DE102007059865A1

DE102007059865A1 - Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers durch schichtweises Aufbauen aus pulverförmigem, metallischen Werkstoff

Info

Publication number: DE102007059865A1
Application number: DE102007059865A
Authority: DE
Inventors: Robert Kirschner; Nicolai Skrynecki; Jochen Dr. Toepker; Bjoern Dr. Lorenz; Johann Dr. Hoegerl; Norbert Motog
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2007-12-12
Filing date: 2007-12-12
Publication date: 2009-06-18

Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers durch schichtweises Aufbauen aus pulverförmigem, metallischem Werkstoff, bei dem nacheinander mehrere Schichten übereinander aufgebracht werden, wobei jede Pulverschicht vor dem Aufbringen der nachfolgenden Pulverschicht mit einem Hochenergiestrahl in einem vorgegebenen Bereich über der gesamten Schichtdicke aufgeschmolzen wird, ist dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff zur Erzielung definierter Kennwerte in Abschnitten des Formkörpers lokal metallurgisch beeinflusst wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers durch schichtweises Aufbauen aus pulverförmigem, metallischem Werkstoff, bei dem nacheinander mehrere Schichten übereinander aufgebracht werden, wobei jede Pulverschicht vor dem Aufbringen der nachfolgenden Schicht mit einem Hochenergiestrahl in einem vorgegebenen Bereich über ihrer gesamten Schichtdicke vollständig aufgeschmolzen wird.
Ein solches Verfahren, das auch als selektives Laser(strahl)schmelzen bekannt ist, ist aus DE 196 49 865 C1 bekannt. Bei dem darin offenbarten Verfahren wird ein metallisches Werkstoffpulver, das als bindemittel- und flussmittelfreies metallisches Werkstoffpulver vorliegt, zur Bildung eines Pulverbetts auf einer Auflagefläche verteilt. Ein von einer Rechnersteuerung geführter Laserstrahl wird über diejenigen Bereiche des Pulverbetts geführt, die den Querschnitt des zu fertigenden Formteils darstellen. Hierbei wird das metallische Werkstoffpulver durch den Laserstrahl auf Schmelztemperatur erhitzt, wobei die Energie des Laserstrahls so ausgewählt wird, dass das metallische Werkstoffpulver an der Auftreffstelle des Laserstrahls über seine Schichtdicke vollständig aufgeschmolzen wird, so dass nach dem Erstarren des Werkstoffs eine zusammenhängende Schicht festen Materials gebildet wird. Nach dem Bearbeiten der ersten Pulverschicht auf dieser ersten Schicht eine zweite Schicht des metallischen Werkstoffpulvers verteilt. Dieses wird wiederum mittels des Laserstrahls bereichsweise aufgeschmolzen, wobei durch ein Anschmelzen der zuvor ausgehärteten Bereiche der ersten Schicht eine schmelztechnische Verbindung zwischen den beiden Schichten erzeugt wird. Durch Wiederholen dieser Prozessschritte wird die gewünschte Formteilgeometrie schichtweise aufgebaut.
Das selektive Laser(strahl)schmelzen unterscheidet sich von dem Prozess des selektiven Lasersinterns insbesondere dahingehend, dass bei dem letztgenannten Prozess das verwendete metallische Werkstoffpulver nicht vollständig aufgeschmolzen wird; vielmehr wird ein zweikomponentiges Metallpulver verwendet, das aus einer hochschmelzenden und einer niedrigschmelzenden Komponente besteht. Der Laserstrahl schmilzt die niedrigschmelzende Komponente auf, die als Bindematerial für die hochschmelzende Komponente dient. Es entsteht folglich eine metallische Matrix, wobei die Partikel der hochschmelzenden Komponente und der niedrigschmelzenden Komponente in einem Diffusionsprozess miteinander verbunden werden.
Der wesentliche Vorteil des selektiven Laser(strahl)schmelzens gegenüber dem selektiven Lasersintern ist, dass generativ Bauteile hergestellt werden können, die in ihrer Festigkeit und Dichte einem gegossenen Formteil annähernd entsprechen. Im Gegensatz dazu wird beim selektiven Lasersintern ein Formteil erzeugt, das aus einem relativ porösen Werkstoff besteht und das aufgrund der nur „klebenden" Verbindung der einzelnen Partikel untereinander lediglich eine geringe Festigkeit aufweist. Insbesondere aus diesem Grund wird das selektive Lasersintern nahezu ausschließlich zur Herstellung von Prototypen hergestellt, die keinen hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt werden.
Durch die homogene Werkstoffsstruktur der mittels des aus der DE 196 49 865 C1 bekannten Verfahrens hergestellten Formkörper können lokale Abschnitte des Formkörpers, die gegebenenfalls besonderen Anforderungen genügen müssen, lediglich durch eine entsprechende Dimensionierung an diese Anforderungen angepasst werden. Eine große Dimensionierung zur Kompensation von hohen Belastungen geht jedoch mit dem Nachteil eines hohen Gewichts einher.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das aus der DE 196 49 865 C1 bekannte Verfahren dahingehend zu verbessern, dass an bestimmte Anforderungen angepasste Formkörper hergestellt werden können, wobei eine wesentlichen Erhöhung des Formkörpergewichts vermieden werden soll.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Der Kern der Erfindung sieht vor, bei einem Verfahren der eingangs genannten Art, bei dem zur Herstellung eines Formkörpers durch ein schichtweises Aufbauen aus pulverförmigem, metallischem Werkstoff nacheinander mehrere Schichten übereinander aufgebracht werden, wobei jede Pulverschicht vor dem Aufbringen der nachfolgenden Pulverschicht mit einem Hochenergiestrahl in einem vorgegebenen Bereich über der gesamten Schichtdicke vollständig aufgeschmolzen wird, den Werkstoff zur Erzielung definierter Kennwerte in Abschnitten des Formkörpers lokal metallurgisch zu beeinflussen. Durch die lokale metallurgische Beeinflussung können die Werkstoffeigenschaften an entsprechenden Abschnitten des Formkörpers definiert eingestellt werden, um diese beispielsweise durch eine lokale Erhöhung der Werkstofffestigkeit an eine erhöhte Belastung anzupassen.
Als Hochenergiestrahl kann vorzugsweise ein Laserstrahl zum Einsatz kommen, wobei jedoch jegliche Arten von Hochenergiestrahlen, wie beispielsweise auch ein Elektronenstrahl verwendet werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Werkstoff lokal mittels einer Wärmeeinbringung nach dem Aufschmelzen beziehungsweise nach dem Verfestigen der Schmelze(nach)behandelt. Auf diese Weise kann eine lokale Vergütung des Werkstoffs erfolgen, mit dem Ziel beispielsweise die Härte, Zähigkeit oder Festigkeit des Werkstoffs gezielt zu beeinflussen. Ein weiterer wesentlicher Aspekt einer Wärmebeahndlung kann in der Vermeidung von Verzügen des Bauteils liegen; durch eine gezielte lokale Wärmebehandlung kann eine ungleichförmige Verteilung der Eigenspannungen im Bauteil, die insbesondere aus der lokal eingegrenzten thermischen Belastung beim Strahlschmelzen resultiert, reduziert bzw. durch Erzeugung von entgegen gesetzt gerichteten Eigenspannungen kompensiert werden.
Die Nachbehandlung mittels Wärmeeinbringung kann vorzugsweise mittels eines Infrarot-Strahlers (insbesondere für großflächige Anwendungen) oder auch einem nachlaufenden Hochenergiestrahl, insbesondere Laserstrahl (insbesondere bei hochschmelzenden Werkstoffen wie z. B. Wolfram) erfolgen.
Alternativ oder zusätzlich kann der Werkstoff dadurch lokal metallurgisch beeinflusst werden, dass der pulverförmige Werkstoff vorgewärmt wird. Die dadurch bewirkte Reduzierung der Temperaturdifferenz zwischen der Schmelze und dem übrigen Werkstoffpulver kann zu einer Reduzierung des Bauteilsverzugs führen. Ein Vorwärmen des pulverförmigen Werkstoffs ist zudem insbesondere dann vorteilhaft, wenn unterschiedliche Werkstoffe beim Strahlschmelzprozess zum Einsatz kommen, wobei diese Werkstoffe deutlich unterschiedliche Schmelztemperaturen aufweisen; in diesem Fall kann durch eine Vorwärmung des hochschmelzenden Werkstoffs die Menge der durch den Hochenergiestrahl einzubringenden Energie reduziert werden. Dadurch kann verhindert werden, dass es bereits zu einem unerwünschten Verdampfen des niedrigschmelzenden Werkstoffs kommt.
Eine weitere Möglichkeit zur lokalen metallurgischen Beeinflussung kann vorsehen, dass die Intensität und/oder der Durchmesser des Hochenergiestrahls verändert wird. Dadurch wird wiederum eine gezielte Beeinflussung der Aufheizung bzw. Abkühlung der einzelnen Abschnitte Abuteilabschnitte mit einer dadurch begründeten Veränderung der Werkstoffkennwerte beziehungsweise des Werkstoffverhaltens ermöglicht.
Eine weitere Möglichkeit zur lokalen metallurgischen Beeinflussung kann vorsehen, dass der Hochenergiestrahl wellenförmig oder kreisförmig (d. h. der Hochenergiestrahl wird in bestimmten Abständen in Bewegungsrichtung in einem kreisförmigen Bogen über einen bereits bearbeiteten Abschnitt des Bauteils geführt) verfahren wird. Dadurch kann insbesondere wiederum die Abkühlkurve und – durch das damit verbundene Schaffen gezielter Spannungszustände – die Werkstoffeigenschaften gezielt beeinflusst werden. Wird der Hochenergiestrahl hierbei über einen bereits erstartten Abschnitt des Bauteils geführt, kann auf diese Weise eine Reduzierung der Eigenspannung im Rahmen eines Anlassens des erstarten Werkstoffs dieses Abschnitts erreicht werden.
Eine weitere, bevorzugte Möglichkeit zur lokalen metallurgischen Beeinflussung kann vorsehen, dass der Werkstoff lokal gekühlt wird. Das Kühlen kann – je nach angestrebtem Erfolg der lokalen metallurgischen Beeinflussung – sowohl vor dem Aufschmelzen als auch danach erfolgen.
In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, eine Schutzgasatmosphäre, unter der der Herstellungsprozess abläuft, gezielt während des Herstellungsprozesses zu verändern. Beispielsweise kann durch ein definiertes Mischungsverhältnis von Helium und Argon als Schutzgase die Tiefe des Schmelzkegels, d. h. die Tiefe bis zu der eine oder mehrere unter der Pulverschicht liegende, erstarrte Schichten durch den Hochenergiestrahl wieder aufgeschmolzen werden, beeinflusst werden. Dies liegt in den unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeiten bei hohen Temperaturen dieser Gase begründet, so dass bei dem Auftreffen des Hochenergiestrahls unterschiedliche Wärmekonzentrationen erzeugt werden.
In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann vorsehen sein, den verwendeten Werkstoff während des Herstellungsprozesses zu ändern und/oder den Ausgangswerkstoff durch Hinzufügen eines Zusatzwerkstoff zu verändern. Beispielsweise kann durch ein Hinzufügen von Niob ein feinkörnigeres Gefüge des Bauteilwerkstoffs erzeugt werden, wodurch sich die Festigkeit des Bauteils erhöht. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht, diese Festigkeitssteigerung, die gleichzeitig mit einer Erhöhung der Dichte und damit des Bauteilgewichts einhergeht, lokal auf die Bereiche zu beschränken, an denen eine solche Festigkeitssteigerung notwendig ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
In den Zeichnungen zeigt:
1: ein mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens hergestelltes Bauteil,
2: ein idealisierter Temperaturverlauf im Schmelzbad zur Erzielung bestimmter Eigenschaften in dem Bauteil der 1 und
3: die Umsetzung des Temperaturverlaufs durch eine gezielte Führung eines Laserstrahls.
In der 1 ist ein Bauteil dargestellt, das mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt wurde. Der grundsätzliche Verfahrensablauf des hierbei zum Einsatz kommenden Laserstrahlschmelzens ist aus der DE 196 49 865 C1 bekannt. Der erfindungswesentliche Unterschied zu dem aus der DE 196 49 865 C1 bekannten Verfahren liegt darin, dass der pulverförmige Werkstoff zur Erzielung definierter Kennwerte in Abschnitten des Bauteils lokal metallurgisch beeinflusst wird. Auf diese Weise sollen in definierten Ab schnitten bestimmte Werkstoff- und/oder Bauteileigenschaften erzeugt werden.
Bei dem in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel, das ein Bauteil darstellt, das als Motorträgerelement in der Tragstruktur eines Kraftfahrzeugs zum Einsatz kommen soll, ist vorgesehen, die Streckgrenze des erstarrten Werkstoffs in Richtung des Pfeils 1 ansteigen zu lassen, um ein optimiertes Verformungsverhalten im Crashfall zu erhalten. Eine Beeinflussung der Streckgrenze (wie grundsätzlich der Zähigkeit bzw. Festigkeit) des Werkstoffs kann beispielsweise durch ein Nacherwärmen (z. B. mittels Infrarot und/oder Hochenergiestrahlung), durch eine Veränderung der Laserintensität, durch eine kreisförmige Bewegung des Laserstrahls, durch ein lokales Kühlen, durch eine Veränderung der Schutzgasatmosphäre (Helium statt Argon) und/oder durch ein Hinzufügen eines Zusatzwerkstoffs (z. B. mit einer Lanze) erfolgen.
Weiterhin sind an der Oberseite des Bauteils Bohrlöcher 4 zur Aufnahme von Verschraubungen vorgesehen, bei denen der Werkstoff randseitig während des Strahlschmelzprozesses derart beeinflusst wurde, dass sich eine höhere Festigkeit ergibt; hierdurch soll ein ungewolltes Ausreißen der Schraubverbindung verhindert werden. Hierzu wurde beispielsweise das Gefüge in diesem Bereich gezielt gehärtet. Dies kann beispielsweise durch ein lokales Kühlen des Werkstoffs erfolgen.
Das Motorträgerelement der 1 besteht im wesentlichen aus einem Längsträger 2 sowie einer Aufnahmeplatte 3, die jedoch einstückig mittels eines Strahlschmelzprozesses hergestellt wurden. Um eine gute Materialanbindung zwischen dem Längsträger 2 und der Aufnahmeplatte 3 zu erreichen wurde bei einer Bearbeitung des pulverförmigen Werkstoffs in diesem Bereich die Schutzgasatmosphäre gezielt verändert, um eine starke Materialverzahnung zu erhalten. Konkret wurde eine stoff- und formschlüssige Ver bindung erzeugt, d. h. eine aufgebrachte Schicht wurde in die darunter vorhandene Schicht verzahnt.
Die 2 zeigt einen idealisierten Temperaturverlauf (Temperatur T über der Zeit t) für das durch den Laser erzeugte Schmelzbad; durch einen solchen Temperaturverlauf soll erreicht werden, dass der erstarrte Werkstoff eine hohe Streckgrenze erreicht.
Eine Möglichkeit zur Erzeilung des Temperaturverlaufs der 2 ist in der 3 dargestellt. Durch ein schleifenförmiges Verfahren des Laserstrahls über das Werkstoffpulver kann ein Nacherwärmen des zuvor aufgeschmolzenen und teilweise wieder abgekühlten Werkstoffs erzielt werden. Der erneute Temperaturanstieg in dem Schmelzbad ist in der Kurve des Diagramms der 2 deutlich erkennbar. Der Temperaturverlauf in dem Schmelzbad des Werkstoffs kann bei dem schleifenförmigen Verfahren des Laserstrahls gemäß der 3 weiterhin dadurch beeinflusst werden, dass die Geschwindigkeit, mit der der Laserstrahl über den Werkstoff geführt wird, verändert wird. Dies ist in der 3 schematisch durch unterschiedliche Stricharten dargestellt. In den Abschnitten, die durch eine gestrichelte Linie dargestellt sind, ist die Verfahrgeschwindigkeit geringer als in den übrigen Abschnitten.
Weitere Beispiele zur erfindungsgemäß gezielten Veränderung der Werkstoff- und/oder Bauteileigenschaften sind im folgenden angegeben.
Eine hohe Maßhaltigkeit des Bauteils (d. h. eine Vermeidung von Verzügen) kann beispielsweise erreicht werden durch ein Nacherwärmen (z. B. mittels Infrarot und/oder Hochenergiestrahlung), durch ein Vorerwärmen des Pulvers (Austreiben von Wasser und Wasserstoff und dadurch Erhöhung der Fließfähigkeit des Pulvers), durch eine Veränderung der Laserintensität, durch eine kreisförmige Bewegung des Laserstrahls, durch ein lokales Kühlen.
Die Prozessgeschwindigkeit kann durch ein Nacherwärmen des Werkstoffs (z. B. mittels Infrarot und/oder Hochenergiestrahlung) beschleunigt werden.
Die lokalen Spannungen im Bauteil können gezielt beeinflusst werden durch ein Nacherwärmen (z. B. mittels Infrarot und/oder Hochenergiestrahlung), durch eine Veränderung der Laserintensität, durch eine kreisförmige Bewegung des Laserstrahls, durch ein lokales Kühlen, durch eine Veränderung der Schutzgasatmosphäre (z. B. Helium statt Argon) und/oder durch ein Hinzufügen eines Zusatzwerkstoffs (z. B. mit einer Lanze).
Eine gezielte Verdichtung des Gefüges kann erreicht werden durch ein Nacherwärmen (z. B. mittels Infrarot und/oder Hochenergiestrahlung), durch ein Vorerwärmen des Pulvers (Austreiben von Wasser und Wasserstoff und dadurch Erhöhung der Fließfähigkeit des Pulvers), durch eine Veränderung der Laserintensität, durch eine Veränderung der Schutzgasatmosphäre (z. B. Helium statt Argon) und/oder durch ein Hinzufügen eines Zusatzwerkstoffs (z. B. mit einer Lanze).
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19649865 C1 [0002, 0005, 0006, 0023, 0023]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers durch schichtweises Aufbauen aus pulverförmigem, metallischem Werkstoff, bei dem nacheinander mehrere Schichten übereinander aufgebracht werden, wobei jede Pulverschicht vor dem Aufbringen der nachfolgenden Pulverschicht mit einem Hochenergiestrahl in einem vorgegebenen Bereich über der gesamten Schichtdicke aufgeschmolzen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff zur Erzielung definierter Kennwerte in Abschnitten des Formkörpers lokal metallurgisch beeinflusst wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff mittels Wärmeeinbringung nachbehandelt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme mittels eines Infrarot-Strahler eingebracht wird.
Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme mittels eines nachlaufenden Hochenergiestrahls eingebracht wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der pulverförmige Werkstoff vorgewärmt wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität und/oder der Durchmesser des Hochenergiestrahls verändert wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochenergiestrahl wellenförmig verfahren wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff lokal gekühlt wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schutzgasatmosphäre während des Herstellprozesses verändert wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der verwendete Werkstoff während des Herstellprozesses geändert wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff während des Herstellprozesses durch Hinzufügen eines Zusatzwerkstoffs verändert wird.