DE102013224139A1

DE102013224139A1 - Material zum schichtweisen Generieren von Bauteilen, sowie ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit einem solchen Material

Info

Publication number: DE102013224139A1
Application number: DE102013224139.9A
Authority: DE
Inventors: Olga Deiss; Julian Timmermann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2013-11-26
Filing date: 2013-11-26
Publication date: 2015-05-28

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Material zum schichtweisen Generieren von Bauteilen durch aufeinanderfolgendes Verfestigen einzelner Materialschichten durch Bestrahlung mit Laserstrahlung mit Hilfe eines Lasers, welches zumindest einen ersten Werkstoff und zumindest einen zweiten Werkstoff umfasst, wobei der zumindest erste Werkstoff ein aus schmelzbarem Werkstoff bestehendes Trägermaterial (1) ist, und der zumindest zweite Werkstoff ein aus zumindest schwer schmelzbarem und/oder nicht schmelzbarem Werkstoff bestehendes Beimischmaterial (2) ist, und wobei das zumindest schwer schmelzbare und/oder nicht schmelzbare Beimischmaterial (2) in dem Trägermaterial (1) eingebettet ist. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils durch aufeinanderfolgendes Verfestigen einzelner Schichten aus einem solchen Material.

Description

Die Erfindung betrifft ein Material zum schichtweisen Generieren von Bauteilen durch aufeinanderfolgendes Verfestigen einzelner Materialschichten durch Bestrahlung mit Laserstrahlung mit Hilfe eines Lasers, welches zumindest einen ersten Werkstoff und zumindest einen zweiten Werkstoff umfasst sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit einem solchen Material.
Generative Fertigungsverfahren werden durch ihr iteratives Auf- oder Aneinanderfügen von Schicht- oder Volumenelementen zur Herstellung dreidimensionaler Gegenstände eingesetzt, und finden ihre Anwendung im Bereich der Herstellung von Prototypen sowie inzwischen auch in der Bauteilherstellung, insbesondere bei der Anfertigung individuell geformter Bauteile. Als Ausgangsmaterialien stehen eine Vielzahl unterschiedlicher Werkstoffe zur Verfügung, die sowohl in Pulver- oder Granulatform, aber auch in Form von Fluiden bspw. als Suspensionen, vorliegen können. Bei generativen Herstellungsverfahren, wird der dreidimensionale Gegenstand durch eine Vielzahl einzelner Materialschichten, die auf einer absenkbaren Bauteilplattform nacheinander abgeschieden und anschließend einzeln einem lokal selektiven Verfestigungsprozess unterzogen werden, gebildet.
Zur Darstellung eines Bauteiles mittels selektivem Laser(strahl)schmelzen (SLM) wird ein Pulverbett mittels eines Laserstrahles gemäß einem vorgegebenen Belichtungsfile belichtet, bei dem die Daten aus einem 3D-CAD-File erzeugt werden. Im ersten Berechnungsschritt wird das Bauteil in einzelne Schichten unterteilt. Im zweiten Berechnungsschritt werden für jede Schicht die Bahnen (Vektoren) erzeugt, die der Laserstrahl abfährt.
Ist eine Pulverschicht belichtet, so wird die Bauteilplattform abgesenkt und eine neue Schicht Pulver mittels eines Schiebers, beispielsweise eines Rechens aufgebracht und dann erneut mit dem Laser und mithilfe des Belichtungsfiles belichtet.
Allerdings müssen die verwendeten Pulver bzw. Granulate schmelzbar sein. Es gibt jedoch eine Vielzahl nicht schmelzbarer Materialen, die gerade in hochtemperaturfesten Bauteilen Verwendung finden. Diese sind bisher nicht mit generativen Fertigungsverfahren wie Laserstrahlschmelzen zu fertigen.
Eine erste Aufgabe der Erfindung ist daher, die Angabe eines Materials zum schichtweisen Generieren von Bauteilen, mit welchem das oben genannte Problem vermindert oder gar vermieden werden kann. Eine zweite Aufgabe liegt in der Angabe eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Bauteils, mit welchem das oben genannte Problem vermindert oder gar vermieden werden kann.
Die erste Aufgabe wird gelöst durch die Angabe eines Materials zum schichtweisen Generieren von Bauteilen durch aufeinanderfolgendes Verfestigen einzelner Materialschichten durch Bestrahlung mit Laserstrahlung mit Hilfe eines Lasers, welches zumindest einen ersten Werkstoff und zumindest einen zweiten Werkstoff umfasst. Dabei ist der zumindest erste Werkstoff ein aus schmelzbarem Werkstoff bestehendes Trägermaterial, und der zumindest zweite Werkstoff ein aus zumindest schwer schmelzbarem und/oder nicht schmelzbarem Werkstoff bestehendes Beimischmaterial, wobei das zumindest schwer schmelzbare und/oder nicht schmelzbare Beimischmaterial in dem Trägermaterial eingebettet ist.
Mit dem erfindungsgemäßen Material wird die Möglichkeit geschaffen jeden Werkstoff, das heißt auch schwer oder nicht schmelzbare Werkstoffe, mit Hilfe von Trägermaterialen durch ein generatives Fertigungsverfahren mittels Laser sehr einfach bearbeiten zu können. Zudem ist das erfindungsgemäße Material kostengünstig.
Dabei kann das Beimischmaterial Keramik und das Trägermaterial ein Metall oder eine Metalllegierung umfassen. Auch können das Beimischmaterial aus einem Keramikgemisch und das Trägermaterial aus einem Metall oder einer Metalllegierung bestehen.
Alternativ oder zusätzlich können das Beimischmaterial einen Harzanteil und das Trägermaterial ein Metall oder eine Metalllegierung umfassen. Auch können das Beimischmaterial aus einem Harzgemisch und das Trägermaterial aus einem Metall oder einer Metalllegierung bestehen.
Dabei kann das Harz ein Harz-Granulat aus z.B. Epoxidharz sein. Dies ist ein günstiger verschleißfester Werkstoff. Dadurch kann ein kostengünstiges verschleißfestes Bauteil erzeugt werden. Auch können selbstverständlich andere Werkstoffe zum Einsatz kommen.
Bevorzugt ist das Beimischmaterial gleichmäßig homogen in das Trägermaterial eingebettet. Dadurch ergibt sich eine gleichmäßige Werkstückeigenschaft über die jeweilige Bauteilschicht.
Bevorzugt ist das Beimischmaterial als auch das Trägermaterial als Granulat oder Pulver ausgebildet.
Bevorzugt ist das Beimischmaterial ein Granulat oder ein Pulver, welches einen Kern bildet, und welche eine Hülle umschließt und wobei die Hülle aus dem Trägermaterial besteht. Dadurch wird eine Verfestigung des Trägermaterials miteinander über die gesamte Bauteilschicht sichergestellt.
Die zweite Aufgabe wird gelöst durch die Angabe eines Verfahrens zur Herstellung eines Bauteils durch aufeinanderfolgendes Verfestigen einzelner Schichten aus einem wie oben beschriebenen Material, mit einem Trägermaterial und einem Beimischmaterial, durch Bestrahlung mit Laserstrahlung mit Hilfe eines Lasers mit den Schritten:

– Bereitstellen einer Bauteilplattform für das zu generierende Bauteil,
– Auftragen einer Materialschicht oberhalb der Bauteilplattform,
– Verfestigen der Materialschicht durch den Laser, so dass sich das Trägermaterial miteinander verbindet und das Beimischmaterial vom Trägermaterial zum großen Teil eingebettet wird.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Bauteils durch aufeinanderfolgendes Verfestigen einzelner Schichten aus diesem Material wird die Möglichkeit geschaffen jeden Werkstoff, das heißt auch schwer oder nicht schmelzbare Werkstoffe, mit Hilfe von Trägermaterialen durch ein generatives Fertigungsverfahren mittels Laser sehr einfach bearbeiten zu können. Zudem ist das erfindungsgemäße Material kostengünstig. Die dadurch generierten Bauteile können -je nach verwendeten Werkstoffen- eine hohe Verschleißfestigkeit oder hohe Oxidationsfestigkeit aufweisen.
Bevorzugt wird das Beimischmaterial vom Trägermaterial vollständig eingebettet.
Vorzugsweise werden die erste und die letzte Materialschicht als aus vollständig aus dem Trägermaterial bestehende Materialschicht aufgetragen. Dadurch wird ein vollständiges Einbetten des Beimischmaterials auch an der Unter- bzw. Oberseite des zu fertigenden Bauteils sichergestellt. In bevorzugter Ausgestaltung bettet das Trägermaterial das Beimischmaterial vollständig ein. Dabei wird das Beimischmaterial bevorzugt gleichmäßig homogen in dem Trägermaterial eingebettet.
Bevorzugt wird als generatives Verfahren das selektive Laserstrahlschmelzen angewandt. Selbstverständlich können auch andere Verfahren z.B. das Lasersintern angewandt werden.
Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren. Darin zeigen schematisch:
1: ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Materials,
2: ein Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Bauteils hergestellt mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und dem erfindungsgemäßen Material,
3: ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Materials.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Materials. Dieses besteht aus einem Trägermaterial 1 und aus einem Beimischmaterial 2. Das Beimischmaterial 2 besteht in diesem Beispiel aus einem nicht schmelzbaren Werkstoff wie z.B. Keramik. So könnten z.B. Keramiken als Granulat im Trägermaterial 1 eingebettet werden und so erhöhte Verschleißfestigkeit hervorrufen. Es kann aber auch ein Harzwerkstoff, insbesondere Epoxidharz, verwendet werden. Dadurch erhält man ein günstiges, verschleißfestes verfestigtes Material und somit ein günstiges verschleißfestes Bauteil.
Es können aber noch viele andere Werkstoffe verwendet und kombiniert werden, sowohl als Trägermaterial 1 oder als Beimischmaterial 2. Auch kann das Beimischmaterial 2 nur schwer schmelzbar, d.h. mit einem Schmelzpunkt von über 1000 Grad, sein.
Als Trägermaterial 1 können Metalle/Metalllegierungen verwendet werden.
2 zeigt einen Abschnitt aus einem Bauteil, hergestellt mit einem erfindungsgemäßen Verfahren und dem erfindungsgemäßen Material. Auf einer nicht gezeigten Bauteilplattform wird nun eine erste Materialschicht aufgetragen und verfestigt. Auf dieser ersten verfestigten Schicht wird nun eine zweite Schicht des erfindungsgemäßen Materials aufgetragen. Dieses wird mit dem Laser erhitzt und mit der unteren Schicht verfestigt. Das Beimischmaterial 2 wird im Trägermaterial 1 eingebettet. Dieses Einbetten ist vorzugsweise gleichmäßig homogen, d.h. Trägermaterial 1 und Beimischmaterial 2 sind gleichmäßig und homogen verteilt. Nach dem Erhitzen ist das Beimischmaterial 2 in dem Trägermaterial 1 homogen und gleichmäßig eingebettet. Vorzugsweise wird das Beimischmaterial 2 vollständig in dem Trägermaterial 1 eingebettet. Dabei kann die erste Materialschicht z.B. nur aus Trägermaterial 1 bestehen. Auch die letzte Materialschicht kann nur aus Trägermaterial 1 bestehen. Dadurch kann beispielsweise eine vollständige Einbettung sichergestellt werden.
Das gleichmäßige und homogene Auftragen der einzelnen Materialschichten kann z.B. durch eine nicht gezeigte Pulverdüse erfolgen.
3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Materials. Dabei ist das Beimischmaterial 2 vom Trägermaterial 1 umhüllt. Somit wird sichergestellt, dass das Beimischmaterial 2 im Trägermaterial 1 nach dem Verfestigen vollständig eingebettet ist.
Mit dem erfindungsgemäßen Material als auch dem Verfahren zur Herstellung eines Bauteils durch aufeinanderfolgendes Verfestigen einzelner Schichten aus diesem Material wird die Möglichkeit geschaffen jeden Werkstoff, das heißt auch schwer oder nicht schmelzbare Werkstoffe, mit Hilfe von Trägermaterialen durch ein generatives Fertigungsverfahren mittels Laser sehr einfach bearbeiten zu können. Zudem ist das erfindungsgemäße Material kostengünstig. Die dadurch generierten Bauteile können – je nach verwendeten Werkstoffen – eine hohe Verschleißfestigkeit oder hohe Oxidationsfestigkeit aufweisen.

Claims

Material zum schichtweisen Generieren von Bauteilen durch aufeinanderfolgendes Verfestigen einzelner Materialschichten durch Bestrahlung mit Laserstrahlung mit Hilfe eines Lasers, welches zumindest einen ersten Werkstoff und zumindest einen zweiten Werkstoff umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest erste Werkstoff ein aus schmelzbarem Werkstoff bestehendes Trägermaterial (1) ist, und der zumindest zweite Werkstoff ein aus zumindest schwer schmelzbarem und/oder nicht schmelzbarem Werkstoff bestehendes Beimischmaterial (2) ist, und wobei das zumindest schwer schmelzbare und/oder nicht schmelzbare Beimischmaterial (2) in dem Trägermaterial (1) eingebettet ist.
Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Beimischmaterial (2) einen Keramikanteil und das Trägermaterial (1) ein Metall oder eine Metalllegierung umfasst.
Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Beimischmaterial (2) aus einem Keramikgemisch und das Trägermaterial (1) aus einem Metall oder einer Metalllegierung bestehen.
Material nach einem der Ansprüche 1–2, dadurch gekennzeichnet, dass das Beimischmaterial (2) einen Harzanteil und das Trägermaterial (1) ein Metall oder eine Metalllegierung umfasst.
Material nach Anspruch 4 oder 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Beimischmaterial (2) aus einem Harzgemisch und das Trägermaterial (1) aus einem Metall oder einer Metalllegierung besteht.
Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Beimischmaterial (2) gleichmäßig homogen in dem Trägermaterial (1) eingebettet ist.
Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Beimischmaterial (2) als auch das Trägermaterial (1) als ein Granulat oder ein Pulver ausgebildet ist.
Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Beimischmaterial (2) ein Granulat oder ein Pulver ist, welcher einen Kern bildet, und welche eine Hülle umschließt und wobei die Hülle aus dem Trägermaterial (1) besteht.
Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material aus Trägermaterial (1) und Beimischmaterial (2) besteht.
Verfahren zur Herstellung eines Bauteils durch aufeinanderfolgendes Verfestigen einzelner Schichten aus einem Material, mit einem Trägermaterial (1) und einem Beimischmaterial (2) nach einem der Ansprüche 1–9, durch Bestrahlung mit Laserstrahlung mit Hilfe eines Lasers gekennzeichnet durch die Schritte: – Bereitstellen einer Bauteilplattform für das zu generierende Bauteil, – Auftragen einer Materialschicht oberhalb der Bauteilplattform, – Verfestigen der Materialschicht durch den Laser, so dass sich das Trägermaterial (1) miteinander verbindet und das Beimischmaterial (2) vom Trägermaterial (1) zum großen Teil eingebettet wird.
Verfahren zur Herstellung eines Bauteils nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die letzte Materialschicht als aus vollständig aus dem Trägermaterial (1) bestehende Materialschicht aufgetragen wird.
Verfahren zur Herstellung eines Bauteils nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial (1) das Beimischmaterial (2) vollständig eingebettet.
Verfahren zur Herstellung eines Bauteils nach einem der Ansprüche 10–12, dadurch gekennzeichnet, dass das Beimischmaterial (2) gleichmäßig homogen in dem Trägermaterial (1) eingebettet wird.