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Kupfer additiv fertigen mit der Gas-Strahls werden sowohl ... · PDF file METALL-RUBRIK METALL-RUBRIK METALL | 65. Jahrgang | 5/2011 443 METALL-FORSCHUNG METALL-FORSCHUNG METALL 3

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    440 5/2011 | 65. Jahrgang | METALL

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    440 11/2019 | 73. Jahrgang | METALL

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    Das MPA Auftragsverfahren ist eine Variante des sogenann-ten Kaltgasspritzens, das hauptsächlich zur Beschich- tung von Oberflächen eingesetzt wird. Kernstück ist dabei eine Lavaldüse, in der aus einem Gasstrom so viel Energie auf die Pulverpartikel übertragen wird, dass sie beim Aufprall auf einem Substrat haften bleiben. Bei der MPA Technologie werden

    die Metallpulver mit Hilfe von Stickstoff als Trägergas zur Düse der Auftragsein- heit transportiert. Dort wird in einer Mischzone überhitzter Wasserdampf als Energieträger zugeführt. Beim Durchlauf durch die Düse überträgt dieser ausrei- chend Energie auf die Pulverpartikel, die dabei sowohl erhitzt, als auch auf mehr- fache Schallgeschwindigkeit beschleunigt werden. Am Auftreffpunkt des Pulver-

    Gas-Strahls werden sowohl die Pulverpar- tikel als auch die Substratoberfläche stark plastisch verformt (Bild 1). Besonders an den jeweiligen Oberflächen findet unter hohen lokalen Drücken und Temperaturen eine starke Streckung des Materials statt. Die Schichthaftung entsteht dabei durch wechselseitige Anpassung der jeweiligen Oberflächen. Neben der Möglichkeit, mit dem Spritz- verfahren eine Vielzahl unterschiedlicher Metalle aufzutragen, liegt der Schlüssel zur generativen Fertigung von Bauteilen in einem speziellen Material zum Verfül- len innenliegender Geometrien wie zum Beispiel von Kühlkanälen. Dieses Material wird gleichfalls mit dem MPA Verfahren aufgetragen, lässt sich gut zerspanen und ist wasserlöslich. Als temporäre Hohl- raumfüllung dient es als stabiles Substrat für den Auftrag vom Metallschichten und kann zum Ende des Fertigungsprozesses rückstandslos ausgelöst werden.

    Ein hybrides Verfahren - Materialauftrag und Zerspanung geschickt kombiniert

    Beim Materialauftrag mit dem MPA-Ver- fahren muss der aus der Düse austretende Pulverstrahl mit hoher Geschwindigkeit und Dynamik über das Substrat bewegt werden. Bei Hermle wurde die Auftrags- einheit daher in den Z-Schlitten eines 5-Achs-Bearbeitungszentrums integriert (Bild 2). Mit der Ausrichtung der Düse parallel zur Werkzeugspindel ist dabei nahezu der gesamte Arbeitsraum für den Pulverauftrag zugänglich. Gleichzeitig kann das jeweilige Bauteil über die Achsen des Dreh-Schwenk-Tisches dynamisch zur Düse orientiert werden. Damit ergibt sich auch die Möglichkeit, auf gekrümmten Freiformflächen eines bereits vorgefertig- ten Rohlings Material aufzubauen. Das hybride Maschinenkonzept erweitert die Fräsmaschine um die Möglichkeiten der additiven Fertigung. Materialauftrag und Zerspanung können so zu einem Fertigungsschema kombiniert werden, das die komplette Bauteilbearbeitung in der Maschine möglich macht. In Verbin- dung mit dem großen Arbeitsraum setzt die MPA Maschine dabei Maßstäbe. Sie erlaubt die generative Herstellung groß- volumiger Bauteile mit mehreren hundert Kilogramm Masse und mehr als 500 mm Durchmesser. Bedingt durch die Geometrie der Düse hat der Pulverstrahl beim Aufprall auf das

    Kupfer additiv fertigen mit der Hermle MPA-Technologie MPA Technologie – Auftrag von Metallpulver im

    thermischen Spritzverfahren

    Die Maschinenfabrik Berthold Hermle AG zählt zu den weltweit führenden Herstel- lern von Fräsmaschinen und Bearbeitungszentren. Ergänzend zur Zerspanungs- technik investiert sie seit Jahren in die Entwicklung eines innovativen und viel- seitigen generativen Fertigungsverfahrens: die Hermle MPA Technologie. Dieses Verfahren steht für den Auftrag von Metallpulvern (MPA = Metall Pulver Auftrag) auf der Basis eines thermischen Spritzverfahrens, das speziell für den Aufbau groß- volumiger Bauteilkomponenten optimiert wurde. Im Gegensatz zu vielen anderen additiven Technologien kommt beim MPA Verfahren kein Laser zum Einsatz. Das Metallpulver wird vielmehr mittels eines Trägergases über eine Düse auf das Sub- strat aufgebracht. Weder die Pulverpartikel noch das Substrat werden bei diesem Prozess aufgeschmolzen. Dadurch werden typische, durch einen Schmelzprozess entstehende Probleme vermieden, sodass sich aufgrund der vergleichsweise gerin- ge Spannungen im Gefüge nahezu verzugsfreie Bauteile herstellen lassen.

    Schmalisch, B.; Gebhart, W. (1)

    Bild 1: Durch den Aufprall verformte Kupfer-Partikel

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    441METALL | 65. Jahrgang | 5/2011

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    441METALL | 73. Jahrgang | 11/2019

    Substrat einen Durchmesser von mehreren Millimetern. Durch Abfahren paralleler Auftragsbahnen wird damit ein flächiger Schichtaufbau erzielt. Die konkreten Kon- turen der Bauteilgeometrie werden stets durch Zerspanung erreicht, sei es durch vorgefräste Taschen oder Kanäle, die dann per Pulverauftrag gefüllt werden oder durch in Form fräsen des aufgetragenen Materials. Daher werden zur Fertigung von Bauteilen mit dem MPA Verfahren Materi- alauftrag und zerspanende Arbeitsschritte miteinander verflochten. Eine mögliche Vorgehensweise ist dabei die Zerlegung der Bauteilgeometrie in einen Stapel aufeinan- der folgender planparalleler Schichten. Für ein Bauteil aus Stahl mit einem integrier- ten Kühlkanal wird dabei in jeder Schicht zunächst flächig Material aufgetragen und mit einer anschließenden Zerspanung die Geometrie Kanals umgesetzt. Danach wird mit einem Füllmaterial das Kanalvolumen auf der vorbereiteten Geometrie aufgetra- gen. Eventuelle Hinterschneidungen der Kanalgeometrie können nun als Negativ- konturen in das Füllmaterial gefräst wer- den. Mit dem erneuten Auftrag von Stahl schließt sich das Schema und der Aufbau einer neuen Schicht des Modells beginnt. Da die Bauteilkonturen jeweils erst durch die Fräsbearbeitung definiert werden, ist die Dicke der einzelnen Schichten variabel: Der Materialaufbau erfolgt immer so weit, wie alle relevanten Konturen im Bauab- schnitt noch zur Zerspanung zugänglich sind. Das Maschinenkonzept bietet jedoch noch deutlich mehr als die Fertigung in einer

    Folge von planen Schichten. Da die Aus- richtung der Bauteiloberfläche relativ zur Düse über die Schwenkachsen dynamisch variiert werden kann, ist der Material- aufbau nicht nur in der Ebene, sondern auch auf Freiformflächen möglich. Damit bietet es sich in vielen Fällen an, massive Rohlinge einzusetzen und diese nur an

    den entsprechenden Stellen um additiv gefertigte Komponenten zu ergänzen. Einschränkungen in den möglichen Geo- metrien werden dabei durch die Größe des Spritzflecks, die Grenzen der Maschi- nendynamik sowie durch den Bauraum der Maschine festgelegt. Mit dem dyna- mischen 5-Achs-Materialauftrag redu- ziert sich das Fertigungsschema für viele Bauteile auf wenige Arbeitsschritte. Bild 3 zeigt die wesentlichen Etappen bei der Herstellung eines Bauteils mit oberflä- chennahem Kühlkanal. Ausgangspunkt ist ein Rohling mit bereits eingefrästem Kanal. Dieser wird im ersten Schritt ver- füllt (1). In einem Frässchritt wird nun überschüssiges Füllmaterial entfernt und die Oberfläche genau definiert (2), bevor auf die gesamte Fläche ein Stahlmantel aufgetragen wird (3). Nach dem Herauslö- sen des Füllmaterials aus dem Kanal kann das Bauteil in die endgültige Form gefräst werden. Ein weiteres Beispiel für einen Ferti- gungsablauf ist in Bild 4 dargestellt. Die Serie zeigt verschiedene Stadien der Fer- tigung einer Vorkammerbuchse für eine Spritzgussmaschine für Kunststoffe. Um anfallende Wärme im Werkzeug effektiv abführen zu können, wurde eine Reihe von

    Bild 2: Mit der Integration der MPA Auftragseinheit wird das Bearbeitungszentrum um die Möglichkeiten der generativen Fertigung erweitert. Über den Dreh-Schwenk-Tisch ist auch ein Materialauftrag auf Freiformflächen oder ein radialer Aufbau bei rotierendem Bauteil möglich.

    Bild 3: Werkzeug mit konturnaher Kühlung als CAD-Modell (oben links) und als reales Bauteil mit hochglanzpolierter Oberfläche (oben rechts). Die Bildfolge unten zeigt die wesentlichen Schritte der Fertigung des Werkzeugs, bei der der Kühlkanal auf einem vor- gefertigtem Rohling aufgebaut wird.

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    442 5/2011 | 65. Jahrgang | METALL

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    442 11/2019 | 73. Jahrgang | METALL

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    Kupferelementen in die Buchse integriert. Bei der Herstellung werden zunächst in einen zylindrischen Rohling aus Stahl die entsprechenden Taschen gefräst. Zur Fül- lung mit Kupfer erfolgt der Materialauf- trag radial, d.h. während das Bauteil unter der Düse rotiert. Überschüssiges Material wird anschließend wieder heruntergefräst, bevor mit dem Auftrag des Stahlmantels begonnen wird. Nachdem das Bauteil einer Wärmebehandlung unterzogen wurde, kann es abschließend in die gewünschte Form gefräst werden. Am Bild des fertigen Bauteilsegments ist die halbrunde Kon- tur eines außenliegenden Kühlkanals zu sehen. Das integrierte Kupfer sorgt nun für die Wärmeleitung aus der Werkzeugspitze zum Kanal.

    Materialspektrum und Qualität der Gefüge

    Mit der MPA Technologie wird durch Abfahren paralleler Auftragsbahnen ein flächiger Schichtaufbau erzielt. Die Qua- lität des Gefüges dieser Schicht hängt dabei von einer Reihe von Parametern ab. Neben den Auftragsparametern wie Gas- druck und Temperatur spielen auch die Eigenschaften des verwendeten Pulvers wie zum Beispiel Partikel

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