaßt ist, wobei Werkstückhalterung und Hülse relativ zueinander in ihrer axialen Richtung verschiebbar sind.A device suitable for carrying out the method is so constructed that it is a Has workpiece holder surrounding sleeve, the inner contour of the outer contour of the Workpiece holder is adapted, the workpiece holder and sleeve relative to each other in are displaceable in their axial direction.

Zweckmäßig enthält die Vorrichtung eine Zuführeinrichtung für das mineralische oder keramische Pulver, die sich über die Substratplatte bzw. das Werkstück bewegen läßt. In gleicher Weise können außerdem ein Schieber und eine Walze angeordnet sein, mit denen überschüssiges Pulver entfernt wird und anschließend das eingebrachte Pulver verdichtet wird.The device expediently contains a feed device for the mineral or ceramic powder that can be moved over the substrate plate or the workpiece. In the same A slide and a roller can also be arranged with which excess Powder is removed and then the powder is compacted.

Erfolgt das Generieren mittels eines Lasers unter Verwendung von Metallpulver, so enthält die Vorrichtung zweckmäßig auch eine Absaugeinrichtung mit einem Absaugrüssel, mit dem die Kontur der aufgebrachten Schicht nachgefahren und auf der Oberfläche des Werkstücks verbliebenes loses Metallpulver abgesaugt werden kann.If it is generated by means of a laser using metal powder, it contains Device expediently a suction device with a suction nozzle with which the  The contour of the applied layer is traced and on the surface of the workpiece remaining loose metal powder can be suctioned off.

Die verschiedenen Vorrichtungsteile lassen sich in horizontaler Richtung relativ zur Hülse verschieben. Der gesamte Vorgang ist mittels einer geeigneten Steuerungsanlage automatisierbar.The various parts of the device can be moved in the horizontal direction relative to the sleeve move. The whole process is by means of a suitable control system automatable.

Das Verfahren soll anhand des in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.The method should be based on the embodiment shown schematically in the drawing are explained in more detail.

Eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung enthält eine stempelförmige Werkstückauflage 1 für eine Substratplatte 2, auf der das gewünschte Werkstück 3 generiert wird.A device suitable for carrying out the method contains a stamp-shaped workpiece support 1 for a substrate plate 2 , on which the desired workpiece 3 is generated.

Das Generieren erfolgt mittels eines Lasers, dem innerhalb einer Düse einer Laser/Metallpulverzuführeinrichtung 4 koaxial zu seinem Laserstrahl Metallpulver zugeführt und mit einem Druck von ca. 0,2 bar in die Aufschmelzzone geblasen wird. In einem Arbeitsgang wird am Werkstück 3 eine Schicht von ca. 0,1 mm aufgebracht. Danach wird die Kontur des Werkstücks 3 mittels einer Fräseinrichtung 5 nachgefräst.The generation takes place by means of a laser, to which metal powder is supplied coaxially to its laser beam within a nozzle of a laser / metal powder feed device 4 and blown into the melting zone at a pressure of approximately 0.2 bar. A layer of approx. 0.1 mm is applied to workpiece 3 in one operation. Then the contour of the workpiece 3 is re-milled using a milling device 5 .

Verfahrensgemäß wurde die Werkstoffauflage 1 mit einer Hülse 6 umgeben, die von einer Grundplatte 7 gehalten wird. Die Werkstückauflage 1 wird nun nach dem Konturenfräsen des Werkstückes 3 so weit abgesenkt, bis der Rand der Hülse 6 und die Oberfläche des Werkstücks 3 eine Ebene bilden. Über eine Zuführeinrichtung 8, die sich wie die Fräseinrichtung 5 über die Hülse 6 verschieben läßt, wird nun der durch den Überstand der Hülse 6 entstandene Raum innerhalb der Hülse 6 mit einem mineralischen oder keramischen Pulver 9 aufgefüllt. Überschüssiges Pulver 9 wird mittels eines Schiebers 10, der sich ebenfalls relativ zur Hülse 6 horizontal verschieben läßt, entfernt und das innerhalb der Hülse 6 befindliche Pulver 9 mit einer Walze 11 verdichtet.According to the method, the material support 1 was surrounded with a sleeve 6 , which is held by a base plate 7 . The workpiece support 1 is now lowered after the contour milling of the workpiece 3 until the edge of the sleeve 6 and the surface of the workpiece 3 form a plane. Via a feed device 8 , which can be moved like the milling device 5 over the sleeve 6 , the space created by the protrusion of the sleeve 6 inside the sleeve 6 is now filled with a mineral or ceramic powder 9 . Excess powder 9 is removed by means of a slide 10 , which can also be moved horizontally relative to the sleeve 6 , and the powder 9 located within the sleeve 6 is compacted with a roller 11 .

Anschließend wird das Werkstück 3 mittels der Fräseinrichtung 5 plangefräst. Pulver 9, das sich zuvor auf der Oberfläche des Werkstücks 3 abgesetzt hat, wird bei diesem Arbeitsgang entfernt, so daß für den nächsten Schichtauftrag wieder eine plane und saubere Werkstückoberfläche vorliegt. Ferner wird so gewährleistet, daß beim nächsten Schichtauftrag der Abstand der zuletzt aufgebrachten Schicht zur Düse der Laser/Metallpulverzuführeinrichtung 4 einen definierten Wert hat. Darauf kann die nächste Schicht generiert werden. Dabei auftretende Schweißspritzer werden gehindert, sich an den bereits generierten Strukturen des Werkstücks 3 anzulegen.The workpiece 3 is then face-milled using the milling device 5 . Powder 9 , which has previously deposited on the surface of the workpiece 3 , is removed in this operation, so that a flat and clean workpiece surface is again available for the next layer application. This also ensures that the next time the layer is applied, the distance of the last layer applied to the nozzle of the laser / metal powder feed device 4 has a defined value. The next layer can then be generated. Welding spatter occurring in the process is prevented from contacting the already generated structures of the workpiece 3 .

Gegebenenfalls kann nach dem Aufbringen mehrerer Schichten zusätzlich die Kontur der zuletzt aufgebrachten Schichten nachgefräst werden. Da ein neuer Schichtauftrag wegen der damit verbundenen Erwärmung auf die zuletzt aufgebrachten Schichten einwirken kann, wird durch ein solches Nachfräsen die Qualität der Oberfläche der Konturen verbessert. Es hat sich erwiesen, daß das Pulver 9 eine solche zusätzliche Fräsoperation nicht beeinträchtigt.If necessary, the contour of the last applied layers can additionally be milled after applying several layers. Since a new layer application can affect the layers applied last due to the associated heating, the quality of the surface of the contours is improved by such re-milling. It has been shown that the powder 9 does not interfere with such an additional milling operation.

Claims (9)

1. Verfahren zur Herstellung von Werkstücken mittels auf eine in einer Werkstückhalterung gehaltenen Substratplatte schichtweise durch Auftragsschweißen, zum Beispiel Lasergenerieren, aufgebrachter erhabener Strukturen, nachfolgender spanender Konturenbearbeitung der aufgebrachten Schichten und spanender Planbearbeitung der zuletzt aufgebrachten Schicht, dadurch gekennzeichnet,
daß die Werkstückhalterung mit der Substratplatte in eine zur Bearbeitungsseite des Werkstücks offene Hülse eingebracht wird,
und daß vor dem Aufbringen der zweiten und jeder nachfolgenden Schicht die Hülse so weit nach oben über das Werkstück geschoben wird, respektive das Werkstück entsprechend abgesenkt wird, bis die Fläche des oberen Randes der Hülse mit der Oberfläche der aufgebrachten Strukturen eine Ebene bildet, und die Zwischenräume zwischen den Strukturen sowie zwischen den Strukturen und dem Rand der Hülse mit einem mineralischen oder keramischen Pulver bis zu deren Oberkante dicht aufgefüllt werden.1. A method for producing workpieces by means of layers on a substrate plate held in a workpiece holder by build-up welding, for example laser generation, applied raised structures, subsequent machining of contours of the applied layers and machining of the last applied layer, characterized in that
that the workpiece holder with the substrate plate is inserted into a sleeve that is open to the machining side of the workpiece,
and that before the application of the second and each subsequent layer, the sleeve is pushed as far up over the workpiece, respectively the workpiece is lowered accordingly, until the surface of the upper edge of the sleeve forms a plane with the surface of the structures applied, and the Gaps between the structures and between the structures and the edge of the sleeve are filled up tightly with a mineral or ceramic powder up to the upper edge thereof. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schichtauftrag mittels Lasergenerieren unter Verwendung von Metallpulver erfolgt und nach dem Aufbringen einer Schicht lose auf der Oberfläche des Werkstücks abgelagerte Metallpulverpartikel abgesaugt werden.2. The method according to claim 1, characterized in that the layer application by means Laser generation is done using metal powder and after applying one  Aspirated metal powder particles loosely deposited on the surface of the workpiece become. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß überschüssiges mineralisches oder keramisches Pulver mit einem Schieber entfernt wird.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that excess mineral or ceramic powder with a slide is removed. 4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das mineralische oder keramische Pulver nach dem Befüllen der Hülse verdichtet wird.4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the mineral or ceramic Powder is compacted after filling the sleeve. 5. Vorrichtung zur Herstellung von Werkstücken, die eine Werkstückhalterung (1), eine Einrichtung zum Auftragsschweißen und eine Einrichtung zur spanenden Bearbeitung eines Werkstückes (3) aufweist, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine die Werkstückhalterung (1) umgebende Hülse (6), deren Innenkontur der Außenkontur der Werkstückhalterung (1) angepaßt ist, wobei Werkstückhalterung (1) und Hülse (6) relativ zueinander in ihrer axialen Richtung verschiebbar sind.5. Device for the production of workpieces, which has a workpiece holder ( 1 ), a device for cladding and a device for machining a workpiece ( 3 ) for carrying out the method according to one of the preceding claims, characterized by a the workpiece holder ( 1 ) surrounding sleeve ( 6 ), the inner contour of which is adapted to the outer contour of the workpiece holder ( 1 ), the workpiece holder ( 1 ) and sleeve ( 6 ) being displaceable relative to one another in their axial direction. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine über die Oberfläche des Werkstücks fahrbare Absaugeinrichtung.6. The device according to claim 5, characterized by an over the surface of the Workpiece mobile suction device. 7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch eine Zuführungseinrichtung (8) für mineralisches oder keramisches Pulver (9), die über dem in der Werkstückhalterung (1) gehaltene Werkstück (3) positionierbar ist.7. Apparatus according to claim 5 or 6, characterized by a supply means (8) mineral or ceramic powder (9) which is positionable over the held in the workpiece holder (1) the workpiece (3). 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, gekennzeichnet durch einen über den oberen Rand der Hülse (6) fahrbaren Schieber (10).8. Device according to one of claims 5 to 7, characterized by a slide ( 10 ) movable over the upper edge of the sleeve ( 6 ). 9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, gekennzeichnet durch eine über den oberen Rand der Hülse (6) fahrbare Walze (11).9. Device according to one of claims 5 to 8, characterized by a roller ( 11 ) movable over the upper edge of the sleeve ( 6 ).
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