DE102009018762B4

DE102009018762B4 - Verfahren zum Herstellen eines metallischen Verbundwerkstoffs mit Kohlenstoffnanoröhren sowie eines endformnahen Bauteils aus diesem Verbundwerkstoff

Info

Publication number: DE102009018762B4
Application number: DE102009018762A
Authority: DE
Inventors: Erhard 85117 Brandl; Blanka Dr. 85579 Lenczowski
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2009-04-27
Filing date: 2009-04-27
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2029-04-28
Also published as: DE102009018762A1

Abstract

Verfahren zum Herstellen eines metallischen Verbundwerkstoffs (1, 17) mit eingebetteten Kohlenstoffnanoröhren (10), das folgende Schritte aufweist, – Richten eines Energiestrahls (6) auf eine aufzubauende Oberfläche (5), auf der ein drahtförmiger erster Ausgangswerkstoff (4) aus Metall (9) und Kohlenstoffnanoröhren (10) bereitgestellt wird, wobei ein geschmolzener Bereich (7) aus dem ersten Ausgangswerkstoff (4) auf der aufzubauenden Oberfläche (5) mit dem Energiestrahl (6) erzeugt wird, – Definiertes Führen des Energiestrahls (6) über der aufzubauenden Oberfläche (5), wobei eine Schicht (2) des metallischen Verbundwerkstoffs (1, 17) mit eingebetteten Kohlenstoffnanoröhren (10) hergestellt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines metallischen Verbundwerkstoffs mit Kohlenstoffnanoröhren sowie ein Verfahren zum Herstellen eines endformnahen Bauteils aus diesem Verbundwerkstoff.
Faserverstärkte Verbundwerkstoffe weisen eine Matrix aus einem Grundmaterial auf, in der Fasern eingebettet sind. Die Faser können aus Glas oder Kohlenstoff und die Matrix kann aus einem Metall, einer Legierung oder einem Kunststoff bestehen.
Ein faserverstärkter Verbundwerkstoff weist gegenüber dem reinen Grundmaterial eine erhöhte mechanische Festigkeit und eventuell ein niedriges Gewicht auf. Folglich sind faserverstärkte Verbundwerkstoffe von Vorteil bei Anwendungen, wie dem Flugzeugbau, bei denen eine Gewichtseinsparung wichtig ist.
Das Weiterbearbeiten faserverstärkter Verbundwerkstoffe, beispielsweise zum Herstellen eines Halbzeugs aus faserverstärktem Verbundwerkstoff, kann zum Zerstören von Fasern führen, wenn zum Beispiel der Verbundwerkstoff spanend bearbeitet oder verschweißt wird. Dieses Zerstören von Fasern hat den Nachteil, dass die mechanischen Eigenschaften des Verbundwerkstoffs lokal beeinträchtigt werden können.
Die US 6,495,116 B1 offenbart ein Verfahren, bei dem ein Verbund aus einer Metallmatrix und Kohlenstoffnanoröhren mit einem generativen Herstellungsverfahren schichtweise aufgebaut wird. Die Kohlenstoffnanoröhren sehen eine Art von Faserverstärkung vor.
Generative Verfahren sind Herstellungsverfahren, bei denen ein Bauteil lagenweise durch das gezielte Schmelzen eines Vorproduktes (z. B. Pulver oder Draht) ohne „Umwege”, d. h. ohne weitere thermo-mechanische Prozessschritte, und endkonturnah aufgebaut wird.
Diese generativen Herstellungsverfahren zur direkten Bauteilgenerierung können Pulverbett-, Pulverdüse-, drahtdüsebasiert oder anderweitig basiert sein und sind in der Fachwelt unter einer Vielzahl von Namen bzw. Bezeichnungen bekannt, beispielsweise „Direct Metal Laser Sintering” (DMLS), „Lasercusing”, „Selective Laser Melting (SLM)”, „Electron Beam Freeform Fabrication EBFFF”, „Laser consolidation (LC)”, „Laser cladding” , „3DWire”, „Controlled Metal Buildup (CMB)” oder selektives Lasersintern (SLS), und werden ganz allgemein auch als „Rapid-Prototyping”, „Rapid Manufacturing” oder „Additive Layer Manufacturing (ALM)” bezeichnet. Bei der vorliegenden Erfindung werden bevorzugt Pulverbett-, Pulverdüse- und Drahdüse-Verfahren verwendet.
Den oben genannten generativen Herstellungsverfahren ist gemein, dass ein Ausgangswerkstoff durch eine Wärmequelle (z. B. einem Laser- oder einem Elektronenstrahl oder Lichtbogen) lokal aufgeschmolzen wird und sofort danach wieder erstarrt. So wird inkrementell, die 3-dimensionale Bauteilgeometrie mehr oder minder Punkt für Punkt bzw. Schritt für Schritt schichtweise bzw. lagenweise aufgebaut.
Die WO 2009/010297 A1 und die EP 1 918 249 A1 offenbaren jeweils ein Verfahren zum Verarbeiten eines Compositwerkstoffs in Partikel- oder Pulverform. Ein Metall in Lagen ist abwechslungsweise mit Lagen aus Kohlenstoffnanoröhren geschichtet. Der Werkstoff wird durch mechanisches Legieren, d. h. durch wiederholte Deformation, Brechen und Schweißen von Metallpartikeln und Kohlenstoffnanoröhren-Partikeln hergestellt. Der Compsitwerkstoff der WO 2009/010297 A1 kann mit einer Aluminiumlegierung in einem Ospray-Prozess legiert werden.
Die WO 2009/006663 A2 offenbart einen Verbundwerkstoff, der zumindest einen Werkstoff mit Kohlenstoffnanostruktur und einen weiteren Werkstoff aufweist. Der Kohlenstoffnanowerkstoff umfasst zumindest bereichsweise eine an der Oberfläche des Kohlenstoffnanowerkstoffs ausgebildete Karbidschicht. Der weitere Werkstoff umfasst eine an der Karbidschicht wenigstens bereichsweise anhaftende Metallsicht und/oder Metalllegierungsschicht.
Im Verfahren gemäß Druckschrift US 6,495,116 B1 werden die Kohlenstoffnanoröhren direkt in der Matrix erzeugt. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass ein Strukturbauteil mit endformnahen Maßen aus einem faserverstärkten Verbundwerkstoff hergestellt werden kann, so dass das Weiterbearbeiten des Verbundwerkstoffs und ein Zerstören der Fasern vermieden wird. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass das Erzeugen der Kohlenstoffnanoröhren in der Matrix nicht einfach ist und sowohl technisch als auch finanziell sehr aufwendig ist.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein einfacheres Verfahren zum Herstellen eines Verbundwerkstoffs sowie zum Herstellen eines endformnahen Bauteils aus einem Verbundwerkstoff anzugeben.
Gelöst wird dies durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche.
Erfindungsgemäß weist ein Verfahren zum Herstellen eines metallischen Verbundwerkstoffs folgende Schritte auf. Ein Energiestrahl wird auf eine aufzubauende Oberfläche gerichtet, auf der ein drahtförmiger erster Ausgangswerkstoff aus einem niedrigschmelzeden Material (z. B. metallische Legierung) und höherschmelzenden Kohlenstoffnanoröhren bereitgestellt wird. Ein geschmolzener Bereich wird aus Matrixmaterial auf der aufzubauenden Oberfläche mit dem Energiestrahl erzeugt. Der Energiestrahl und der drahtförmige erste Ausgangswerkstoff werden über der aufzubauenden Oberfläche definiert geführt, wobei eine Schicht eines metallischen Verbundwerkstoffs mit eingebetteten Kohlenstoffnanoröhren aus dem ersten Ausgangswerkstoff hergestellt wird.
Der Verbundwerkstoff weist somit eine metallische Matrix auf, in der die Kohlenstoffnanoröhren eingebettet sind, wobei die Kohlenstoffnanoröhren eine faserartige mechanische Verstärkung der Matrix bewirken. Die Kohlenstoffnanoröhren weisen eine Schmelztemperatur auf, die oberhalb der Schmelztemperatur des Metalls liegt. Folglich werden die Kohlenstoffnanoröhren in einer Matrix aus dem wieder erstarrten Metall eingebettet.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass der Verbundwerkstoff aus einem geschmolzenen und wieder erstarrten Ausgangswerkstoff, der selbst Kohlenstoffnanoröhren aufweist, erzeugt wird. Die Kohlenstoffnanoröhren werden vorher hergestellt und folglich können kommerziell erhältliche Kohlenstoffnanoröhren verwendet werden. Dieses Verfahren ist technisch einfacher als ein Verfahren, in dem die Kohlenstoffnanoröhren beim Schmelzen des Metalls gleichzeitig hergestellt werden. Eine nachträgliche Nachbearbeitung des so hergestellten Bauteils ist möglich und muss nicht zwangsweise zur Zerstörung der Kohlenstoffnanoröhrchen führen.
Das Verfahren kann auch zum Herstellen von Bauteilen, insbesondere von Bauteilen mit endformnahen Maßen verwendet werden, da es auf einem generativen Herstellungsverfahren basiert. Das Verfahren wird wiederholt und der Verbundwerkstoff bzw. das Strukturbauteil wird schichtweise aufgebaut. Durch ein entsprechendes Führen des Energiestrahls sowie des drahtförmigen Ausgangsmaterials wird der Verbundwerkstoff bzw. das Strukturbauteil mit endformnahen Maßen hergestellt.
Das Verfahren kann auch verwendet werden, um ein vorgefertigtes Halbzeug lokal zu verstärken. In diesem Ausführungsbeispiel ist die aufzubauende Oberfläche eine Oberfläche eines metallischen Halbzeugs. Zum lokalen Verstärkung des Halbzeugs wird zumindest eine Schicht aus einem Kohlenstoffnanoröhrenverstärkten Verbundwerkstoff auf dieser Oberfläche durch das definierte Führen des metallischen Materials, das Kohlenstoffnanoröhren enthält, und des Energiestrahls über dieser Oberfläche hergestellt.
Beim Flugzeugbau sowie Kraftfahrzeugbau kann das Metall Titan oder eine Titanlegierung oder Aluminium oder eine Aluminiumlegierung sein. Titan und Titanlegierungen sind von Vorteil bei Strukturbauteilen, da sie gute mechanische Eigenschaften aufweisen. Diese Eigenschaften können im Verbundwerkstoff durch die eingebetteten Kohlenstoffnanoröhren weiter verbessert werden.
Der drahtförmige erste Ausgangswerkstoff aus Metall und Kohlenstoffnanoröhren kann auf verschiedene Arten hergestellt werden. In einem Ausführungsbeispiel weist der drahtförmige erste Ausgangswerkstoff einen Mantel aus Metall auf, der zumindest einen Kern aus Metall und Kohlenstoffnanoröhren umhüllt.
Dieser drahtförmige Ausgangswerkstoff kann mit einem so genannten Pulver im Rohr Verfahren hergestellt werden. In einem ersten Ausführungsbeispiel wird eine Mischung aus Metallpulver und Kohlenstoffnanoröhren in ein Metallrohr eingebracht und danach wird das Rohr unter Reduzieren des Rohrquerschnitts des Rohrs spanlos verformt. Das spanlose Verformen verdichtet das Metallpulver und die Kohlenstoffnanoröhren und erhöht den Füllfaktor.
Die Mischung kann in Pulverform in das Rohr eingebracht werden. Alternativ kann ein fester Grünling durch Pressen und gegebenenfalls Sintern des Metallpulvers und der Kohlenstoffnanoröhren hergestellt werden. Dieser Grünling kann danach in einen Mantel gewickelt oder in ein Rohr eingebracht werden.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel werden zum Herstellen des drahtförmigen ersten Ausgangswerkstoffs Kohlenstoffnanoröhren in ein Metallrohr eingebracht. Danach wird das Metallrohr über die Schmelztemperatur des Metalls aufgeheizt, wobei die Kohlenstoffnanoröhren in dem Metallrohr eingebettet werden, da ihre Schmelztemperatur oberhalb der Schmelztemperatur des Metallrohrs liegt.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird zum Herstellen des drahtförmigen ersten Ausgangswerkstoffs eine Mischung aus Metallpulver und Kohlenstoffnanoröhren auf ein Metallsubstrat aufgebracht und so wärmebehandelt, dass das Metallpulver und die Kohlenstoffnanoröhren mit dem Metallsubstrat fest verbunden werden. In diesem Ausführungsbeispiel weist der Ausgangswerkstoff eine Mehrschichtstruktur auf, da das Metallsubstrat keine Kohlenstoffnanoröhren aufweist.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das Verfahren zum Herstellen eines Strukturbauteils mit gezielter lokaler Verstärkung verwendet. Das Strukturbauteil wird schichtweise aufgebaut, so dass es erste Bereiche mit eingebetteten Kohlenstoffnanoröhren sowie zweite Bereiche aufweist, die keine Kohlenstoffnanoröhren aufweisen.
In diesem Ausführungsbeispiel wird ein zweiter metallischer Ausgangswerkstoff bereitgestellt, der frei von Kohlenstoffnanoröhren ist. Dieser zweite Ausgangswerkstoff wird anstelle des ersten Ausgangswerkstoffs auf die aufzubauende Oberfläche aufgebracht, um die zweiten Kohlenstoffnanoröhren freie Bereiche herzustellen.
Der erste Ausgangswerkstoff und der zweite Ausgangswerkstoff werden alternierend auf die aufzubauende Oberfläche aufgebracht, um das Strukturbauteil mit ersten Bereichen mit eingebetteten Kohlenstoffnanoröhren sowie zweiten Bereichen, die frei von Kohlenstoffnanoröhren sind, schichtweise aufzubauen.
Dieser zweite metallische Ausgangswerkstoff kann in Form eines Drahts oder eines Pulvers bereitgestellt werden, und kann aus dem gleichen Material bestehen wie der erste Ausgangswerkstoff.
Wie oben bereits erwähnt basiert das erfindungsgemäße Verfahren auf einem generativen Herstellungsverfahren. Als Energiestrahl kann ein oder mehrere Laserstrahlen oder Elektronenstrahlen oder ein Lichtbogen verwendet werden.
Es ist auch möglich, beispielsweise bei Aluminium und Aluminiumlegierungen, zum Aufschmelzen des ersten Ausgangswerkstoffes und/oder des zweiten Ausgangswerkstoffs eine chemische exotherme Reaktion zu verwenden.
In weiteren Ausführungsbespielen wird der erste Ausgangswerkstoff und/oder der zweiten Ausgangswerkstoff kapazitiv, ohmisch oder induktiv erwärmt. Das Verfahren, insbesondere die Erstarrung und Abkühlung des aufgeschmolzenen ersten Ausgangswerkstoffs und/oder des zweiten Ausgangswerkstoffs kann unter Schutzgas oder im Vakuum stattfinden, um eine Oxidation der Ausgangswerkstoffe zu vermeiden.
In einem weiteren Schritt kann der metallische Verbundwerkstoff mit eingebetteten Kohlenstoffnanoröhren einer nachträglichen Wärmebehandlung unterzogen werden. Eine zusätzliche Warmbehandlung kann die mechanische Festigkeit weiter erhöhen, z. B. bei Legierungen sein, wenn sich bei dieser Wärmebehandlung metallische Phasen ausscheiden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun nahend der Zeichnungen näher erläutert.
1 zeigt eine schematische Darstellung des Herstellens eines Formkörpers mit eingebetteten Kohlenstoffnanoröhren mit einem generativen Herstellungsverfahren gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2 zeigt eine schematische Darstellung des Herstellens eines Formkörpers mit eingebetteten Kohlenstoffnanoröhren mit einem generativen Herstellungsverfahren gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
3 zeigt einen ersten drahtförmigen Ausgangswerkstoff zur Verwendung bei den Ausführungsbeispielen der 1 und 2,
4 zeigt das Herstellen eines dritten drahtförmigen Ausgangswerkstoffs zur Verwendung bei den Ausführungsbeispielen der 1 und 2,
5 zeigt den hergestellten dritten drahtförmigen Ausgangswerkstoff der 4,
6 zeigt das Herstellen eines vierten drahtförmigen Ausgangswerkstoffs zur Verwendung bei den Ausführungsbeispielen der 1 und 2,
7 zeigt den hergestellten vierten drahtförmigen Ausgangswerkstoffs der 6 und,
8 zeigt einen fünften drahtförmigen Ausgangswerkstoff zur Verwendung bei den Ausführungsbeispielen der 1 und 2.
1 zeigt eine schematische Darstellung des schichtweisen Aufbaus eines Formkörpers 1 aus einem metallischen Verbundwerkstoff mit eingebetteten Kohlenstoffnanoröhren. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Formkörper 1 ein Strukturbauteil eines Flugzeugs. In weiteren nicht in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen dient der Formkörper als Strukturbauteil eines Kraftfahrzeugs.
Der Formkörper 1 wird mit einem generativen Verfahren in Pfeilrichtung A schichtweise aufgebaut. Die Positionen der Schichten 2 sind mit gestrichelten Linien in der Zeichnung schematisch dargestellt. Die einzelnen Schichten 2 sind jedoch im fertigen Bauteil nicht erkennbar.
Zum Herstellen einer ersten Schicht 2 wird ein Ausgangswerkstoff 4 auf eine aufzubauende Oberfläche aufgebracht und mit einem fokussierten Laserstrahl 6 als Energiequelle lokal aufgeschmolzen. Die aufzubauende Oberfläche kann eine Oberfläche eines Trägersubstrats 3 sein oder eines vorgefertigten Halbzeugs 3 sein. Die aufzubauende Oberfläche kann aber auch die Oberfläche 5 einer zuvor aufgebrachten Schicht 2 sein. Der geschmolzene Bereich ist mit dem Bezugszeichen 7 bezeichnet. Die Bereiche 8 des Formkörpers 1, die sich außerhalb dieses geschmolzen Bereichs 7 befinden, bleiben ungeschmolzen. Da der Laserstrahl 6 nicht auf diese Bereiche 8 gerichtet ist, bleibt die Temperatur dieses Bereiches unterhalb der Schmelztemperatur des Ausgangswerkstoffs 4.
Erfindungsgemäß weist der Ausgangswerkstoff 4 mindestens ein Metall 9 und Kohlenstoffnanoröhren 10 auf. Der Ausgangswerkstoff 4 mit dem Metall 9 und den Kohlenstoffnanoröhren 10 wird in 1 in Form eines Drahts 11 zugeführt. Der Draht 11 kann nicht nur einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, sondern auch andere Querschnitte, zum Beispiel einen rechteckigen, quadratischen oder hexagonalen Querschnitt.
Die Verwendung eines Ausgangswerkstoffs 4 in Form eines Drahts hat den Vorteil, dass Probleme, die bei der Verwendung von pulverförmigen Werkstoffen, wie z. B. Brandgefahr, vermieden wird. Ferner können vorgefertigte Kohlenstoffnanoröhren, beispielsweise kommerziell erhältliche Kohlenstoffnanoröhren, verwendet werden. Ferner kann ein Draht aus Metall und Kohlenstoffnanoröhren auf verschiedene Arten hergestellt werden und folglich verschiedene Anordnungen bzw. Kohlenstoffnanoröhrenanteile aufweisen. Die verschiedenen Anordnungen sind in den 3 bis 8 dargestellt.
Im ersten Ausführungsbeispiel (3) weist der Draht 11 einen Mantel 12 aus Titan auf, der einen Kern 13 umhüllt. Der Kern 13 ist mit Titanpulver 14 und Kohlenstoffnanoröhren 10 gefüllt.
Das Ende des Drahts 11 wird auf die aufzubauende Oberfläche 5 gebracht und mit dem Laserstrahl 6 dort aufgeschmolzen (1). Der Laserstrahl 6 sowie der Draht 11 werden in Pfeilrichtung B geführt, die senkrecht zur Aufbaurichtung A liegt, um eine Schicht 2' des Formkörpers 1 herzustellen. Die Bewegung des Laserstrahls 6 sowie des Drahts 11 wird mit einem Computerprogramm gesteuert.
Das geschmolzene Material erstarrt schnell wieder, wenn der Laserstrahl 6 von diesem geschmolzenen Bereich 7 in Pfeilrichtung B weg gesteuert wird. Dadurch wächst ein fester Bereich 8 der Schicht 2' in Pfeilrichtung B.
Zum Herstellen der nächsten Schicht werden der Laserstrahl 6 sowie der Draht 11 so geführt, dass sie auf die Oberfläche 15 der vorher hergestellten Schicht 2' auftreffen und wieder in Pfeilrichtung B geführt werden. Weitere Schichten werden in analoger Weise hergestellt, um den Formkörper 1 in Pfeilrichtung A lagenweise bzw. schichtweise aufzubauen.
Der mit dem generativen Herstellungsverfahren hergestellte Formkörper 1 ist ein Verbundmaterial, der eine Metallmatrix 16 aufweist, in der Kohlenstoffnanoröhren 10 eingebettet sind. Die Kohlenstoffnanoröhren 10 bewirken eine Verstärkung des Formkörpers 1 gegenüber einem Formkörper aus demselben Metall, der frei von Kohlenstoffnanoröhren ist.
2 zeigt eine schematische Darstellung des Herstellens eines Formkörpers 17 mit eingebetteten Kohlenstoffnanoröhren 10 mit einem generativen Herstellungsverfahren nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
In den Zeichnungen sind identische Komponenten mit gleichen Bezugszeichnen bezeichnet. Der Formkörper 17 des zweiten Ausführungsbeispiels unterscheidet sich vom Formkörper 1 des ersten Ausführungsbeispiels durch die Anordnung der Kohlenstoffnanoröhren. Im zweiten Ausführungsbeispiel sind die Kohlenstoffnanoröhren 10 lokal im Formkörper 17 angeordnet.
Der Formkörper 17 weist erste Bereiche 18, in denen Kohlenstoffnanoröhren 10 in einer Metallmatrix 16 eingebettet sind, sowie zweite Bereiche 19 auf, die frei von Kohlenstoffnanoröhren sind. Der Formkörper 17 weist somit lokale Verstärkung auf. Die ersten Bereiche 18 sind im Formkörper 17 so angeordnet, dass sie Verstärkung in Bereichen vorsehen, die im Betreib hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind.
Der Formkörper 17 wird auch mit einem generativen Herstellungsverfahren schichtweise aufgebaut. Zum Herstellen der Kohlenstoffnanoröhren 10 enthaltenden Bereiche 18 sowie der Kohlenstoffnanoröhren freien Bereiche 19 werden zwei unterschiedliche Ausgangswerkstoffe 4 und 20 verwendet.
Zum Herstellen der Kohlenstoffnanoröhren enthaltenden Bereiche wird ein erster Ausgangswerkstoff 4 verwendet, der dem des ersten Ausführungsbeispiels von 1 entspricht. Ein Ausgangswerkstoff aus Metall und Kohlenstoffnanoröhren anderer Anordnungen, entsprechend den in 3 bis 8 dargestellten Ausführungsformen, kann ebenso verwendet werden.
Zum Herstellen der Kohlenstoffnanoröhren freien Bereiche 19 wird ein zweiter Ausgangstoff 20 verwendet, der keine Kohlenstoffnanoröhren aufweist. Dieser zweite Ausgangswerksstoff 20 kann aus dem gleichen Metall bestehen wie der erste Ausgangswerkstoff 4 und weist z. B. eine drahtförmige Gestalt auf.
Zum Herstellen einer Schicht 2' des Formkörpers 17, im Bereich des Formkörpers, der in der 2 dargestellt ist, wird zunächst der drahtförmige Ausgangswerkstoff 4 verwendet und das Endes des Drahts wird mit dem Laserstrahl 6 geschmolzen. Der Laserstrahl 6 sowie der Ausgangswerkstoff 4 werden in Pfeilrichtung B geführt, bis die Grenze 21 zwischen dem Kohlenstoffnanoröhren enthaltenden Bereich 18 und dem Kohlenstoffnanoröhren freien Bereich 19 erreicht ist. An der Grenze 21 wird der Ausgangswerkstoff 4 durch den zweiten Ausgangswerkstoff 20 ersetzt, und der Laserstrahl 6 sowie der zweiten Ausgangswerkstoff 20 werden weiter in Pfeilrichtung B geführt. Die Schicht 2' weist somit einen ersten Bereich 18 an der linken Seite von 2 mit einer Metallmatrix 16 und darin eingebetteten Kohlenstoffnanoröhren 10 auf, der in einen zweiten Bereich 19, der frei von Kohlenstoffnanoröhren ist, übergeht.
Die Anordnung der Kohlenstoffnanoröhren 10 im Formkörper 17 kann durch den Austausch der zwei Ausgangswerkstoffe beliebig eingestellt werden. Zum Beispiel kann der Formkörper 17 Lagen mit Kohlenstoffnanoröhren 10 sowie Kohlenstoffnanoröhren freie Lagen aufweisen.
Das Verfahren entsprechend dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel kann auch bei Halbzeugen 3 verwendet werden, um eine lokale mechanische Verstärkung des Halbzeugs 3 zu erreichen. In diesem Ausführungsbeispiel wird das Halbzeug 3 bereitgestellt und Bereiche oder Lagen 2 aus metallischem Verbundwerkstoff mit eingebetteten Kohlenstoffnanoröhren 10 werden mit einem der oben beschriebenen Verfahren auf dem Halbzeug 3 schichtweise aufgebaut.
Das Halbzeug 3 selbst braucht in diesem Ausführungsbeispiel nicht mit einem generativen Herstellungsverfahren hergestellt werden. Es kann mit einem anderen Verfahren, wie z. B. Gießen oder Pressen, hergestellt werden. Anschließend wird ein generatives Herstellungsverfahren verwendet, um das Halbzeug 3 mit Kohlenstoffnanoröhren verstärkten Bereichen 2 lokal mechanisch zu verstärken.
Wie oben erwähnt kann ein Ausgangswerkstoff 4 aus Metall 9 und Kohlenstoffnanoröhren 10 verschiedene Anordnungen aufweisen, sowie auf verschiedene Weisen hergestellt werden. Beispiele dieser Anordnungen und Herstellungsverfahren sind in den 3 bis 8 dargestellt.
3 zeigt das Herstellen eines Ausgangswerkstoffs 4, wie er in 1 und 2 verwendet wird. Zunächst wird ein Rohr 22 aus Metall, wie Titan oder einer Legierung, bereitgestellt. Dieses Rohr 22 wird mit einer Mischung aus einem Metallpulver 14 und Kohlenstoffnanoröhren 10 gefüllt. Die Mischung kann direkt in das Rohr 22 eingebracht werden. Alternativ wird ein formstabiler Grünling aus dem Metallpulver 14 und Kohlenstoffnanoröhren 10 hergestellt, der mit dem Rohr 22 oder einem Mantel umhüllt wird. Danach kann das Rohr 22 unter Reduzieren des Querschnitts spanlos verformt werden, um die Dichte des Kerns 13 aus Metallpulver 14 und Kohlenstoffnanoröhren 10 zu erhöhen. Verfahren wie Walzen und/oder Ziehen und/oder Schieden können verwendet werden. Dies ist in 3 schematisch mit den Pfeilen 23 dargestellt.
4 zeigt das Herstellen eines dritten drahtförmigen Ausgangswerkstoffs 4'. Kohlenstoffnanoröhren 10 werden in ein Metallrohr 24 eingebracht und das Rohr 24 wird unter Reduzieren des Querschnitts spanlos verformt. Wie bei dem ersten Ausgangswerkstoff kann Schmieden, Ziehen und/oder Walzen verwendet werden. Ein Zwischenprodukt mit einem Metallmantel und einem Kern 13' aus Kohlenstoffnanoröhren 10 wird herstellt. Dieses Zwischenprodukt wird danach bei einer Temperatur wärmebehandelt, die oberhalb der Schmelztemperatur des Metalls 9 des Mantels liegt. Gleichzeitig wird Druck auf das Zwischenprodukt ausgeübt. Die Wärmebehandlung sowie der Druck sind in 4 schematisch mit Pfeilen 25 dargestellt. Das geschmolzene Metall fließt in die Kohlenstoffnanoröhren 10 des Kerns 13', so dass die Kohlenstoffnanoröhren 10 in einer Matrix 16 aus dem Metall 9 eingebettet werden. Dieses Endprodukt 4', bestehend aus einer Metallmatrix 16 mit darin eingebetteten Kohlenstoffnanoröhren 10, ist in 5 dargestellt.
6 zeigt das Herstellen eines vierten Ausgangswerkstoffs 4'', bestehend aus Metall 9 und Kohlenstoffnanoröhren 10. Er kann verwendet werden, um einen metallischen Verbundwerkstoff mit eingebetteten Kohlenstoffnanoröhren herzustellen. Zum Herstellen des vierten Ausgangswerkstoffs 4'' werden Kohlenstoffnanoröhren 10 sowie Metallpulver 14 auf ein Metallsubstrat 26 (z. B. eine Metallplatte) aufgebracht und danach mit dem Metallsubstrat verschweißt. Das Verschweißen kann mit Impulskraft, Druckkraft, Reibkraft oder Scherkraft erfolgen. Diese Kraft ist in 6 schematisch mit Pfeilen 27 dargestellt. Diese Anordnung kann danach wärmebehandelt werden, wobei das Metall schmelzen kann. Weitere Schichten können auf dem Substrat aufgebracht werden und das Herstellungsverfahren kann wiederholt werden, um ein Laminat aufzubauen. Der Endausgangswerkstoff 4'' ist in 7 dargestellt und weist eine obere Schicht 28 aus einem kohlenstoffnanoröhrenverstärkten Verbund, die mit einer unteren Schicht, bestehend aus einem Metall 26, fest verbunden ist.
8 zeigt einen fünften Ausgangswerkstoff 4''' zur Verwendung zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Formkörpers. Der fünfte Ausgangswerkstoff 4''' weist eine Laminatstruktur auf, die alternierend metallische Lagen 29 mit Kohlenstoffnanoröhren 10 und metallische Lagen 30 ohne Kohlenstoffnanoröhren 10 aufweist. Diese Anordnung kann durch das Stapeln von alternierenden Schichten aus Metall 30 und aus einem Metallverbundwerkstoff mit Kohlenstoffnanoröhren 10 aufgebaut werden. Diese Anordnung kann auch durch einen Multifilamentdraht angegeben werden, wobei ein Außenmantel eine Vielzahl von Filamenten umhüllt. Jedes Filament weist einen Mantel aus Metall und einen Kern mit Kohlenstoffnanoröhren und Metall bzw. Metallpulver auf.
Bezugszeichenliste

1: erster Formkörper
2: Schicht
3: Schicht
4: erster Ausgangswerkstoff
5: Oberfläche
6: Laserstrahl
7: geschmolzener Bereich
8: fester Bereich
9: Metall
10: Kohlenstoffnanoröhre
11: Draht
12: Mantel
13: Kern
14: Titanpulver
15: Oberfläche
16: Metallmatrix
17: zweiter Formkörper
18: erster Bereich
19: zweiter Bereich
20: zweiter Ausgangswerkstoff
21: Grenze
22: Rohr
23: Pfeil
24: Rohr
25: Pfeil
26: Metallsubstrat
27: Pfeil
28: Verbundwerkstoffschicht
29: Metalllage mit Kohlenstoffnanoröhren
30: Kohlenstoffnanoröhrenfreie Metalllage

Claims

Verfahren zum Herstellen eines metallischen Verbundwerkstoffs (1, 17) mit eingebetteten Kohlenstoffnanoröhren (10), das folgende Schritte aufweist, – Richten eines Energiestrahls (6) auf eine aufzubauende Oberfläche (5), auf der ein drahtförmiger erster Ausgangswerkstoff (4) aus Metall (9) und Kohlenstoffnanoröhren (10) bereitgestellt wird, wobei ein geschmolzener Bereich (7) aus dem ersten Ausgangswerkstoff (4) auf der aufzubauenden Oberfläche (5) mit dem Energiestrahl (6) erzeugt wird, – Definiertes Führen des Energiestrahls (6) über der aufzubauenden Oberfläche (5), wobei eine Schicht (2) des metallischen Verbundwerkstoffs (1, 17) mit eingebetteten Kohlenstoffnanoröhren (10) hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der drahtförmige erste Ausgangswerkstoff (4) einen Mantel (12) aus Metall (9) aufweist, der zumindest einen Kern (13) aus Metall (14) und Kohlenstoffnanoröhren (10) umhüllt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Herstellen des drahtförmigen ersten Ausgangswerkstoffs (4) eine Mischung aus Metallpulver (14) und Kohlenstoffnanoröhren (10) in ein Metallrohr (22) eingebracht wird und danach das Rohr (22) unter Reduzieren des Querschnitts des Rohrs (22) spanlos verformt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Herstellen des drahtförmigen ersten Ausgangswerkstoffs (4') Kohlenstoffnanoröhren (10) in ein Metallrohr (24) eingebracht werden und danach oberhalb der Schmelztemperatur des Metallrohrs (24) aufgeheizt wird, wobei die Kohlenstoffnanoröhren (10) in dem Metallrohr (24) eingebettet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Herstellen des drahtförmigen ersten Ausgangswerkstoffs (4'') eine Mischung aus Metallpulver (14) und Kohlenstoffnanoröhren (10) auf ein Metallsubstrat (26) aufgebracht und so wärmebehandelt wird, dass das Metallpulver (14) und die Kohlenstoffnanoröhren (10) mit dem Metallsubstrat (26) fest verbunden werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Ausgangswerkstoff (4) Aluminium oder eine Aluminiumlegierung oder Titan oder eine Titanlegierung aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter metallischer Ausgangswerkstoff (20) bereitgestellt wird, der frei von Kohlenstoffnanoröhren ist, und der anstelle des ersten Ausgangswerkstoffs (4) auf die aufzubauende Oberfläche (5) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite metallische Ausgangswerkstoff (20) in Form eines Drahts (11) oder eines Pulvers bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Ausgangswerkstoff (4) und der zweite Ausgangswerkstoff (20) alternierend auf die aufzubauende Oberfläche (5) aufgebracht werden, so dass der Formkörper (17) mit ersten Bereichen (18) mit eingebetteten Kohlenstoffnanoröhren (10) sowie zweiten Bereichen (19), die frei von Kohlenstoffnanoröhren (10) sind, aufgebaut wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Ausgangswerkstoff (20) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung oder Titan oder einer Titanlegierung besteht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren wiederholt wird, um ein Strukturbauteil (1, 17) aus dem metallischen Verbundwerkstoff mit eingebetteten Kohlenstoffnanoröhren (10) schichtweise aufzubauen.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiestrahl (6) und der erste Ausgangswerkstoff (4) so definiert geführt werden, dass das Strukturbauteil (1, 17) mit endformnahen Maßen hergestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aufzubauende Oberfläche (5) eine Oberfläche eines metallischen Halbzeugs (3) ist, wobei zum lokalen Verstärkung des Halbzeugs (3) zumindest eine Schicht aus Metall (9) und Kohlenstoffnanoröhren (10) auf dieser Oberfläche hergestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Energiestrahl (6) ein oder mehrere Laserstrahlen oder Elektronenstrahlen oder ein Lichtbogen verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufschmelzen des ersten Ausgangswerkstoffs (4) und/oder des zweiten Ausgangswerkstoffs (20) eine chemische exotherme Reaktion verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Ausgangswerkstoff (4) und/oder der zweiten Ausgangswerkstoff (20) kapazitiv, ohmisch oder induktiv erwärmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erstarrung und Abkühlung des aufgeschmolzenen ersten Ausgangswerkstoffs (4) und/oder des zweiten Ausgangswerkstoffs (20) unter Schutzgas oder im Vakuum stattfindet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Verbundwerkstoff (1, 17) mit eingebetteten Kohlenstoffnanoröhren (10) einer nachträglichen Wärmebehandlung unterzogen wird.
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 18 zum Herstellen eines Strukturbauteils eines Luftfahrzeuges oder eines Kraftfahrzeugs.
Verwendung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturbauteil mit endformnahen Maßen hergestellt wird.
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 17 zur lokalen mechanischen Verstärkung eines metallischen Halbzeugs.