DE102007058976A1 - Process to fabricate a metal form component by laser build-up of low carbon metal powder lasers - Google Patents
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Abstract
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.The The invention relates to a method for producing a shaped body by layered build up of powdered, metallic Material in which successively applied several layers one above the other with each powder layer before applying the following Layer with a high energy beam in a given area over their entire layer thickness completely melted becomes.
Ein
solches Verfahren, das auch als selektives Laser(strahl)schmelzen
bekannt ist, ist aus
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.The Selective laser (jet) melting differs from the process of selective laser sintering in particular in that the latter process, the metallic material powder used not completely melted; rather, it becomes one used two-component metal powder, which consists of a refractory and a low melting component. The laser beam melts the low melting point component used as the binding material for the refractory component is used. It therefore creates a metallic matrix, wherein the particles of the refractory component and the low-melting component in a diffusion process be connected to each other.
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.Of the significant advantage of selective laser (jet) melting opposite the selective laser sintering is that generative components are produced which are cast in their strength and density Approximate shape match. In contrast, will produced during selective laser sintering a molding, which consists of a is relatively porous material and that due to the only "sticky" connection of the individual particles with each other only has a low strength. In particular from this Reason is the selective laser sintering almost exclusively manufactured for the production of prototypes that do not require high mechanical Be exposed to stress.
Bisher
wurden mit dem aus der
Konkret
offenbart die
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, die Kosten für die Herstellung eines Formteils mittels des als Strahlschmelzens bekannten generativen Fertigungsverfahrens zu senken.outgoing From this prior art, the invention is therefore the task underlying the cost of producing a molded part by means of the generative manufacturing process known as jet melting to lower.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.These The object is achieved by the subject matter of the independent patent claim solved. Advantageous embodiments are the subject the dependent claims.
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 die gesamte Schichtdicke vollständig aufgeschmolzen wird, einen Eisenwerkstoff zu verarbeiten, dessen Kohlenstoffanteil einen Wert von 0,15 Gew.-% nicht wesentlich übersteigt. Durch den Einsatz eines solchen Eisenwerkstoffs als Basiswerkstoff für das gattungsgemäße Strahlschmelzen können die Werkstoffkosten und daraus folgend die Herstellungskosten für den Formkörper entscheidend gesenkt werden. Durch die erfindungsgemäße Einschränkung des Kohlenstoffanteils kann jedoch eine ausreichende Verarbeitbarkeit des Werkstoffs in einem Strahlschmelzprozess sichergestellt werden.Of the Core of the invention provides, in a method of the aforementioned Art, in which for producing a shaped body by a layered build up of powdered, metallic material successively applied several layers one above the other with each powder layer before applying the following Powder layer with a high energy beam in a given range over the entire layer thickness is completely melted, to process a ferrous material, the carbon content of a Value of 0.15 wt .-% does not significantly exceed. By the use of such an iron material as a base material for the generic beam melting can the material costs and, consequently, the production costs for the moldings are lowered decisively. By the invention Restriction of the carbon content can, however, a sufficient Processability of the material ensured in a beam melting process become.
Als in diesem Punkt besonders vorteilhaft hat sich ein Anteil des Kohlenstoffs von maximal 0,03 Gew.-% und insbesondere von 0,015 Gew.-% herausgestellt.A proportion of the carbon of not more than 0.03% by weight and in particular of 0.015% by weight has proven to be particularly advantageous in this respect issued.
Als Hochenergiestrahl kann vorzugsweise ein Laserstrahl zum Einsatz kommen, wobei jedoch jegliche Arten von Hochenergiestrahlen, wie beispielsweise Elektronenstrahlen verwendet werden können.When High energy beam may preferably be a laser beam used come, however, whereby any kinds of high-energy beams, such as For example, electron beams can be used.
Um – je nach Verwendungszweck – auch mit erfindungsgemäßen Eisenwerkstoffen als Basiswerkstoff ausreichende mechanische Kennwerte, wie z. B. Festigkeit, erhalten zu können, kann in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen sein, den Eisenwerkstoff mit zumindest einem zweiten Werkstoff, der vorzugsweise ebenfalls als Pulver vorliegen kann, zu vermischen. Ein solcher Zusatzwerkstoff kann beispielsweise zu einer Kristallisationskeimbildung während des Strahlschmelzprozesses genutzt werden. Das Mischen kann zu einem beliebigen Zeitpunkt während des Prozesses erfolgen; insbesondere kann der Eisenwerkstoff bereits vor dem Aufschmelzen mit dem zweiten Werkstoff vermischt werden. Ebenso ist ein Zumischen in den geschmolzenen Eisenwerkstoff möglich. Der zweite Werkstoff kann auch agglomeriert am Eisenwerkstoff vorliegen. Auf diese Weise kann ein Entmischen des Pulvers vor dem Entstehen des Schmelzbads verhindert werden.Um - ever according to purpose - even with inventive Ferrous materials as base material sufficient mechanical characteristics, such as z. B. strength to receive, can in a preferred Be provided embodiment, the iron material with at least one second material, preferably also as Powder may be present, to mix. Such a filler material can for example, to a nucleation during be used of the beam melting process. The mixing can become one any time during the process; especially the ferrous material can already with the second before melting Material are mixed. Likewise, an admixture in the molten Iron material possible. The second material can also agglomerated on the iron material. This way you can Dismantling of the powder prevents the formation of the molten bath become.
Das zweite Pulver kann vorteilhafterweise auf Basis von technischen Keramiken (z. B. Siliziumoxid, -karbid) und/oder sonstigen Siliziumverbindungen, Diamant-, Niob und/oder Bor (insbesondere zur Einstellung der Zähigkeit, Festigkeit und Durchhärtbarkeit des Bauteils) sein. Durch das gezielte Verschmelzen des Eisenwerkstoffs sowie des zweiten Werkstoffs können gezielt Werkstoffeigenschaften sowie Gefüge- und Oberflächenstrukturen verändert beziehungsweise erzeugt werden, indem der Werkstoff des zweiten Pulvers in Form von Kristallisationskeimen in den niedriglegierten Eisenwerkstoff eingebracht wird.The second powder may advantageously be based on technical Ceramics (eg silicon oxide, carbide) and / or other silicon compounds, Diamond, niobium and / or boron (especially to adjust the toughness, Strength and through-hardenability of the component). By the targeted fusion of the ferrous material and the second material can specifically target material properties as well as structural and surface structures changed or be produced by the material of the second powder in the form of crystallization seeds in the low-alloy ferrous material is introduced.
Bei dem zweiten oder den weiteren Werkstoffen kann es sich jedoch auch um einen metallischen Werkstoff, beispielsweise Stahlpulver handeln. In diesem Fall können die Werkstoffeigenschaften des herzustellenden Formkör pers beispielsweise durch definierte Misch- und/oder Größenverhältnisse der Werkstoffe beeinflusst werden.at However, the second or the further materials can also be to act a metallic material, such as steel powder. In In this case, the material properties of the produced Formkör pers example by defined mixing and / or Size ratios of materials influenced become.
Für eine Variation einer Pulverzusammensetzung können beispielsweise die (unterschiedlichen) magnetischen Eigenschaften der einzelnen Komponenten ausgenutzt werden. Durch ein entsprechendes Anlegen eines magnetischen Felds können die unterschiedlich magnetischen Werkstoffe gezielt gemischt oder entmischt werden.For For example, a variation of a powder composition the (different) magnetic properties of the individual components be exploited. By a corresponding application of a magnetic Felds can target the different magnetic materials mixed or demixed.
Zur Herstellung einer Pulvermischung aus den Werkstoffen kann weiterhin zunächst das zweite Pulver verdöst, dass heißt in einem Gasstrom verteilt werden, um daraufhin in einem zweiten Verdüsungsprozess mit dem Eisenwerkstoff vermischt zu werden. Auf diese Weise kann eine besonders homogene Vermischung der Pulver erzielt werden.to Production of a powder mixture of the materials can continue First, the second powder is dissolved, that is be distributed in a gas stream to then in a second Atomization process to be mixed with the iron material. In this way, a particularly homogeneous mixing of the powder be achieved.
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