DE102014118160A1

DE102014118160A1 - Metallformkörper mit Gradient in der Legierung

Info

Publication number: DE102014118160A1
Application number: DE102014118160.3A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Kollenberg
Original assignee: Wzr Ceram Solutions GmbH; WZR ceramic solutions GmbH
Current assignee: Wzr Ceram Solutions GmbH; WZR ceramic solutions GmbH
Priority date: 2014-12-08
Filing date: 2014-12-08
Publication date: 2016-06-09

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines metallischen Formkörpers sowie den metallischen Formkörper selbst, der freiwählbare, ortsaufgelöst unterschiedliche Legierungsbestandteile und/oder Partikelverstärkungen aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines metallischen Formkörpers sowie den metallischen Formkörper selbst. Bislang gibt es für Formkörper einige Druckverfahren (beispielsweise bekannt aus DE 10 2012 219 989 A1 ).
Der bei der Entwicklung neuer Komponenten notwendige Entwicklungsaufwand kann durch die schnelle Bereitstellung von Prototypen erheblich reduziert werden. Designänderungen können unmittelbar, auf beispielsweise CAD-Daten basierend, in Komponenten umgesetzt werden, ohne Werkzeuge ändern zu müssen.
Der Begriff Rapid Prototyping bezeichnet die schnelle Herstellung von Prototypen und bezieht sich auf eine Technologie, die seit Anfang der 1990er Jahre durch stetige Weiterentwicklung mit leistungsfähiger, computergestützter Steuerungs- und Regeltechnik für additive Fertigungsverfahren geeignet ist. Der Bezeichnung Rapid Prototyping werden Begriffe wie „Rapid Tooling“ und „Rapid Manufacturing“ untergeordnet. Dabei handelt es sich Weiterentwicklung des eigentlichen Prozesses, die spezielle Anwendungs- und Einsatzgebiete beschreiben. Der Begriff Rapid Prototyping bezeichnet im Allgemeinen die Technologie, Rapid Tooling hingegen den additiven Werkzeugbau als Anwendungsgebiet, während der Begriff Rapid Manufacturing für die additive Serienfertigung steht.
Vor allem in der Kunststoffindustrie gehört das Verfahren des Rapid Prototyping zum Stand der Technik. Dadurch ist es in der Regel möglich, Komponenten direkt auf Basis von 3D CAD-Daten herzustellen. Innerhalb weniger Stunden lassen sich kostengünstig hochkomplexe und filigrane Strukturen realisieren. Somit können Entwicklungszeiten und -kosten deutlich reduziert werden und ebenso wird die Zeit bis zur Markteinführung neuer Komponenten erheblich verkürzt.
Allen Additiven Verfahren ist eine grundlegende Prozesskette gemeinsam: Das zu fertigende Bauteil wird als CAD-Modell konstruiert und anschließend in übereinander liegende Schichten getrennt (Slicen). Die Konturen und die von ihnen eingeschlossenen Flächen werden in einem additiven Verfahren schichtweise generiert, wodurch das Bauteil Schicht für Schicht aufgebaut wird. Diese Schichten sind im späteren Bauteil immer sichtbar. Selbst bei sehr hoher Auflösung, also minimaler Schichtdicke und höchster Präzision der Umrisse, bleiben sie erkennbar und verleihen den Bauteilen eine raue Oberfläche, die ggf. nachbearbeitet werden können.
Die technologischen Grundlagen des 3D-Druckens gehen auf Entwicklungen am MIT, Boston, zurück; die ersten Patente (beispielsweise EP 0 644 809 B1 ) stammen aus dem Jahre 1993. Beim 3D-Druck wird ein organischer Binder punktuell mittels Druckkopf auf ein Pulverbett aufgebracht. Der Binder verklebt lokal einzelne Pulverpartikel miteinander. Die bedruckte Pulverebene wird um einen definierten Betrag, beispielsweise 100µm, abgesenkt und mit einer neuen Lage Pulver bedeckt. Der aufgedruckte Binder sorgt auch dafür, dass die Lagen untereinander verbunden sind. Auf diese Weise entsteht Schicht für Schicht der dreidimensionale Körper, der nach dem Aushärten des Binders von losem Pulver befreit werden kann.
Zu den Vorteilen des Verfahrens zählt, dass die durch den aufgedruckten Binder verfestigten Bereiche von losem Pulver umgeben sind und dadurch keine Stützstrukturen, beispielsweise bei Überhängen, notwendig sind. Nicht zuletzt dadurch gibt es nahezu keine Einschränkung in der geometrischen Freiheit der Gestaltung. Die Dichte der Partikel im Pulverbett entspricht in etwa der Schüttdichte des Pulvers. Daher liegt die Dichte der Grünlinge deutlich unter 50%, woraus eine hohe Porosität auch nach dem Sintern der Teile resultiert. Diese kann positiv genutzt werden, wenn es um die Herstellung von Brennhilfsmitteln geht. Selbst hochreine Al₂O₃ Teile zeigen eine hervorragende Temperaturwechselbeständigkeit. Bei Gläsern und Glaskeramiken gelingt es dagegen durch den Sinterprozess ein dichtes Gefüge – bei vergleichsweise hoher Schwindung – zu erzeugen. Bei Metallen kann die Porosität zwar leicht reduziert, aber nicht vollständig vermieden werden.
Aufgrund der geometrischen Freiheiten beim 3D-Drucken lässt sich eine makroskopische Porosität auch als konstruktives Element nutzen. So kann in einem Bauteil Masse in den Bereichen reduziert werden, in denen keine oder nur eine geringe Belastung vorliegt. Dazu wird ein bionischer Ansatz zugrunde gelegt, wie man es beispielsweise von Knochenstrukturen kennt.
DE 103 06 887 A7 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Formkörpers, wobei Partikel von keramischem Pulver mit einer Beschichtung versehen werden können, die davon unterschiedliche Nanopartikel enthält.
DE 10 2006 029 298 A1 beschreibt ein Materialsystem für das 3D-Drucken, wobei das beschriebene Verfahren auch zu einem metallischen Formkörper führen kann.
DE 20 2005 020 596 U1 beschreibt ein Pulver für das Rapid Prototyping, wobei ein Formkörper durch Lasersintern entsteht.
DE 10 2005 058 118 A1 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen von Bauteilen, wobei die metallischen Bauteile durch Lasersintern entstehen.
DE 10 2005 058 116 A1 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen von metallischen Implantaten, wobei diese mit einem Laser lokal ausgehärtet werden.
DE 10 2006 015 014 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung dreidimensionaler Formkörper, wobei eine Suspension von metallischen Partikeln mit einem Tintenstrahldrucker verdruckt wird.
DE 10 2005 058 121 A1 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen von Bauteilen, wobei der Grünling lokal mit einem Laser ausgehärtet werden kann.
DE 602 07 204 T2 beschreibt dreidimensional strukturiertes Drucken zur Herstellung von Polymerkörpern. In diesen Polymerkörpern können auch Nanopartikel eingebracht sein.
DE 10 2004 008 122 A1 beschreibt beschichtete Pulverpartikel für die Herstellung von dreidimensionalen Körpern mittels schichtaufbauenden Verfahren, wobei die Pulverpartikel beschichtet sein können.
EP 0 431 924 A2 beschreibt ein Verfahren, bei dem Bindemittel auf Keramikpulver aufgebracht werden.
DE 10 2008 022 664 A1 beschreibt ein Druckverfahren für keramische Komponenten.
Der Artikel „Herstellung keramisch-metallischer Formkörper durch 3D-Drucken" (Melcher et al., Keramische Werkstoffe, Januar 2007, 3.4.2.4.) beschreibt gedruckte Aluminiumoxid-Dextrin-Formkörper und daraus entstandene keramische Formkörper.
Die bislang bekannten Verfahren haben verschiedene Nachteile. So wird in einigen Verfahren das Material, welches den späteren Formkörper ausmacht, in einer Suspension verdruckt. Dies erfordert eine hohe Feststoffkonzentration in der zu druckenden Suspension, wodurch die Druckdüsen verstopft werden. Mit den vorgenannten Verfahren können die Eigenschaften des entstehenden Formkörpers nicht über die räumliche Ausdehnung des Formkörpers hinweg variiert werden. Zwar ist es bereits bekannt, zusätzliche Partikel zu dem metallischen Pulver hinzuzufügen. Dies geschieht jedoch bislang beispielsweise durch Beschichten der metallischen Artikel und anschließendes Verdrucken für die Herstellung des Formkörpers. Dadurch können dem Formkörper zwar Eigenschaften verliehen werden, die von dem ursprünglich eingesetzten Pulver nicht erzeugt werden können. Diese Eigenschaften können jedoch nicht so erzeugt werden, dass diese an unterschiedlichen Stellen des Formkörpers unterschiedlich ausgeprägt sind. Zudem ist bislang ein aufwändiges Beschichtungsverfahren der Partikel dazu notwendig.
Bisherige metallische Formkörper haben eine feste, einheitliche Zusammensetzung.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Technologie bereitzustellen, mit dem man einen metallischen Formkörper mit flexibler Zusammensetzung erhalten kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es weiterhin, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem die stoffliche Zusammensetzung eines metallischen Formkörpers auf mikroskopischer Ebene variiert werden und dadurch dessen Eigenschaften ortsaufgelöst eingestellt werden können.
Diese der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird gelöst in einer ersten Ausführungsform durch einen Formkörper enthaltend Metall, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper über eine räumliche Richtung hinweg eine variierende Zusammensetzung aufweist.
Vorzugsweise enthält der Formkörper wenigstens 90 Gew.% Metall. Ganz besonders bevorzugt besteht der Formkörper aus Metall.
Bei dem Metall handelt es sich vorzugsweise um eine Legierung, deren Zusammensetzung innerhalb des Formkörpers variiert.
Der Formkörper enthält vorzugsweise Metalle aus der Gruppe der Übergangsmetalle, Aluminium, Magnesium oder Mischungen derselben.
Der Formkörper ist vorzugsweise freitragend. Der Formkörper weist vorzugsweise ein Aspektverhältnis der der größten räumlichen Ausdehnung zur kleinesten räumlichen Ausdehnung von bis zu 10:1 auf. Insbesondere ist der Formkörper keine Beschichtung. Sollte ein Gradient bezogen auf die Zusammensetzung im Formkörper bestehen, so erstreckt sich der Gradient vorzugsweise nicht von Lage zu Lage.
In einer weiteren Ausführungsform wird die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Formkörpers, bei dem man

a) eine Schicht, die ein Metallpulver enthält, auf einer Unterlage bildet,
b) mindestens eine Verfestigungszusammensetzung auf die zuvor genannte Schicht auf zumindest einen Teil davon appliziert,
c) Schritte a) und b) mindestens einmal wiederholt, und
d) das nicht gebundene Metallpulver entfernt, wobei der Formkörper freigelegt wird.

Vorzugsweise enthält die Schicht in a) auch Bindemittel.
Die Zusammensetzung der Schicht in a) kann auch räumlich uneinheitlich sein. So kann es bevorzugt sein, dass die Schicht an einer Stelle eine andere Zusammensetzung des Metallpulvers aufweist, als an einer anderen Stelle der Schicht.
Vorzugsweise enthält die Verfestigungszusammensetzung ein Dispergiermittel oder Lösungsmittel. Ganz besonders bevorzugt wählt man als Dispergiermittel oder Lösungsmittel Wasser oder organisches Dispergiermittel aus. Das Dispergiermittel ist in der Verfestigungszusammensetzung vorzugsweise in einer Menge von 0,01 bis 99,9 Gew.% enthalten.
Die Verfestigungszusammensetzung kann vorzugsweise auch wenigstens eine Organoelementverbindung enthalten, wobei diese wenigstens ein Atom aufweist, das nicht C, H, O oder N ist, und dieses Atom an wenigstens einen organischen Rest gebunden ist. Die Organoelementverbindung kann vorzugsweise in einer Menge von 0,01 bis 99,9 Gew.% enthalten sein.
Die Verfestigungszusammensetzung kann vorzugsweise auch anorganische Partikel enthalten. Die anorganischen Partikel können metallische oder keramische Partikel sein. Die organischen Partikel können vorzugsweise in einer Menge von 0,01 bis 70 Gew.% enthalten sein.
Die Verfestigungszusammensetzung kann vorzugsweise auch Bindemittel enthalten. Das Bindemittel kann ein Klebstoff, Stärke oder ein Zucker sein. Das Bindemittel kann vorzugsweise in einer Menge von 0,01 bis 25 Gew.% enthalten sein.
Die Verfestigungszusammensetzung enthält besonders bevorzugt 10 bis 99,9 Gew.% Dispergiermittel.
Die Verfestigungszusammensetzung enthält besonders bevorzugt 0,01 bis 25 Gew.% eines organischen Bindemittels.
Die Verfestigungszusammensetzung enthält besonders bevorzugt 0,01 bis 70 Gew.% anorganische Partikel, ganz besonders bevorzugt mit einem durchschnittlichen Durchmesser in einem Bereich von 5 bis 10000 nm.
Die Verfestigungszusammensetzung enthält besonders bevorzugt 0,01 bis 99,99 Gew.% einer Organoelementverbindung.
Vor oder nach Schritt d) kann das Dispergiermittel bzw. das Lösungsmittel vorzugsweise entfernt werden. Dies kann beispielsweise durch Erhitzen oder durch Anlegen eines Vakuums geschehen.
Vorzugsweise wählt man eine Schichtdicke des metallischen Pulvers und gegebenenfalls des Bindemittels in einem Bereich von 10 bis 300 µm, insbesondere in einem Bereich von 50 bis 120 µm aus.
Vorzugsweise setzt man ein metallisches Pulver ausgewählt aus der Gruppe der Übergangsmetalle, Aluminium, Magnesium oder Mischungen derselben ein.
Vorzugsweise erhitzt man anschließend an Schritt d) den Formkörper. Dadurch werden vorzugsweise die organischen Bestandteile entfernt. Durch die Erhitzung kann das metallische Pulver beispielsweise durch Diffusion Stoffbrücken bilden.
Vorzugsweise bilden die metallischen Pulver mit den durch die Verfestigungszusammensetzung eingebrachten Partikel und/oder Organoelement-verbindungen durch Diffusion und/oder Bildung von Schmelzen neue Phasen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren handelt es sich um ein additives Verfahren, bei dem Material nicht bearbeitet wird, sondern neue Formkörper entstehen.
Schließt man eine thermische Behandlung an, wird beispielsweise die Organoelementverbindung beispielsweise zu anorganischen metallischen oder nichtmetallischen Verbindungen umgewandelt. Auf diese Weise gelingt es ortsaufgelöst Eigenschaften wie Farbe, Festigkeit, Härte, elektrische Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit, thermische Dehnung, magnetische Eigenschaften, piezoelektrische Eigenschaften, induktive Eigenschaften, kapazitative Eigenschaften oder optische Eigenschaften zu beeinflussen. Weitere Vorteile sind, dass auf diesem Wege aus ästhetischen oder technischen Gründen gewünschte Eigenschaftsverläufe, – sprünge oder – gradierungen in beliebiger Weise realisiert werden können.
Die Schicht in a) kann vorzugsweise auch Bindemittel enthalten.
Die Verfestigungszusammensetzung kann auch 0,1 bis 99,9 Gew.% Dispergiermittel und beispielsweise im Übrigen Organoelementverbindung enthalten.
Nach Schritt c) und/oder d) kann es bevorzugt sein, etwaiges Dispergiermittel oder Lösungsmittel unter Bildung eines Formkörpers wenigstens teilweise oder vollständig zu entfernen.
Die Verfestigungszusammensetzung kann auch 0,1 bis 99 Gew.% einer kolloidalen Dispersion mit einem durchschnittlichen Durchmesser der dispergierten Phasen in einem Bereich weniger als 5 nm, und im Übrigen Dispergiermittel enthalten. Das Dispergiermittel kann identisch mit dem Lösungsmittel sein.
Dispergiermittel im Sinne der Erfindung ist die flüssige Phase der Dispersion des Kolloids.
Die Organoelementverbindung kann vorzugsweise eine organometallische Verbindung sein. Unabhängig davon weist die organometallische Verbindung wenigstens ein Metallatom auf, das aus folgenden Elementen ausgewählt ist: Ag, Al, Au, B, Ba, Be, Bi, Ca, Cd, Ce, Cr, Cs, Co, Cu, Fe, Ga, Ge, Hf, In, Ir, K, La, Li, Mg, Mn, Mo, Na, Ni, Nb, Os, P, Pb, Pd, Po, Pt, Re, Rb, Ru, Rh, S, Se, Si, Sb, Sn, Sr, Ta, Te, Ti, Tl, V, W, Y, Zn, , und/oder Zr. Bevorzugt weist die organometallische Verbindung Fe, Pd, V, Mo oder Y auf.
Beim 3D-Druck können Bindemittel und metallische Pulver oder keramisches Pulver aufeinander abgestimmt werden. Der Binder muss dafür sorgen, dass die Pulverpartikel miteinander „verkleben“ und der Grünling eine hinreichende Festigkeit erhält. Beim Aufbringen der Verfestigungszusammensetzung, die beispielsweise mittels Druckknopf aufgebracht wird, darf diese nicht verlaufen, sondern muss die Kontur exakt abbilden. Dazu ist es notwendig, dass diese in kurzer Zeit mit wenigen Partikeln des Pulverbetts reagiert. Der Anteil der organischen Additive sollte vorzugsweise so gering sein, dass kein gesonderter Entbinderungs-Prozess notwendig ist. Ziel ist es, den „gedruckten“ Grünling unmittelbar nach der Entnahme aus dem Pulverbett sintern zu können.
Um die Maßhaltigkeit des Bauteils zu gewährleisten ist es wichtig, die Schwindung exakt zu kennen und diese beim CAD-Modell für den Druckvorgang als Aufmaß zu berücksichtigen.
Ein wesentliches Ziel ist, dass die gefertigten Komponenten Werkstoffeigenschaften aufweisen, wie sie in der Serienfertigung zu erwarten sind. Hierzu zählt insbesondere die Dichte. Um eine Verdichtung zu erzielen, ist es möglich den Formkörper in einem weiteren Schritt zu infiltrieren und auf diesem Wege eine geschlossene Oberfläche zu erzielen.
Die Einhaltung von Toleranzen und die Reproduzierbarkeit der Geometrie sind für die Fertigung von wesentlicher Bedeutung. Mittels 3D-Druck hergestellte Komponenten weisen eine Reproduzierbarkeit von ±50 µm auf. In dieser Größenordnung liegt auch die verfahrensbedingte Ausbildung von Stufen auf gekrümmten Flächen.
Die Erfindung zielt darauf ab, Dispersionen, die Organoelementverbindungen, anorganische Partikel oder Kolloide enthalten, auf mikroskopischer Ebene gezielt in ein aus einem Pulver generiertes Bauteil so zu platzieren, dass nach dem Erhitzen oder Sintern ein metallisches Gefüge entsteht, dass in exakt definierten Bereichen unterschiedliche Eigenschaften in Bezug auf chemische Zusammensetzung, Phasenbestand und/oder Korngröße aufweist. Dadurch ist es möglich, einem metallischen Bauteil ein auf den jeweiligen Belastungsfall angepasste Gefüge mit lokalen Eigenschaftsunterschieden zu verleihen.
Es kann auch alternativ kein Bindemittel eingesetzt werden. Dann hat dies den Vorteil, dass im resultierenden metallischen Formkörper weniger organische Verunreinigungen vorhanden sind, sofern organische Dispergiermittel eingesetzt werden, und dieser eine geringere Porosität aufweist. Vorzugsweise wählt man als Dispergiermittel oder Lösungsmittel Wasser oder ein organisches Dispergiermittel oder eine Mischung derselben aus. Als organisches Dispergiermittel setzt man beispielsweise Alkohole, Ketone oder Polyether ein.
Man setzt vorzugsweise ein Pulver der Elemente Ag, Al, Au, B, Ba, Be, Bi, Ca, Cd, Ce, Cr, Cs, Co, Cu, Fe, Ga, Ge, Hf, In, Ir, K, La, Li, Mg, Mn, Mo, Na, Ni, Nb, Os, P, Pb, Pd, Po, Pt, Re, Rb, Ru, Rh, S, Se, Si, Sb, Sn, Sr, Ta, Te, Ti, Tl, V, W, Y, Zn, Zr oder Mischungen derselben ein. Ganz besonders bevorzugt wird als Pulver Ti, Fe, Mo, Ni, Si, Al, Cu eingesetzt. Diese metallischen Materialien haben sich als besonders geeignet für das erfindungsgemäße Verfahren erwiesen.
Das metallische Pulver hat vorzugsweise eine Korngröße im Bereich von 0,1 bis 100 µm, insbesondere in einem Bereich von 10 bis 50 µm. Dadurch wird zum einen eine zu hohe Oberflächenrauhigkeit im späteren Formkörper vermieden und zum anderen Kontamination durch Absorption an der hohen BET-Oberfläche bei zu kleinen Körnern ebenfalls vermieden.
Das metallische Pulver setzt man vorzugsweise in einer Menge von 85 bis 100 Gew.-% ein. Dadurch ist der Gehalt an Metallpartikeln hinreichend hoch um dennoch genügend Spielraum für beispielsweise die gegebenenfalls vorhandenen Bindemittel zu haben.
Die Bindemittel wiederum sind vorteilhafterweise ausgewählt aus Sacchariden, Gummiarabikum, Harz, Zelluloseleinen, Wachs, Kasein, Epoxidharz, Polyurethan oder Mischungen derselben. Insbesondere ist das Bindemittel ausgewählt aus der Gruppe Stärke, Zucker und/oder Dextrin. Es hat sich herausgestellt, dass diese Bindemittel zum einen eine hohe Kompatibilität mit metallischen Werkstoffen aufweisen und zum anderen am wenigsten unerwünschte keramische Kontaminationen in den entstehenden Formkörpern erzeugen.
Das Bindemittel setzt man vorzugsweise in einer Menge von 1 bis 15 Gew.-% ein. Unterhalb von 1 Gew.-% verliert es seine Wirkung. Oberhalb von 15 Gew.-% kommt es zu sehr zu unerwünschten organischen Kontaminationen im Formkörper bzw. im Formkörper.
Das Bindemittel hat beispielsweise eine Korngröße im Bereich von 0,1 bis 100 µm, insbesondere in einem Bereich von 20 bis 80 µm.
Sollen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Gegenstände hergestellt werden, die einen Überhang im Vergleich zum benetzten Teil der ersten Schicht haben (beispielsweise eine Kugel), so wählt man vorzugsweise die Schichtdimension der ersten Schicht so, dass sie die maximale Ausdehnung des resultierenden Formkörpers aufweist.
Die Unterlage im Sinne der Erfindung ist für die erste Schicht nicht zu dem Formkörper gehörig und für die folgenden Schichten die jeweils vorige Schicht. Die Unterlage, auf der die erste Schicht gebildet wird, ist vorzugsweise ausgewählt aus Kunststoff und/oder Metall. Die Schicht bildet man beispielsweise durch Aufbringen des Pulvers auf die Unterlage bzw. die zuvor gebildete Schicht und anschließendes Nivellieren des aufgebrachten Pulvers indem beispielsweise mit einem geraden Gegenstand in einem der gewünschten Schichtdicke entsprechenden Abstand von der vorigen Schicht oder der Unterlage über das aufgebrachte Pulver gefahren wird und so überschüssiges Pulver abgetragen wird.
Die Verfestigungszusammensetzung wird vorteilhafterweise mit einem Druckkopf eines Tintenstrahldruckers, einem Mikrodispenser, einem Mikrodosierer, einem Piezodruckkopf oder einem frei programmierbaren Dosiersystem aufgebracht. Dadurch können Standardkomponenten aus anderen Anwendungsbereichen eingesetzt werden und so das Verfahren deutlich vereinfachen.
In der Verfestigungszusammensetzung können beispielsweise auch übliche Zusatzstoffe wie Tenside, Dispergiermittel, pH-Einstellmittel, Emulgatoren, Stellmittel, Entschäumer, Konservierungsmittel, Trocknungsverzögerungsmittel, Additive zur Steuerung der Rheologie, Netzmittel, Antioxidantien, UV-Absorber, Lichtstabilisatoren oder eine Kombination davon enthalten sein. Beispielsweise sind diese Zusatzstoffe in einer Menge in einem Bereich von 0,05 bis 10 Gew.-% enthalten.
Vorteilhafterweise beträgt die Viskosität der Verfestigungszusammensetzung höchstens 105 mPas × s, bevorzugt höchstens 50 mPa × s bei 20 °C und 1 bar. Die Viskosität kann mit einem Brookfield CAP 1000+ Viskosimeter mit der Spindel CAP-S-01 mit einer Umdrehungsgeschwindigkeit von 750 U/min gemessen werden.
In Schritt c) werden die Schritte a) und b) vorzugsweise wenigstens 50mal, insbesondere wenigstens 100mal wiederholt, damit die bei diesen Verfahren inhärent immer vorhandenen Treppeneffekte auf der Oberfläche möglichst minimiert werden.
Die Entfernung des Dispergiermittels, insbesondere des Wassers, geschieht beispielsweise durch Trocknen. Dabei kann die Zeitdauer der Entfernung des Dispergiermittels beispielsweise in einem Bereich von 8 bis 48 h liegen. Die Temperatur dabei liegt beispielsweise in einem Bereich von 15 bis 150 °C, insbesondere in einem Bereich von 30 bis 80 °C. Die Atmosphäre, in der die Entfernung des Dispergiermittels stattfindet ist beispielsweise Luft. Während der Entfernung des Dispergiermittels kann eine Strömung der Atmosphäre durch einen Lüfter, durch Anlegen eines Vakuums oder durch Konvektion herbeigeführt werden. Je nach eingesetztem metallischen Pulver bildet sich eine Hydrathülle oder andere Verbindungen mit dem Dispergiermittel, so dass das Dispergiermittel nur schwer vollständig entfernt werden kann. Im Sinne der Erfindung ist daher vorzugsweise die Entfernung des Dispergiermittels als vollständig zu betrachten, wenn gegen Ende der Trocknung kein weiterer Abgang von Dispergiermittel beobachtet werden kann, also das Gewicht im Wesentlichen konstant bleibt.
Das Entfernen des nicht gebundenen metallischen Pulvers erfolgt beispielsweise durch Ausschütteln oder Ausblasen.
Beim Applizieren der Verfestigungszusammensetzung wählt man beispielsweise eine Düsenöffnung in einem Bereich von 10 bis 1000 µm und unabhängig davon eine Tropfengröße in einem Bereich von 5 bis 500 µm. Durch die erfindungsgemäße Tropfengröße kann die Oberfläche des metallischen Pulvers besonders gleichmäßig benetzt werden.
Die weitere Verfestigungszusammensetzung wird beispielsweise unmittelbar vor dem Auftragen mit der ersten Verfestigungszusammensetzung vermischt. Beispielsweise kann dies in einem Druckkopf eines Tintenstrahldruckers geschehen.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich also dazu, ein 3D-Gefügedesign eines metallischen Formkörpers zu erstellen, das sehr flexibel gestaltet werden kann. So können die metallischen Formkörper mit den unterschiedlichsten Eigenschaften ortsaufgelöst versehen werden. Dies wird dadurch möglich, dass beliebige Konzentrationen von den unterschiedlichsten Materialien sehr genau im metallischen Formkörper positioniert werden können. Unterschiedlichste Elementverteilungen lassen sich so gezielt platzieren. Diese unterschiedlichen Elementverbindungen können im erfindungsgemäßen Verfahren im selben Arbeitsschritt beispielsweise aus verschiedenen Tanks mit demselben Druckkopf oder aus verschiedenen Druckköpfen auf die Schicht mit dem metallischen Pulver aufgetragen werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich darüber hinaus nicht nur zur Erstellung von Prototypen, sondern kann auch in der Serienfertigung Einsatz finden.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren kann beispielsweise zunächst in einem Computer ein 3D-Modell des Formkörpers erstellt werden. Dieser kann dann im Computer in Scheiben zerlegt werden, die von der Dicke her der angestrebten Schichtdicke des metallischen Pulvers entsprechen. Dabei kann beispielsweise mit Farbgradienten gesteuert werden, welcher der gegebenenfalls verschiedenen Tanks mit Verfestigungszusammensetzung diese Zusammensetzung an den Druckkopf abgibt. Beispielsweise kann in dem Tank, der in einem gewöhnlichen Tintenstrahldrucker blaue Tinte enthält, eine Verfestigungszusammensetzung enthaltend eine Titantetrachlorid – Lösung eingeführt werden. In einen weiteren Tank kann eine Lösung von Kupfercitrat als Verfestigungszusammensetzung eingefüllt werden, der üblicherweise gelbe Tinte enthält. Mit Hilfe eine Computers kann man nun beispielsweise im 3D-Modell einen Gradienten von blau nach gelb über den Formkörper hinweg definieren. Werden diese Daten nun an den Drucker übertragen, so ergibt sich ein Formkörper, der zu einem Formkörper führt, der auf der einen Seite des Gradienten beispielsweise photokatalytisch aktiv ist, auf der anderen Seite des Gradienten besonders wärmeleitend ist, und dazwischen einen fließenden Übergang dieser Eigenschaften aufweist.
Dazu wird beispielsweise ein mittels Sprühgranulation aufbereitetes Pulver mit einem organischen Binder, beispielsweise Kartoffelstärke, gemischt und in einen Z-Printer 510 (Z-Corporation, USA) gegeben. Unter Verwendung der wasserbasierten Binderlösung (ZB54, Z-Corporation), die über einen Tintenstrahldruckknopf aufgetragene wird, kann das zu fertigende Bauteil schichtweise, entsprechend der CAD-Daten, aufgebaut werden. Nach dem Druckvorgang erfolgt beispielsweise ein Trocknen und Freiblasen der Teile sowie der abschließende Sinterbrand.
Der Z-Printer 310 wird üblicherweise angeboten, um farbige Gipsmodelle herzustellen. Dazu ist er, entsprechend einem Tintenstrahldrucker, mit 4 Farben ausgerüstet. Anstelle von gefärbtem Binder ist es beispielsweise denkbar, Dispersionen mit unterschiedlichen metallorganischen Verbindungen zu nutzen. Hierdurch kann das Basis-Ti-Pulver beispielsweise in variabler Menge mit den verschiedenen Zusammensetzungen besprüht werden. Im Drucker stehen üblicherweise drei Farbkammern zu Verfügung. Durch Befüllen mit Lösungen von organometallischen Verbindungen oder Kolloiddispersionen können die gewünschten Legierungen im µm-Maßstab bis hin zum mm-Maßstab gedruckt werden. Gemäß einer technischen Vorgabe kann in hochbeanspruchten Bereichen z.B. eine abgestimmte Mischung aus Aluminiumnitrat und Vanadiumchlorid aufgesprüht werden. In diesem Bereich bildet sich während des Sinterns eine Ti-6Al-4V Legierung aus.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird in einer weiteren Ausführungsform gelöst durch einen Formkörper, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.
In einer wiederum weiteren Ausführungsform wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines metallischen Formkörpers, wobei zunächst das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt wird und anschließend der Formkörper erhitzt oder gesintert wird.
Dabei wählt man die Temperatur beispielsweise in einem Bereich zwischen 1000 und 2000 °C und davon unabhängig die Haltezeit in einem Bereich von 0,5 bis 10 h, insbesondere 1 bis 4 h.
Der Formkörper weist beispielsweise eine Porosität im Bereich von 0 bis 60 %, besonders bevorzugt im Bereich von 0 bis 20 % auf.
Ausführungsbeispiel
Es wurde ein Titan-Pulver –100 +45 µm (TLS Technik GmbH & Co. Spezialpulver KG; Postfach 1328; D-06733 Bitterfeld) mit 7 Masse-% Kartoffeldextrin-Pulver, Korngröße 115 µm (Superior gelb F, Südstärke, Schrobenhausen, Deutschland), vermischt.
Der wasserbasierten Binderlösung (ZB54, Z-Corporation, USA) wurden 10 Ms-% von Vanadiumchlorid (CAS Nummer 7718-98-1, Sigma-Aldrich Chemie, Taufkirchen, Deutschland) zugesetzt. Die Komponenten wurden in einem Becherglas mittels Magnetrührer 5 Minuten gemischt.
Mit einem CAD-Programm wurden stäbchenförmige Körper (1 cm × 1 cm × 5 cm) zum Zweck der Probenherstellung entworfen. Diese wurden von einem Ende des Riegels zum anderen farbig (gelb nach blau) gradiert. Der Datensatz wurde vom 3D-Drucker (Z-510, Z-Corporation, USA) umgesetzt. Die Schichtdicke wurde auf 0,088 mm und die Sättigung maximal eingestellt.
In einen Bindertank wurde eine reine Binderlösung (ZB 54) gefüllt, in die zweite die Mischung der Binderlösung mit Vanadiumchlorid. Entsprechend der farbigen Gradierung wurden die beiden Binder in unterschiedlichem Verhältnis während des Druckprozesses auf das Pulverbett gebracht.
Die gedruckten Proben wurden bei Raumtemperatur im Pulverbett des 3D-Druckers 12 h getrocknet. Danach wurden die Probekörper entnommen und in einem Trockenschrank bei 60 °C weitere 12 h vollständig getrocknet.
Anschließend wurden die Probekörper von ungebundenem Pulver mittels Pinsel und Druckluft befreit.
Die Erhitzung der Probekörper erfolgte bei 1300 °C, 3 h Haltezeit.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012219989 A1 [0001]
EP 0644809 B1 [0006]
DE 10306887 A7 [0009]
DE 102006029298 A1 [0010]
DE 202005020596 U1 [0011]
DE 102005058118 A1 [0012]
DE 102005058116 A1 [0013]
DE 102006015014 A1 [0014]
DE 102005058121 A1 [0015]
DE 60207204 T2 [0016]
DE 102004008122 A1 [0017]
EP 0431924 A2 [0018]
DE 102008022664 A1 [0019]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Herstellung keramisch-metallischer Formkörper durch 3D-Drucken“ (Melcher et al., Keramische Werkstoffe, Januar 2007, 3.4.2.4.) [0020]

Claims

Formkörper enthaltend Metall, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper über eine räumliche Richtung hinweg eine variierende Zusammensetzung aufweist.
Formkörper gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er zu wenigstens 95 Gew.% Metall enthält.
Formkörper gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Metall um eine Legierung handelt, deren Zusammensetzung innerhalb des Formkörpers variiert.
Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem man a) eine Schicht, die ein Metallpulver enthält, auf einer Unterlage bildet, b) mindestens eine Verfestigungszusammensetzung auf die zuvor genannte Schicht auf zumindest einen Teil davon appliziert, c) Schritte a) und b) mindestens einmal wiederholt, und d) das nicht gebundene Metallpulver entfernt, wobei der Formkörper freigelegt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht in a) auch Bindemittel enthält.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfestigungszusammensetzung ein Dispergiermittel enthält, und man besonders bevorzugt als Dispergiermittel Wasser oder organisches Dispergiermittel auswählt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass man eine Schichtdicke des metallischen Pulvers und gegebenenfalls des Bindemittels in einem Bereich von 10 bis 300 µm, insbesondere in einem Bereich von 50 bis 120 µm auswählt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass man ein metallisches Pulver ausgewählt aus der Gruppe der Übergangsmetalle, Aluminium, Magnesium oder Mischungen derselben einsetzt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfestigungszusammensetzung 0,01 bis 70 Gew.% anorganische Partikel enthält, ganz besonders bevorzugt mit einem durchschnittlichen Durchmesser in einem Bereich von 5 bis 10000 nm.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfestigungszusammensetzung 0,01 bis 99,99 Gew.% einer Organoelementverbindung enthält.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass anschließend der Formkörper erhitzt wird.