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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers, bei dem mehrere übereinanderliegende Materialschichten des Formkörpers mittels eines additiven Fertigungsverfahrens in einer Mehrzahl aufeinanderfolgender und untereinander ähnlicher Teilschritte aufgebaut werden, wobei bei jedem Teilschritt ein Pulver zu einer festen Schicht verfestigt wird. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Pulver für ein solches Herstellungsverfahren sowie einen derart hergestellten Formkörper.
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Bei bekannten Verfahren zur additiven Herstellung von Formkörpern werden typischerweise dreidimensional ausgeformte Körper aus einer Abfolge von einzeln geformten übereinanderliegenden Schichten aufgebaut. Diese Schichten können beispielsweise jeweils aus einem pulverförmigen oder flüssigen Ausgangsmaterial aufgebaut werden. Im Falle eines pulverförmigen Ausgangsmaterials kann dieses durch verschiedene Verfahren an den vordefinierten Stellen, an denen der Formkörper aufgebaut werden soll, verfestigt werden. Für die Prozessschritte zur Verfestigung des Pulvers in der jeweiligen Schicht können verschiedene Verfahren zum Einsatz kommen, bei denen beispielsweise eine Sinterung an vordefinierten Stellen durch fokussierte Laserstrahlung oder gebündelte Elektronenstrahlen erreicht wird. Beispiele für solche Verfahren sind selektives Laserstrahlsintern (SLS für „selective laser sintering“), selektives Laserstrahlschmelzens (SLM für „selective laser melting“), Lasermetallabscheidung (LMD für „laser metal deposition“, Laser Cladding, Elektronenstrahlschweißen (EBW für „electron beam welding“) und Elektronenstrahlschmelzen (EBM für „electron beam melting“).
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Nachteilig bei additiven Herstellungsverfahren nach dem Stand der Technik ist, dass die Materialzusammensetzung der herzustellenden Formkörper oft durch die Randbedingungen der eingesetzten Sinterprozesse limitiert ist. Die beim Sinterprozess im Pulver erreichten Temperaturen liegen für metallhaltige Pulver oft zwischen 850°C und 1365°C In einem solchen Fall muss das Material des verwendeten Pulvers nach dem Stand der Technik bei der eingestellten Prozesstemperatur erstens anschmelzbar und zweitens chemisch stabil sein. Das Pulver muss insbesondere auch bei der eingesetzten Prozesstemperatur gegen chemische Zersetzung stabil sein. Bei einer Durchführung des Prozesses an Luft muss es auch bezüglich einer chemischen Reaktion mit der Luft stabil sein. Durch diese Randbedingungen sind die Materialien des Pulvers typischerweise auf relativ niedrig schmelzende und chemisch stabile Materialien beschränkt. Für Anwendungen, in denen Formkörper mit hochschmelzenden und/oder leicht zersetzbaren Materialen benötigt werden, ist die Herstellbarkeit mit solchen additiven Fertigungsverfahren üblicherweise stark eingeschränkt.
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Es existieren zahlreiche Anwendungen, für die es wünschenswert wäre, Formkörper mit möglichst frei definierbaren dreidimensionalen Strukturen herzustellen, die in ihrer Materialzusammensetzung nicht derart beschränkt sind. Insbesondere existieren viele Anwendungen, bei denen Formkörper benötigt werden, die hochschmelzende Komponenten wie beispielsweise Refraktärmetalle und/oder hochschmelzende Keramiken enthalten. Ein Beispiel für eine solche Anwendung sind die Kontakte oder Kontaktträger in Mittel- und Hochspannungsschaltern. Hier ist eine möglichst freie Formgebung durch additive Herstellungsverfahren wünschenswert, um beispielsweise komplexe feldsteuernde Geometrien darzustellen. Auf der anderen Seite sollten solche Kontakte vor allem für die Anwendung in vakuum- oder gasisolierten Hochspannungsschaltern hochschmelzende Materialien aufweisen, die auch in den Bereichen von Lichtbögen und Spannungsüberschlägen höchstens geringfügig schmelzen oder verdampfen.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Herstellungsverfahren anzugeben, welches die genannten Nachteile überwindet. Insbesondere soll ein Verfahren zur Verfügung gestellt werden, mit welchem Formkörper additiv hergestellt werden können, die einen relativ hohen Anteil an hochschmelzenden und/oder leicht zersetzlichen Materialien aufweisen. Eine weitere Aufgabe ist es, ein Pulver für ein solches Herstellungsverfahren sowie einen derart hergestellten Formkörper anzugeben.
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Diese Aufgaben werden durch das in Anspruch 1 beschriebene Verfahren, das in Anspruch 13 beschriebenen Pulver und den in Anspruch 14 beschriebenen Formkörper gelöst.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers werden mehrere übereinanderliegende Materialschichten des Formkörpers mittels eines additiven Fertigungsverfahrens in einer Mehrzahl aufeinanderfolgender und untereinander ähnlicher Teilschritte aufgebaut, wobei bei jedem Teilschritt ein Pulver zu einer festen Schicht verfestigt wird. Das Pulver umfasst dabei eine Vielzahl von Partikeln, die jeweils wenigstens einen innenliegenden Kern und eine den Kern im Wesentlichen umschließende Schale aufweisen.
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Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass das Material der Schale an die Anforderungen des additiven Fertigungsverfahrens angepasst werden kann, während das Material des Kerns getrennt davon an hiervon unterschiedliche Anforderungen für eine Anwendung des fertigen Formkörpers angepasst werden kann. So kann beispielsweise die Verwendung eines Pulvers mit einem höheren Gewichtsanteil an relativ hochschmelzendem Material und/oder leicht zersetzlichem Material ermöglicht werden als dies bei einem additiven Fertigungsverfahren mit einem homogenen Pulver aus einem einheitlichen Material möglich wäre.
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Unter einer den Kern im Wesentlichen umschließende Schale soll hier allgemein eine solche Schale verstanden werden, die den Kern auf nahezu seiner gesamten äußeren Oberfläche bedeckt. Beispielsweise kann ein solcher Bedeckungsgrad für die Vielzahl an Partikeln im Mittel oberhalb von 60% der Oberfläche des Kerns, insbesondere oberhalb von 80%, besonders vorteilhaft oberhalb von 90% der Oberfläche liegen.
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Das erfindungsgemäße Pulver umfasst eine Vielzahl von Partikeln und eignet sich zur Herstellung eines Formkörpers mit einem erfindungsgemäßen Verfahren. Die Partikel weisen jeweils einen innenliegenden Kern und eine den Kern im Wesentlichen umschließende Schale auf. Dabei umfassen die Schalen der Partikel ein unterhalb von 1400°C schmelzendes Material. Die Kerne der Partikel umfassen wenigstens ein Material, welches bei einer Prozesstemperatur von 1400°C als solches nicht sinterbar ist, weil es bei dieser Temperatur nicht schmelzbar ist und/oder sich zersetzt und/oder an Luft oxidiert.
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Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Pulvers liegt darin, dass ein solches Pulver durch die vergleichsweise leichte Schmelzbarkeit der Schale gut mit einem additiven Fertigungsverfahren verarbeitet werden können, bei dem die einzelnen Schichten des gebildeten Formkörpers durch Pulversinterung verfestigt werden. Das Pulver kann hierzu vorteilhaft überwiegend aus dem beschriebenen Typ von Partikeln gebildet sein. Die Schalen können insbesondere nahezu vollständig aus einem unterhalb von 1400°C schmelzenden Material bestehen. Trotz der Wahl eines bei 1400°C nicht sinterbaren Materials für die Kerne kann somit ein Pulver zur Verfügung gestellt werden, welches mittels eines additiven Fertigungsverfahrens verarbeitet werden kann.
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Insbesondere durch die Wahl eines vergleichsweise hoch schmelzenden Materials für die Kerne kann erreicht werden, dass der gebildete Formkörper auch bei relativ hohen thermischen, elektrischen und/oder mechanischen Belastungen trotzdem vergleichsweise stabil ist, insbesondere stabiler, als wenn er nur aus dem Material der Schalen gebildet worden wäre.
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Der erfindungsgemäße Formkörper ist ein Formkörper, der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist. Die Verwendung des additiven Herstellungsverfahrens ist an dem fertigen Formkörper an der Strukturierung in einzeln aufgebaute Materialschichten zu erkennen. So sind die Schichtgrenzen eines solchen schichtweise aus gesintertem Pulver aufgebauten Körpers entweder schon mit dem bloßen Auge oder zumindest unter dem Mikroskop an den abgesetzten Schichtgrenzen allgemein gut zu erkennen. Auch die Korngrenzen des gesinterten Pulvers sind an einem solchen Formkörper generell unter dem Mikroskop zumindest für einen Teil der ursprünglichen Partikel zu erkennen, da das Pulver insbesondere dann, wenn es einen Kern mit einer hochschmelzenden Materialkomponente enthält, durch solch einen Sinterprozess allgemein nicht vollständig aufgeschmolzen wird, sondern die Partikel werden in diesen Fällen nur in ihren äußeren Bereichen miteinander verschmolzen werden, und die ursprüngliche Kornstruktur ist an den Zentren mit einem hohen Anteil an dem Material des Kerns zumindest zum Teil noch zu erkennen. Weiterhin ist bei dem erfindungsgemäßen fertigen Formkörper auch der ursprüngliche Aufbau der für das Herstellungsverfahren verwendeten Pulverpartikel noch gut zu erkennen, da zwischen dem die ursprünglichen Partikel verbindenden Material der Schalen Inseln von Kernmaterial vorliegen, die innerhalb einer gesinterten Schicht höchstens unvollständig miteinander verschmolzen sind.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den von den Ansprüchen 1 und 14 abhängigen Ansprüchen sowie der folgenden Beschreibung hervor. Dabei können die beschriebenen Ausgestaltungen des Herstellungsverfahrens, des Pulvers und des Formkörpers allgemein vorteilhaft miteinander kombiniert werden.
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So können die Schalen der Partikel einen durchschnittlichen Gewichtsanteil von wenigstens 10% des durchschnittlichen Volumenanteils der einzelnen Partikel aufweisen, insbesondere zwischen 10% und 90% Volumenanteil. Besonders vorteilhaft liegt der durchschnittliche Volumenanteil der Schalen sogar bei wenigstens 10%, insbesondere bei wenigstens 20% des durchschnittlichen Gesamtvolumens. Durch die genannten Untergrenzen für den Volumenanteil der Schalen kann erreicht werden, dass das Material der Schalen die Prozessierbarkeit der Partikel mit dem additiven Fertigungsverfahren signifikant beeinflusst. Eine Obergrenze für den durchschnittlichen Volumenanteil der Schalen kann beispielsweise bei 60%, insbesondere bei höchstens 40% liegen. Bei derartigen maximalen Volumenanteilen werden die mechanischen und/oder thermischen Eigenschaften des gebildeten Formkörpers maßgeblich durch das Material der Kerne mit beeinflusst.
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Die Kerne der Partikel können wenigstens ein Material aufweisen, welches bei einer Prozesstemperatur von 1400°C als solches nicht sinterbar ist. Insbesondere können die Kerne mehrheitlich oder sogar im Wesentlichen aus einem solchen Material bestehen. Es wird also für diese Kerne durch die Ummantelung mit einer Schale überhaupt erst eine Prozessierbarkeit bei der genannten Prozesstemperatur erreicht. Ohne eine derartige Ummantelung wäre eine Verarbeitung der Kerne daher mit den genannten Verfahren der additiven Fertigung nicht ohne weiteres beziehungsweise nur mit erhöhtem Prozessaufwand möglich.
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Die mangelnde Sinterbarkeit des nicht ummantelten Kernmaterials kann beispielsweise darin begründet sein, dass das Material der Kerne bei einer Prozesstemperatur von bis zu 1400°C, beispielsweise einer Prozesstemperatur zwischen 850°C und 1365°C in fester Form vorliegt, also nicht zum Schmelzen oder zumindest ausreichend zum Anschmelzen gebracht werden kann. Sie kann alternativ oder zusätzlich darin begründet sein, dass sich das Material der Kerne bei einer solchen Temperatur chemisch zersetzt. Alternativ oder zusätzlich kann eine Verarbeitung an Luft dadurch beeinträchtigt sein, dass das Material der Kerne ohne eine Ummantelung bei der genannten Prozesstemperator mit Luft reagiert. Durch eine Ummantelung der Kerne mit einem anderen Material kann in diesen Fällen trotzdem eine Verarbeitbarkeit mit dem jeweiligen additiven Fertigungsverfahren möglich gemacht werden. Beispielsweise kann eine Verarbeitung von Graphit und/oder Kohlenstofffasern und/oder Kohlenstoffnanoröhren enthaltenden Partikeln durch eine solche Ummantelung ermöglicht werden.
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Die Kerne der Partikel können wenigstens ein oberhalb von 1700°C schmelzendes Material aufweisen. Insbesondere kann es sich dabei um ein Material aus der Gruppe der Refraktärmetalle, Keramiken, Gläser, Kohlenstofffasern, Boride oder Carbide handeln. Solche Materialien sind relativ hochschmelzend und können daher durch Umhüllung mit niedriger schmelzenden Schalen in einem Verfahren zur additiven Fertigung prozessierbar gemacht werden. Durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung wird erreicht, dass eine nicht-separierende Mischung aus wenigstens zwei physikalisch unter Umständen sehr unterschiedlichen Komponenten erzeugt und verarbeitet werden kann. Beispielsweise können zwei oder mehr Materialkomponenten unterschiedlicher Dichte, unterschiedlicher Gewichtsanteile oder unterschiedlicher Volumenanteile zusammen verarbeitet werden, ohne dass sie sich bei der Verarbeitung entmischen. Mit einem Pulver mit zwei separaten Pulver-Komponenten der unterschiedlichen Materialien mit gegebenenfalls unterschiedlichen Gewichten, Größen und /oder Formen würde dagegen leicht eine Entmischung auftreten.
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Die Ausführungsformen mit einer oberhalb von 1700°C schmelzenden Materialkomponente sind ist besonders für solche Anwendungen vorteilhaft, in denen die gebildeten Formkörper hohen thermischen und/oder thermomechanischen Belastungen ausgesetzt sind und daher zumindest eine hochschmelzende Materialkomponente aufweisen sollen. Die Kerne der Partikel können dazu vorteilhaft nahezu vollständig aus einem oder mehreren der genannten hochschmelzenden Materialien bestehen. Unter einem Refraktärmetall wird in diesem Kontext ein Metall verstanden, dessen Schmelzpunkt über dem von Platin liegt, insbesondere ein derart hochschmelzendes Metall der vierten, fünften oder sechsten Nebengruppe. Besonders vorteilhaft für die Verwendung in einem Kontaktelement sind die Metalle Wolfram, Chrom, Molybdän und Titan. Auch Nickel kann vorteilhaft als hochschmelzende Komponente des Formkörpers verwendet werden, obwohl es mit seinem Schmelzpunkt etwas niedriger liegt als die eigentlichen Refraktärmetalle. Unter den Boriden eignet sich besonders TiB2. Unter den Carbiden eignet sich besonders Wolframcarbid für thermisch besonders stabile Formkörper.
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Die Schalen der Partikel können ein unterhalb von 1400°C schmelzendes Material umfassen. Insbesondere können die Schalen der Partikel mehrheitlich aus einem solchen relativ niedrig schmelzenden Material bestehen. So kann erreicht werden, dass zumindest die Schalen der Partikel in einem beispielsweise durch Laserstrahlung oder einen Elektronenstrahl ausgelösten Sinterprozess miteinander verbunden werden können, ohne dass die Kerne dabei schmelzen müssen. Bei dem vergleichsweise niedrig schmelzenden Material der Kerne kann es sich beispielsweise um ein Metall oder um ein Polymer handeln, insbesondere kann es sich vorteilhaft um Silber oder Kupfer handeln.
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Vorteilhaft können die Schalen der Partikel bei einer niedrigeren Temperatur schmelzen als die Kerne. Hierdurch kann erreicht werden, dass die Partikel beim additiven Schichtaufbau gesintert werden können, ohne dass ein Schmelzpunkt oder Schmelzbereich des Materials der Kerne überschritten sein muss. Insbesondere kann das Pulver dann einen relativ hohen Anteil an hochschmelzendem Material aufweisen, so dass der gebildete Formkörper bei seinem Betrieb möglichst wenig schmilzt oder verdampft. Durch die Wahl eines vergleichsweise hoch schmelzenden Materials für die Kerne kann erreicht werden, dass der gebildete Formkörper auch bei relativ hohen thermischen, elektrischen und/oder mechanischen Belastungen trotzdem vergleichsweise stabil ist, insbesondere stabiler, als wenn er nur aus dem Material der Schalen gebildet worden wäre.
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Das additive Fertigungsverfahren kann einen Prozessschritt des Laserstrahlschweißens, Laserstrahlschmelzens, des Laserstrahlsinterns, der Lasermetallabscheidung, des Laser Claddings, des Elektronenstrahlschweißens und/oder des Elektronenstrahlschmelzens aufweisen. Diese Prozesse eignen sich besonders gut, um aus einem erfindungsgemäßen Pulver einzelne Schichten des Formkörpers mit jeweils vordefinierter Geometrie durch lokal begrenztes Sintern des Pulvers zu verfestigen.
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Die Schalen der Partikel können jeweils wenigstens zwei konzentrische, den Kern im Wesentlichen umschließende Teilschalen aufweisen. Solche mehrfach umhüllten Partikel weisen den Vorteil auf, dass bestimmte physikalische Eigenschaften wie thermische Expansionskoeffizienten, eine Absorption des verwendeten Laser- oder Elektronenstrahls oder ein Elastizitätsmodul der Schalen noch genauer auf die gegebenen Anforderungen des Fertigungsverfahrens und/oder des fertigen Formkörpers eingestellt werden können. Weiterhin kann zumindest eine der Teilschalen, insbesondere die innere Teilschale, ein Material aufweisen, welches die Benetzbarkeit der Kerne mit dem Material der äußeren Teilschale verbessert. So verbessert zum Beispiel Nickel als Material für die innere Teilschale die Benetzbarkeit von Wolfram (als Material für den Kern) mit Silber (als Material für die äußere Teilschale).
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Die Teilschalen können allgemein verschiedene Materialien aufweisen. Es kann auch vorteilhaft sein, wenn die Materialien der Teilschalen nach Art eines radialen Konzentrationsgradienten graduell ineinander übergehen. So kann in beispielsweise eine äußere Teilschale im Wesentlichen vollständig aus vergleichsweise leicht schmelzendem Material bestehen, während eine innere Teilschale ein Gemisch aus einem vergleichsweise höher schmelzenden Material des Kerns und leicht schmelzendem Material der äußeren Schale aufweist. Die relativen Konzentrationen der beiden Komponenten können beispielsweise abhängig vom Radius graduell variieren.
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Allgemein kann die Schale wenigstens zwei Materialkomponenten aufweisen, auch in den Fällen, bei denen die Schale nicht klar in zwei einzelne Teilschalen unterteilt ist. Dabei kann vorteilhaft eine Konzentration der beiden Materialkomponenten in Abhängigkeit von einem Abstand zum Zentrum des jeweiligen Partikels variieren. Auch in einem solchen Fall eine solche, beispielsweise graduelle Variation vorteilhaft sein, um gewünschte physikalische Eigenschaften gezielt einzustellen, wie bereits oben im Zusammenhang mit den diskreten Teilschalen beschrieben.
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Die Partikel können jeweils eine Vielzahl innenliegender Kerne innerhalb einer gemeinsamen Schale aufweisen. Dabei können die Kerne vorteilhaft jeweils einzelne Nanopartikel sein. Ein besonderer Vorteil bei dieser Ausführungsform ist, dass dann mit dem Verfahren Nanopartikel in den Formkörper eingebettet werden können, die ohne eine derartige Umhüllung nicht ohne Weiteres in einem solchen additiven Fertigungsverfahren verwendet werden könnten, da sie durch ihre hohe Oberfläche eine zu starke Affinität zur Agglomeration aufweisen. Hierdurch sind die Fließeigenschaften eines solchen, im Wesentlichen aus Nanopartikeln bestehenden Pulvers sehr schlecht, und die Verarbeitung des Pulvers ist schwierig. Auch mögliche umwelt- und oder gesundheitsschädigende Wirkungen der Nanopartikel können durch die Einbettung in eine gemeinsame Hülle vor ihrer Verarbeitung reduziert werden. Bei den Nanopartikeln kann es sich beispielsweise um kohlenstoffhaltige Nanopartikel, insbesondere um Partikel aus Graphit, Kohlefasern oder Kohlenstoffnanoröhren handeln.
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Ein mittlerer äußerer Umfang derartiger Nanopartikel kann beispielsweise zwischen 10 nm und 250 nm liegen.
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Die einzelnen Nanopartikel können eine Vielzahl unterschiedlicher Formen und Größen aufweisen. Da sie zusammen in einem Größeren Partikel eingebettet werden, können solche Variationen durch die Umhüllung ausgeglichen werden und erschwert dann nicht mehr die Verarbeitung bei dem additiven Herstellungsverfahren. Beispielsweise kann es sich bei den Nanopartikeln um annähern kugelförmige Partikel, um stäbchenförmige Partikel, um scheibenförmige Partikel, um gänzlich asymmetrische Partikel und/oder um ein Gemisch verschiedener solcher Partikeltypen handeln. Das durch die gemeinsame Umhüllung gebildete Gesamtpartikel kann beispielsweise eine annähernd sphärische Form aufweisen, um die Verarbeitung im additiven Fertigungsverfahren zu erleichtern.
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Die Kerne der Partikel können vorteilhaft gehärtet sein, bevor sie mit der Schale ummantelt werden. Dies kann günstig sein, um die Festigkeit der Kerne zu erhöhen. Beispielsweise können die Kerne mittels Ausscheidungshärtung vorbehandelt werden. Hierdurch kann die insbesondere die Festigkeit einer Legierung als Material für den Kern erhöht werden.
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Allgemein können bei der Mehrzahl der Partikel die Kerne eine im Wesentlichen asphärische Form aufweisen, und die Schalen können eine im Wesentlichen sphärische Form aufweisen. Unter einer im Wesentlichen sphärischen Form soll dabei eine Form verstanden werden, bei der die Oberfläche des Partikels an keiner Stelle mit weiter als 20% des Radius von einer einhüllenden Kugel um den Partikel abweicht. Unter dem genannten Radius soll dabei entsprechend auch der Radius dieser einhüllenden Kugel verstanden werden. In ähnlicher Weise soll unter einer asphärischen Form eine solche Form verstanden werden, bei der die Oberfläche wenigstens in einem Teilbereich um mehr als 20% des Radius von der einhüllenden Kugel abweicht.
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Mit einer derartigen Einbettung eines asphärischen Partikels in eine sphärische Außenhülle kann erreicht werden, dass das resultierende Pulver wesentlich besser in dem additiven Fertigungsverfahren verarbeitet werden kann als die nicht derart umhüllten Kerne. Dies ist ein zusätzlicher Effekt, der auf einer Angleichung der Form basiert und zu den genannten Vorteilen bezüglich der unterschiedlichen Materialeinschaften von Schale und Kern hinzukommt.
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In ähnlicher Weise kann eine relativ große Verteilung in den äußeren Durchmessern der Kerne durch eine Einbettung in eine Schale mit einer geringeren Durchmesserverteilung der resultierenden Gesamtpartikel ausgeglichen werden. Es kann also allgemein vorteilhaft sein, wenn eine absolute Halbwertsbreite für die Durchmesserverteilung der Gesamtpartikel im Pulver höchstens halb so groß ist wie eine absolute Halbwertsbreite für die Durchmesserverteilung der in diesen Gesamtpartikeln eingebetteten Kerne.
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Ein mittlerer Umfang der umhüllten Gesamtpartikel kann allgemein vorteilhaft zwischen 5 µm und 100 µm, insbesondere zwischen 20 µm und 40 µm liegen. Die Dicke der Schale kann dabei vorteilhaft zwischen 50 nm und 50 µm liegen.
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Allgemein kann die Schale der Partikel vorteilhaft ein Material aufweisen, welches als Flussmittel für ein Material des Kerns wirkt. Alternativ oder zusätzlich kann bei einer Ausführungsform mit mehreren Teilschalen eine äußere Teilschale ein Flussmittel für ein Material einer inneren Teilschale aufweisen. Beispielsweise en Phosphor, Silber, Zinn und Zink als Flussmittel für Kupfer, während Kupfer, Zink und Zinn als Flussmittel für Silber wirken.
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Der Formkörper kann wenigstens zwei Materialkomponenten aufweisen, für die in wenigstens einer Raumrichtung in wenigstens einem Teil des tragenden Elements ein variierender Konzentrationsgradient vorliegt. Hierdurch kann die thermische und/oder thermomechanische Stabilität des Formkörpers im Vergleich zu einer homogenen Zusammensetzung vorteilhaft verbessert werden. Insbesondere kann in Richtung einer bei der Anwendung thermisch stark belasteten Oberfläche ein Anteil einer höher schmelzenden Komponente erhöht werden. Eine solche Variation der Konzentration kann beispielsweise graduell erfolgen. Er kann jedoch auch in diskreten Bereichen zwischen diskreten Konzentrationswerten variieren.
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Der Formkörper kann ein beispielsweise tragendes Element eines Schaltkontakts eines elektrischen Schalters sein. Ein solches tragendes Element kann entweder der eigentliche Kontaktkörper des Schaltkontakts sein oder als Tragkörper für den eigentlichen Kontaktkörper dienen, welcher von diesem mechanisch gehalten wird. In jedem Fall ist es vorteilhaft, wenn ein solches tragendes Element des Schaltkontakts zumindest eine Komponente eines hochschmelzenden Materials aufweist, da solche Schaltkontakte im Betrieb hohen thermischen Belastungen ausgesetzt sind. In der Säule eines Schaltlichtbogens können beispielsweise Temperaturen im Bereich zwischen 5000°C und 10000°C auftreten. Bei diesen Temperaturen kommt es zu einem Anschmelzen der Oberfläche des Schaltkontakts. Ein Aufschmelzen eines größeren Volumenanteils ist jedoch möglichst zu verhindern, damit die Schaltkontakte beim Schließen eines solchen Schalters nicht irreversibel zusammenschmelzen. Hierzu sollten die tragenden Elemente eines solchen Schaltkontaktes einen Anteil an einem hochschmelzenden Material umfassen.
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Alternativ kann der Formkörper beispielsweise eine Turbinenschaufel oder ein Element einer Turbinenschaufel sein. Turbinenschaufeln, insbesondere Schaufeln von Gasturbinen, sind im Betrieb hohen thermo-mechanischen Belastungen ausgesetzt und weisen daher auch vorteilhaft einen relativ hohen Anteil einer hochschmelzenden Materialkomponente auf. Beispielsweise können die Kerne der für ein solches Bauteil verwendeten Pulverpartikel eine Superlegierung umfassen oder sogar im Wesentlichen aus einer Superlegierung gebildet sein. Bei einer solchen Superlegierung kann es sich besonders vorteilhaft um eine Superlegierung auf Nickelbasis handeln.
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Alternativ kann der gebildete Formkörper beispielsweise ein Filament oder eine Elektrode einer Lampe sein. Insbesondere kann es sich dabei um eine wolframhaltige Elektrode einer Hochdruck-Gasentladungslampe handeln. Die Spitzen solcher Elektroden sind beim Betrieb hohen Belastungen durch Bogen-Entladungen ausgesetzt und können daher beim Betrieb abdampfen. Eine komplexe Formgebung solcher Bauteile durch ein additives Fertigungsverfahren ist vorteilhaft, wenn gleichzeitig eine hohe thermische Beständigkeit des Bauteils erreicht werden kann.
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Der durch das beschriebene Herstellungsverfahren gebildete Formkörper kann allgemein vorteilhaft einen innenliegenden Kühlkanal aufweisen. Ein solcher Kühlkanal kann dazu verwendet werden, den Formkörper bei einer thermischen Belastung zu kühlen und beispielsweise ein Schmelzen zu verhindern. Durch das beschriebene additive Herstellungsverfahren kann der wenigstens eine Kühlkanal leicht hergestellt werden. Insbesondere können auch komplexe Formen hergestellt werden, also beispielsweise mäanderförmige Strukturen und/oder Strukturen aus mehreren verzweigten Kühlkanälen. Die Integration von Kühlkanälen ist allgemein für die Herstellung von Formkörpern zur Anwendung in Schaltkontakten, Turbinenschaufeln, Elektroden und/oder Filamenten besonders zweckmäßig.
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Der Formkörper kann wenigstens zwei Materialkomponenten aufweisen, für die in wenigstens einer Raumrichtung in wenigstens einem Teil des Formkörpers ein Konzentrationsgradient vorliegt. Hierdurch kann die thermische und/oder thermomechanische Stabilität des Formkörpers im Vergleich zu einer homogenen Zusammensetzung vorteilhaft verbessert werden. Vorteilhaft kann in Richtung einer bei einer Verwendung des Formkörpers thermisch und/oder mechanisch stark belasteten Oberfläche ein Anteil einer höher schmelzenden Komponente erhöht werden. Innerhalb einer solchen Oberfläche kann ein Anteil einer höher schmelzenden Komponente besonders in Richtung einer thermisch und/oder mechanisch stark belasteten Spitze oder Kante des Formkörpers erhöht sein. Eine solche Variation der Konzentration kann beispielsweise graduell erfolgen. Die Konzentration kann jedoch auch in diskreten Bereichen zwischen diskreten Konzentrationswerten variieren.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 eine schematische Schnittdarstellung eines Partikels eines Pulvers nach einem ersten Ausführungsbeispiel zeigt,
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2 eine schematische Schnittdarstellung eines Partikels eines Pulvers nach einem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt,
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3 eine schematische Schnittdarstellung eines Partikels eines Pulvers nach einem dritten Ausführungsbeispiel zeigt,
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4 eine schematische Schnittdarstellung eines Partikels eines Pulvers nach einem vierten Ausführungsbeispiel zeigt,
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5 eine schematische perspektivische Darstellung eines Formkörpers nach einem fünften Ausführungsbeispiel zeigt,
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6 eine schematische Querschnittdarstellung eines Schaltkontakts mit zwei Kontaktelementen nach einem sechsten Ausführungsbeispiel zeigt,
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7 eine schematische Querschnittdarstellung einer Turbinenschaufel nach einem siebten Ausführungsbeispiel zeigt und
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8 eine schematische Seitenansicht eines Lampenfilaments nach einem achten Ausführungsbeispiel zeigt.
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In 1 ist eine schematische Schnittdarstellung eines Partikels 5 eines Pulvers nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Gezeigt ist ein im Wesentlichen sphärischer Partikel 5 mit einem innenliegenden Kern 7 des Materials A und einer außenliegenden Schale 9 des Materials B. Material B weist hierbei einen niedrigeren Schmelzpunkt auf als Material A, so dass ein Pulver aus solchen Partikeln 5 zur Herstellung einzelner gesinterten Schichten 3i in einem additiven Fertigungsverfahren genutzt werden kann, ohne dass die Kerne 7 aus Material A bei diesem Sinterprozess schmelzen müssen. Beispielsweise kann Material A Kohlenstoff, Wolfram, Wolframcarbid, Zinndioxid und/oder Nickel aufweisen beziehungsweise mehrheitlich ein solches Material sein. Die Schale 9 kann beispielsweise Silber und/oder Kupfer umfassen beziehungsweise mehrheitlich aus einem solchen Material B bestehen. Durch additives Sintern solcher Partikel 5 kann ein Formkörper 1 hergestellt werden, der trotz der relativ leichten Schmelzbarkeit des Schalenmaterials B insgesamt eine hohe thermische Belastbarkeit aufweisen kann.
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In 2 ist eine schematische Schnittdarstellung eines Partikels 5 eines Pulvers nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Gezeigt ist wiederum ein im Wesentlichen sphärischer Partikel 5 mit einem innenliegenden Kern 7 des Materials A und einer außenliegenden Schale 9, wobei die Schale in diesem Fall zwei Teilschalen 9a und 9b umfasst. Die äußere Teilschale 9b kann beispielsweise aus einem leichter schmelzenden Material B bestehen, und die innenliegende Schale kann aus einer Mischung der Materialien A und B bestehen. Alternativ zu dem hier gezeigten Beispiel mit diskreten Teilschalen kann ein Konzentration des Materials A auch innerhalb der Schale 9 oder innerhalb einer Teilschale 9a kontinuierlich mit dem Radius r von innen nach außen abfallen, wobei eine Konzentration des leichter schmelzenden Materials B entsprechend nach außen hin ansteigt. Oder die innere Schale kann wie oben beschrieben die Benetzbarkeit des Kerns mit dem Material der äußeren Schale erhöhen.
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In 3 ist eine ähnliche Schnittdarstellung eines Partikels 5 nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Gezeigt ist eine Vielzahl von Kernen 7i, die in eine gemeinsame Matrix 8 eingebettet sind. Diese Matrix 8 wirkt bereits als erste Umhüllung der Kerne 7i. Die Matrix 8 ist im gezeigten Beispiel von einer weiteren Schale 9 umhüllt, welche zumindest im Vergleich zu einem Material A der Kerne 7i ein niedriger schmelzendes Material B aufweist. Das Material der Matrix 8 kann dabei prinzipiell im Vergleich zum Material B entweder höher, niedriger oder gleich hoch schmelzend sein. Es kann beispielsweise dem Material der äußeren Schale 9 entsprechen, so dass Matrix 8 und Schale 9 ohne Grenzfläche ineinander übergehen können. Es kann aber auch wie in 3 gezeigt eine Grenzfläche vorliegen und es können unterschiedliche Materialien für Matrix und Schale zum Einsatz kommen.
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In 4 ist eine ähnliche Schnittdarstellung eines Partikels 5 nach einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Gezeigt ist ein asphärischer Kern 7, der beispielsweise an einem Punkt p1 einen Abstand r1 zu einem Zentrum z des Kerns aufweist, der um mehr als 20% von einer umhüllenden Kugel 10a des Kerns abweicht. Dieser asphärische Kern 7 ist von einer im Wesentlichen sphärischen Schale 9 umhüllt, deren äußere Oberfläche an keiner Stelle um mehr als 20% von einer umhüllenden Kugel 10b der Schale 9 abweicht. Die größte Abweichung ist für den gezeigten Querschnitt beispielsweise im Punkt p2 gegeben, wobei der Abstand r2 vom Zentrum auch hier nur geringfügig vom Radius der umhüllenden Kugel 10b abweicht.
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5 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung eines Formkörpers 1 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gezeigt ist ein quaderförmiger Formkörper 1, der eine hochschmelzende und eine niedriger schmelzende Materialkomponente aufweist, wobei der Anteil der hochschmelzenden Komponente entlang der gezeigten Raumrichtung x zunimmt. Die gezeigte Raumrichtung x ist hier auch die Richtung, in der die Schichten 3i des additiven Fertigungsprozesses aufeinander aufgebracht sind. Im gezeigten Beispiel steigt also der Anteil der hochschmelzenden Komponente stetig von Schicht zu Schicht an und ist innerhalb der jeweiligen Schicht 3i im Wesentlichen konstant. Dies kann leicht erreicht werden, indem die Zusammensetzung des Pulvers für jede Schicht separat eingestellt wird. Die in der 5 vorne dargestellte Stirnseite weist also hier den höchsten Anteil an hochschmelzendem Material auf und kann in diesem Beispiel vorteilhaft eine bei einer Verwendung des Formkörpers thermisch und/oder mechanisch besonders stark belastete Oberfläche sein.
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Alternativ zu dem in 5 gezeigten Beispiel kann ein Konzentrationsgradient auch dadurch erreicht werden, dass die Zusammensetzung des als Ausgangsstoff dienenden Pulvers innerhalb einer Schicht nach einer vorbestimmten räumlichen Verteilung verändert wird. Die Zusammensetzung des Pulvers kann also innerhalb der Schichten und/oder von Schicht zu Schicht variiert werden. In beiden Richtungen kann sie entweder kontinuierlich oder sprunghaft variiert werden.
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In 6 ist eine schematische Querschnittdarstellung eines Schaltkontakts 13 für einen elektrischen Schalter gezeigt. Der Schaltkontakt weist zwei Kontaktelemente 11 auf, die jeweils einen Kontaktkörper 11a und einen Kontaktträger 11b umfassen. Die Kontaktkörper 11a sind aus elektrisch leitfähigem Material gebildet und weisen jeweils eine Kontaktfläche 19 auf, wobei diese beiden Kontaktflächen 19 reversibel miteinander in elektrischen Kontakt gebracht werden können. Durch hier nicht näher gezeigte mechanische Elemente des Schaltkontakts können die beiden Kontaktelemente 11 also aufeinander zu und wieder voneinander weg bewegt werden. Die beiden Kontaktkörper 11a werden jeweils von einem zugeordneten Kontaktträger 11b mechanisch gehalten. Dabei können die Kontaktträger 11b im Verhältnis zu den Kontaktkörpern 11a auch deutlich größer ausgebildet sein als in der 6 dargestellt. Insbesondere können die Kontaktträger jeweils größer sein als die darauf angeordneten Kontaktkörper. Der jeweilige Kontaktträger kann auch elektrisch leitfähig sein, dies ist jedoch nicht unbedingt notwendig.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel der 1 die beiden Kontaktkörper 11a wie auch die beiden Kontaktträger 11b als Formkörper durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren hergestellt. Diese Teile der beiden Kontaktelemente sind also jeweils durch schichtweises Aufbringen und Verfestigen eines Pulvers mittels eines additiven Herstellungsverfahrens aufgebaut worden. Alternativ kann auch nur der jeweilige Kontaktkörper 11a oder nur der jeweilige Kontaktträger 11b mit einem solchen additiven Herstellungsverfahren aufgebaut worden sein. Oder es auch möglich, dass nur eines der beiden Kontaktelemente, also entweder nur das untere oder nur das obere Kontaktelement 11 ganz oder teilweise durch ein solches additives Herstellungsverfahren aufgebaut ist.
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Die Kontaktflächen 19 der beiden Kontaktkörper 11a weisen jeweils einen gebogenen Teilbereich 21 auf, wobei die Krümmungen in diesen Teilbereichen so aufeinander abgestimmt sind, dass die beiden Kontaktkörper 11a ineinander greifen können. Bei einem Schließen des Schalters wird somit ein möglichst großflächiger und stabiler elektrischer Kontakt ausgebildet. Bei einem Öffnen des Schaltkontakts 13 kann sich ein Schaltlichtbogen zwischen den beiden Kontaktflächen 19 ausbilden. Im linken Bereich der 6 weist nur der obere der beiden Kontaktkörper am Rand der Kontaktflächen 19 eine Kante 20 auf. Der unten gezeigte Kontaktkörper 11a weist in diesem Bereich eine abgerundete Oberfläche 21 auf, wodurch ein in diesem Bereich gebildeter Schaltlichtbogen schneller abreißen kann. Generell wird das Material der beiden Kontaktkörper 11a im Bereich der Kontaktflächen 19 und insbesondere im Bereich der Kante 20 durch die Ausbildung von Schaltlichtbögen besonders stark thermisch belastet. Die Kontaktkörper 11a sind daher hier so ausgebildet, dass im Bereich der Kontaktflächen 19 und besonders im Bereich der Kanten 20 eine höhere durchschnittliche Konzentration an einer hochschmelzenden Materialkomponente vorliegt als in den weiter innenliegenden Bereichen 23.
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Die Kontaktkörper 11a des sechsten Ausführungsbeispiels können Silber oder Kupfer als niedrigschmelzende Komponente und Wolfram, Wolframcarbid und/oder Chrom als hochschmelzende Komponente aufweisen. Der durchschnittliche Anteil der hochschmelzenden Komponente kann dabei in Richtung der Kontaktflächen 19 entweder annähernd kontinuierlich oder in diskreten Stufen ansteigen. Alternativ oder zusätzlich kann er auf der Kontaktfläche 19 noch in Richtung der Kante 20 weiter ansteigen. Eine Strukturierung der Kontaktkörper 10a und 10b in einzelne additiv aufgebrachte Schichten ist in 6 nicht gezeigt, da solche Schichten an einem makroskopischen Bauteil unter Umständen nur bei mikroskopischer Betrachtung sichtbar sind. Die Orientierung dieser Schichten kann beispielsweise parallel zu den ebenen Bereichen der Kontaktflächen liegen. Die Schichten können jedoch auch senkrecht zu diesen Teilen der Kontaktflächen liegen oder einen anderen Winkel mit ihnen einschließen.
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7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem der erfindungsgemäß hergestellte Formkörper eine Turbinenschaufel 31 einer Gasturbine ist. Gezeigt ist eine Querschnittdarstellung einer solchen Turbinenschaufel, die in ihrem Inneren mehrere Hohlräume 33 aufweist. Eine solche Turbinenschaufel mit einer derartigen oder unter Umständen auch deutliche komplexeren Form kann vorteilhaft mit einem Verfahren der additiven Fertigung hergestellt werden. Das Material der Turbinenschaufel 31 kann hierbei einen hohen Anteil einer Nickel-Basislegierung umfassen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann erreicht werden, dass eine Turbinenschaufel 31 mit einem hohen Anteil einer solchen thermisch beständigen Legierung trotzdem als komplex geformtes und mechanisch festes Bauteil additiv aufgebaut werden kann.
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8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem der erfindungsgemäß hergestellte Formkörper ein Filament 41 einer Lampe ist. Zusätzlich zu dem eigentlichen Filament 41 sind zwei Kontakte 43 gezeigt, zwischen denen ein elektrischer Strom fließen kann. Das Filament weist vorteilhaft einen vergleichsweise hohen Anteil an Wolfram auf, um im Betrieb eine hohe thermische Stabilität zu gewährleisten. Durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren kann erreicht werden, dass ein solches Filament 41 mit einem hohen Anteil einer derart hochschmelzenden Komponente trotzdem als komplex geformtes und mechanisch festes Bauteil additiv aufgebaut werden kann.
