DE102014018080A1

DE102014018080A1 - Verfahren und Anlage zur additiven Fertigung von amorphen kristallinen und/oder teilkristallinen Metallbauteilen - Selective Amorphous Metal Extrusion (SAME)

Info

Publication number: DE102014018080A1
Application number: DE102014018080.8A
Authority: DE
Inventors: Philipp Drescher; Clemens Lieberwirth; Hermann Seitz
Original assignee: Universitaet Rostock
Current assignee: Universitaet Rostock
Priority date: 2014-12-06
Filing date: 2014-12-06
Publication date: 2016-06-09
Also published as: DE112015005447A5; WO2016086912A2; WO2016086912A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein additives Verfahren zur Erzeugung von Metallteilen mit amorpher, kristalliner und/oder teilkristalliner Struktur für die Medizintechnik, Rapid-Prototyping und Rapid-Manufacturing, Rapid Tooling und in allen Branchen, in denen RP-Technologien zum Einsatz kommen, Rapid-Manufacturing von Leichtbauteilen für die Luft- und Raumfahrt (geschlossene Wabenstrukturen etc.) und der direkte Herstellung von Sonderanfertigungen und Ersatzteilen(Selective Amorphous Metal Extrusion (SAME)). Mittels eines Extrusionsverfahrens wird ein amorphes, metallenes Ausgangsmaterial in einem Extruder (9) bis über den Glasübergangsbereich zur Erzeugung eines thermoplastischen Verhaltens erwärmt, extrudiert und selektiv auf eine Bauplattform (10) in Form eines extrudierten Metallfadens zweidimensional aufgetragen und anschließend abgekühlt, wobei das zweidimensionale Auftragen und Abkühlen des extrudierten Materialfadens bis zur Fertigstellung des Metallteils fortgesetzt wird. Die Anlage zur Durchführung des Verfahrens besteht aus einer dreidimensional verfahrbaren Kinematik (8), einer Bauplattform (10) und einen an der dreidimensional verfahrbaren Kinematik (8) angeordneten Extruder (9), wobei der Extruder (9) mit einer Extrudierschnecke (1) für das zu extrudierende amorphe, metallene Ausgangsmaterial, einem beheizten oder teilweise beheizten Gehäuse (2) und einer am Gehäuse (2) angeordneten, auswechselbaren Düse (3) ausgerüstet ist und wobei unterhalb der Düse (3) eine aktive Kühlung (4) auf das extrudierte, aus der Düse (3) austretende Material gerichtet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur additiven Fertigung von amorphen, kristallinen und/oder teilkristallinen Metallbauteilen in der Medizintechnik, Rapid-Prototyping und Rapid- Manufacturing, Rapid Tooling und in allen Branchen in denen RP-Technologien zum Einsatz kommen, Rapid-Manufacturing von Leichtbauteilen für die Luft- und Raumfahrt (geschlossene Wabenstrukturen etc.) und der direkte Herstellung von Sonderanfertigungen und Ersatzteilen.
Bisher wurden amorphe Metalle durch Metallguss auf oder in ein kühles Substrat realisiert. Dabei können einfache Geometrien wie Stangen, Bänder und Folien hergestellt werden, die eine kritische Größe nicht überschreiten.
In der US 42 21 257 A wird eine Verfahren zur Herstellung von amorphen Metallstreifen beschrieben, bei dem die Metallschmelze mit hohem Druck durch eine Düse auf ein kaltes Substrat extrudiert wird. Durch den Abstand der Düse zum Kühlkörper kann die Dicke der Folie oder Stange eingestellt werden.
Weiterhin gibt es Ansätze, dass ein Metallpulver selektiv durch einen Energiestrahl aufgeschmolzen wird und somit nur ein kleiner Bereich abkühlen muss, bevor eine neue Schicht aufgetragen wird.
Die WO 2010 027 317 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Körper, die ganz oder für ausgewählte Teile aus einem Verbundwerkstoff aus kristallinen oder nanokristallinen Metallpartikel in einer Matrix aus amorphem Metall bestehen. Auf eine wärmeleitende Grundplatte und für begrenzte Bereiche einer Schicht wird nacheinander mittels einer Strahlungskanone eine Metallpulverschicht geschmolzen, aufgebracht und abgekühlt, so dass sie dazu gebracht werden, in einem amorphen Metall zu verfestigen.
Im Zusammenhang mit dem Schmelzen von einem oder mehreren Schichten in den begrenzten Bereichen wird die Strahlungskanone so eingestellt, dass die aufgeschmolzenen Bereiche in Übereinstimmung mit einer vorgegebenen Zeit-Temperatur-Kurve abgekühlt werden, um ein Verbundmaterial aus kristallinem oder nanokristallinen Metallpartikel in einer Matrixform aus amorphem Metall herzustellen. Das Verfahren wird wiederholt, bis eine durchgehende Schicht aus einem Metallverbund mit einer gewünschten Form gebildet wird. Eine neue Pulverschicht wird aufgebracht und das Verfahren wiederholt, wobei die neue Schicht auf die darunterliegende Schicht für den Aufbau des dreidimensionalen Körpers fusioniert. Alternativ wird eine Schicht nur aus amorphem Metall auf der ersten erzeugt, woraufhin begrenzten Bereiche der Schicht mit Hilfe der Strahlungskanone in Übereinstimmung mit der festgelegten Zeit-Temperatur-Kurve wärmebehandelt werden, um das amorphe Metall in einer zusammengesetzten Transformation kristalliner oder nanokristallinen Metallpartikel in einer Matrix zu amorphem Verbundwerkstoffen zu erhitzen.
In der US 2014 0202 595 A1 wir ein additiven Fertigungsprozess beschrieben, bei dem schichtweise die metallische Schmelze aufgetragen und sukzessiv abgekühlt wird. Durch die Verbindung von mehreren Schichten soll somit eine große Geometrie entstehen, die im Anschluss durch abtragende Verfahren zu dem gewünschten Bauteil prozessiert wird.
Die US 2013 0306 262 A1 offenbart ein Blasform- Verfahren, wobei mit Druck das metallische Glas im thermoplastischen Bereich in eine Form geblasen wird. Die metallischen Schmelzen können im Prinzip genauso verarbeitet werden wie Kunststoffe.
Die im Stand der Technik beschriebenen Lösungen bieten im Einzelnen nicht die Möglichkeit beliebige Formen zu extrudieren oder arbeiten mit Temperaturen, die das Material komplett aufschmelzen, was dazu führt, dass hohe Abkühlraten notwendig werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein neues Verfahren und eine neue Anlage der Freiformgenerierung von Metallpulver zu schaffen, wobei die Bauteile frei auf der Bauplattform erzeugt werden und keine manuelle Entfernung von ungebundenem Material bzw. Reinigung des Bauraumes erforderlich ist. Des Weiteren soll das Verfahren sich durch deutlich niedrigere Kosten und ein besseres Verhältnis von Bauraum zu Anlagengröße auszeichnen.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch additives Verfahren zur Erzeugung von Metallteilen mit amorpher, kristalliner und/oder teilkristalliner Struktur mittels eines Extrusionsverfahrens gelöst, wobei ein amorphes, metallenes Ausgangsmaterial in einem Extruder (9) bis über den Glasübergangsbereich zur Erzeugung eines thermoplastischen Verhaltens erwärmt, extrudiert und selektiv auf eine Bauplattform (10) in Form eines extrudierten Metallfadens zweidimensional aufgetragen und anschließend abgekühlt sowie das zweidimensionale Auftragen und Abkühlen des extrudierten Materialfadens bis zur Fertigstellung des Metallteils fortgesetzt wird. Das amorphe metallene Ausgangsmaterial kann dabei in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung als Pulver- oder Filamentform vorliegen.
Das additive Verfahren zur Herstellung von Metallteilen mit amorpher, kristalliner und/oder teilkristalliner Struktur kann nach einer weiteren Auslegung der Erfindung unter einer Schutzgasatmosphäre durchgeführt werden.
Die Anlage zur Durchführung des Verfahrens besteht aus einer dreidimensional verfahrbaren Kinematik (8), aus einer Bauplattform (10) und aus einem an der dreidimensional verfahrbaren Kinematik (8) angeordneten Extruder (9), wobei der Extruder (9) mit einer Extrudierschnecke (1) für das zu extrudierende amorphe metallene Ausgangsmaterial, einem beheizten oder teilweise beheizten Gehäuse (2) und einer am Gehäuse (2) angeordneten, auswechselbaren Düse (3) versehen ist, wobei unterhalb der Düse (3) eine aktive Kühlung (4) auf das extrudierte, aus der Düse (3) austretende Material gerichtet ist.
Die Extrudierschnecke (1) kann dabei als eine Stopfschnecke ausgebildet sein, wobei in einer weiteren Auslegung Erfindung an der Extrudierschnecke (1) für die Befüllung mit dem zu extrudierenden amorphen metallenen Ausgangsmaterial eine Überdruckleitung (5) oder eine Dosiereinrichtung (6) angeordnet sind. In weiteren Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Anlage, kann der Extruder (9) an der dreidimensional verfahrbaren Kinematik (8) oder an der Bauplattform (10) angeordnet sein, wobei der Extruder (9) starr an der Kinematik (8) montiert und die Bauplattform (10) verfahrbar in x-, y- und z- Achse ausgebildet oder der Extruder (9) in x-, y- und z- Achse verfahrbar an der Kinematik (8) angeordnet und die Bauplattform (10) starr ausgebildet oder der Extruder (9) und die Bauplattform (10) in einer Kombination aus der Verfahrbarkeit in den x-, y- und z- Achsen verfahrbar ausgebildet sind.
Die Erfindung soll nun an einem Beispiel näher erläutert werden, wobei die 1 eine schematische Darstellung des Extruders, die 2 eine Skizze der Kinematik und die 3 schematische Darstellung der Befüllung des Extruders zeigen und
Bezugszeichenliste

1: Extrusionsschnecke
2: beheiztes Gehäuse
3: Düse
4: aktive Kühlung
5: Schüttung
6: Überdruck
7: Dosierung
8: Kinematik
9: Extruder
10: Bauplattform bedeuten.

Das Verfahren (selective amorphous metal extrusion, SAME) besteht aus dem schichtweisen Aufbau des Bauteils durch Extrusion eines amorphen, metallenen Ausgangsmaterial durch thermo-mechanische Einwirkung mittels einer Extrusionsschnecke (1) eines Extruders (9), wobei die metallischen Gläser oberhalb der Glastemperatur eine Viskosität ähnlich der von Polymeren aufweisen. Der Extruder (9) ist an zwei verfahrbaren Achsen einer freiverfahrbaren und an eine Steuerung für einen 3-D-Drucker angeschlossenen Kinematik (8) befestigt, welche über einer Bauplattform (10) positioniert ist, wobei unterhalb der Düse (3) eine aktive Kühlung (4) auf das extrudierte aus der Düse (3) austretende Material gerichtet ist. Durch eine programmierbare Steuerung können individuelle Verfahrwege realisiert werden.
Der Prozess kann aufgrund eines reaktiven Materials unter Schutzgas stattfinden. Metallpartikel werden mittels eines Extruders (9) kurzzeitig durch thermische und mechanische Einwirkung plastifiziert und selektiv, gegeben falls unter Schutzgasatmosphäre auf die Baufläche der Bauplattform (10) aufgetragen. Die Kinematik (8) sorgt dabei für die zweidimensionale Positionierung des auf diese Art und Weise extrudierten Materialfadens. Nachdem Kontur und Füllung der ersten Schicht aufgetragen wurden und abgekühlt sind, folgt das Einstellen der Schichtstärke entweder über ein Anheben des Extruders (9) oder Absenken der Bauplattform (10) um die Schichtstärke. Die Schritte des Extrudierens einer neuen Schicht und des Verfahrens in z-Richtung werden wiederholt bis das Bauteil fertiggestellt wurde. Das größte Problem bei der Herstellung von amorphen, kristallinen und/oder teilkristallinen Metallen stellen die Reinheitsanforderungen auf allen Stufen des Herstellungsprozesses dar, denn jede Verunreinigung kann als Kristallisationskeim fungieren. Dazu gehören auch Metalloxide, die sich beim Vorhandensein von Sauerstoff bilden. Die Herstellung der Legierungen und die spätere Verarbeitung können daher auch in einer inerten Schutzgasatmosphäre stattfinden.
Die Kinematik (8) der Anlage zur Erzeugung der dreidimensionalen Bauteilstruktur ist frei wählbar und an die Steuerung eines 3D-Druckers angeschlossen. Der Extruder (9) kann starr am Gerät montiert sein und die Bewegung in x, y und z erfolgt nur über das Verfahren der Bauplattform (10), oder der Extruder wird in x, y und z verfahren und die Bauplattform (10) bleibt starr verbunden. Eine Kombination aus Bewegung des Extruders (9) und Bewegung der Bauplattform (10) ist ebenfalls möglich.
Der Extruder (9) ist dadurch gekennzeichnet, dass er Granulat oder Pulver aus amorphen Metall mittels einer Extrusionsschnecke (1) in einem beheizten Gehäuse (2) verdichtet, bis zur Glasübergangstemperatur erhitzt und durch eine auswechselbare Düse (3) extrudiert. Die Bestückung der Schnecke kann dabei entweder aus dem vollen Erfolgen, durch eine Überdruckleitung (6) oder eine entsprechende Dosiereinrichtung (Abbildung).
Die spezielle Zirkonlegierung Zr₇₀Cu₂₄Al₄Nb₂, in Pulverform vorliegend, die eine relativ niedrige Glasübergangstemperatur aufweist, wird mit Hilfe der Dosiereinrichtung (6) in das beheizte Gehäuse (2) befördert und mit Hilfe eines Heizelementes auf eine Temperatur von 400°C erwärmt. Es können jedoch auch viele verschiedene Legierungen mit niedrigen Glasübergangstemperaturen und guten rheologischen Eigenschaften, wie z. B. Ce₆₉Cu₂₀Al₁₀Nb₂ oder Au₄₉Ag_5.5Pd_2.3Cu_26.9Si_16.3 verwendet werden. Durch die Wärmeinbringung und die mechanische Kraft der als Stopfschnecke ausgebildete Extrusionsschnecke (1) wird das Material in den thermoplastischen Bereich gebracht, verdichtet und über die Düse (3) auf die Bauplattform (10) als dünner Materialfaden zweidimensional aufzutragen. Die aktive Kühlung (4) kühlt diesen dünnen Materialfaden beim Austritt aus der Düse (3) ab. Dabei war zu beachten, dass der Extruder (9) nicht verstopfen durfte und einen kontinuierlichen Materialfaden aus der aufgeschraubten Düse (3) presst. Dies konnte durch die Verdichtung des plastifizierten Materials mittels der Stopfschnecke erreicht werden. Nach Abkühlen des Materialfadens durch die aktive Kühlung (4) und dem Auftragen auf der Bauplattform (10) wird der Vorgang des zweidimensionalen Auftragens so lange wiederholt bis das Metallteil fertiggestellt ist. Der gesamte Extrusionsvorgang sowie das Auftragen des plastischen Metallfadens aus amorphen Metall kann dabei unter einer inerten Schutzgasatmosphäre erfolgen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 4221257 A [0003]
WO 2010027317 A1 [0005]
US 20140202595 A1 [0007]
US 20130306262 A1 [0008]

Claims

Additives Verfahren zur Erzeugung von Metallteilen mit amorpher, kristalliner und/oder teilkristalliner Struktur mittels eines Extrusionsverfahrens dadurch gekennzeichnet, dass ein amorphes, metallenes Ausgangsmaterial in einem Extruder (9) bis über den Glasübergangsbereich zur Erzeugung eines thermoplastischen Verhaltens erwärmt, extrudiert und selektiv auf eine Bauplattform (10) in Form eines extrudierten Metallfadens zweidimensional aufgetragen und anschließend abgekühlt sowie das zweidimensionale Auftragen und Abkühlen des extrudierten Materialfadens bis zur Fertigstellung des Metallteils fortgesetzt wird.
Additives Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das amorphen metallene Ausgangmaterial in Pulver- oder Filamentform vorliegt.
Additives Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren unter einer Schutzgasatmosphäre stattfindet.
Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, bestehend aus einer dreidimensional verfahrbaren Kinematik (8), aus einer Bauplattform (10) und aus an der dreidimensional verfahrbaren Kinematik (8) angeordneten Extruder (9), dadurch gekennzeichnet, dass der Extruder (9) aus einer Extrudierschnecke (1) für das zu extrudierende amorphe metallene Ausgangsmaterial, einem beheizten oder teilweise beheizten Gehäuse (2) und einer am Gehäuse (2) angeordneten, auswechselbaren Düse (3) besteht, wobei unterhalb der Düse (3) eine aktive Kühlung (4) auf das extrudierte, aus der Düse (3) austretende Material gerichtet ist.
Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Extrudierschnecke (1) als Stopfschnecke ausgebildet ist.
Anlage nach Anspruch 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass an der Extrudierschnecke (1) für die Befüllung mit dem zu extrudierenden amorphen metallenen Ausgangsmaterial eine Überdruckleitung (5) oder eine Dosiereinrichtung (6) angeordnet sind.
Anlage nach Anspruch 4 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass der Extruder (9) an der dreidimensional verfahrbaren Kinematik (8) oder an der Bauplattform (10) angeordnet ist.
Anlage nach Anspruch 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Extruder (9) starr an der Kinematik (8) montiert ist und die Bauplattform (10) verfahrbar in x-, y- und z- Achse ausgebildet ist.
Anlage nach Anspruch 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Extruder (9) in x-, y- und z- Achse verfahrbar an der Kinematik (8) angeordnet und die Bauplattform (10) starr ausgebildet ist.
Anlage nach Anspruch 4 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass der Extruder (9) und die Bauplattform (10) in einer Kombination aus der Verfahrbarkeit in den x-, y- und z- Achsen verfahrbar ausgebildet ist.