DE102004053865A1

DE102004053865A1 - Verfahren zum Herstellen von Metallbauteilen

Info

Publication number: DE102004053865A1
Application number: DE102004053865A
Authority: DE
Inventors: Norbert Dr. Hort; Karl Ulrich Prof. Kainer
Original assignee: GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Current assignee: GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Priority date: 2004-11-04
Filing date: 2004-11-04
Publication date: 2006-05-24
Also published as: WO2006048076A1; EP1807550A1

Abstract

Die Erfindung offenbart ein Verfahren zum Herstellen von Metallbauteilen. Um diese Bauteile durch Rapid Prototyping herstellen zu können, wird vorgeschlagen, daß ein Metallhydrid eines Metalls der ersten oder/und zweiten Hauptgruppe oder/und einer Nebengruppe des Periodensystems der Elemente in einer kontrollierten Atmosphäre durch Energieeintrag zersetzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Metallbauteilen.

Beispielsweise sind zur Herstellung von Bauteilen aus Metall schmelzmetallurgische Verfahren bekannt. Problematisch ist bei einigen Metallen hierbei, die besonders exotherm reagieren, daß die Metallschmelze mit den Formenwerkstoffen reagiert. Dieses gilt insbesondere für Formsande und gipsbasierte Formenwerkstoffe. Bei diesen Formenstoffen kommt es zu Oberflächenreaktionen und damit verbunden zu rauhen Oberflächen. Diese starken Reaktionen können Bauteile, Formen und auch Gießanlagen zerstören. Polymere Formenstoffe lassen sich wegen ihrer Zersetzungstemperaturen nicht einsetzen. Ein Metall, bei dem dies besonders problematisch ist, ist Magnesium.

Hingegen ist der Einsatz von Stahlformen meistens problemlos möglich. Diese reagieren nicht mit der Metall schmelze und zeichnen sich durch eine hohe Temperaturstabilität aus. Sie sind allerdings gänzlich ungeeignet, will man Einzelteile oder Kleinserien oder gar Prototypen herstellen. Bei Prototypen ist es erwünscht, die mit der Fertigung verbundenen Kosten gering zu halten. Auch erfordern die Formen einen hohen Zeitaufwand, der ein schnelles Herstellen unterschiedlichster Prototypen für Testzwecke verhindert.

Diese Kosten und den damit verbundenen Zeitaufwand versucht man mit dem sogenannten Rapid Prototyping zu umgehen. Hierbei handelt es sich um ein Verfahren zur schnellen Erstellung von Prototypen beispielsweise aus einem 3D-CAD-Datenmodell.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, durch das sich Metallbauteile aus besonders exotherm reagierenden Metallen durch Rapid Prototyping herstellen lassen.

Gelöst wird die Aufgabe gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch, daß ein Metallhydrid eines Metalls der ersten oder/und zweiten Hauptgruppe oder/und einer Nebengruppe des Periodensystems der Elemente in einer kontrollierten Atmosphäre durch Energieeintrag zersetzt wird.

Durch das Zersetzen zerfällt das Metallhydrid in reines Metall und Wasserstoff, welcher entweicht und optional aufgefangen werden kann. Das so entstehende reine Metall sintert durch den Energieeintrag in der kontrollierten Atmosphäre zu einem Metallbauteil. Die kontrollierte Atmosphäre verhindert das Entstehen von Metalloxid an der Oberfläche des Metallpulvers.

Vorteilhafterweise handelt es sich bei der kontrollierten Atmosphäre um ein Vakuum oder eine Schutzgasatmosphäre. Als Schutzgas wird hierbei ein Inertgas besonders bevorzugt.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Metallhydrid durch den Energieeintrag erwärmt wird. Durch die Erwärmung wird die Zersetzung herbeigeführt. Erfindungsgemäß geschieht dieses vorteilhafterweise, wenn die Erwärmung auf oder über die Zersetzungstemperatur des Metallhydrids erfolgt.

Bei einem besonders bevorzugten Metall handelt es sich um Magnesium. Bei diesem Metall erfolgt die Erwärmung bevorzugt auf oder über eine Temperatur von 300 °C.

Ein alternatives bevorzugtes Metall stellt Titan dar. Bei diesem Metall erfolgt die Erwärmung bevorzugt auf oder über eine Temperatur von 400 °C.

Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, daß das Metallhydrid mit einem Zuschlag versehen wird. Durch den Zuschlag lassen sich spezifische Eigenschaften des Metallteils einstellen und auch erforderliche Energiemenge und Energieeintragsdauer beeinflussen. Bei dem Zuschlag handelt es sich vorzugsweise um Metallpulver, Keramikpulver, pulverförmiges Silizium, pulverförmiger Kohlenstoff und/oder Füllstoffe. Zuschläge aus Kohlenstoff, Kohlenstoff und Silizium und/oder SiC weisen bei bestimmten Arten des Energieeintrags positive Eigenschaften hinsichtlich einer Temperaturerhöhung innerhalb des Materials auf. Als Metallpulver läßt sich insbesondere Aluminiumpulver einsetzen. Die Mischungsverhältnisse und eingesetzten spezifischen Zuschlagselemente bzw. Keramiken hängen von der gewählten Anwendung des Metallteils ab. Weiterhin hängt die Auswahl, welcher Zuschlag zugegeben wird, von der Art des Energieeintrags ab.

Bei einer noch anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt der Energieeintrag durch hochenergetische Strahlen. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um Elektronenstrahlen und/oder Laserstrahlen. Eine weitere vorteilhafte Art des Energieeintrags ist der Energieeintrag durch Mikrowellen. Alle diese Arten des Energieeintrags bewirken einen gesteuerten dosierten abschnittsweisen Energieeintrag, so daß das Metallbauteil exakt nach Vorgabe aufgebaut werden kann. C, C + Si und SiC interagieren dabei mit den Mikrowellen derart, daß es zu einer zusätzlichen Hitzeentwicklung kommt, welche das Sintern unterstützt. Zumischungen insbesondere von A1 verringern die Schmelztemperatur durch Ausbilden von eutektischen Phasen. Dadurch wird zusätzlich der Aufbau von Sinterhälsen unterstützt.

Das zuvor beschriebene Verfahren ist geeignet, wie angestrebt, Prototypen aus Titan oder Magnesium herzustellen.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die nachfolgenden schematischen Zeichnungen anhand eines Ausführungsbeispiels im einzelnen beschrieben. Darin zeigen
1 eine erste Anordnung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
2 eine zweite Anordnung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In einer Kammer 1 wird durch geeignete Mittel (nicht dargestellt) eine kontrollierte Atmosphäre 2 eingestellt. Bei der kontrollierten Atmosphäre kann es sich dabei um eine Schutzgasatmosphäre, beispielsweise aus Intergas oder um ein Vakuum, handeln.
Auf dem Boden der Kammer 1 soll ein Metallbauteil hergestellt werden. Dafür wird ein pulverförmiges Rohmaterial 4 auf die Oberfläche des Bodens der Kammer 1 aufgebracht und mittels einer Energiequelle 5, 7 gesintert. Auf diesen bereits fertiggestellten Bauteilabschnitt 3 wird weiteres pulverförmiges Rohmaterial 4 aufgebracht. Dieses wird wiederholt, bis das Bauteil fertig hergestellt ist.
In 1 wird das Rohmaterial 4 durch einen von einem Laser 5 erzeugten Laserstrahl 9 gesintert. Der Laserstahl 9 wird dabei über ein Steuerelement 6 so über das Rohmaterial abgelenkt, daß es in gewünschter Art und Weise und in gewünschter Reihenfolge gesintert wird. In 1 sind dabei bereits gesinterte Bauteilabschnitte 3a dargestellt. Durch Weglassen von Rohmaterial 4 wird deutlich, daß ein selektives Anordnen von Bauteilabschnitten 3a ohne weiteres möglich ist. Zwischen den Bauteilabschnitten 3a befindet sich ein Freiraum 3b. Wird in diesen Freiraum ein Material eingebracht, welches durch den Energieeintrag nicht verändert wird und welches mit dem Rohmaterial während des Sinterns nicht reagiert, so ist es im nächsten Bauabschnitt möglich, den Freiraum 3 mit einem weiteren Bauteilabschnitt 3b zu überdecken.
Aus 2 ist erkennbar, daß eine freie Formgebung des Bauteils 3 ohne weiteres möglich ist. In 2 wird das Rohmaterial 4 durch den Eintrag von Mikrowellen 8, die von einer Mikrowellenquelle 7 erzeugt werden, vollflächig gesintert. Ein abschnittsweises Sintern ist allerdings beispielsweise durch den Einsatz von Abdeckungen wie Lochmasken (nicht dargestellt) möglich. Sollen Bau teile gesintert werden, bei denen die Schüttwinkel des Rohmaterials 4 ein Problem darstellen, so können Begrenzungsformen (nicht dargestellt) eingesetzt werden. Alternativ kann das Rohmaterial 4 mit einem Zuschlagsstoff versehen werden, welches den Schüttwinkel verändert. Dieses kann beispielsweise durch klebende Eigenschaften des Zuschlags hinsichtlich der Rohmaterialpartikel erreicht werden.
Bei der Verwendung von Mg-Hydrid muß der hochenergetische Strahl das Pulver auf eine Temperatur oberhalb von 300 °C aufheizen, um dieses zu zersetzen. Im Fall von reinem Mg-Hydrid wandelt sich das Hydrid im Wirkungsbereich des Strahls in Mg und H₂ um. Das Mg verbindet sich unmittelbar zu einer Struktur. Zur Ausbildung von ersten Sinterhälsen sind nur geringe Reaktionszeiten von einigen Sekunden notwendig. Es bilden sich Verbindungen, die besonders stabil sind, wenn Temperaturen mindestens von 80% der Schmelztemperatur erreicht werden. Der Druck innerhalb der Lasersinteranlage liegt bei mindestens 370 Pa oder mehr, damit ein Abdampfen des Mg, wenn es in flüssiger Form vorliegt, vermieden wird.
Bei einer Mischung von Al-Pulver und Mg-Hydrid entsteht ebenfalls reines Mg und kann sich unter Strahleinwirkung mit dem Al mischen, wenn es in flüssiger Form vorliegt. Damit muß zunächst eine Temperatur von 650 °C (Schmelztemperatur von Mg) überschritten werden. Es entsteht an den Reaktionsflächen die intermetallische Verbindung Mg₁₇Al₁₂ mit einem Schmelzpunkt von 437 °C. Damit ist zugleich eine Verdichtung unter Strahleinwirkung verbunden. Die Zugabe von Al soll 15 Gew.-% nicht übersteigen. Die Strahldauer liegt im Bereich einiger Sekunden und kann nach Belieben verlängert werden. Auch in diesem Fall sollen 370 Pa Druck nicht unterschritten werden, um ein Abdampfen des Mg zu vermeiden, wenn es in flüssiger Form vorliegt.
Es können weitere Elemente verwendet werden, die eutektische Systeme zusammen mit Mg bilden oder auch intermetallische Verbindungen, die ebenfalls zusammen mit Mg in eutektischen Systemen auftreten. Dazu gehören u.a. Sn, Ni, Zn.
Die Zugabe eines Elementes wie Si hat die Entstehung der intermetallischen Phase Mg₂Si zur Folge, die jedoch erst entstehen kann, wenn Mg als flüssige Phase vorliegt. Dann wird durch die exotherme Bildungsreaktion Mg + 2 Si → Mg2Si weitere Reaktionswärme zur Verfügung gestellt, um eine zusätzliche Verdichtung zu erreichen. Maximale Zugaben von Si sollen 25 Gew.-% (66,57 Vol.-%) nicht überschreiten.
Neben binären System kommen auch ternäre, quaternäre Systeme wie auch Systeme höherer Ordnung in Frage. Die Zusammensetzungen bewegen sich innerhalb derer von bekannten Mg-Legierungen.
Beim Einsatz von Titanhydrid sollte ein Druck von 0,5 Pa sollte nicht unterschritten werden. Auch in diesem Fall sollte eine Temperatur von ca. 80% der Schmelztemperatur von Ti erreicht werden, um annähernd stabile Verbindungen entstehen zu lassen.
Als Zugaben eignen sich die schon bekannten Legierungselemente für Titanlegierungen.
Es entsteht Ti₆Al₄V bei einer Zusammensetzung von 6 Gew.% Al, 4 Gew.% V und 90 Gew.% Ti. Auch hier tritt eine Schmelzpunkterniedrigung durch Zugabe von Legierungselementen auf.
Aufgrund des Anteils an Mg/Ti und der durch die Reaktion verursachten Volumenverringerung kommt es jedoch zunächst zur Entstehung einer porösen Struktur, die jedoch bereits die Abmessungen des zu fertigenden Bauteiles hat. Um eine dichte Struktur zu erhalten, sind unterschiedliche Verfahrensweisen denkbar:

1. Tränken mit einem geeigneten Material, das im Fall von reinem Mg einen Schmelzpunkt von weniger als 650 °C aufweist bzw. bei Ti dessen Schmelztemperatur nicht überschreitet.
2. Dichtsintern in reduzierender Atmosphäre
3. Erhöhung der Strahlenergie, um festere Sinterhälse oder ein Dichtsintern bereits während der Herstellung der Bauteile zu gewährleisten.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann in verschiedenen Bereichen der Automobilindustrie, des Maschinenbaus, der Elektronik und auch der Medizintechnik eingesetzt werden. Ziel ist die Herstellung von Bauteilen, die eine erste Einschätzung zum Beispiel der Handhabung eines Bauteiles erlauben. Es läßt sich bspw. ein 3-D-Bauteil eines elektronischen Gerätes herstellen, das in den Endabmessungen und dem Gewicht dem zukünftig zu produzierenden Gerät entspricht. Es kann somit als Demonstrator auf Messen und bei Vorführung bei Kunden dienen. Vergleichbar ist die Herstellung von Bauteilen z.B. für einen Motor. Neben dem reinen Anschauungsmodell lasen sich bei geeigneter Auswahl der Ausgangswerkstoffe auch Funktionsmodelle erzeugen, welche die zukünftige Funktion für einen gewissen Zeitraum übernehmen kann. Auf diese Weise lassen sich erste Informationen hinsichtlich der Performance sammeln. Im Bereich medizinischer Anwendungen ist es denkbar, Bauteile zu erzeugen, die spezifisch an die Physiologie eines bestimmten Menschen angepaßt sind. Dies gilt z. B. für Prothesen. Anders als bei Prototypen handelt es sich hier jedoch um die Endfertigung eines Bauteils für den langfristigen Einsatz.
Die Größe des zu fertigenden Bauteiles wird im wesentlichen von der Größe des Gerätes bestimmt, mit dem die Fertigung durchgeführt wird. Hinsichtlich der kleinsten Abmessungen spielen sowohl die Korngröße der pulverförmigen Ausgangswerkstoffe eine Rolle, wie auch der Fokus, wenn die Fertigung z.B. unter Zuhilfenahme eines Lasers oder einer anderen Strahlenquelle erfolgt.
Welches Bauteil oder Muster erzeugt wird, wird im wesentlichen durch die Kombination von Kosten und der zur Verfügung stehenden Zeit bestimmt, wie auch von der Stückzahl, die vorab produziert werden soll. In jedem Fall können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren innerhalb von Stunden bzw. Tagen funktionsfähige Muster oder Bauteile produziert werden. Die Kosten sind dabei in der Regel deutlich geringer als im Modell- und Formenbau.

1: Kammer
2: kontrollierte Atmosphäre
3: Bauteilabschnitt, gesintert
3a: Bauteilabschnitt, gesintert
3b: Freiraum
4: Rohmaterial, pulverförmig
5: Laser
6: Steuerelement
7: Mikrowellenquelle
8: Mikrowellen
9: Laserstrahl

Claims

Verfahren zum Herstellen von Metallbauteilen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Metallhydrid eines Metalls der ersten oder/und zweiten Hauptgruppe oder/und einer Nebengruppe des Periodensystems der Elemente in einer kontrollierten Atmosphäre durch Energieeintrag zersetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallhydrid durch den Energieeintrag erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung auf oder über eine Zersetzungstemperatur des Metallhydrids hinaus erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei einem Metall der zweiten Hauptgruppe um Magnesium handelt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung auf im Bereich von 300°C erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei einem Metall einer der Nebengruppen um Titan handelt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung auf im Bereich von 400°C erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallhydrid mit einem Zuschlag versehen wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Zuschlag Metallpulver eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Zuschlag Aluminiumpulver eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Zuschlag Keramikpulver eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Zuschlag pulverförmiger Kohlenstoff eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß als Zuschlag pulverförmiges Silizium eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß als Zuschlag ein Füllstoff eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugabe eines Zuschlags in Abhängigkeit der Art des Energieeintrags erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Energieeintrag durch hochenergetische Strahlen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Energieeintrag durch Elektronenstrahlen und/oder Laserstrahlen erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Energieeintrag durch Mikrowellen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Einsatz von Mikrowellen dem Metallhydrid als Zuschlag Kohlenstoff; Silizium und/oder SiC zugesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß als kontrollierte Atmosphäre eine Schutzgasatmosphäre eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schutzgasatmosphäre aus Inertgas eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß als kontrollierte Atmosphäre ein Vakuum eingesetzt wird.
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 22 zum Herstellen von Prototypen aus Magnesium.
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 22 zum Herstellen von Prototypen aus Titan.