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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils mittels eines generativen Verfahrens nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie eine Vorrichtung zum Herstellen eines Bauteils mittels eines generativen Verfahrens nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 5.
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Generative Herstellungsverfahren, wie das Lasersintern, sind aus dem Stand der Technik allgemein bekannt und finden insbesondere für Prototypen oder Kleinserien von Bauteilen Anwendung.
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Üblicherweise wird beim Lasersintern ein Metallpulver sukzessive auf einen Träger aufgetragen und Schicht für Schicht durch Laserbestrahlung zum gewünschten Bauteil gesintert. Solche Verfahren stellen hohe Ansprüche an die verwendeten Metallpulver, da insbesondere die erzeugbare Feinheit des Bauteildetails unmittelbar von der Feinheit des eingesetzten Pulvers abhängt.
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Feine Pulver sind jedoch aufwändig in ihrer Herstellung und besitzen problematische Eigenschaften wie Lungengängigkeit und eine große spezifische Oberfläche, die zu Reaktionsfreudigkeit, Brandgefahr und Verschmutzungsempfindlichkeit führt. Sie sind schwierig mit definierter Kornform, Korngröße und Korngrößenverteilung herzustellen, schwierig zu lagern und entmischen sich oft bei Erschütterung.
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Der Herstellungsprozess wird zudem dadurch kompliziert und verteuert, dass eine Mehrzahl metallurgischer Bearbeitungsschritte zur Herstellung des Pulvers notwendig ist. Rohmaterialien müssen zunächst gegebenenfalls reduziert und zu Metallbarren definierter Zusammensetzung geschmolzen werden, welche anschließend wieder aufgeschmolzen und zum Pulver verdüst werden, das dann bei der eigentlichen Urformung des Bauteils erneut aufgeschmolzen wird. Dies ist insbesondere energetisch deutlich aufwändiger, als beispielsweise das Gießen. Gerade beim Sintern des Pulvers ist der Wirkungsgrad besonders gering, da aufgrund des hohen Albedos von Metallpulvern viel Energie durch Reflektion verloren geht.
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Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 5 bereitzustellen, welche eine energieeffiziente und kostengünstige Herstellung von Bauteilen durch ein generatives Verfahren ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5 gelöst.
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Bei einem solchen Verfahren zum Herstellen eines Bauteils aus einem Metall mittels eines generativen Herstellungsverfahrens werden sukzessive Schichten aus einem pulverförmigen Ausgangsmaterial aufgetragen und gesintert. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass ein Ausgangsmaterial verwendet wird, welches zumindest ein Metalloxid umfasst.
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Verglichen mit dem Stand der Technik können somit metallurgische Vorbereitungsschritte eingespart werden. Das als Ausgangsmaterial verwendete Metalloxid muss lediglich in Pulverform überführt werden. Durch die thermische Behandlung beim Sintern kann unter Verwendung einer geeigneten reduzierenden Atmosphäre gleichzeitig die Reduktion zum elementaren Metall durchgeführt werden, so dass der Prozess besonders schnell und kostengünstig ist. Da Metalloxide einfallende Strahlung deutlich besser absorbieren als reine Metalle hat der Wärmeeintrag beim Sintern zudem einen deutlich besseren Wirkungsgrad. Die Verfahrensdurchführung wird zudem erleichtert, da Pulver aus Metalloxiden eine deutlich geringere Reaktivität aufweisen, als metallische Pulver.
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Unter „Sintern“ ist im Rahmen der Erfindung sowohl ein zumindest teilweises als auch ein zumindest im Wesentlichen vollständiges Aufschmelzen des pulverförmigen Ausgangsmaterials bzw. von einzelnen Partikeln des Ausgangsmaterials zu verstehen.
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Um die gewünschte Reduktion des Metalloxids zum Metall beim Sintern zu gewährleisten, ist es zweckmäßig, wenn das Auftragen und Sintern des Ausgangsmaterials in einer Atmosphäre umfassend wenigstens ein Gas aus der Gruppe Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Wasser durchgeführt wird. Neben der Reduktionsreaktion selbst können durch die Atmosphärenzusammensetzung noch weitere Parameter eingestellt werden, wie beispielsweise der Kohlenstoffgehalt der resultierenden Legierung. Dies ist insbesondere in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung von Bedeutung, in welcher als Ausgangsmaterial ein Eisenoxid verwendet wird, welches zu einem Stahl direktreduziert wird.
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Es ist ferner vorteilhaft, wenn für unterschiedliche Teilbereiche des Bauteils unterschiedliche Ausgangsmaterialien und/oder unterschiedliche Atmosphären verwendet werden. Hierdurch kann das Material des Bauteils auf feinster Skala an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden, so dass besonders belastbare Bauteile geschaffen werden. Gleichzeitig spart dies Kosten ein, da beispielsweise teure Legierungsbestandteile lediglich in denjenigen Teilbereichen des Bauteils zugegeben werden, in welchen sie tatsächlich benötig werden.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Herstellen eines Bauteils aus einem Metall mittels eines generativen Herstellungsverfahrens, mit einem Fertigungsraum sowie einem in diesem aufgenommenen Auftragskopf zum Auftragen pulverförmiger Ausgangsmaterialien und einer ebenfalls im Fertigungsraum aufgenommenen Wärmequelle zum Sintern der Ausgangsmaterialien.
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Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass der Fertigungsraum druckdicht ausgebildet ist. Dies ermöglicht es, definierte Atmosphärenzusammensetzungen in dem Fertigungsraum zu realisieren, so dass, wie anhand des oben geschilderten Verfahrens erläutert, metallische Bauteile durch Direktreduktion von Metalloxiden während des Sinterns in reduzierender Atmosphäre hergestellt werden können. Die anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens erläuterten Vorteile kommen daher auch bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung voll zum Tragen.
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Es ist dabei insbesondere vorteilhaft, wenn die Vorrichtung Mittel zum Zuführen einer definierten Gasmischung in den Fertigungsraum aufweist. Hierdurch wird es ermöglicht, exakte Bedingungen für die Direktreduktion von Metalloxiden zur gewünschten Legierung zu schaffen.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die Vorrichtung eine Mischeinrichtung zum Mischen unterschiedlicher Ausgangsmaterialien in einem definierten Mischungsverhältnis auf. Anstelle von reinen Metallen oder Metalloxiden können für den Sinterprozess somit Mischungen bereitgestellt werden, so dass auch Bauteile aus definierten Legierungen gefertigt werden können. Das Mischungsverhältnis kann zudem während der Fertigung eines Bauteils variiert werden, so dass das Bauteil bedarfsgerecht aus abschnittsweise unterschiedlichen Legierungen gefertigt werden kann.
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Zweckmäßigerweise weist der Fertigungsraum ferner ein druckgeregeltes Ablassventil auf. Dies ermöglicht es, auch die Atmosphärenzusammensetzung während des Fertigungsprozesses zu variieren, so dass beispielsweise Stahlbauteile mit lokal unterschiedlichem Kohlenstoffgehalt geschaffen werden können.
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Es ist denkbar, die Erfindung zusätzlich oder anstelle von Metalloxid auch wenigstens ein Metallsulfid, insbesondere Eisensulfid, und/oder wenigstens ein Metallcarbonat, insbesondere Eisencarbonat zu verwenden. Mit anderen Worten kann auch vorgesehen sein, dass das pulverförmige Ausgangsmaterial anstelle des Metalloxids oder zusätzlich zu diesem wenigstens ein Metallsulfid und/oder wenigstens ein Metallcarbonat umfasst.
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Im Folgenden werden die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Sintervorrichtung nach dem Stand der Technik;
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2 eine schematische Darstellung eines Auftrags- und Schmelzkopfes einer Sintervorrichtung nach dem Stand der Technik
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3 eine schematische Darstellung der Produktionskette eines Bauteils bei der Fertigung mittels eines generativen Herstellungsverfahrens nach dem Stand der Technik;
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4 eine schematische Gegenüberstellung der Prozesse bei einem Sintervorgang nach dem Stand der Technik und der Direktreduktion bei einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
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5 eine schematische Darstellung eine Sintervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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6 eine schematische Darstellung eines Auftrags- und Schmelzkopfes einer Sintervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
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7 eine schematische Darstellung der Produktionskette eines Bauteils bei der Fertigung mittels eines generativen Herstellungsverfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Eine Vorrichtung 10 zum Lasersintern nach dem Stand der Technik umfasst einen Fertigungsraum 12, in welchem ein Auftragskopf 14 angeordnet ist. Mittels des Auftragskopfes 14 werden ausgehend vom Boden 16 des Fertigungsraums 12 Schichten eines Metallpulvers in Form der Querschnittskonturen eines zu fertigenden Bauteils 18 aufgetragen. Nach dem Auftrag einer jeweiligen Schicht werden die Metallpartikel mittels eines Lasers 20 zu solidem Metall gesintert. Dieser schichtweise Auftrag wird so lange sukzessive wiederholt, bis das Bauteil 18 komplett gefertigt ist. Alternativ zu dem Laser 20 kann auch ein Elektronenstrahl Anwendung finden.
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Das Metallpulver wird dabei durch eine Feststoffzuführung 22 in den Fertigungsraum 12 geleitet. Ferner weist der Fertigungsraum 12 eine Gaszuführung 24 und eine Entlüftung 26 auf, so dass der Fertigungsraum 12 während des Auftrags- und Sintervorgangs mit Inertgas gespült werden kann, um eine Oxidation des Metallpulvers oder andere Reaktionen, wie beispielsweise die Bildung von Nitriden, zu unterdrücken.
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Wie 3 zeigt, ist ein derartiges Sinterverfahren nach dem Stand der Technik lediglich ein Glied einer komplexen Prozesskette 28. Rohmaterial 30, wie beispielsweise Erz oder Schrott, muss zunächst gereinigt und zu Barren definierter Zusammensetzung gegossen werden. Die Barren selbst werden wiederum aufgeschmolzen, zu Vorlegierungen oder Legierungen gemischt und letztendlich verdüst, um das für das Lasersintern notwendige feine Pulver zu erhalten. Diese metallurgische Phase 32 der Prozesskette ist besonders aufwändig und teuer. Erst dann kann die eigentliche Bauteilproduktion in einer maschinenbaulichen Phase 34 der Prozesskette 28 erfolgen.
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Ein deutlich effizienteres generatives Verfahren kann durch die Direktreduktion von Metalloxidpartikeln 36 eines Metalloxidpulvers während des Sinterns realisiert werden. Die Vorgänge während der Verfahrensdurchführung sind in 4 unten mit denen beim konventionellen Lasersintern (4 oben) verglichen.
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Beim konventionellen Lasersintern werden Metallpartikel 38 eines Metallpulvers in einer Schmelzzone 40 zum fertigen Bauteil 18 zusammengeschmolzen. Die metallurgischen Vorgänge in der Schmelzzone werden im Wesentlichen von den Massenströmen 42 und Energieströmen 44 in die und aus der Schmelzzone 40 bestimmt.
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Bei einer Direktreduktion werden dagegen durch den Auftragskopf 14 Metalloxidpartikel 36 eines Metalloxidpulvers aufgetragen, welches beispielsweise auch Metallpartikel 38 umfassen kann. Anstelle einer reinen Schmelzzone 40 resultiert im Fokus des Wärmeeintrags beim Sintern eine Reaktionszone 46, in welcher die erhitzten Metalloxide eine Reaktion mit der Atmosphäre eingehen. Neben den Massenströmen 42 und Energieströmen 44 beeinflussen somit auch Gasdruckgleichgewichte 48 die Vorgänge in der Reaktionszone 46.
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Um die gewünschte Materialzusammensetzung in der Reaktionszone 46 zu erreichen, muss der Fertigungsraum 52 einer zum Sintern mit Direktreduktion ausgelegten Vorrichtung 50 gasdicht abgeschlossen sein. Durch eine Mehrzahl von Gaseinlässen 54 bzw. ein geeignetes Mischventil wird vor dem Sintern und/oder kontinuierlich während des Sinterns die Atmosphärenzusammensetzung im Fertigungsraum 52 eingestellt.
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Soll beispielsweise aus Eisenoxidpartikeln ein Bauteil 18 aus Stahl gefertigt werden, so ist eine gemischte Atmosphäre aus Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Wasserstoff und Wasser zweckmäßig. Hierdurch kann gleichzeitig der Kohlenstoffanteil des in der Reaktionszone 46 gebildeten Stahls eingestellt werden. Über ein Druckventil 56 können die Gase wieder aus dem Fertigungsraum 52 entlassen werden, so dass die Atmosphärenzusammensetzung auch während des Sinterns geändert werden kann. So können beispielsweise Bauteilabschnitte mit unterschiedlichem Kohlenstoffgehalt realisiert werden.
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Um die Flexibilität bei der Bauteilherstellung weiter zu verbessern weisen Fertigungsraum 52 und Auftragskopf 58 zudem mehrere Materialzuführungen 60 auf, über welche gleichzeitig unterschiedliche Metalloxid- oder Metallpulver aufgetragen werden können. Dies ermöglicht es, das Bauteil 18 lokal aus unterschiedlichen Legierungen zu fertigen.
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Wie 7 zeigt, entfällt in der Prozesskette 64 bei der Verwendung der Direktreduktion ein wesentlicher Teil der metallurgischen Vormaterialerzeugung 32. Lediglich die Rohmaterialien 30 bzw. Rohstoffe müssen noch in die nötige Pulverform aufgemahlen werden und können dann unmittelbar in den Herstellungsschritt 62 eingebracht und zum Bauteil 18 geformt werden. Dies verbessert die Ökonomie und den Energieverbrauch bei der Herstellung des Bauteils 18 beträchtlich.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Vorrichtung
- 12
- Fertigungsraum
- 14
- Auftragskopf
- 16
- Boden
- 18
- Bauteil
- 20
- Laser
- 22
- Feststoffeinlass
- 24
- Gaseinlass
- 26
- Entlüftung
- 28
- Prozesskette
- 30
- Rohmaterial
- 32
- metallurgische Phase
- 34
- maschinenbauliche Phase
- 36
- Metalloxidpulver
- 38
- Metallpartikel
- 40
- Schmelzzone
- 42
- Massenströme
- 44
- Energieströme
- 46
- Reaktionszone
- 48
- Gasdruckgleichgewicht
- 50
- Vorrichtung
- 52
- Fertigungsraum
- 54
- Gaseinlass
- 56
- druckgeregeltes Ventil
- 58
- Auftragskopf
- 60
- Materialzuführung
- 62
- Fertigungsphase
- 64
- Prozesskette
