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Technisches Anwendungsgebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus einem Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) enthaltenden Werkstoff, bei dem ein pulverförmiges Bauteilmaterial bereitgestellt wird, das die Kohlenstoffnanoröhren und den Werkstoff, insbesondere ein Metall oder eine Metalllegierung oder -mischung, enthält, und das Bauteilmaterial schichtweise mit einem Laserstrahl verfestigt wird.
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Die Entwicklung neuer Materialien, die den oftmals gegenläufigen Anforderungen bezüglich der mechanischen Festigkeiten, tribologischen Eigenschaften, sowie thermischen und elektrischen Leitfähigkeiten bei gleichzeitiger Gewichtseinsparung genügen, steht im Mittelpunkt aktueller Forschungsbestrebungen. Insbesondere CNTs werden aufgrund ihrer herausragenden mechanischen Festigkeit, bei gleichzeitig hervorragender thermischer und elektrischer Leitfähigkeit und bei einer geringen Dichte eine große Bedeutung bei Verbundmaterialien zugesprochen. So soll durch den Einsatz von CNT-Kompositen den ständig wachsenden Bedürfnissen nach verbesserten Werkstoffeigenschaften in der Industrie nachgekommen werden.
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Stand der Technik
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Gerade die Herstellung von Metall-CNT-Kompositen stellt sich im Hinblick auf eine homogene Dispergierung der CNTs in der Metallmatrix bei gleichzeitiger Vermeidung thermischer Degradation und einer ausreichenden Bindefestigkeit zwischen Matrixmaterial und CNTs als problematisch dar.
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Die großen Aspektverhältnisse der CNTs, die in der Regel Durchmesser von < 50 nm bei einer Länge von > 2 μm aufweisen, und die für nanopartikuläre Werkstoffe gegenüber der Gravitation dominierenden Van-der-Waals Kräfte bewirken eine Agglomeration der CNTs. Die Agglomeratbildung kann jedoch zu einer mechanischen Schwächung des metallischen Matrixmaterials führen, da durch eine lokale Anhäufung der CNTs in der Matrix neben der Inhomogenität der Verteilung auch eine unzureichende Anbindung an das Matrixmaterial ausgebildet wird. Dies steht dem Ziel einer Verbesserung der mechanischen Eigenschaften bei gleichzeitiger Gewichtseinsparung durch den Einsatz von Metall-CNT-Kompositen entgegen.
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Die thermische Beständigkeit der CNTs ist unter Umgebungsatmosphäre auf etwa 400 bis 600°C limitiert, bevor eine Zersetzung zu Graphit einsetzt. Unter Vakuum bzw. Schutzgas kann die Temperatur bis zur thermischen Degradation auf > 2000°C angehoben werden. Trotzdem ist eine Verarbeitung von CNTs bei Temperaturen > 1500°C problematisch, wenn diese über einen längeren Zeitraum unter Restoxidgehalten von > 1000 ppm gehalten werden.
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Ein weiteres Problem stellt die Anbindung der CNTs an den Matrixwerkstoff dar. Diese Anbindung ist bei vielen Fertigungsverfahren nicht fest genug, um eine deutliche Steigerung der mechanischen Eigenschaften durch Zugabe des nanopartikulären Füllmaterials zu gewährleisten. Der Grund hierfür ist die schlechte Benetzbarkeit von CNTs mit artfremden anorganischen Werkstoffen.
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Zur Herstellung von Bauteilen aus Metall-CNT-Kompositen werden heutzutage im Wesentlichen Techniken der Pulvermetallurgie und schmelzmetallurgische Verfahren eingesetzt.
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Dabei wird den pulvermetallurgischen Verfahren die größte Bedeutung zugesprochen, da diese ausgehend aus einem homogen dispergierten Pulverwerkstoff das Problem der Agglomeration am effektivsten umgehen und eine Verdichtung zum Vollmaterial bei vergleichsweise geringen Temperaturen unterhalb der Schmelztemperaturen des verwendeten Matrixmaterials erfolgt. Für die Herstellung der Bauteile mittels Pulvermetallurgie muss zunächst das pulverförmige Ausgangsmaterial hergestellt werden. Dabei ist besonders auf die Vermeidung von Agglomeration und Zerstörung der CNTs bei Mahl- und Mixprozessen zu achten, da diese Defekte während der anschließenden Prozessschritte weitergegeben werden. Für die Pulverherstellung sind hierbei u. a. die Techniken des mechanischen Legierens (ML) sowie des mechanischen Mischens (MM) bekannt. Durch mechanisches Legieren lassen sich homogene CNT-Dispergierungen innerhalb der Pulverpartikel erreichen. Allerdings neigt dieser Prozess durch den großen Energieeintrag zur Verkürzung und mechanischen Beschädigung der im Pulver enthaltenen CNTs. Beim mechanischen Mixen wird bei deutlich reduziertem Energieeintrag ein Metall-CNT-Komposit-Pulver hergestellt. Dies stellt zwar eine schonende Möglichkeit zur Generierung des Ausgangspulvermaterials dar. Allerdings wird dabei lediglich eine Mischung und keine gleichmäßige Dispergierung der CNTs innerhalb der einzelnen Metallpartikel erreicht. Die Folge ist eine Entmischung des Metall-CNT-Komposit-Pulvers während der verarbeitenden Prozessschritte der Pulvermetallurgie aufgrund der unterschiedlichen Materialdichten. Zudem leidet die Anbindung der CNTs innerhalb der Matrix, da die CNTs erst während der Verdichtung und anschließenden Sinterprozessen in Kontakt mit der Matrix kommen. Ein Beispiel für die Nutzung der Technik des mechanischen Mixens findet sich in der Veröffentlichung von T. Kuzumaki et al., „Mechanical Characteristics and Preparation of Carbon Nanotube Fiber-Reinforced Ti Composite", Adv. Eng. Mater. Lett. (2000), 2, (7), Seiten 416 bis 418. Auch weitere Techniken der Herstellung des pulverförmigen Ausgangsmaterials sind bekannt, beispielsweise eine Beschichtung der Metalle mittels elektrochemischem Auftrag der CNTs, eine chemische Funktionalisierung der CNTs zur Generierung einer raueren Oberfläche sowie ein Bewachsen einzelner Metallpartikel mit CNTs, wie dies beispielsweise in C. He et al., „An Approach to Obtaining Homogeneously Dispersed Carbon Nanotubes in Al Powders for Preparing Reinforced Al-Matrix Composites", Adv. Mater. 2007, 19, 1128–1132, beschrieben ist.
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Zum Prozessieren der hergestellten Pulverwerkstoffe wird in der Pulvermetallurgie häufig die Technik des Sinterns eingesetzt. Dabei entsteht ein gleichmäßiges Gefüge, bei dem die CNTs nicht umschlossen, sondern während des Kornwachstums an den Korngrenzen als Defekt eingebracht werden. Die erreichten mechanischen Festigkeiten blieben daher weit unter den Erwartungen zurück.
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Zum Herstellen von Bauteilen mittels Schmelzmetallurgie ist beispielsweise das Gießen CNT-verstärkter Metallbauteile bekannt. Die limitierenden Faktoren sind bei dieser Technik jedoch die gleichmäßige Dispergierung sowie die Benetzung und somit ausreichende Bindung der CNTs an das Matrixmaterial. Weiterhin stellen beim Gießen die hohen Temperaturen ein Problem dar, da hier Temperaturen > 1500°C über einen Zeitraum von mehreren Stunden unter Restoxidgehalten von > 1000 ppm gehalten werden. Das Gießen beschränkt sich in diesem Fall daher auf Metalle mit niedrigen Schmelzpunkten, um eine thermische Zersetzung der CNTs zu vermeiden.
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Aus J. Y. Hwang et al., „Laser-deposited carbon nanotube reinforced nickel matrix composites", Scr. Mater. (2008), 59, Seiten 487 bis 490, ist ein weiteres schmelzmetallurgisches Verfahren bekannt, bei dem die Bauteile mittels Laserdeposition hergestellt werden. Bei diesem Verfahren wird ein pulverförmiges Ausgangsmaterial, das das Metall und die CNTs beinhaltet, über eine Düse in den Fokus eines Laserstrahls gebracht, der sich über eine Bauplattform zum Aufbau des Bauteils bewegt. Das Pulvermaterial wird durch den Laserstrahl aufgeschmolzen und das Bauteil schichtweise aufgebaut. Durch die extrem großen Abkühlraten beim Schmelzen des Pulvermaterials wird eine Verarbeitung von Metallen mit höheren Schmelzpunkten (> 1000°C) ermöglicht, ohne eine thermische Zersetzung der CNTs zu verursachen. In der Veröffentlichung Hwang et al. werden agglomerierte CNTs eingesetzt, um Proben herzustellen. Diese Proben werden dann auf eine Veränderung der CNTs durch das Aufschmelzen hin untersucht.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus CNT-Kompositen anzugeben, das die Verarbeitung einer großen Bandbreite an Werkstoffen sowie die Herstellung von Bauteilen mit hohen Bauteildichten und guter Anbindung der CNTs an das Matrixmaterial ermöglicht, ohne diese thermisch zu zersetzen, und eine Agglomeratbildung vermeidet. Das Verfahren soll sich auch für die Herstellung von Metall-CNT-Kompositen eignen.
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Darstellung der Erfindung
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Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus einem CNTs enthaltenden Werkstoff wird ein pulverförmiges Bauteilmaterial bereitgestellt, das die CNTs und den Werkstoff, vorzugsweise ein Metall oder eine Metalllegierung oder Metallmischung, enthält. Das pulverförmige Bauteilmaterial wird dabei vorzugsweise mit Partikeln mit einer Partikelgröße < 100 μm bereitgestellt. Das Bauteilmaterial wird bei diesem Pulverbett-Verfahren schichtweise mit einem Laserstrahl verfestigt, um das gewünschte Bauteil schichtweise aufzubauen. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird das pulverförmige Bauteilmaterial schichtweise, beispielsweise mittels Rake, Gummilippe oder Bürste, in Schichtdicken von vorzugsweise < 100 μm über einer Bauplattform aufgebracht und jeweils gleichmäßig über der Bauplattform verteilt. Der Laserstrahl wird jeweils entlang durch die Geometrie des Bauteils vorgegebener Bahnen über jede neu aufgebrachte Schicht des pulverförmigen Bauteilmaterials geführt, um diese Schicht entlang der Bahnen aufzuschmelzen. Das aufgeschmolzene Material verfestigt sich anschließend durch Erstarren und verbindet sich mit dem jeweils darunter liegenden Material des Bauteils. Diese Technik der schichtweisen Herstellung des Bauteils ist auch unter dem Begriff des selektiven Laserschmelzens (SLM) bekannt. Dieser Prozess unterscheidet sich von den übrigen Pulverbettbasierten Verarbeitungsrouten durch ein vollständiges Schmelzen des bspw. metallischen Anteils des Pulverwerkstoffes zur Generierung von Vollmaterial mit Bauteildichten, die oberhalb 99% liegen können. Das Verfahren wird vorzugsweise mit metallischen Werkstoffen durchgeführt, eignet sich jedoch auch zur Herstellung von Polymer-CNT-Kompositen oder Keramik-CNT-Kompositen bei Einsatz von Polymer- oder Keramikmaterialien als Werkstoffen.
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Das selektive Laserschmelzen gehört zu den pulverbasierten Additiv-Manufacturing (AM) Verfahren zum schichtweisen Herstellen funktionaler Bauteile im Serienwerkstoff. In einem sich wiederholenden Prozess wird dabei eine dünne Pulverschicht von in der Regel unter 100 μm Dicke mittels Schieber auf einer Substratplatte, auch als Bauplattform bezeichnet, aufgetragen und in einem nächsten Schritt selektiv nach einem 3D-CAD-Modell geschmolzen. Dieser Kreislaufprozess erlaubt die Herstellung dreidimensionaler Bauteile mit geringen Einschränkungen bezüglich der Komplexität. Das Verdichten des Bauteils beruht auf einem in der Regel vollständigen Schmelzen des pulverförmigen Bauteilmaterials und der jeweils vorangegangenen bereits verfestigten Schicht des Bauteils. Dadurch können die hohen Bauteildichten von bis zu 100% und mit konventionellen Fertigungsverfahren vergleichbare mechanische Eigenschaften erreicht werden.
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Die Verwendung sonst nicht mischbarer mechanisch legierter Pulverwerkstoffe erlaubt dabei die Verarbeitung eines gegenüber konventionellen Fertigungsverfahren deutlich vergrößerten Werkstoffspektrums. Die großen Aufheiz- und Abkühlraten während des selektiven Schmelzens von bis zu 106 K/s tragen gegenüber den konventionellen Fertigungsverfahren zur Herstellung eines deutlich veränderten Mikrogefüges mit veränderten Materialeigenschaften bei. So lassen sich in Abhängigkeit der Verfahrensparameter besonders fein- bis grobkörnige Mikrogefüge mit einhergehend vergrößerter Elastizität oder Härte herstellen.
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Bei der Nutzung dieses Verfahrens für die Herstellung von Metall-CNT-Kompositen bewirkt das Schmelzen des pulverförmigen Bauteilmaterials das vollständige Einbetten der CNTs innerhalb der Metall-Matrix im Gegensatz zum Abscheiden der CNTs an Korngrenzen, wie es beim Sintern der Fall ist. Zusätzlich bewirkt das linienförmige Scannen des pulverförmigen Bauteilmaterials, d. h. die Führung des Laserstrahls entlang der vorgegebenen Bahnen, eine extrem große Schmelzbaddynamik, wodurch die CNTs zusätzlich in der Matrix verankert werden. So wird eine gute Anbindung der CNTs an dem Matrixmaterial erreicht. Dabei werden die Schmelztemperaturen des Metalls aufgrund der hohen Abkühlraten nur sehr kurz überschritten, wodurch eine thermische Zersetzung der CNTs verhindert wird. Da das selektive Laserschmelzen auf dem konsekutiven Schmelzen dünner Pulverschichten von in der Regel < 100 μm beruht, wird einer Agglomeration der CNTs innerhalb des Schmelzbades entgegengewirkt und eine gleichmäßige Verteilung der CNTs begünstigt. Dies gilt auch bei Verwendung von Polymer- oder Keramikwerkstoffen. Dadurch lässt sich der Aufwand zur Herstellung gleichmäßig dispergierter Pulverwerkstoffe als Ausgangsmaterial in vorteilhafter Weise deutlich verringern. Diese müssen nicht mehr mit aufwendigen Techniken bereitgestellt werden. Vielmehr genügt zur Pulversynthese für die Herstellung des pulverförmigen Bauteilmaterials die Technik des mechanischen Mischens (MM), welches deutlich schonender als das mechanische Legieren (MA) ist, wodurch die CNTs nicht mechanisch beansprucht und zersetzt werden.
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Das pulverförmige Bauteilmaterial wird daher bei dem vorgeschlagenen Verfahren vorzugsweise durch rein mechanisches Vermischen der CNTs mit einem Werkstoffpulver erhalten, vorzugsweise mit einem Metallpulver, das aus dem Metall, der Metalllegierung oder der Metallmischung besteht, das bzw. die als Matrixmaterial für ein Metall-CNT-Komposit eingesetzt werden soll. Die Probleme des Entmischens, wie sie beispielsweise bei Gießprozessen auftreten, werden aufgrund der dünnen Schichten und des lediglich bahnförmigen Aufschmelzens bei dem vorgeschlagenen Verfahren vermieden. In einer weiteren Ausgestaltung wird das pulverförmige Bauteilmaterial durch Bewachsen oder Beschichten einzelner Metallpartikel mit den CNTs erhalten, wie dies beispielsweise in der bereits genannten Veröffentlichung von C. He et al. beschrieben ist.
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Durch das Aufschmelzen des pulverförmigen Bauteilmaterials mit den darin enthaltenen CNTs entsteht im Vergleich zu herkömmlichen Anwendungen des selektiven Laserschmelzens ein Anteil an Ruß, der den Laserstrahl beeinträchtigen kann. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird dieser Ruß daher während der Verarbeitung bzw. des Aufschmelzprozesses durch eine stärkere Absaugung als bei herkömmlichen SLM-Prozessen mit rein metallischem Pulvermaterial entfernt. Weiterhin erfolgt die Herstellung vorzugsweise unter einer Inertgas-Atmosphäre, beispielsweise unter Argongas, um die damit verbundene Erhöhung der Graphitisierungstemperatur der CNTs auf > 2000°C zu erreichen.
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Durch das vorliegende Verfahren wird die Möglichkeit eröffnet, komplexe Bauteilstrukturen zu erzeugen, die nicht mittels konventionellen Fertigungsverfahren herstellbar sind. Diese Möglichkeit hat gerade für das Anwendungsgebiet Leichtbau enormes Potential. So lassen sich beispielsweise im Vergleich zu einem Laserdepositions-Prozess deutlich filigranere und komplexere, endkonturgetreue Geometrien realisieren. Eine Topologie-Optimierung erlaubt so, Material nur an mechanisch belasteten Strukturen zu generieren, wodurch neben dem großen Materialnutzungsgrad des selektiven Laserschmelzens von > 90% zusätzlich Ressourcen eingespart werden. Dabei lässt sich nicht verwendetes Pulvermaterial weiter verwenden. Die weitere Steigerung der mechanischen Kennwerte durch die Zugabe der CNTs erlaubt zudem das Generieren noch schlankerer Strukturen bei gleichen mechanischen Festigkeiten. Das selektive Laserschmelzen ermöglicht dabei erstmalig die volle Ausnutzung des Werkstoffpotentials bei gleichzeitiger Erweiterung des Anwendungsspektrums.
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Das vorgeschlagene Verfahren eignet sich besonders gut für die Herstellung von komplexen Leichtbaustrukturen. Die Verstärkung des metallischen Werkstoffs durch CNTs, vorzugsweise bei CNT-Gehalten im pulverförmigen Bauteilmaterial von < 1 Gew.-%, erlaubt dabei eine Reduzierung des einzusetzenden Materials und somit auch eine drastische Gewichtseinsparung. Dies ist von besonderer Bedeutung für den Automotive-Sektor, Luft- und Raumfahrt, Sport sowie weitere Zivil- und militärische Einsatzgebiete. Darüber hinaus bieten CNTs das Potential einer Vergrößerung der thermischen und elektrischen Leitfähigkeit, vorzugsweise bei CNT-Gehalten im pulverförmigen Bauteilmaterial von < 10 Gew.-%. Gerade in Kombination mit dem selektiven Laserschmelzen von Hochtemperaturwerkstoffen, wie Nickelbasis-Superlegierungen, lässt sich durch eine Vergrößerung der thermischen Leitfähigkeit das Thermo-Schockverhalten der Werkstoffe drastisch senken. Anwendungen im Turbomaschinenbau können so größere Einsatztemperaturen einhergehend mit einer vergrößerten Effizienz erzielen.
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Eine Vergrößerung der elektrischen Leitfähigkeit durch den Einsatz von CNTs zeigt in der Elektrotechnik großes Potential zur Optimierung des Wärmehaushaltes hochbelasteter elektrischer Systeme. So können auch hier leitfähige Strukturen aus Metall-CNT-Kompositen aufgrund der durch das selektive Laserschmelzen vergrößerten Geometriefreiheit gezielt schlanker ausgelegt werden bei gleicher Leistung. Dies ist von großer Bedeutung beispielsweise in der IT-Branche.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Das vorgeschlagene Verfahren wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigt:
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1 ein Beispiel für den Aufbau einer SLM-Anlage für die Herstellung von Metall-CNT-Kompositen gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren.
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Wege zur Ausführung der Erfindung
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1 zeigt in schematischer Darstellung ein Beispiel für den Aufbau einer Vorrichtung zum selektiven Laserschmelzen, mit dem Bauteile gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren hergestellt werden können. Die Vorrichtung umfasst eine Prozesskammer 1 mit einem Schutzgas-Einlass 2, der im Bereich der oberen Seitenkante der Prozesskammer angeordnet ist, sowie einem Schutzgas-Auslass 3 an der gegenüberliegenden Kante, der im Bereich der Bodenfläche 4 der Prozesskammer angeordnet ist. Unterhalb der Bodenfläche 4 der Prozesskammer sind ein Vorratsbehälter 5, der mit dem Werkstoffpulver 6 gefüllt ist, sowie eine Aufbaukammer 7 vorgesehen. Das Werkstoffpulver entspricht dem pulverförmigen Bauteilmaterial des vorgeschlagenen Verfahrens. Im Vorratsbehälter 5 und in der Aufbaukammer 7 ist jeweils ein über einen Hubkolben 10 durch den jeweiligen Antrieb 14 angetriebener Hubtisch 8, 9 angeordnet. Oberhalb der Prozesskammer im Bereich der Aufbaukammer ist eine Abtasteinrichtung 11 (Scanner) samt Fokussieroptik angeordnet, die einen von einem Laser 12 erzeugten Laserstrahl 13 fokussiert auf den Hubtisch 9 mit der Bauplattform richtet.
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Um einen Formkörper, beispielsweise den Prototyp eines Bauteils 16 herzustellen, werden zunächst über eine Eingabeeinheit 17 die Bauteilkoordinaten in die zentrale Verarbeitungseinheit 15 eingegeben. Nach entsprechender Aufbereitung der Daten wird der Hubtisch 9 in der Aufbaukammer 7 in eine erste, obere Stellung verfahren, in der die Auflagefläche dem Niveau der Bodenfläche 4 entspricht. Der Hubtisch 8 des Vorratsbehälters 5 wird zunächst in die untere Position verfahren, und in den Vorratsbehälter 5 wird ein feinkörniges Pulver 6 aus dem zu verarbeitendem Werkstoff eingefüllt, aus dem das Bauteil 16 aufgebaut werden soll. Das Werkstoffpulver 6 wird anschließend über die Bodenfläche 4 hinaus mittels des Hubtischs 8 angehoben und mit einer Nivelliereinrichtung 19, in 1 schematisch mit einer Spitze dargestellt, als dünne Schicht über die Bodenfläche 4 der Prozesskammer 1 verteilt, wie ebenfalls in 1 zu erkennen ist. Hierfür wird die Nivelliereinrichtung 19 in Richtung des Pfeils 20 verfahren. Nachdem diese vorbereitende Maßnahme abgeschlossen ist, werden der Laser 12 und die Abtasteinrichtung 11 angesteuert, um den Laserstrahl 13 auf das über der Auflagefläche befindliche Werkstoffpulver zu richten, um entsprechend den Koordinaten, dasjenige Pulver aufzuschmelzen, das der untersten Schicht des Bauteils 16 entspricht. Nachdem die unterste Schicht des Bauteils 16 gebildet ist, wird der Hubtisch 9 um einen definierten Abstand (Schichtdicke) nach unten verfahren, so dass die Oberseite der ersten Schicht wiederum in etwa in der Ebene der Bodenfläche 4 der Prozesskammer 1 liegt. Danach wird wiederum die Nivelliereinrichtung 19 betätigt, um eine definierte Pulverschicht auf die darunter liegende Schicht des Bauteils 16 aufzutragen. Danach wird der Laser 13 wieder Spur für Spur entsprechend den Bauteilkoordinaten über das Pulver gefahren, um dieses aufzuschmelzen. Diese Verfahrensweise wird wiederholt, bis das gesamte Bauteil aufgebaut ist.
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Für die Herstellung eines Bauteils aus einem Metall-CNT-Komposit mit einer derartigen Anlage wurde beispielsweise eine Pulvermischung aus einem handelsüblichen AlSi10Mg-Pulver der Partikelgröße < 45 μm und entsprechenden CNTs mittels mechanischem Mischen als Werkstoffpulver 6 hergestellt. Hierzu wurden 0,5 Gew.% CNT mit dem AlSi10Mg-Pulver über zwei Stunden in einer Planetenkugelmühle unter einer Argon-Inertgas-Atmosphäre mit einem O2-Gehalt von < 100 ppm vermengt, wobei folgende weiteren Verfahrensparameter eingestellt wurden:
- – 200 Umdrehungen/min
- – Mahlkugelverhältnis zum Pulver – Ball to Powder Ratio (BPR): 5:1
- – Übersetzungsverhältnis Mahlbehälter: 1:–2
- – Mahldauer: 2 h.
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Das so gewonnene Pulver wurde anschließend mittels selektivem Laserschmelzen verarbeitet. Hierzu wurde eine Laserleistung von 100 W bei einer Scangeschwindigkeit von 200 mm/s eingesetzt. Der Spur- bzw. Bahnabstand betrug 100 μm. Das pulverförmige Bauteilmaterial wurde jeweils mit einer Schichtdicke von 50 μm aufgetragen. Mit diesen Parametern ließen sich Bauteile aus dem Metall-CNT-Komposit mit einer Bauteildichte > 98% herstellen.
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird eine homogene Verteilung der CNTs im Vollmaterial durch das schichtweise Auftragen und Schmelzen des Pulverwerkstoffes in Schichtdicken < 100 μm erreicht. Die große Dynamik im Schmelzbad bewirkt ein zusätzliches Dispergieren der CNTs. Eine gute kraftschlüssige Anbindung der CNTs an das Matrixmaterial wird durch das Schmelzen des metallischen Werkstoffs gewährleistet. Die Schmelzbaddynamik bewirkt hier ebenfalls zusätzlich eine Vergrößerung der Anbindung zur Matrix durch ein formschlüssiges Verankern der CNTs im Mikrogefüge. Einer mechanischen Zersetzung der CNTs wird durch geringere Anforderungen an die Pulversynthese im Hinblick auf das gleichmäßige Dispergieren entgegengewirkt. So reicht ein einfach gemischtes und für die bisher bekannten weiterverarbeitenden Prozesse ungenügend dispergiertes Pulver zur Erzielung einer homogenen CNT-Verteilung im Werkstoff aus.
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Zusätzlich besteht die Möglichkeit, CNTs anhand der Schmelzfront auszurichten. So kann durch schnelle Scangeschwindigkeiten eine Ausrichtung parallel zur Scanrichtung erreicht werden. Langsame Scangeschwindigkeiten bewirken hingegen eine Änderung der Erstarrungsrichtung, welche nun orthogonal zur Scanrichtung läuft und die CNTs entsprechend ausrichtet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Prozesskammer
- 2
- Schutzgas-Einlass
- 3
- Schutzgas-Auslass
- 4
- Bodenfläche
- 5
- Vorratsbehälter
- 6
- Werkstoffpulver
- 7
- Aufbaukammer
- 8
- Hubtisch
- 9
- Hubtisch
- 10
- Hubkolben
- 11
- Abtasteinrichtung
- 12
- Laser
- 13
- Laserstrahl
- 14
- Antrieb
- 15
- zentrale Verarbeitungseinheit
- 16
- Bauteil
- 17
- Eingabeeinheit
- 19
- Nivelliereinrichtung
- 20
- Richtung der Nivellierung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- T. Kuzumaki et al., „Mechanical Characteristics and Preparation of Carbon Nanotube Fiber-Reinforced Ti Composite”, Adv. Eng. Mater. Lett. (2000), 2, (7), Seiten 416 bis 418 [0008]
- C. He et al., „An Approach to Obtaining Homogeneously Dispersed Carbon Nanotubes in Al Powders for Preparing Reinforced Al-Matrix Composites”, Adv. Mater. 2007, 19, 1128–1132 [0008]
- J. Y. Hwang et al., „Laser-deposited carbon nanotube reinforced nickel matrix composites”, Scr. Mater. (2008), 59, Seiten 487 bis 490 [0011]
- C. He et al. [0018]
