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DE102016000435A1 - Substanz zum Herstellen eines Bauteils - Google Patents

Substanz zum Herstellen eines Bauteils Download PDF

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DE102016000435A1
DE102016000435A1 DE102016000435.5A DE102016000435A DE102016000435A1 DE 102016000435 A1 DE102016000435 A1 DE 102016000435A1 DE 102016000435 A DE102016000435 A DE 102016000435A DE 102016000435 A1 DE102016000435 A1 DE 102016000435A1
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Substanz zum Herstellen eines Bauteils, die ein Gemisch aus einem Metallpulver (16) und einem Fließhilfsmittel (18) umfasst, wobei die Substanz (4) auf einen Träger aufzutragen und nach Auftrag auf den Träger durch Laserstrahlen zu schmelzen und das Metallpulver (16) zu dem Bauteil zu erstarren ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Substanz zum Herstellen eines Bauteils, eine Anordnung zum Herstellen einer Substanz und ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils.
  • Bei einem additiven Fertigungsverfahren, bspw. bei einem dreidimensionalen Laserdruckverfahren, wird ein Bauteil schichtweise aufgebaut. Hierzu wird zum Herstellen einer jeweiligen Schicht auf einer Ebene pulverförmiges Material aufgetragen, mit einem Laserstrahl erhitzt und geschmolzen. Nach Aushärten des geschmolzenen Materials ist die jeweils herzustellende Schicht fertiggestellt.
  • Hierzu wird auf die Druckschrift DE 199 05 067 A1 verwiesen, aus der eine Vorrichtung zum Herstellen eines Formkörpers durch schichtweises Aufbauen aus pulverförmigem, metallischem Werkstoff bekannt ist.
  • Weiterhin ist aus der Druckschrift DE 601 14 453 T2 ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Metallteils unter Verwendung von Hochtemperatur-Direktlaserschmelzen bekannt.
  • Ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts mittels Lasertechnik und Auftragen eines Absorbers mit einem Inkjet-Verfahren ist in der Druckschrift DE 10 2004 012 682 A1 beschrieben.
  • Außerdem ist ein Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten mittels Mikrowellenstrahlung aus der Druckschrift EP 1 459 871 A2 bekannt.
  • Vor diesem Hintergrund werden eine Substanz, eine Anordnung und ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgestellt. Ausgestaltungen der Substanz, der Anordnung und des Verfahrens gehen aus den abhängigen Patentansprüchen und der Beschreibung hervor.
  • Die erfindungsgemäße Substanz ist zum Herstellen eines Bauteils vorgesehen und umfasst ein Gemisch aus einem Metallpulver und einem Fließhilfsmittel. Zum Herstellen des Bauteils ist die Substanz auf einem Träger aufzutragen und nach Auftrag auf dem Träger durch Laserstrahlen zu schmelzen und das Metallpulver zu dem Bauteil zu erstarren.
  • Das Fließhilfsmittel umfasst metalloxidische Partikel, die ein Oxid eines elementaren Metalls oder eines Übergangsmetalls aufweisen. Alternativ oder ergänzend umfasst das Fließhilfsmittel metalloxidische Molekülverbindungen, die ein Oxid eines elementaren Metalls oder eines Übergangsmetalls aufweisen.
  • Fließhilfsmittel sind demnach metalloxidische Partikel oder metalloxidische Molekülverbindungen, die nicht nur aus elementaren Metallen sondern auch aus Übergangsmetallen wie z. B. Silizium bestehen können.
  • Das Fließhilfsmittel wird beim Erhitzen der Substanz durch die Laserstrahlen zum Teil mit aufgeschmolzen, zum Teil auch nicht, falls die eingebrachte Energie hierfür nicht ausreicht. Das Fließhilfsmittel verbliebt als Partikel im aufgeschmolzenen Metallpulver bzw. Metall oder geht neue Phasen mit einem Schmelzbad ein. Hierbei kann es zu einer Steigerung der mechanischen Eigenschaften des aufgeschmolzenen Materials, d. h. der aufgeschmolzenen Substanz und/oder des aufgeschmolzenen Metallpulvers kommen, wie es bspw. bei ODS-Legierungen (oxide dispersed strengthening) der Fall ist.
  • Bei der vorgestellten Substanz ist das Fließhilfsmittel in Ausgestaltung mit hydrophoben Eigenschaften ausgestattet.
  • Als Fließhilfsmittel sind bspw. oxidische Verbindungen oder Molekülverbindungen mit Metallen oder Übergangsmetallen, bspw. ein Siloxan oder ein Aluminiumoxid, zu verwenden.
  • Ein Anteil des Fließhilfsmittels an der gesamten Substanz beträgt bspw. 0,1% bis maximal bei 1%. Der angegebene Anteil entspricht üblicherweise Masseprozent. Somit besteht eine Masse der Substanz zu x%, bspw. 0,1%, aus dem Fließhilfsmittel und zu 100 – x%, bspw. 99,9%, aus dem Metallpulver.
  • Das Metallpulver ist bspw. aus Aluminium, Stahl, Nickel oder Titan gebildet, wobei Partikel des Metallpulvers in Ausgestaltung eine Größe von 10 μm bis 200 μm aufweisen.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines Bauteils wird die vorgestellte Substanz auf einen Träger aufgetragen und nach Auftrag auf dem Träger mit Laserstrahlen geschmolzen und Metallpulver, das neben einem Fließhilfsmittel als Bestandteil der Substanz ausgebildet ist, zu dem Bauteil erstarrt bzw. aushärtet.
  • Die erfindungsgemäße Anordnung zum Herstellen einer Substanz umfasst eine Mischvorrichtung, die dazu ausgebildet ist, ein Metallpulver und ein Fließhilfsmittel miteinander zu mischen und dabei die Substanz herzustellen.
  • Die Anordnung umfasst in Ausgestaltung einen ersten Behälter mit einer ersten Messvorrichtung und einen zweiten Behälter mit einer zweiten Messvorrichtung. Dabei ist in dem ersten Behälter das Metallpulver und in dem zweiten Behälter das Fließhilfsmittel bevorratet. Die erste Messvorrichtung ist dazu ausgebildet, aus dem ersten Behälter eine erste Menge an Metallpulver abzumessen und der Mischvorrichtung bereitzustellen. Die zweite Messvorrichtung ist dazu ausgebildet, aus dem zweiten Behälter eine zweite Menge an Fließhilfsmittel abzumessen und der Mischvorrichtung bereitzustellen.
  • Durch Vorsehen des Fließhilfsmittels, das zum Bereitstellen der Substanz dem Metallpulver beigemischt wird, ist u. a. möglich, eine Fließfähigkeit des Metallpulvers bei einem generativen Fertigungsverfahren, bspw. bei einem dreidimensionalen Druckverfahren, zu steigern.
  • Bei dem Verfahren zum Herstellen des Bauteils, wobei ein additives Fertigungsverfahren umgesetzt wird, wird das Metallpulver, dem das Fließhilfsmittel beigemischt ist, bspw. von einer Laserquelle geschmolzen. Das Metallpulver weist üblicherweise eine Korngröße im Bereich zwischen 10 bis 200 μm auf. Durch ein immer wiederkehrendes Aufschmelzen einer Schicht aus Metallpulver auf dem Träger ist möglich, ein Bauteil mit einer komplexen Geometrie zu fertigen. Dabei erzielbare mechanische Kennwerte, bspw. eine Streckgrenze, eine Zugfestigkeit und/oder eine Bruchdehnung des aus der Substanz herzustellenden metallischen Bauteils sind über das erzeugte Bauteil homogen verteilt. Weiterhin sind durch Variation mindestens eines Prozessparameters des Lasers, bspw. einer Leistung des Lasers und/oder einer Geschwindigkeit, mit der ein Strahl des Lasers bewegt wird, unterschiedliche Anforderungsprofile an mechanische Eigenschaften des Bauteils über das gesamte Bauteil einzustellen.
  • Durch Vorsehen der Substanz, die neben dem Metallpulver das Fließhilfsmittel umfasst, ist eine Prozessstabilität beim Verarbeiten der Substanz und somit beim Verarbeiten des Metallpulvers gewährleistet. Die Substanz, die Metallpulver auf Basis von Aluminium, Stahl oder von Eisen, Nickel oder Titan umfasst, weist aufgrund des beigemischten Fließhilfsmittels im Vergleich zu reinem Metallpulver eine verbesserte Fließfähigkeit auf, wodurch ein homogener Auftrag der Substanz mit dem Metallpulver beim Auftragen auf dem Träger zu gewährleisten ist. Durch den Umstand, dass innerhalb der Substanz dem Metallpulver das Fließhilfsmittel beigemischt ist, wird aufgrund der Fließfähigkeit auch ein Absaugen und somit ein Sieben des Metallpulvers mit dem beigemischten Fließhilfsmittel begünstigt. Ein Anteil des Fließhilfsmittels an der Substanz ist bspw. abhängig von einer Größe von Partikeln des Metallpulvers, einer Größenverteilung der Partikel, aber auch von einer Temperatur und einer Luftfeuchtigkeit der Umgebung.
  • Das Fließhilfsmittel des Metallpulvers als Bestandteil der Substanz ist nur geringen Schwankungen unterworfen. Eine Neigung zur Feuchtigkeitsaufnahme der Substanz wird durch das Fließhilfsmittel reduziert.
  • Beim Herstellen, in Ausgestaltung beim Mischen, der Substanz wird dem Metallpulver auf Basis von Aluminium, Stahl, Nickel oder Titan das Fließhilfsmittel in geringen Mengen beigemischt. Als Fließhilfsmittel ist beispielsweise ein Siloxan oder ein Aluminiumoxid einzusetzen. Die Menge bzw. ein Anteil des Fließhilfsmittels an einer Masse der Substanz liegt in einem geringen einstelligen Prozentbereich bis maximal 5% oder maximal nur 1%, bspw. 0,1%. Mechanische Kennwerte des zu verarbeitenden, d. h. des zu schmelzenden Metallpulvers werden aufgrund der geringen Menge an Fließhilfsmittel nicht beeinflusst. Üblicherweise haftet das Fließhilfsmittel an dem Metallpulver an und weist hydrophobe Eigenschaften auf. Durch das Fließhilfsmittel bzw. einem entsprechenden Fließhilfsstoff, das bzw. der dem Metallpulver beigemischt ist, ist die Fließfähigkeit des Metallpulvers signifikant zu steigern.
  • Bei dem Verfahren zum Herstellen des Bauteils, wobei das Bauteil in der Regel schichtweise hergestellt wird, ist beim Auftragen der Substanz auf dem Träger und somit beim Auftragen des Metallpulvers mit dem beigemischten Fließhilfsmittel auf den Träger ein stabiler Verarbeitungsprozess beim Auftragen der Substanz zu gewährleisten. Da das Fließhilfsmittel lediglich in geringen Mengen genutzt wird, werden mechanische Kennwerte des Metallpulvers nicht beeinflusst. Da das Fließhilfsmittel hydrophob ist, wird weiterhin vermieden, dass das Metallpulver aus der Umgebung Feuchtigkeit aufnimmt.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
  • Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Die Erfindung ist anhand einer Ausführungsform in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung schematisch und ausführlich beschrieben.
  • 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung.
  • Die in 1 schematisch dargestellte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung 2 zum Herstellen einer Substanz 4 umfasst eine Mischvorrichtung 6, einen ersten Behälter 8 und einen zweiten Behälter 10. Dabei ist dem ersten Behälter 8 eine erste Messvorrichtung 12 zugeordnet. Dem zweiten Behälter 10 ist eine zweite Messvorrichtung 14 zugeordnet. Die beiden Messvorrichtungen 12, 14 sind auch als Dosiervorrichtungen zu bezeichnen oder ausgebildet.
  • Weiterhin ist vorgesehen, dass in dem ersten Behälter 8 ein Metallpulver 16 bevorratet ist. In dem zweiten Behälter 10 ist ein Fließhilfsmittel 18 bevorratet. Zum Herstellen der Substanz 4 ist mit der ersten Messvorrichtung 12 eine erste Menge an Metallpulver 16 abzumessen und der Mischvorrichtung 6 bereitzustellen. Weiterhin ist mit der zweiten Messvorrichtung 14 aus dem zweiten Behälter 10 eine zweite Menge an Fließhilfsmitteln 18 abzumessen und der Mischvorrichtung 6 bereitzustellen. Hierbei ist möglich, der Mischvorrichtung 6 entweder zuerst das Metallpulver 16 und danach das Fließhilfsmittel oder zuerst das Fließhilfsmittel 18 und danach das Metallpulver 16 bereitzustellen. Weiterhin ist auch möglich, der Mischvorrichtung 6 das Metallpulver 16 und das Fließhilfsmittel 18 simultan bereitzustellen. Die Mischvorrichtung 6 ist dazu ausgebildet, das Metallpulver 16 und das Fließhilfsmittel 18 zu der hier homogenen Substanz 4 zu mischen.
  • Weiterhin zeigt 1 eine Fertigungsvorrichtung 20, der die Substanz 4 bereitzustellen und/oder zuzuführen ist. Die Fertigungseinrichtung 20 ist dazu ausgebildet, hier bei einem additiven Fertigungsverfahren die Substanz 4 in mindestens einer Schicht auf einem Träger aufzutragen. Nachdem eine Schicht der Substanz 4 auf dem Träger aufgetragen worden ist, wird die Substanz 4 bspw. mit einem Laser erhitzt, wobei sowohl das Metallpulver 16 als auch das Fließhilfsmittel 18 geschmolzen werden. Danach wird das Metallpulver 16 ausgehärtet und für ein herzustellendes Bauteil eine Schicht aus Metall bereitgestellt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 19905067 A1 [0003]
    • DE 60114453 T2 [0004]
    • DE 102004012682 A1 [0005]
    • EP 1459871 A2 [0006]

Claims (12)

  1. Substanz zum Herstellen eines Bauteils, die ein Gemisch aus einem Metallpulver (16) und einem Fließhilfsmittel (18) umfasst, wobei die Substanz (4) auf einen Träger aufzutragen und nach Auftrag auf den Träger durch Laserstrahlen zu schmelzen und das Metallpulver (16) zu dem Bauteil zu erstarren ist.
  2. Substanz nach Anspruch 1, bei der das Fließhilfsmittel (18) metalloxidische Partikel umfasst, die ein Oxid eines elementaren Metalls oder eines Übergangsmetalls aufweisen.
  3. Substanz nach Anspruch 1 oder 2, bei der das Fließhilfsmittel (18) metalloxidische Molekülverbindungen umfasst, die ein Oxid eines elementaren Metalls oder eines Übergangsmetalls aufweisen.
  4. Substanz nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei der das Fließhilfsmittel (18) hydrophob ist.
  5. Substanz nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei der das Fließhilfsmittel (18) ein Siloxan umfasst.
  6. Substanz nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei der das Fließhilfsmittel (18) ein Aluminiumoxid umfasst.
  7. Substanz nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei der ein Anteil des Fließhilfsmittels (18) bspw. ca. 0,1% maximal 5% beträgt.
  8. Substanz nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei der das Metallpulver (16) aus Aluminium, Stahl, Nickel oder Titan besteht.
  9. Substanz nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei der Partikel des Metallpulvers (16) eine Größe von 10 μm bis 200 μm aufweisen.
  10. Anordnung zum Herstellen einer Substanz (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, die eine Mischvorrichtung (6) umfasst, bei der die Mischvorrichtung (6) dazu ausgebildet ist, ein Metallpulver (16) und ein Fließhilfsmittel (18) miteinander zu mischen und dabei die Substanz (4) herzustellen.
  11. Anordnung nach Anspruch 10, die einen ersten Behälter (8) mit einer ersten Messvorrichtung (12) und einen zweiten Behälter (10) mit einer zweiten Messvorrichtung (14) umfasst, wobei in dem ersten Behälter (8) das Metallpulver (16) und in dem zweiten Behälter (10) das Fließhilfsmittel (18) bevorratet ist, wobei die erste Messvorrichtung (12) dazu ausgebildet ist, aus dem ersten Behälter (8) eine erste Menge an Metallpulver (16) abzumessen und der Mischvorrichtung (4) bereitzustellen, wobei die zweite Messvorrichtung (14) dazu ausgebildet ist, aus dem zweiten Behälter (10) eine zweite Menge an Fließhilfsmittel (18) abzumessen und der Mischvorrichtung (6) bereitzustellen.
  12. Verfahren zum Herstellen eines Bauteils, bei dem eine Substanz (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 auf einem Träger aufgetragen und nach Auftrag auf dem Träger mit Laserstrahlen geschmolzen und Metallpulver (16), das neben einem Fließhilfsmittel (18) als Bestandteil der Substanz (4) ausgebildet ist, zu dem Bauteil erstarrt wird.
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