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EP2981381B1 - Verfahren zum erzeugen eines schalenförmigen bauteils sowie zur anwendung dieses verfahrens geeignete herstellungsanlage - Google Patents

Verfahren zum erzeugen eines schalenförmigen bauteils sowie zur anwendung dieses verfahrens geeignete herstellungsanlage Download PDF

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Publication number
EP2981381B1
EP2981381B1 EP14728101.8A EP14728101A EP2981381B1 EP 2981381 B1 EP2981381 B1 EP 2981381B1 EP 14728101 A EP14728101 A EP 14728101A EP 2981381 B1 EP2981381 B1 EP 2981381B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
component
supporting body
cold gas
cold
shell
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
EP14728101.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2981381A1 (de
Inventor
Christian Doye
Ursus KRÜGER
Oliver Stier
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of EP2981381A1 publication Critical patent/EP2981381A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2981381B1 publication Critical patent/EP2981381B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/02—Compacting only
    • B22F3/04—Compacting only by applying fluid pressure, e.g. by cold isostatic pressing [CIP]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/115—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces by spraying molten metal, i.e. spray sintering, spray casting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F5/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product
    • B22F5/10—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product of articles with cavities or holes, not otherwise provided for in the preceding subgroups
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
    • C23C24/02—Coating starting from inorganic powder by application of pressure only
    • C23C24/04—Impact or kinetic deposition of particles

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a cup-shaped component with a wall and a recess open to the opening of this component.
  • the invention relates to a manufacturing plant for a component, comprising a cold spray nozzle and a holding device for the component, wherein the cold spray device and the receptacle are movable relative to each other.
  • Cup-shaped components are preferably produced by deep drawing.
  • a sheet is processed via a molding (die) forming technology.
  • components can be produced economically in this way only for larger quantities, since the molds are relatively expensive to manufacture and therefore negatively affect the unit cost of smaller quantities.
  • This also applies to a production by casting, since in this case molds must be made.
  • a machining for example by milling.
  • a large volume has to be removed by machining, which is why this method is not economically justifiable because of the production costs involved.
  • shell-shaped components in the context of the invention, components are to be understood whose shell thickness, ie wall thickness of the wall, is small compared to the overall dimensions of the component.
  • small is meant, for example, a ratio in which the average shell thickness of the component is below 5%, preferably even below 2% and even more preferably even below 0.5%, compared to its longest overall dimension.
  • Such shell components are widely used in the art.
  • DE 10 2010 040 855 A1 For example, use of such cup-shaped components in DC particle accelerators is described. These particle accelerators have electrodes which are interleaved and therefore consist of shell-shaped components of different dimensions. These electrodes are therefore produced only in small numbers, with an interest that they can be produced economically.
  • the object of the invention is therefore firstly to provide a method for producing a cup-shaped component with which cup-shaped components can be produced economically even in small quantities.
  • the manufacturing plant mentioned at the outset is also known from the prior art.
  • the cold gas spraying and a suitable plant for the application of this method is for example in the DE 690 164 33 T2 described.
  • a particle jet is accelerated by a gas under pressure through a convergent-divergent nozzle, which results in a deposition of the particles on a suitable substrate.
  • a 0 °
  • the spray angle a there is a permissible interval for the spraying angle within which the adhesive strength of the deposited particles reaches maximum values.
  • the zero angle may or may not be included in this interval.
  • the crowd of all permissible spraying angles thus results in a space between two conical surfaces whose tips coincide at the impingement point of the particle beam. If the zero angle is included in the interval (which is usually the case), it is necessary to describe the injection angle interval only one cone, the so-called cold spray cone, which is aligned in the manner described.
  • Cold gas spraying is a process known per se, in which particles intended for coating are preferably accelerated to supersonic speed by means of a convergent-divergent nozzle, so that they adhere to the surface to be coated on account of their impressed kinetic energy.
  • the kinetic energy of the particles is used, which leads to a plastic deformation of the same, wherein the coating particles are melted on impact only on their surface. Therefore, this method is referred to as cold gas spraying in comparison to other thermal spraying methods, because it is carried out at comparatively low temperatures at which the coating particles remain substantially fixed.
  • a cold gas spraying system which has a gas heater for heating a gas.
  • a stagnation chamber is connected, which is connected on the output side with the convergent-divergent nozzle, preferably a Laval nozzle.
  • Convergent-divergent nozzles have a converging section and a flared section connected by a nozzle throat.
  • the convergent-divergent nozzle produces on the output side a powder jet in the form of a gas stream with particles therein at high speed, preferably supersonic speed.
  • the cold gas jet layers can be deposited, for example to produce a tube on a cylindrical Rohrmatrize, as in the DE 10 2010 060362 A1 and the WO 2009/109016 A1 described.
  • the tube die can be removed from the interior of the tube after the tube is made.
  • a further object of the invention is therefore to modify a production plant for cold gas spraying in such a way that the method given in the introduction can be carried out with it. This means that by means of the manufacturing plant the production of cup-shaped components should be advantageously feasible cost-effective even for small batches.
  • the first object is achieved by the method specified above according to the invention by the following measures.
  • the component is manufactured by cold gas spraying.
  • a support body is provided with a curved surface made of a material on which the particles of the cold gas jet do not adhere.
  • a starting structure on the surface can be temporarily fixed. This fixation must not be followed by an intimate, for example cohesive, bonding of the starting structure to the supporting body. But a better possibility is to hold the starting structure by means of a holding device and bring in this way with the support body in contact.
  • the particles of the cold gas jet do not adhere to the material of the support body, this essentially depends on the choice of the spray angle. If the spray angle is 0 °, layers can be deposited on most materials, whereas this is not possible if the spray angle is outside the cold spray cone. In other words, a support body, on which the particles of the cold gas jet remain as little as possible, can advantageously be selected such that the particles to be deposited can only be deposited on the material of the support body in a comparatively sharp cold spray cone or not at all.
  • the component is produced by a material application from the cold gas jet to the seam of the component being formed, wherein the support body and the cold gas jet are moved synchronously such that the cold gas jet at an angle within the cold spray cone of the seam, but impinges on the seam outside of the cold spray cone of the support body.
  • the seam of the component being manufactured will always be be at an angle to the support body, in which the surface of the support body is oriented so that is based on the support body of the cold gas jet outside of the cold spray cone.
  • the orientation of the surface of the seam relative to the surface of the support body is about 90 ° or at least more than 70 ° to 90 °.
  • the effect according to the invention is achieved that the supporting body supports the component being formed at the point of impact of the cold gas jet. Due to the fact that production of the component by cold gas spraying always requires support of the component only in the impact area of the cold gas jet, the volume of the support body can advantageously be much smaller than the internal volume of the depression of the shell-shaped component. It is only necessary that with a convex surface of the support body, the radius of curvature at the point of impact of the cold gas jet is just lower than the local radius of curvature of the shell-shaped component on the inside. If a concave support structure is used, the radius of curvature of the component must be smaller on the outside than the radius of curvature of the support structure. Only in this way can it be achieved that the support structure can in each case preferably tangentially cling to the part of the shell-shaped component which is being formed and thereby supports it.
  • the component may be bowl-shaped.
  • the cup-shaped component is rotationally symmetrical and the axis of symmetry is perpendicular to the plane containing the opening.
  • the component can be produced as an electrode shell of a particle accelerator.
  • the support body consists of a hard metal.
  • This material has the advantage that particles can be relatively poorly deposited by means of cold gas spraying on this material and therefore the support effect of a supporting body produced in this way can be well used. Besides that is Such a support body exposed only a small amount of wear, so that it rarely needs to be replaced.
  • the support body has a surface which has the shape of a ball or a spherical section.
  • These shapes of the support bodies belong to the group of support bodies with a convex surface.
  • Spherical support bodies can be advantageously handled easily, since regardless of the positioning of the ball relative to the wall in the development of the component always the same radius of curvature is available for support.
  • the support body is formed with a concave surface, wherein this concave surface can advantageously form that of a spherical segment.
  • a plurality of support bodies are provided with different radii of curvature of its curved surface. These can then be exchanged in the process, whereby shell-shaped components can advantageously also be produced in this way, in which the radii of curvature of the shell are locally different (that is to say shapes other than spherical shells). It must be taken into account here that the radius of curvature of the support body must not deviate too much from the radius of curvature of the wall which is just to be produced, since otherwise the support effect will be too low.
  • the cold spray nozzle and / or the support body are each guided by a robot arm.
  • the cold spray nozzle and the support body can advantageously optimally be aligned with each other, which increases the variety of manufacturable shapes of bowl-shaped components.
  • the robot arm can advantageously each have at least three axes. Of course, more degrees of freedom increase the geometric flexibility of the entire system.
  • a further embodiment of the invention is obtained when the starting structure used is an annularly closed structure which defines the edge of the opening of the cup-shaped component, the wall of the component being constructed starting from the starting structure.
  • the structure must be ring-shaped so that it forms a border of the opening of the cup-shaped component. However, this does not mean that this opening must be circular.
  • ring-shaped closure is merely to be understood as meaning that the starting structure is elongate and has no beginning and no end.
  • the starting structure can also be produced as an annularly closed structure on a base by cold gas spraying. This then forms the edge of the opening of the cup-shaped component and the wall is constructed starting from the starting structure by cold gas spraying.
  • the object directed to the production plant specified at the outset is achieved according to the invention in that the production system has a support body which has a convexly or concavely curved surface and is movable relative to the receptacle.
  • the advantages associated with the use of such a support body are associated with already mentioned above.
  • the free mobility of the support body and the cold spray nozzle ensure that the movement of these two elements can be synchronized to locally support the deposition of particles on the seam of the component being manufactured.
  • the relative mobility between the holding device for the component to be manufactured, the cold spray nozzle and the support body can not necessarily be accomplished by a movement of cold spray nozzle and support body alone, but also by a movement of the component in the holding device ,
  • the cold spray nozzle and the support body have to perform only pivotal movements in a plane.
  • this simplification is paid for by a lower geometric flexibility of the manufacturing plant.
  • a technical compromise must be found.
  • the support body can be attached to a robot arm.
  • the cold spray nozzle can be attached to a robot arm.
  • FIG. 1 it can be seen how the method according to the invention is started.
  • a start-up structure 11a is provided, which is of annular design and forms the edge of an opening 12 to be produced of a shell-shaped component which is not yet recognizable.
  • the starting structure 11a is fixed with a holding device 13.
  • a cold spray nozzle 14 attached to a robot arm 15 is directed to the edge of the starting structure 11a.
  • a spherical support body 16 is brought from the other side with another robot arm 15b to the edge of the starting structure 11a.
  • FIG. 2 can be seen in sections, as a wall 18 of the manufactured component 19 is formed. It can be seen that the support body 16 is tracked so that it is always located at the point of impact of the cold gas jet 17. This is directed to the seam 20 of the wall 18 being produced and meets in the in FIG. 2 shown variant exactly at an angle of 90 ° to the seam 20.
  • the spray angle ⁇ is so far at 0 °. However, this can, as indicated by the cold spray cone 21, also deviate from the illustrated 0 °, as long as it is within the cold spray cone 21.
  • the support body 16 conforms to the concave inner side of the wall 18 in such a way that in the region of the seam 20 a tangential contact of the wall 18 with the surface of the support body 16 takes place.
  • the orientation of the seam is inclined with respect to a standing on the surface of the support body 16 normal 22 by the angle ⁇ , wherein the angle ⁇ is chosen low enough so that an alignment of the cold jet 17 outside the (not shown) spray cone on the surface of the support body is ( ⁇ can also be zero). This avoids that particles are deposited on the surface of the support body.
  • FIG. 3 It can be seen how a starting structure 11b is produced on a base 24 in the form of a flat table.
  • the cold gas jet 17 is directed to this substrate 24 and so produced the annular starting structure.
  • This advantageously consists preferably of the same material as the wall to be produced.
  • a hole 25 is provided, through which the support structure 16 (see. FIG. 5 ) can be introduced into the recess 26 of the cup-shaped member 19.
  • the support structure 16 used there has the shape of a hemisphere, so that it can be brought to the seam 20, without the pad 24 disturbs. Otherwise, the wall is made according to FIG. 4 in the too FIG. 2 already described.
  • FIG. 5 It can be seen how the component 19 is produced shortly before its final completion.
  • the wall 18 is already almost closed, wherein the support body 16 is introduced with the robot arm 15b through the hole 25 to the last open position of the wall.
  • the support structure 16 is able to completely close the remaining open area of the wall, so that this hole can be closed by means of the cold gas jet 17. Subsequently, the component 19 can be separated from the base 24 in a manner not shown, for example by wire erosion.
  • a concave support body 16 is shown, which is brought from the outside to the wall 18 of the non-illustrated component to be produced. It can be seen that the radius of curvature of the concave support body 16 can only be so great that the cold gas jet 17 can still be brought to the seam 20 of the component. Therefore, a concave support body is preferably suitable for the production of large radii, which would be made difficult by an approach of the support body from the inside.
  • FIG. 7 can recognize the embodiment of the manufacturing plant according to the invention.
  • the manufacturing plant has a housing 27 so that it can be filled with a protective gas.
  • two robots 28a, 28b are arranged, which have the robot arms 15a, 15b.
  • Attached to the robot arm 15a is the cold spray nozzle 14, which is connected to a cold spray system 30 via a flexible conduit 29.
  • the holding device 13 allows the inclusion of a starting structure (not shown). This can be supported in a production of the wall according to the methods already described on the support structure 16, which is tracked by means of the robot 28b in a suitable manner. If the component to be manufactured ranges differently Have diameter, so more support body 16 are provided in a magazine 31. This magazine 31 can be approached by the robot arm 15b, so that the support body 16 can be replaced.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines schalenförmigen Bauteils mit einer Wandung und einer zur Öffnung dieses Bauteils hin offenen Vertiefung. Außerdem betrifft die Erfindung eine Herstellungsanlage für ein Bauteil, aufweisend eine Kaltspritzdüse und eine Haltevorrichtung für das Bauteil, wobei die Kaltspritzeinrichtung und die Aufnahme relativ zueinander beweglich sind.
  • Ein Verfahren der eingangs angegebenen Art ist allgemein bekannt. Schalenförmige Bauteile werden bevorzugt durch Tiefziehen hergestellt. Hierbei wird ein Blech über einen Formkörper (Matrize) umformtechnisch bearbeitet. Allerdings können Bauteile auf diese Weise nur bei größeren Stückzahlen wirtschaftlich hergestellt werden, da die Formwerkzeuge vergleichsweise teuer in der Herstellung sind und bei kleineren Stückzahlen die Stückkosten daher negativ beeinflussen. Dies gilt auch für eine Herstellung durch Gießen, da in diesem Fall Gussformen hergestellt werden müssen. Grundsätzlich technisch möglich ist auch eine spanende Bearbeitung, beispielsweise durch Fräsen. Allerdings ist bei schalenförmigen Bauteilen ein großes Volumen spanend abzuheben, weswegen dieses Verfahren wegen des anfallenden Fertigungsaufwandes wirtschaftlich nicht vertretbar ist.
  • Als schalenförmige Bauteile im Sinne der Erfindung sollen Bauteile verstanden werden, deren Schalendicke, d. h. Wandstärke der Wandung, klein gegenüber den Gesamtabmessungen des Bauteils ist. Unter klein ist beispielsweise ein Verhältnis zu verstehen, bei dem die mittlere Schalendicke des Bauteils im Vergleich zu seiner längsten Gesamtabmessung unter 5 %, bevorzugt sogar unter 2 % und noch bevorzugter sogar unter 0,5 %, beträgt. Derartige Schalenbauteile finden in der Technik mannigfache Verwendung. Gemäß der DE 10 2010 040 855 A1 ist beispielsweise eine Verwendung solcher schalenförmiger Bauteile in Gleichspannungs-Teilchenbeschleunigern beschrieben. Diese Teilchenbeschleuniger weisen Elektroden auf, welche ineinander verschachtelt werden und daher aus schalenförmigen Bauteilen unterschiedlicher Abmessungen bestehen. Diese Elektroden werden daher nur in geringer Stückzahl hergestellt, wobei ein Interesse daran besteht, dass diese wirtschaftlich hergestellt werden können. Die Aufgabe der Erfindung besteht daher einerseits darin, ein Verfahren zum Erzeugen eines schalenförmigen Bauteils anzugeben, mit dem sich schalenförmige Bauteile auch in kleinen Stückzahlen wirtschaftlich herstellen lassen.
  • Die eingangs angegebene Herstellungsanlage ist aus dem Stand der Technik ebenfalls bekannt. Das Kaltgasspritzen sowie eine zur Anwendung dieses Verfahrens geeignete Anlage ist beispielsweise in der DE 690 164 33 T2 beschrieben. Dabei wird ein Partikelstrahl durch ein unter Druck stehendes Gas durch eine konvergent-divergent ausgeführte Düse stark beschleunigt, wodurch es zu einer Abscheidung der Partikel auf einem geeigneten Substrat kommt.
  • Idealerweise wird der Partikelstrahl mit einem Spritzwinkel α = 0° eingestellt (d. h., dass die Strahlachse des Kaltgasstrahls senkrecht auf der zu beschichtenden Oberfläche steht). Jede davon abweichende Orientierung der Strahlachse führt zu einem positiven Wert des Spritzwinkels a. Abhängig von den Randbedingungen wie verarbeitete Partikel, Oberflächenmaterial und Spritzparameter gibt es ein zulässiges Intervall für den Spritzwinkel, innerhalb dessen die Haftfestigkeit der abgeschiedenen Partikel maximale Werte erreichen. Der Nullwinkel kann in diesem Intervall enthalten sein oder nicht. Die Schar aller zulässigen Spritzwinkel ergibt damit einen Raum zwischen zwei Kegelflächen, deren Spitzen im Auftreffpunkt des Partikelstrahls zusammenfallen. Wenn in dem Intervall der Nullwinkel enthalten ist (was normalerweise der Fall ist), benötigt man zur Beschreibung des Spritzwinkelintervalls nur einen Kegel, den sogenannten Kaltspritzkegel, der in der beschriebenen Weise ausgerichtet ist.
  • Das Kaltgasspritzen ist ein an sich bekanntes Verfahren, bei dem für die Beschichtung vorgesehene Partikel mittels einer konvergent-divergenten Düse vorzugsweise auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt werden, damit diese aufgrund ihrer eingeprägten kinetischen Energie auf der zu beschichtenden Oberfläche haften bleiben. Hierbei wird die kinetische Energie der Teilchen genutzt, welche zu einer plastischen Verformung derselben führt, wobei die Beschichtungspartikel beim Auftreffen lediglich an ihrer Oberfläche aufgeschmolzen werden. Deshalb wird dieses Verfahren im Vergleich zu anderen thermischen Spritzverfahren als Kaltgasspritzen bezeichnet, weil es bei vergleichsweise tiefen Temperaturen durchgeführt wird, bei denen die Beschichtungspartikel im Wesentlichen festbleiben. Vorzugsweise wird zum Kaltgasspritzen, welches auch als kinetisches Spritzen bezeichnet wird, eine Kaltgasspritzanlage verwendet, die eine Gasheizeinrichtung zum Erhitzen eines Gases aufweist. An die Gasheizeinrichtung wird eine Stagnationskammer angeschlossen, die ausgangsseitig mit der konvergent-divergenten Düse, vorzugsweise einer Lavaldüse verbunden wird. Konvergent-divergente Düsen weisen einen zusammenlaufenden Teilabschnitt sowie einen sich aufweitenden Teilabschnitt auf, die durch einen Düsenhals verbunden sind. Die konvergent-divergente Düse erzeugt ausgangsseitig einen Pulverstrahl in Form eines Gasstroms mit darin befindlichen Partikeln mit hoher Geschwindigkeit, vorzugsweise Überschallgeschwindigkeit. Mit dem Kaltgasstrahl lassen sich Schichten abscheiden, um zum Beispiel ein Rohr auf einer zylindrischen Rohrmatrize herzustellen, wie in der DE 10 2010 060362 A1 und der WO 2009/109016 A1 beschrieben. Die Rohrmatrize kann nach der Herstellung des Rohres aus dessen Inneren entfernt werden.
  • Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht damit darin, eine Herstellungsanlage zum Kaltgasspritzen so zu modifizieren, dass sich das eingangs angegebene Verfahren mit dieser durchführen lässt. Dies bedeutet, dass mittels der Herstellungsanlage die Herstellung von schalenförmigen Bauteilen auch bei Kleinserien vorteilhaft kostengünstig durchführbar sein soll.
  • Die erstgenannte Aufgabe wird durch das eingangs angegebene Verfahren erfindungsgemäß durch folgende Maßnahmen gelöst. Das Bauteil wird durch Kaltgasspritzen hergestellt. Hierbei wird ein Stützkörper mit einer gekrümmten Oberfläche aus einem Material zur Verfügung gestellt, auf dem die Partikel des Kaltgasstrahls nicht haften bleiben. Auf diesem Stützkörper kann eine Startstruktur auf der Oberfläche temporär fixiert werden. Diese Fixierung darf nicht durch ein inniges, beispielsweise stoffschlüssiges Verbinden der Startstruktur mit dem Stützkörper folgen. Eine bessere Möglichkeit besteht aber darin, die Startstruktur mittels einer Haltevorrichtung zu halten und auf diesem Wege mit dem Stützkörper in Kontakt zu bringen.
  • Wenn im Zusammenhang mit der Erfindung davon die Rede ist, dass die Partikel des Kaltgasstrahls nicht an dem Material des Stützkörpers haften bleiben, so hängt dies wesentlich von der Wahl des Spritzwinkels ab. Beträgt der Spritzwinkel 0°, so lassen sich auf den meisten Materialien Schichten abscheiden, während dies nicht möglich ist, wenn der Spritzwinkel außerhalb des Kaltspritzkegels liegt. Mit anderen Worten lässt sich ein Stützkörper, auf dem die Partikel des Kaltgasstrahls möglichst wenig haften bleiben, vorteilhaft dadurch auswählen, dass die abzuscheidenden Partikel auf dem Material des Stützkörpers nur in einem vergleichsweise spitzen Kaltspritzkegel oder gar nicht abgeschieden werden können.
  • Erfindungsgemäß ist außerdem vorgesehen, dass das Bauteil durch einen Materialauftrag aus dem Kaltgasstrahl jeweils an den Saum des in Entstehung befindlichen Bauteils hergestellt wird, wobei der Stützkörper und der Kaltgasstrahl synchron derart bewegt werden, dass der Kaltgasstrahl in einem Winkel innerhalb des Kaltspritzkegels des Saumes, aber außerhalb des Kaltspritzkegels des Stützkörpers auf den Saum auftrifft. Der Saum des in Herstellung befindlichen Bauteils wird sich immer in einem Winkel zu dem Stützkörper befinden, bei dem die Oberfläche des Stützkörpers so ausgerichtet ist, dass sich bezogen auf den Stützkörper der Kaltgasstrahl außerhalb des Kaltspritzkegels befindet. Bevorzugt beträgt die Ausrichtung der Oberfläche des Saums gegenüber der Oberfläche des Stützkörpers ca. 90° oder wenigstens mehr als 70° bis 90°. Hierdurch kommt der erfindungsgemäße Effekt zustande, dass der Stützkörper das in Entstehung befindliche Bauteil im Auftreffpunkt des Kaltgasstrahls stützt. Dadurch, dass eine Herstellung des Bauteils durch Kaltgasspritzen eine Stützung des Bauteils immer nur im Auftreffbereich des Kaltgasstrahls erfordert, kann das Volumen des Stützkörpers vorteilhaft sehr viel kleiner als das Innenvolumen der Vertiefung des schalenförmigen Bauteils sein. Erforderlich ist es nur, dass bei einer konvexen Oberfläche des Stützkörpers der Krümmungsradius an der Auftreffstelle des Kaltgasstrahls gerade geringer ausfällt, als der lokale Krümmungsradius des schalenförmigen Bauteils auf der Innenseite. Wird eine konkave Stützstruktur verwendet, dann muss der Krümmungsradius des Bauteils außen geringer sein als der Krümmungsradius der Stützstruktur. Nur so kann erreicht werden, dass sich die Stützstruktur jeweils an die in Entstehung befindliche Partie des schalenförmigen Bauteils bevorzugt tangential anschmiegen kann und diese dadurch stützt.
  • Vorteilhaft kann das Bauteil schüsselförmig ausgebildet sein. Hiermit ist gemeint, dass das schalenförmige Bauteil rotationssymmetrisch ist und die Symmetrieachse senkrecht auf der die Öffnung enthaltenden Ebene steht. Besonders bevorzugt kann das Bauteil als Elektrodenschale eines Teilchenbeschleunigers hergestellt werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Stützkörper aus einem Hartmetall besteht. Dieses Material hat den Vorteil, dass sich Partikel mittels Kaltgasspritzen vergleichsweise schlecht auf diesem Material abscheiden lassen und daher die Stützwirkung eines so hergestellten Stützkörpers gut genutzt werden kann. Außerdem ist ein solcher Stützkörper nur einem geringen Verschleiß ausgesetzt, so dass dieser selten ausgetauscht werden muss.
  • Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Stützkörper eine Oberfläche aufweist, die die Form einer Kugel oder eines Kugelabschnitts hat. Diese Formen der Stützkörper gehören zur Gruppe der Stützkörper mit konvexer Oberfläche. Kugelförmige Stützkörper lassen sich dabei vorteilhaft einfach handhaben, da unabhängig von der Positionierung der Kugel gegenüber der in Entstehung befindlichen Wandung des Bauteils immer derselbe Krümmungsradius zur Stützung zur Verfügung steht. Gemäß einer anderen Ausgestaltung ist der Stützkörper mit konkaver Oberfläche ausgebildet, wobei auch diese konkave Oberfläche vorteilhaft die eines Kugelabschnitts bilden kann.
  • Auch an sich schwierig zu verarbeitende Materialien wie Titan und Tantal lassen sich vorteilhaft erfindungsgemäß mit dem Verfahren abscheiden. Dadurch können vorteilhaft auch diese Materialien einer breiteren Anwendung zugeführt werden.
  • Gemäß einer besonderen Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass mehrere Stützkörper mit unterschiedlichen Krümmungsradien ihrer gekrümmten Oberfläche zur Verfügung gestellt werden. Diese können in dem Verfahren dann ausgewechselt werden, wobei sich vorteilhaft auf diesem Wege auch schalenförmige Bauteile herstellen lassen, bei denen die Krümmungradien der Schale lokal unterschiedlich sind (d. h. andere Formen als Kugelschalen). Hierbei muss berücksichtigt werden, dass der Krümmungsradius des Stützkörpers nicht zu stark von dem gerade herzustellenden Krümmungsradius der Wandung abweichen darf, da der Stützeffekt ansonsten zu gering ausfällt.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Kaltspritzdüse und/oder der Stützkörper jeweils durch einen Roboterarm geführt werden. Durch Führung mittels eines Roboterarms können die Kaltspritzdüse sowie der Stützkörper vorteilhaft optimal gegeneinander ausgerichtet werden, wodurch sich die Vielfalt der herstellbaren Formen von schüsselförmigen Bauteilen erhöht. Um eine möglichst raumunabhängige Führungsmöglichkeit für die Kaltspritzdüse und/oder den Stützkörper zu erreichen, kann der Roboterarm vorteilhaft jeweils mindestens drei Achsen aufweisen. Mehr Freiheitsgrade erhöhen selbstverständlich die geometrische Flexibilität des gesamten Systems.
  • Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung erhält man, wenn als Startstruktur eine ringförmig geschlossene Struktur verwendet wird, die den Rand der Öffnung des schalenförmigen Bauteils definiert, wobei die Wandung des Bauteils ausgehend von der Startstruktur aufgebaut wird. Ringförmig geschlossen muss die Struktur deswegen sein, damit sie eine Umrandung der Öffnung des schalenförmigen Bauteils darstellt. Dies bedeutet jedoch nicht, dass diese Öffnung kreisringförmig sein muss. Unter ringförmig geschlossen ist im Sinne der Erfindung lediglich zu verstehen, dass die Startstruktur länglich ausgebildet ist und keinen Anfang und kein Ende aufweist.
  • Vorteilhaft kann die Startstruktur auch als ringförmig geschlossene Struktur auf einer Unterlage durch Kaltgasspritzen hergestellt werden. Diese bildet dann den Rand der Öffnung des schalenförmigen Bauteils und die Wandung wird ausgehend von der Startstruktur durch Kaltgasspritzen aufgebaut. Die hiermit verbundenen Vorteile sind vorstehend bereits beschrieben worden. Zusätzlich ergibt sich der Vorteil, dass die Unterlage besser zur Abscheidung von Material durch Kaltgasspritzen geeignet ist, als der Stützkörper, der an sich schwer zu beschichten ist, damit die Partikel beim Stützen der herzustellenden Wandung nicht an diesem haften bleiben.
  • Die auf die eingangs angegebene Herstellungsanlage gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Herstellungsanlage einen Stützkörper aufweist, der eine konvex oder konkav gekrümmte Oberfläche aufweist und relativ zur Aufnahme beweglich ist. Die mit der Anwendung eines solchen Stützkörpers verbundenen Vorteile sind im Zusammenhang mit dem oben beschriebenen Verfahren bereits erwähnt worden. Die freie Beweglichkeit des Stützkörpers sowie der Kaltspritzdüse stellen sicher, dass die Bewegung dieser beiden Elemente synchronisiert werden kann, um lokal den Auftrag von Partikeln auf den Saum des in Herstellung befindlichen Bauteils zu stützen. Zu bemerken ist im Zusammenhang mit der Herstellungsanlage, dass die relative Beweglichkeit zwischen der Haltevorrichtung für das herzustellende Bauteil, der Kaltspritzdüse sowie des Stützkörpers nicht unbedingt durch eine Bewegung von Kaltspritzdüse und Stützkörper alleine, sondern auch durch eine Bewegung des Bauteils in der Haltevorrichtung bewerkstelligt werden kann. Insbesondere bei rotationssymmetrischen Bauteilen bietet sich beispielsweise an, dass das schüsselförmige Bauteil um seine Rotationsachse gedreht wird. Dann müssen die Kaltspritzdüse sowie der Stützkörper nur noch Schwenkbewegungen in einer Ebene ausführen. Abhängig vom Anwendungsfall kann die Konstruktion der Herstellungsanlage also vereinfacht werden. Erkauft wird diese Vereinfachung aber durch eine geringere geometrische Flexibilität der Herstellungsanlage. Hierbei muss ein technischer Kompromiss gefunden werden.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Herstellungsanlage kann der Stützkörper an einem Roboterarm befestigt werden. Genauso kann gemäß einer anderen Ausgestaltung dieser Herstellungsanlage die Kaltspritzdüse an einem Roboterarm befestigt werden. Hierdurch lässt sich vorteilhaft eine vergleichsweise hohe Flexibilität der Herstellungsanlage erreichen. Insbesondere, wenn die Roboterarme mehrere rotatorische Freiheitsgrade haben (3 oder mehr), kann eine Freiformfläche beliebiger Geometrie vorteilhaft ohne größeren Rüstaufwand der Herstellungsanlage hergestellt werden.
  • Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen:
    • Figur 1 und 2
    ausgewählte Schritte eines Ausführungsbei*spiels des erfindungsgemäßen Verfahrens in geschnittener Darstellung,
    Figur 3 bis 5
    ausgewählte Fertigungsschritte eines anderen Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens, teilweise in dreidimensionaler und teilweise in geschnittener Darstellung,
    Figur 6
    ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens in Schnittdarstellung und
    Figur 7
    ein schematisches Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Herstellungsanlage im schematischem Schnitt.
  • In Figur 1 ist zu erkennen, wie das erfindungsgemäße Verfahren gestartet wird. Zu diesem Zweck ist eine Startstruktur 11a vorgesehen, die ringförmig ausgebildet ist und den Rand einer herzustellenden Öffnung 12 eines noch nicht zu erkennenden, herzustellenden schalenförmigen Bauteils bildet. Die Startstruktur 11a ist mit einer Haltevorrichtung 13 fixiert.
  • Um die Wandung des herzustellenden Bauteils zu erzeugen, wird eine Kaltspritzdüse 14, die an einem Roboterarm 15 befestigt ist, auf den Rand der Startstruktur 11a gerichtet. Gleichzeitig wird ein kugelförmiger Stützkörper 16 von der anderen Seite mit einem weiteren Roboterarm 15b an den Rand der Startstruktur 11a herangeführt. Hierdurch wird lokal eine Stützung der im Aufbau befindlichen Wandung des herzustellenden Bauteils erreicht, und zwar genau an der Auftreffstelle eines Kaltgasstrahls 17, der die von der Kaltspritzdüse 14 beschleunigten Partikel enthält.
  • In Figur 2 ist ausschnitthaft zu erkennen, wie eine Wandung 18 des herzustellenden Bauteils 19 entsteht. Es ist zu erkennen, dass der Stützkörper 16 derart nachgeführt wird, dass er sich immer an der Auftreffstelle des Kaltgasstrahls 17 befindet. Dieser wird auf den Saum 20 der in Herstellung befindlichen Wandung 18 gerichtet und trifft in der in Figur 2 dargestellten Variante genau in einem Winkel von 90° auf den Saum 20. Der Spritzwinkel α liegt insofern bei 0°. Allerdings kann dieser, wie durch den Kaltspritzkegel 21 angedeutet, auch von den dargestellten 0° abweichen, solange dieser innerhalb des Kaltspritzkegels 21 liegt.
  • Weiterhin ist zu erkennen, dass sich der Stützkörper 16 derart an die konkave Innenseite der Wandung 18 anschmiegt, dass im Bereich des Saums 20 eine tangentiale Berührung der Wandung 18 mit der Oberfläche des Stützkörpers 16 erfolgt. Dabei ist die Ausrichtung des Saums in Bezug auf eine auf der Oberfläche des Stützkörpers 16 stehenden Normalen 22 um den Winkel β geneigt, wobei der Winkel β gering genug gewählt wird, damit eine Ausrichtung des Kaltstrahls 17 außerhalb des (nicht dargestellten) Spritzkegels auf der Oberfläche des Stützkörpers liegt (β kann auch Null betragen). Damit wird vermieden, dass Partikel auf der Oberfläche des Stützkörpers abgeschieden werden.
  • In Figur 3 ist zu erkennen, wie eine Startstruktur 11b auf einer Unterlage 24 in Form eines flachen Tisches hergestellt wird. Hierbei wird der Kaltgasstrahl 17 auf diese Unterlage 24 gerichtet und so die ringförmige Startstruktur hergestellt. Diese besteht vorteilhaft bevorzugt aus demselben Material wie die herzustellende Wandung. In der Mitte der Unterlage ist ein Loch 25 vorgesehen, durch das die Stützstruktur 16 (vgl. Figur 5) in die Vertiefung 26 des schalenförmigen Bauteils 19 eingeführt werden kann.
  • In Figur 4 ist zu erkennen, dass die dort zur Anwendung kommende Stützstruktur 16 die Form einer Halbkugel aufweist, damit diese an den Saum 20 herangeführt werden kann, ohne dass die Unterlage 24 dabei stört. Ansonsten erfolgt die Herstellung der Wandung gemäß Figur 4 in der zu Figur 2 bereits beschriebenen Weise.
  • In Figur 5 ist zu erkennen, wie das Bauteil 19 kurz vor dessen endgültiger Fertigstellung hergestellt wird. Die Wandung 18 ist bereits fast geschlossen, wobei der Stützkörper 16 mit dem Roboterarm 15b durch das Loch 25 an die letzte offene Stelle der Wandung herangeführt wird. Die Stützstruktur 16 vermag das verbleibende offene Areal der Wandung komplett zu verschließen, so dass mittels des Kaltgasstrahls 17 dieses Loch geschlossen werden kann. Anschließend kann das Bauteil 19 in nicht dargestellter Weise beispielsweise durch Drahterodieren von der Unterlage 24 getrennt werden.
  • In Figur 6 ist ein konkaver Stützkörper 16 dargestellt, der von außen an die Wandung 18 des nicht näher dargestellten herzustellenden Bauteils herangeführt wird. Es ist zu erkennen, dass der Krümmungsradius des konkaven Stützkörpers 16 nur so groß sein kann, dass der Kaltgasstrahl 17 noch an den Saum 20 des Bauteils herangeführt werden kann. Daher eignet sich ein konkaver Stützkörper bevorzugt für die Herstellung großer Radien, die durch eine Heranführung des Stützkörpers von innen erschwert werden würde.
  • In Figur 7 lässt sich das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Herstellungsanlage erkennen. Die Herstellungsanlage weist ein Gehäuse 27 auf, damit diese mit einem Schutzgas befüllt werden kann. In dem Gehäuseraum sind zwei Roboter 28a, 28b angeordnet, die die Roboterarme 15a, 15b aufweisen. An dem Roboterarm 15a ist die Kaltspritzdüse 14 befestigt, die über eine flexible Leitung 29 mit einer Kaltspritzanlage 30 verbunden ist. Die Haltevorrichtung 13 ermöglicht die Aufnahme einer Startstruktur (nicht dargestellt). Diese kann bei einer Herstellung der Wandung gemäß den bereits beschriebenen Verfahren über die Stützstruktur 16 gestützt werden, die mittels des Roboters 28b in geeigneter Weise nachgeführt wird. Sollte das herzustellende Bauteil Bereiche unterschiedlicher Durchmesser aufweisen, so sind weitere Stützkörper 16 in einem Magazin 31 vorgesehen. Dieses Magazin 31 kann von dem Roboterarm 15b angefahren werden, damit die Stützkörper 16 ausgewechselt werden können.

Claims (14)

  1. Verfahren zum Erzeugen eines schalenförmigen Bauteils (19) mit einer Wandung (18) und einer zu einer Öffnung (12) hin offenen Vertiefung,
    wobei dieses Bauteil (19) durch Kaltgasspritzen hergestellt wird, wobei
    - ein Stützkörper (16) mit einer konvex oder konkav gekrümmten Oberfläche aus einem Material zur Verfügung gestellt wird, auf dem die Partikel des Kaltgasstahls (17) nicht haften bleiben,
    - eine Startstruktur (11a) von einer Haltevorrichtung (13) gehalten wird und mit der Oberfläche des Stützkörpers (16) in Kontakt gebracht wird,
    - das Bauteil durch einen Materialauftag aus dem Kaltgasstrahl (17) jeweils an den Saum (20) des in Entstehung befindlichen Bauteils (19) hergestellt wird, wobei der Stützkörper (16) und der Kaltgasstrahl (21) synchron derart bewegt werden, dass der Kaltgasstrahl (17) in einem Winkel innerhalb des Kaltspritzkegels (21) auf den Saum (20) auftrifft und der Stützkörper (16) das in Entstehung befindliche Bauteil (19) im Auftreffpunkt des Kaltgasstrahls (17) stützt, während die Ausrichtung des Kaltgasstrahls (21) außerhalb des Spritzkegels auf der Oberfläche des Stützkörpers (16) liegt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass ein schüsselförmiges Bauteil (19) hergestellt wird.
  3. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass als Bauteil (19) eine Elektrodenschale eines Teilchenbeschleunigers hergestellt wird.
  4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Stützkörper (16) aus einem Hartmetall besteht.
  5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Stützkörper (16) eine Oberfläche aufweist, die die Form einer Kugel oder eines Kugelabschnittes aufweist.
  6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das der Stützkörper (16) konkav ausgebildet ist.
  7. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass als Material Titan oder Tantal verarbeitet wird.
  8. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass mehrere Stützkörper (16) mit unterschiedlichen Krümmungsradien ihrer gekrümmten Oberfläche zur Verfügung gestellt werden.
  9. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Kaltspritzdüse (14) und/oder der Stützkörper (16) jeweils durch einen Roboterarm (15a, 15b) geführt werden.
  10. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass als Startstruktur (11a, 11b) eine ringförmig geschlossene Struktur verwendet wird, die den Rand der Öffnung (12) des schalenförmigen Bauteils (19) definiert und dass die Wandung (18) des Bauteils (19) ausgehend von der Startstruktur (11a, 11b) aufgebaut wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Startstruktur (11b) als ringförmig geschlossene Struktur auf einer Unterlage (24) durch Kaltgasspritzen hergestellt wird und den Rand der Öffnung (12) des schalenförmigen Bauteils (19) definiert und dass die Wandung (18) des Bauteils (19) ausgehend von der Startstruktur (11a, 11b) aufgebaut wird.
  12. Herstellungsanlage für ein schalenförmiges Bauteil, aufweisend eine Kaltspritzdüse (14), und eine Haltevorrichtung (13) mit einer Aufnahme für das Bauteil, wobei die Kaltspritzeinrichtung und die Aufnahme relativ zueinander beweglich sind,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Herstellungsanlage außerdem einen Stützkörper aufweist, der eine konvex oder konkav gekrümmte Oberfläche aufweist und relativ zur Aufnahme beweglich ist.
  13. Herstellungsanlage nach Anspruch 12
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Stützköper (16) an einem Roboterarm (15a, 15b) befestigt ist.
  14. Herstellungsanlage nach einem der Ansprüche 12 oder 13,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Kaltspritzdüse (14) an einem Roboterarm (15a, 15b) befestigt ist.
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