DE102016002623B4

DE102016002623B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Bauteilen mit definierten Abmessungen

Info

Publication number: DE102016002623B4
Application number: DE102016002623.5A
Authority: DE
Inventors: Matthias LEIDESCHER; Christoph Heimerdinger; Matthias BENSCH
Original assignee: Premium Aerotec GmbH
Current assignee: Premium Aerotec GmbH
Priority date: 2016-03-07
Filing date: 2016-03-07
Publication date: 2017-09-28
Anticipated expiration: 2036-03-08
Also published as: DE102016002623A1; US10906289B2; US20170252972A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (1) mit definierten Abmessungen unter Durchführung einer Wärmebehandlung aus einem Rohling (300) mit den gleichen definierten Abmessungen oder mit Abmessungen, die von den definierten Abmessungen des Bauteils (1) abweichen. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen mit definierten Abmessungen aus Rohlingen unter Durchführung einer Wärmebehandlung und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Bei der Herstellung von Bauteilen – wie beispielsweise Bauteilen von Fahrzeugen, Maschinen und insbesondere Luftfahrzeugen – werden oft formlose Stoffe, wie pulverförmige Stoffe oder Schmelzen, in Urformverfahren zu festen Körpern mit einer geometrisch bestimmten, dreidimensionalen Gestalt verarbeitet. Der beim Urformen erhaltene feste Körper wird meistens in Form eines Rohlings erhalten, der in folgenden Fertigungsschritten zum fertigen Bauteil weiterverarbeitet wird.
Zu diesen folgenden Fertigungsschritten gehört die Änderung der Materialeigenschaften, wie durch eine Wärmebehandlung, thermomechanische Behandlung, Sintern, Magnetisieren oder Bestrahlen. Während bei diesen Verfahren die Materialeigenschaften gezielt verändert werden sollen, um dem Rohling die erforderlichen Eigenschaften des fertigen Bauteils zu verleihen, sollen die äußeren Abmessungen des Rohlings trotz der mikroskopischen Veränderungen üblicherweise unverändert bleiben.
Es kann passieren, dass je nach Urformverfahren und Materialeigenschaften des Rohlings ein Rohling erhalten wird, der unter den Bedingungen einer nachfolgenden Wärmebehandlung zur Erzeugung eines Bauteils nicht die erwünschte Formstabilität hat und der daher geometrisch deformiert wird. Das nach dem Abkühlen erhaltene fertige Bauteil weist nicht mehr die gewünschten definierten Abmessungen auf, obwohl sie bei der Herstellung des Rohlings vorgegeben wurden. Insbesondere ist eine Wärmebehandlung dort problematisch, wo sehr enge Toleranzen eingehalten werden müssen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein insbesondere hinsichtlich Toleranzeinhaltung verbessertes Verfahren für die Herstellung eines Bauteils unter Wärmebehandlung eines Rohlings anzugeben.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist Gegenstand des weiteren unabhängigen Anspruchs.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung schafft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit definierten Abmessungen unter Durchführung einer Wärmebehandlung aus einem Rohling mit den gleichen definierten Abmessungen oder mit Abmessungen, die von den definierten Abmessungen des Bauteils abweichen, umfassend die Schritte:

a) Bereitstellen des Rohlings,
b) Fixieren des Rohlings mit einer Fixiervorrichtung,
c) Durchführen eines Wärmebehandlungsschritts durch Erwärmen des fixierten Rohlings auf eine vorgegebene Temperatur, bei der es zu einer Änderung des Rohling kommt, wobei die definierten Abmessungen von Rohling und Bauteil infolge der Fixierfunktion der Fixiervorrichtung unverändert erhalten bleiben oder wobei Abweichungen der Abmessungen des Rohlings von den definierten Abmessungen des Bauteils durch das Einwirken von deformierenden Kräften aus der Fixiervorrichtung auf den fixierten Rohling beseitigt werden und die definierten Abmessungen des Bauteils erzielt werden,
d) Abkühlenlassen des mit der Fixiervorrichtung fixierten Bauteils mit definierten Abmessungen, und
e) Entfernen der Fixiervorrichtung.

Vorzugsweise umfasst Schritt a) das Bereitstellen eines Rohlings aus oder mit einem Material, das ausgewählt wird aus einer Gruppe von Materialien, die Metalle, Leichtmetalle, Hartmetalle, Halbmetalle, Metalllegierungen, Leichtmetalllegierungen, Superlegierungen, Halbleiter, Feuerfestmaterialien, Keramikmaterialien, anorganische Polymere, organische Polymere, Verbundmaterialien, sinterbare Materialien, einzeln oder in Kombination, umfasst.
Besonders bevorzugt ist die Verwendung von Rohlingen aus Leichtmetallen, wie Magnesium, Aluminium und Titan, sowie deren Legierungen, wie Ti-6Al-4V, die insbesondere Anwendung als Werkstoffe in der Luft- und Raumfahrt finden.
Es ist bevorzugt, dass Schritt a) das Herstellen eines Rohlings – vorzugsweise aus einem oder mit einem der oben angegebenen Materialien – durch ein Verfahren umfasst, das eines oder mehrere der folgenden Verfahren umfasst: Gießen, Druckgießen, Spritzgießen, Sprühkompaktieren, Sintern, spanendes Bearbeiten, Tiefziehen, Pressen, Strangpressen, Extrudieren, generative Fertigungsverfahren, wie 3D-Druckverfahren, insbesondere 3D-Titandruckverfahren.
Besonders vorteilhaft ist die Durchführung des hier beschriebenen Verfahrens mit Rohlingen, die mit Hilfe eines generativen Fertigungsverfahrens hergestellt wurden. Generative Verfahren werden beispielsweise in den Druckschriften WO 2012/083922 A1 und WO 2008/125497 A1 beschrieben. Ein Beispiel für ein generatives Fertigungsverfahren ist das 3D-Titandruckverfahren, bei dem es sich um ein selektives Laserschmelzen oder Elektronenstrahlschmelzen im Pulverbett handelt, bei dem vorzugsweise Titan oder Titanlegierungen, wie Ti-6Al-4V, in Pulverform, eingesetzt werden.
Es ist bevorzugt, den Rohling durch ein Verfahren herzustellen, bei dem ein Rohling erzeugt wird, der geschlossene Poren aufweist.
Es ist bevorzugt, dass Schritt c) zu einer Änderung des Rohlings führt, die ausgewählt ist unter einer oder mehreren der folgenden Änderungen: Änderung chemischer Eigenschaften, wie der chemischen Zusammensetzung, physikalischer Eigenschaften, des Gefüges, der Mikrostruktur, der Korngröße, der Korngrößenverteilung, der Porosität, wie der offenen Porosität und/oder der geschlossenen Porosität, der Porenform, der Porengröße, wie durch Porenverkleinerung oder Porenbeseitigung, der Porengrößenverteilung, der makroskopischen Abmessungen, der inneren Spannungen, der Oberflächenbeschaffenheit, der Dichte.
Unter dem hier eingeschlossenen Sonderfall einer Änderung der makroskopischen Abmessungen wird insbesondere verstanden, dass durch die Fixierung in der Fixiervorrichtung gezielt äußere Kräfte auf den Rohling und somit Abweichungen von den gewünschten Abmessungen des Bauteils beseitigt werden.
Es ist bevorzugt, die Wärmebehandlung gemäß Schritt c) unter Druckbeaufschlagung durchzuführen. Dies dient insbesondere der Beseitigung von Versetzungen, Fehlstellen oder Hohlräumen, wie geschlossener Poren, aus dem Rohling.
Es ist bevorzugt, dass Schritt c) mindestens eines von Ausheizen, Nitridieren, wie Gasnitridieren, Plasmanitridieren, Badnitridieren, Glühen, Metallinfiltrieren, Sinterverdichten, Reaktionssintern, Vakuumsintern, Schutzgassintern, Spark-Plasma-Sintern, Heißpressen, Gasdrucksintern und heißisostatischem Pressen (HIP) umfasst.
Es ist bevorzugt, den Rohling in Schritt c) heißisostatisch zu pressen und zu verdichten. Beim heißisostatischen Pressen ist die Fixierung des Rohlings mit einer Fixiervorrichtung in Schritt b) besonders vorteilhaft.
Ein besonders bevorzugtes Verfahren, bei dem ein durch ein generatives Fertigungsverfahren erzeugter Rohling bereitgestellt wird, der anschließend mit einer Fixiervorrichtung fixiert wird und dann heißisostatisch gepresst wird, findet insbesondere Verwendung für die Herstellung von Bauteilen für die Luftfahrttechnik und die Raumfahrttechnik. Wegen der hier herrschenden Materialanforderungen wird dieses Verfahren besonders bevorzugt mit leichten und/oder zähen Metallen, wie Aluminium, Magnesium, Titan oder deren Legierungen, durchgeführt.
Es ist bevorzugt, dass Schritt b) das Fixieren des Rohlings mit der Fixiervorrichtung derart umfasst, dass zwischen der Fixiervorrichtung und dem Rohling steife Lastpfade geschaffen werden, über die während des Wärmebehandlungsschrittes c) Kräfte, die auf den Rohling einwirken, wie innere Spannungen im Rohling und/oder die von außen einwirkende Gewichtskraft, vom Rohling bzw. Bauteil abgeleitet werden.
Vorzugsweise umfasst das in Schritt b) des Verfahrens vorgesehene Fixieren des Rohlings mit einer Fixiervorrichtung zwei Varianten, um der Deformation des Rohlings im Wärmebehandlungsschritt c) durch innere Spannungen oder von außen einwirkende Kräfte entgegenzuwirken, die auf zwei unterschiedlichen Fixierprinzipien basieren. Diese beiden vorteilhaften Ausgestaltungen werden im Folgenden erläutert.
Schritt b) umfasst:

b1) Einspannen und/oder Stützen des Rohlings mit einer Einspann- und/oder Stützvorrichtung, die ein oder mehrere Einspannelemente und/oder Stützelemente aufweist, die an einer oder mehreren Stellen an den Rohling angreifen und diesen einspannen und/oder stützen.

Schritt b) umfasst:

b2) Stützen des Rohlings in einer Stützvorrichtung, die ein Gefäß und ein gießbares oder schüttbares Stützmaterial aufweist, durch Einbringen des Rohlings in das Gefäß und Einfüllen des Stützmaterials in das Gefäß, so dass sich das Stützmaterial an die Kontur des Rohlings diese stützend anschmiegt.

Bei der Stützstruktur gemäß Schritt b1) des erfindungsgemäßen Verfahrens, an der der Rohling fixiert werden kann, handelt es sich beispielsweise um eine konturgebundene Stützstruktur oder ein Gestell. Unter konturgebundener Stützstruktur ist eine Stützstruktur zu verstehen, die über ein oder mehrere Befestigungselemente direkt und mechanisch fest an individualisierten Stellen des Rohlings angebunden wird. Bei dieser Variante liegt insofern eine Bauteilgeometriegebundene Abstützung vor. Bei Bauteilen bzw. Rohlingen gibt es Bereiche mit hohen Toleranzanforderungen. Diese Bereiche können mit dem Gestell oder der konturgebundenen Stützstruktur oder dem konturgebundenen Werkzeug eingespannt und fixiert werden. Hierdurch werden steife Lastpfade erzeugt, die auftretende Kräfte ableiten können. Der Rohling bzw. das Bauteil werden hierbei in seiner Ausgangslage fixiert. Es ist ebenfalls möglich, durch die feste Verbindung zwischen dem Rohling und dem Gestell über die Verbindungselemente gezielt Deformationen vorzugeben, um Abweichungen vorhergehender Fertigungsprozesse zu kompensieren.
Es ist bevorzugt, dass Schritt b1) enthält:
Bereitstellen einer Einspann- und/oder Stützvorrichtung in Form eines Gestells, das feststehend ist oder dessen Größe und/oder Form an die Größe und/oder die Form des Rohlings anpassbar ist.
Es ist bevorzugt, dass Schritt b1) enthält:
Einspannen des Rohlings in der Einspannvorrichtung oder Einspann- und Stützvorrichtung mit Hilfe der Einspannelemente an einer oder mehreren Stellen des Rohlings mit hohen Toleranzanforderungen zur Fixierung des Rohlings und zur Schaffung von steifen Lastpfaden, über die Kräfte, die auf den Rohling einwirken, wie innere Spannungen im Rohling und/oder die von außen einwirkende Gewichtskraft, abgeleitet oder kompensiert werden, wodurch Deformationen oder Abweichungen von den definierten Abmessungen des Rohlings und des Bauteils während der Wärmebehandlung in Schritt c) vermieden werden.
Es ist bevorzugt, dass Schritt b1) enthält:
Einspannen des Rohlings in der Einspannvorrichtung oder Einspann- und Stützvorrichtung mit Hilfe der Einspannelemente an einer oder mehreren Stellen des Rohlings zur Fixierung des Rohlings und zur Beaufschlagung des Rohlings mit von außen einwirkender Kraft, die von der Einspannvorrichtung oder Einspann- und Stützvorrichtung über die Einspannelemente auf den Rohling einwirkt, um im Wärmbehandlungsschritt c) Abweichungen des Rohlings von den erwünschten definierten Abmessungen ganz oder teilweise zu kompensieren und zu beseitigen und die gewünschten definierten Abmessungen des Bauteils zu erzielen.
Es ist bevorzugt, bei dem Verfahren die Fixierung des Rohlings durch eine Fixiervorrichtung gemäß Schritt b1) in Kombination mit einer Fixiervorrichtung gemäß Schritt b2) zu bewirken.
Eine Stützvorrichtung hat eine Stützfunktion und entsprechend ausgebildete Stützelemente, die den Rohling unterstützen und/oder seitlich stützen. Eine Einspannvorrichtung hat eine Einspann- oder Klemmfunktion mit Hilfe von eigens dafür vorgesehenen Einspann- oder Klemmelementen. Wegen des Einspannens und Klemmens hat diese Vorrichtung immer auch gleichzeitig eine Stützfunktion. Es ist möglich, eine Fixiervorrichtung so auszugestalten, dass ein Teil der Vorrichtung rein stützend und ein anderer Teil stützend und einklemmend wirkt.
Bei der Fixiervorrichtung gemäß Schritt b2) des Verfahrens, in der der Rohling fixiert werden kann, kann es sich um eine nicht konturgebundene Fixiervorrichtung oder Stützstruktur handeln, oder anders ausgedrückt um ein Material, das sich großflächig an die Kontur, Geometrie oder Oberfläche des Rohlings anzuschmiegen vermag und das so die inneren Spannungen in dem Rohling abzuleiten vermag oder so die von außen einwirkende Gewichtskraft auffängt. Es kann sich um Schüttung aus einem Schüttgut handeln. Da sich das Schüttgut an die Kontur des Rohlings anschmiegt, liegt eine Bauteilgeometrie-unabhängige Abstützung vor. Bei dieser Variante können Rohling und Bauteil durch eine nicht konturgebundene Stützstruktur abgestützt werden. Der Rohling bzw. das Bauteil wird beispielsweise in einem Gefäß oder einer Umhüllung befestigt. Das Gefäß oder die Umhüllung oder Ummantelung wird anschließend mit einem Medium oder einer Schüttung aufgefüllt. Diese Schüttung soll vorzugsweise derart eingefüllt werden, dass der gesamte Bauraum ausgefüllt wird. Dies kann zum Beispiel durch Vibrieren und/oder Rütteln des Gefäßes geschehen. Durch das Vibrieren und/oder Rütteln kann gewährleistet werden, dass die Schüttung das gesamte Leervolumen zwischen Ummantelung und Rohling gleichmäßig und vollständig erfüllt und somit die optimale Fixierung gewährleistet. Hohlräume innerhalb des Rohlings werden vorteilhaft generell oder formabhängig ebenfalls mit dem Schüttgut befüllt. Die Partikel des Schüttguts können eine beliebige Form aufweisen. Vorzugsweise haben einzelne Körper bzw. Partikel in der Schüttung eine Kugelform, um eine möglichst gleichmäßige Füllung des Gefäßes und aller Kavitäten des Bauteils zu gewährleisten. Die Größe dieser Kugeln richtet sich vorteilhaft nach dem Detaillierungsgrad des Werkstücks.
Ein bevorzugt verwendetes Schüttgut stellt, wenn es in das Gefäß eingefüllt ist und die Hohlräume zwischen Rohling und Gefäßwand und innerhalb des Rohlings ausfüllt, infolge der Einhausung durch die Gefäßwand und den Rohling ein offenporiges und dann im Wesentlichen formstabiles Strukturmaterial dar, das vor allem beim heißisostatischen Pressen selbst nicht vom Pressdruck erfasst wird und das, obwohl es raumerfüllend den Rohling umgeben kann, den Pressdruck vollständig zum Rohling durchlässt und selbst beim heißisostatischen Pressen nicht verändert wird. Wegen der Flexibilität der Schüttgutpartikel stellt ein Schüttgut somit ein ideales Material für die schnelle und unproblematische Herstellung einer Fixiervorrichtung unabhängig von der Kontur des Rohlings dar. Dies ist insbesondere bei komplexen Geometrien des Rohlings vorteilhaft. Wenn die Schüttung aus einem eher leichten und beweglichen Material besteht, kann es sein, dass sie die Fixierfunktion auf ein Stützen beschränkt. Wenn die Schüttung aus einem eher schweren und in der Schüttung dicht vorliegenden Material besteht, wie im Fall eines Sandes, kann es sein, dass die Fixierfunktion sowohl das Stützen als auch das Einspannen des Rohlings umfasst. Für die Verwendung beim heißisostatischen Pressen ist es bevorzugt, dass das Material aller Fixiervorrichtungen keine geschlossenen Poren aufweist.
Schritt b2) enthält:
Bereitstellen eines flexiblen Einspann- oder Stützmaterials in Form eines Schüttguts mit einspannender oder stützender Wirkung; und/oder
Schritt b2) enthält:
Einbringen des Rohlings in das Gefäß und Einfüllen des flexiblen Einspann- oder Stützmaterials unter Erhalt eines Rohlings, der vollständig mit dem Einspann- oder Stützmaterial bedeckt ist.
Schritt b2) enthält:
Einfüllen des Stützmaterials unter vollständiger Auffüllung der Leervolumina zwischen Rohling und Gefäßwand.
Schritt b2) enthält:
Einfüllen des Stützmaterials unter Auffüllung von Leervolumina innerhalb des Rohlings.
Schritt b2) enthält:
Vibrieren oder Rütteln des Gefäßes beim und/oder nach dem Einfüllen des Stützmaterials, um eine möglichst gleichmäßige Verteilung und Verdichtung bzw. Kompaktierung des Stützmaterials in den Leervolumina zwischen Rohling und Gefäßwand und gegebenenfalls innerhalb des Rohlings zu erhalten.
Schritt b2) enthält:
Verwenden eines Schüttguts mit Partikeln, die näherungsweise eine sphärische Struktur aufweisen. Das Schüttgut kann als Reinpulver oder als gepresste Kugeln vorliegen. Bei der Verwendung des Begriffs Kugel im Zusammenhang mit Reinpulver handelt es sich um eine idealisierte Vorstellung. Partikel und Pulver einer entsprechenden Körnung können oder sollten näherungsweise eine sphärische Struktur aufweisen, was aber in der Realität nur sehr selten der Fall ist.
Schritt b2) enthält:
Verwenden eines Schüttguts aus Partikeln, deren Größe an den Detaillierungsgrad des Bauteils angepasst ist
Schritt b2) enthält:
Verwenden eines gießbaren und aushärtbaren Mediums als Stützmaterial.
Es ist bevorzugt, dass in Schritt b) eine Fixiervorrichtung aus einem Material oder einer Materialkombination verwendet wird, das/die eine oder mehrere der folgenden Eigenschaften aufweist. Der Wärmeausdehnungskoeffizienten α stimmt vorzugsweise mit dem Wärmeausdehnungskoeffizienten α des Rohlings überein oder unterscheidet sich um maximal 5% vom Wärmeausdehnungskoeffizienten des Rohlings. Das Material der Fixiervorrichtung weist vorzugsweise einen zum Rohling, Bauteil oder Werkstück ähnlichen Ausdehnungskoeffizienten auf. Unterschiede im Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen Rohling oder Bauteil und der Fixiervorrichtung führen zu Spannungen während der Wärmebehandlung. Derartige Spannungen können sich negativ auf die Verzüge des Rohlings, Bauteils oder Werkstücks auswirken, so dass der Wärmeausdehnungskoeffizient bevorzugt im Hinblick auf Verringerung dieser Spannungen ausgewählt werden soll. Für einen metallischen Rohling, insbesondere einen Rohling aus Titan oder einer Titanlegierung, liegt der mittlere Wärmeausdehnungskoeffizient α_30-1000 vorteilhaft bei 30 bis 1000°C im Bereich von 5·10^–6 K^–1 bis 15·10^–6 K^–1.
Es ist bevorzugt, dass in Schritt b) eine Fixiervorrichtung aus einem Material oder einer Materialkombination verwendet wird, dessen/deren Elastizitätsmodul so hoch ist, dass die Fixiervorrichtung beim Erhitzen Lasten aufzunehmen vermag, ohne sich zu verformen. Das Material der Fixiervorrichtung soll für die erwarteten Temperaturen während des Wärmebehandlungsvorgangs geeignet sein und eine dementsprechende Temperaturbeständigkeit aufweisen. Der Elastizitätsmodul des Materials oder der Materialkombination liegt vorzugsweise im Bereich von 200 bis 400 GPa.
Es ist bevorzugt, dass das Material oder die Materialkombination der Fixiervorrichtung mit dem Material des Rohlings oder Werkstücks metallurgisch kompatibel ist. Wenn die Materialien metallurgisch nicht hinreichend kompatibel sind, kann es beim Erhitzten in Schritt c) zu einer Diffusion oder Festkörperdiffusion zwischen Fixiervorrichtung einerseits und dem Rohling, Werkstück oder Bauteil andererseits kommen. Eine solche Diffusion kann die Materialeigenschaften des Bauteils oder Werkstücks negativ beeinflussen und wird vorzugsweise zu jedem Zeitpunkt der Wärmebehandlung vermieden.
Es ist bevorzugt, dass das Material oder die Materialkombination der Fixiervorrichtung ein Keramikmaterial umfasst, das unter einem oder mehreren von Silicatkeramik-, Oxidkeramik- und Nichtoxidkeramikmaterialien ausgewählt wird. Keramikmaterialien, hochtemperaturbeständige Materialien, feuerfeste Werkstoffe stellen Materialien dar, die für die hier vorgesehene Anwendung bei hohen Temperaturen besonders gut geeignet sind. Als Material oder Materialkombination zur Herstellung der Fixiervorrichtung ist ein Material besonders bevorzugt, das ein oder mehrere von Al₂O₃, ZrO₂, TiO₂, Al₂TiO₅, Al₂O₃-ZrO₂-Mischoxid und SiC umfasst. Neben der Verwendung von reinen Pulvern, wie Al₂O₃, SiO₂, TiO₂ ..., ist weiterhin auch die Verwendung von Pulvermischungen (z. B. Mullit, Schamott, etc.) nutzbar. Diese Mischungen, wie auch die Reinpulver selbst, können über ein separates Verfahren in Form makroskopisch erkennbarer Kugeln gepresst werden und im Anschluss dem Prozess als Stützmaterial zugeführt werden.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung schafft gemäß einem weiteren Aspekt ein Verfahren zur Herstellung eines metallischen Bauteils mit definierten Abmessungen unter Durchführung einer Wärmebehandlung aus einem metallischen Rohling mit den gleichen definierten Abmessungen oder mit Abmessungen, die von den definierten Abmessungen des metallischen Bauteils abweichen, umfassend wenigstens einen, mehrere oder alle der folgenden Schritte:

– Herstellen eines metallischen Rohlings mit Hilfe eines generativen Fertigungsverfahrens, wie mit einem 3D-Drucker, aus einem metallischen Pulver, wie Titanpulver oder Titanlegierungspulver, vorzugsweise aus Ti-6Al-4V,
– Fixieren des metallischen Rohlings mit einer Fixiervorrichtung,
– Glühen und/oder Heißisostatisches Pressen (HIP) des mit der Fixiervorrichtung fixierten metallischen Rohlings,
– Abkühlenlassen des mit der Fixiervorrichtung fixierten Bauteils und
– Entfernen der Fixiervorrichtung.

Das Bauteil kann sowohl spannungsarm geglüht werden als auch heißisostatisch gepresst werden. Abfolgen und Existenz des einen oder anderen Wärmebehandlungsverfahrens kann variieren. Somit ergeben sich vier Varianten:

1. HIP;
2. Glühen;
3. HIP + Glühen;
4. Glühen + HIP.

Die Erfindung schafft weiterhin eine Vorrichtung zum Herstellen eines Bauteils mit definierten Abmessungen unter Durchführung einer Wärmebehandlung aus einem Rohling mit den gleichen definierten Abmessungen oder mit Abmessungen, die aufgrund von Deformationen des Rohlings verschieden von den definierten Abmessungen des Bauteils sind. Die Vorrichtung umfasst die folgenden Komponenten:

– eine Rohlingherstelleinrichtung zum Bereitstellen des Rohlings,
– eine Fixiervorrichtung zum Fixieren des Rohlings,
– eine Wärmebehandlungseinrichtung zum Durchführen eines Wärmebehandlungsschritts durch Erwärmen des in der Fixiervorrichtung fixierten Rohlings auf eine vorgegebene Temperatur, bei der es zu einer Änderung des Rohlings kommt, wobei die Fixiervorrichtung dazu ausgebildet ist, dass die definierten Abmessungen von Rohling und Endbauteil infolge der Fixierfunktion der Fixiervorrichtung unverändert erhalten bleiben oder dass Deformationen im Rohling unter Einwirkung von Kräften aus der Fixiervorrichtung unter Erhalt der definierten Abmessungen des Endbauteils beseitigt werden.

Es ist bevorzugt, dass die Rohlingsherstellungseinrichtung einen 3D-Laserdrucker oder Elektronenstrahldrucker für das selektive Laserschmelzen oder Elektronenstrahlschmelzen im Pulverbett und/oder eine Vorrichtung zum Durchführen eines generativen Fertigungsverfahrens, wie des Plasma Deposition Verfahrens von Norsk Titanium, zum Herstellen des Rohlings aufweist.
Es ist bevorzugt, dass die Fixiervorrichtung zum Fixieren des Rohlings derart ausgestaltet ist, dass zwischen der Fixiervorrichtung und dem Rohling steife Lastpfade geschaffen werden, über die während des Wärmebehandlungsschrittes c) Kräfte, die auf den Rohling einwirken, wie innere Spannungen im Rohling und/oder die von außen einwirkende Gewichtskraft, abgeleitet werden
Es ist bevorzugt, dass die Fixiervorrichtung aus einem Material oder einer Materialkombination gebildet ist, bei dem/der der Wärmeausdehnungskoeffizient α mit dem Wärmeausdehnungskoeffizienten α des Rohlings übereinstimmt oder sich um maximal 5% vom Wärmeausdehnungskoeffizienten des Rohlings unterscheidet.
Es ist bevorzugt, dass die Fixiervorrichtung aus einem Material oder einer Materialkombination gebildet ist, bei dem/der der mittlere Wärmeausdehnungskoeffizient α_30-1000 bei 30 bis 1000°C vorzugsweise im Bereich von 5·10^–6 K^–1 bis 15·10^–6 K^–1 liegt.
Es ist bevorzugt, dass die Fixiervorrichtung aus einem Material oder einer Materialkombination gebildet ist, bei dem/der der Elastizitätsmodul des Materials oder der Materialkombination so hoch ist, dass die Fixiervorrichtung beim Erhitzen Lasten aufzunehmen vermag, ohne sich dabei zu verformen.
Es ist bevorzugt, dass die Fixiervorrichtung aus einem Material oder einer Materialkombination gebildet ist, bei dem/der der Elastizitätsmodul im Bereich von 200 bis 400 GPa liegt.
Es ist bevorzugt, dass die Fixiervorrichtung aus einem Material oder einer Materialkombination gebildet ist, bei dem/der das Material oder die Materialkombination der Fixiervorrichtung mit dem Material des Rohlings metallurgisch kompatibel ist.
Es ist bevorzugt, dass die Fixiervorrichtung aus einem Material oder einer Materialkombination gebildet ist, bei dem/der es beim Erhitzen zu keiner Diffusion oder Festkörperdiffusion zwischen Fixiervorrichtung und Rohling kommt.
Es ist bevorzugt, dass die Fixiervorrichtung aus einem Material oder einer Materialkombination gebildet ist, bei dem/der das Material oder die Materialkombination der Fixiervorrichtung ein Keramikmaterial umfasst, das unter einem oder mehreren von Silicatkeramik-, Oxidkeramik- und Nichtoxidkeramikmaterial ausgewählt wird.
Es ist bevorzugt, dass die Fixiervorrichtung aus einem Material oder einer Materialkombination gebildet ist, das/die ein oder mehrere von Al₂O₃, ZrO₂, TiO₂, Al₂TiO₅, Al₂O₃-ZrO₂-Mischoxid, SiC umfasst. Neben der Verwendung von reinen Pulvern, wie Al₂O₃, SiO₂, TiO₂ ..., ist weiterhin auch die Verwendung von Pulvermischungen (z. B. Mullit, Schamott, etc.) nutzbar. Diese Mischungen, wie auch die Reinpulver selbst, können über ein separates Verfahren in Form makroskopisch erkennbarer Kugeln gepresst werden und im Anschluss als Stützmaterial verwendet werden.
Es ist bevorzugt, dass die Fixiervorrichtung eine Einspann- und/oder Stützvorrichtung zum Einspannen und/oder Stützen des Rohlings aufweist, die ein oder mehrere Einspannelemente und/oder Stützelemente aufweist, die an einer oder mehreren Stellen an den Rohling angreifen und diesen einspannen und/oder stützen.
Die Fixiervorrichtung weist eine Stützvorrichtung zum Stützen des Rohlings auf, die ein Gefäß und ein schüttbares oder gießbares Stützmaterial umfasst, das in das Gefäß einbringbar ist, um sich an die Kontur des Rohlings anzuschmiegen und diesen zu stützen.
Es ist bevorzugt, dass die Fixiervorrichtung eine Einspannvorrichtung oder Einspann- und Stützvorrichtung ist zum Einspannen des Rohlings mit Hilfe der Einspannelemente an einer oder mehreren Stellen des Rohlings mit hohen Toleranzanforderungen zur Fixierung des Rohlings und zur Schaffung von steifen Lastpfaden, über die Kräfte, die auf den Rohling einwirken, wie innere Spannungen im Rohling und/oder die von außen einwirkende Gewichtskraft, abgeleitet oder kompensiert werden, wodurch Deformationen oder Abweichungen von den definierten Abmessungen des Rohlings und des Bauteils während der Wärmebehandlung in Schritt c) vermieden werden.
Es ist bevorzugt, dass die Fixiervorrichtung eine Einspannvorrichtung oder Einspann- und Stützvorrichtung ist zum Einspannen des Rohlings mit Hilfe der Einspannelemente an einer oder mehreren Stellen des Rohlings zur Fixierung des Rohlings und zur Beaufschlagung des Rohlings mit von außen einwirkender Kraft, die von der Einspannvorrichtung oder Einspann- und Stützvorrichtung über die Einspannelemente auf den Rohling einwirkt, um im Wärmbehandlungsschritt c) Abweichungen des Rohlings von den erwünschten definierten Abmessungen ganz oder teilweise zu kompensieren und zu beseitigen und die gewünschten definierten Abmessungen des Bauteils zu erzielen.
Es ist bevorzugt, dass die Vorrichtung eine Vibrations- oder Rüttelvorrichung für ein möglichst gleichmäßiges Befüllen des Gefäßes und/oder aller Kavitäten des Bauteils aufweist.
Es ist bevorzugt, dass die Vorrichtung ein Schüttgut mit Partikeln umfasst, die näherungsweise eine sphärische Struktur aufweisen. Das Schüttgut kann in zwei Arten vorliegen, als Reinpulver oder gepresste Kugeln. Bei der Verwendung des Begriffs Kugel im Zusammenhang mit Reinpulver handelt es sich um eine idealisierte Vorstellung. Partikel und Pulver einer entsprechenden Körnung können oder sollten näherungsweise eine sphärische Struktur aufweisen, was aber in der Realität nur sehr selten der Fall ist.
Es ist bevorzugt, dass die Vorrichtung ein Schüttgut aus Partikeln umfasst, deren Größe an den Detaillierungsgrad des Bauteils angepasst ist.
Es ist bevorzugt, dass die Vorrichtung ein gießbares und aushärtbares Medium als Stützmaterial umfasst.
Die Erfinder haben festgestellt, dass die Wärmebehandlung zu einer Senkung des Elastizitätsmoduls des Materials, aus dem der Rohling besteht, und zu einer mechanischen Destabilisierung des Rohlings führen kann. Dies trifft besonders auf Metalle, Metalllegierungen und Werkstoffe mit einer Metallkomponente, wie Verbundmaterialien, zu. Dies hat zur Folge, dass in dem Rohling vorhandene innere Spannungen und/oder beim Erwärmen entstehende innere Spannungen und/oder externe Kräfte, wie die Gewichtskraft, wirksam werden können und eine Deformation des Rohlings weg von den eigentlich erwünschten, ursprünglich vorgegebenen definierten Abmessungen hervorrufen können. Bei der Wärmebehandlung kann es somit durch freie Kräfte, innere Spannungen im Rohling oder externe, auf den Rohling einwirkende Lasten, wie die Gewichtskraft, zu geometrischen Verzügen der wärmebehandelten Bauteile kommen.
Durch das Fixieren des Rohlings mit einer Fixiervorrichtung ist möglich, diesen inneren Spannungen und Kräften und somit diesen Deformationen entgegenzuwirken. Mit der Fixiervorrichtung wird die Maßhaltigkeit der unter Wärmebehandlung hergestellten Bauteile verbessert. Durch die Fixierung des Bauteils oder der Bauteilgeometrien können die oben erwähnten Verzüge minimiert bzw. reduziert werden. Die Fixierung des Rohlings vor der Wärmebehandlung mit einer Fixiervorrichtung ermöglicht es, einen Rohling mit definierten Abmessungen im Wärmebehandlungsschritt c) auf eine so hohe Temperatur zu erwärmen, dass es zu der erwünschten Änderung einer oder mehrerer Materialeigenschaften kommt und dass trotz des Einwirkens von Kräften, wie beispielsweise innerer Spannungen und der Gewichtskraft, ein Bauteil mit den gleichen definierten Abmessungen erhalten wird, wie sie im Rohling vorgegeben wurden. Durch die Wärmebehandlung des Rohlings wird eine Änderung des Rohlings erhalten, wobei wegen der Fixierfunktion der Fixiervorrichtung die mit dem Rohling vorgegeben definierten Abmessungen ganz oder im Wesentlichen im fertigen Bauteil erhalten bleiben.
Bei der Fixiervorrichtung kann es sich um eine Stützstruktur handeln, die konturgebunden ist oder die nicht konturgebunden ist. Unter „konturgebunden” wird verstanden, dass die Fixiervorrichtung oder Stützstruktur über Elemente fest mit diskret und gezielt ausgewählten Stellen des Rohlings verbunden ist. Unter „nicht konturgebunden” wird verstanden, dass die Fixiervorrichtung insgesamt und flächig an den Rohling angreift oder anliegt, ihre Wirkung also unabhängig von der speziellen Kontur des Rohlings zu entfalten vermag. Zu diesen Fixiervorrichtungen zählen auch die Bauteilgeometrie-gebundenen Abstützungen und die bauteilgeometrie-unabhängigen Abstützungen.
Bei einer Ausgestaltung soll der Rohling vor der Wärmebehandlung bereits die definierten Abmessungen des Bauteils aufweisen. Es kann jedoch vorkommen, dass der Rohling infolge des vorhergehenden Fertigungsprozesses, wie der oben beschriebenen Urformung, Abweichungen von den definierten Abmessungen des fertigen Bauteils aufweist. In diesem Fall können mit Hilfe der Fixiervorrichtung gezielt Deformationen vorgegeben werden, die im Wärmebehandlungsschritt c) diese Abweichungen vorhergehender Fertigungsprozesse kompensieren. Die Deformationen werden vorgegeben, indem der Rohling so mit der Fixiervorrichtung fixiert wird, dass aus der Fixiervorrichtung gezielt solche Kräfte auf den fixierten Rohling einwirken, dass die Abweichungen von den gewünschten definierten Abmessungen beim Erwärmen ganz oder teilweise kompensiert oder beseitigt werden.
Unter Fixieren wird demnach jede mechanische Maßnahme im Kontakt mit dem Rohling verstanden, die den Rohling in seiner aktuellen Form vor dem Erwärmen festhält. Unter Fixieren wird ferner das Ausüben einer Kraft auf den Rohling verstanden, die einer auf den Rohling einwirkenden Gewichtskraft oder in dem Rohling herrschenden Spannungen entgegenwirkt und die Gewichtskraft und/oder die Spannungen kompensiert, so dass auch im erwärmten und erweichten Zustand die gewünschte Form erhalten bleibt. Unter Fixieren wird beispielsweise das Einspannen, Klemmen, Einklemmen, Stützen, Unterstützen, seitliche Abstützen zum Kompensieren oder Unwirksammachen dieser Kräfte verstanden. Fixieren kann auch die Herstellung eines mechanischen Kontakts mit dem Rohling und das Einwirkenlassen von Kräften aus der Fixiervorrichtung auf den Rohling mit dem Ziel, in dem Rohling vorhandene Deformationen unter Wärmeeinwirkung zu beseitigen oder zu kompensieren, bedeuten.
Durch Stützung des Werkstücks während der Wärmebehandlung können Verzüge auf einfache Weise vermieden oder reduziert werden. Bevorzugte Varianten des Verfahrens unterscheiden sich durch die Art der Stützstruktur, sind aber ansonsten ähnlich in der Anwendung. Vor dem Wärmebehandlungsschritt werden die Stützmaterialien am Bauteil angebracht, und das Bauteil wird dadurch fixiert. Während der Wärmebehandlung können auftretende Lasten durch das Stützmaterial vom Bauteil abgeleitet werden. Hierdurch wird ein Verzug reduziert und verhindert. Nach dem Abkühlen können die Stützstrukturen auf einfache Art und Weise entfernt und wiederverwendet werden.
Die Erfindung betrifft insbesondere die Fixierung metallischer Bauteile bei Wärmebehandlung zur Reduzierung geometrischer Verzüge.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:
1 ein Beispiel eines Bauteils in Form eines metallischen Rohrs nach einem heißisostatischen Pressen ohne Fixierung;
2 eine Vorrichtung zur Herstellung eines Rohlings, z. B. einen 3D-Titanlaserdrucker für das selektive Laserschmelzen im Pulverbett;
3 ein Diagramm, das den Elastizitätsmodul verschiedener Titanlegierungen einschließlich Ti-6Al-4V in Abhängigkeit von der Temperatur wiedergibt;
4 ein Diagramm, das die Wärmeausdehnungskoeffizienten metallischer Werkstoffe der Luft- und Raumfahrt einschließlich Ti-6Al-4V in Abhängigkeit von der Temperatur wiedergibt;
5 eine Einspannvorrichtung, in der ein Rohrverzweigungsrohling für ein heißisostatisches Pressen eingespannt ist;
6 eine Stützvorrichtung aus Umhüllung und Schüttmaterial, in der ein Rohrverzweigungsrohling für ein heißisostatisches Pressen eingespannt ist
1. Vorversuch
1 zeigt die typischen Verzüge eines metallischen Bauteils, beispielsweise eines Rohrs, das ohne eine Fixiereinrichtung heißisostatisch gepresst wurde. Die Verzüge fallen an verschiedenen Stellen des Rohrkrümmers wegen einer unterschiedlichen Belastung unterschiedlich groß aus. Es werden geometrische Verzügen aufgrund von inneren Spannungen oder externer Gewichtskraft ermittelt, die im Bereich von bis zu ±1 mm liegen.
Es folgt die Beschreibung eines Verfahrens zur Herstellung eines Bauteils mit definierten Abmessungen aus einem Rohling mit den gleichen Abmessungen. Es wird ein Rohling bereitgestellt, der dann mit einer Fixiervorrichtung fixiert wird. Anschließend wird der so fixierte Rohling einer Wärmebehandlung durch heißisostatisches Pressen unterzogen. Nach Beendigung des Pressvorgangs wird das Bauteil in der Fixiervorrichtung abgekühlt und dann von der Fixiervorrichtung getrennt.
2. Herstellen einer metallischen Rohrverzweigung durch ein generatives Fertigungsverfahren
Zunächst wird ein Rohling, hier z. B. in Form einer Rohrverzweigung, hergestellt. Als Ausgangsmaterial wird z. B. eine pulverförmige Titanlegierung aus Ti-6Al-4V eingesetzt. Das Legierungspulver wird in einer Laserstrahl- oder Elektronenstrahl-Pulverbett-Herstellvorrichtung 402 zum Rohling 300 geformt. Die Herstellvorrichtung 400 weist eine Energiestrahlerzeugungseinrichtung 404, eine Energiestrahllenkungseinrichtung 406, ein Pulverbett 408 mit einer verfahrbaren Herstellplattform 410 und einer Pulverauftragseinrichtung 412 auf. Weiter ist eine Steuerungseinrichtung 414 zum Steuern des Herstellverfahrens vorgesehen. Insbesondere steuert die Steuerungseinrichtung 414 die Energiestrahllenkungseinrichtung 406, die Herstellplattform 410 sowie die Pulverauftragseinrichtung 412.
Die Energiestrahlerzeugungseinrichtung 404 ist zum Erzeugen eines Hochenergiestrahls, mit dem Materialpulver zu einer festen Form umgewandelt werden kann. Zum Beispiel dient die Energiestrahlerzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines hochenergetischen Laserstrahls oder eines Elektronenstrahls, mit dem Materialpulver 416 geschmolzen und/oder gesintert werden kann.
Das Materialpulver 416 lässt sich aus einem ersten Pulverreservoir 418 und/oder einem zweiten Pulverreservoir 420 mittels der Pulverauftragseinrichtung 412 in dünnen Pulverschichten auf der Herstellplattform 410 anordnen.
In der Steuerungseinrichtung 414 sind Daten über die Form des Bauteils 1, 300 in Form einer Rohrverzweigung – beispielsweise CAD-Daten eingegeben; Die Steuerungseinrichtung 414 lenkt daraufhin den Energiestrahl 422 mittels der Energiestrahllenkungseinrichtung 406 so, dass der gesamte Querschnitt der Rohrverzweigung 1, 300 auf Höhe dieser Schicht verfestigt wird. Anschließend fährt die Steuerungseinrichtung 414 die Herstellplattform 410 um einen bestimmten Betrag nach unten, um so die nächste Schicht Pulver aufzutragen und erneut den Querschnitt zu verfestigen.
Mit diesem an sich bekannten Laser- oder Elektronenstrahl-Pulverbettverfahren lässt sich auch eine komplizierte Form eines Bauteil-Rohlings 300, wie z. B. einer Rohrverzweigung, integral als ein Stück herstellen.
Weiter ist es möglich, bei der in 2 dargestellten Herstellvorrichtung 400 in verschiedenen Schichten unterschiedliche Materialpulver 416 aufzutragen. Beispielsweise enthält das erste Pulverreservoir 418 ein erstes Materialpulver 416 und das zweite Pulverreservoir 420 enthält ein zweites Materialpulver 424. Demnach lässt sich mittels der Pulverauftragseinrichtung 412 in unterschiedlichen Schichten wahlweise entweder das erste Materialpulver 416 oder das zweite Materialpulver 424 oder auch Gemische mit unterschiedlichen Zusammensetzungen des ersten Materialpulvers 416 und des zweiten Materialpulvers 424 auftragen.
Mit diesem an sich bekannten Laser- oder Elektronenstrahl-Pulverbettverfahren lässt sich der Rohling 300 des Bauteils 1 integral als ein Stück herstellen.
Der so hergestellte Rohling 300 enthält geschlossene Poren, die durch eine nachfolgende Wärmebehandlung in Form eines heißisostatischen Pressens entfernt werden sollen, um ein porenfreies und mechanisch stabileres Bauteil mit gleichzeitig unveränderten Abmessungen zu erhalten.
3. Herstellung der Fixiervorrichtung – Auswahl des Materials für die Fixiervorrichtung
Das heißisostatische Pressen soll bei einer Temperatur von 1000°C und einem Druck von 10⁸ Pa durchgeführt werden. Hierfür soll der Rohling 300 in einer Fixiervorrichtung 4 fixiert werden. Es wird eine Fixiervorrichtung 4 aus einem Material bereitgestellt, das unter den Verfahrensbedingungen des heißisostatischen Pressens die erforderlichen Eigenschaften aufweist.
3 zeigt die Temperaturabhängigkeit des Elastizitätsmoduls verschiedener Titanlegierungen einschließlich Ti-6Al-4V. Die Legierungen haben bei 1000°C und damit der Arbeitstemperatur beim heißisostatischen Pressen einen deutlich erniedrigten Elastizitätsmodul. Der Rohling 300 aus Ti-6Al-4V wird daher für das heißisostatische Pressen in eine Einspannvorrichtung 14 eingespannt. Die Einspannvorrichtung 14 ist ein erstes Beispiel für die Fixiervorrichtung 4.
Die Einspannvorrichtung 14 wird aus einem Material hergestellt, das bei 1000°C einen so hohen Elastizitätsmodul aufweist, dass sie den Rohling 300 und das daraus gebildete Bauteil 1 – z. B. Rohrverzweigung – bei dieser hohen Temperatur zu fixieren vermag. Außerdem weist das Material der Einspannvorrichtung 14 bei 1000°C einen dem Ti-6Al-4V möglichst ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist.
4 zeigt die Temperaturabhängigkeit des Wärmeausdehnungskoeffizienten verschiedener Legierungen für die Luft- und Raumfahrt. Titanlegierungen haben einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 9·10^–6 mm/mm/K bis 11·10^–6 mm/mm/K. Demnach wird auch für die Einspannvorrichtung ein Material mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten (α) im Bereich von etwa 9·10^–6 mm/mm/K bis 11·10^–6 mm/mm/K verwendet.
Ein drittes Auswahlkriterium für das Material der Einspannvorrichtung 14 betrifft die metallurgische Kompatibilität zwischen der Titanlegierung und der Einspannvorrichtung 14. Es soll zu möglichst keiner Festkörperdiffusion zwischen dem Rohling 300 bzw. dem Bauteil 1 und der Einspannvorrichtung 14 kommen. Materialien, mit denen eine Festkörperdiffusion vermieden werden kann, sind unter anderem Keramikmaterialien, wie Silicatkeramik-, Oxidkeramik- und Nichtoxidkeramikmaterialien.
Die beigefügte Tabelle zeigt die mechanischen Eigenschaften von Oxidkeramikmaterialien, hier von Aluminiumoxid, der Mischoxidkeramik ZTA aus Al₂O₃ + ZrO₂, von teilstabilisiertem Zirkoniumoxid, Titanoxid und Aluminiumtitanat. Die Oxidkeramikmaterialien weisen einen hohen Elastizitätsmodul auf.

Die beigefügte Tabelle zeigt weiterhin, dass die Mischoxidkeramik ZTA aus Al₂O₃ + ZrO₂ einen mittleren Wärmeausdehnungskoeffizienten α von 9–10 [·10^–6 K^–1] bei Einsatztemperaturen von 900–1600°C aufweist. Dieser Wert stimmt mit dem oben angegebenen Zielwertebereich überein. Somit stellt das Mischoxid ZTA (Al₂O₃ + ZrO₂) das Material dar, das am besten für die Herstellung der erfindungsgemäße Einspannvorrichtung 4 geeignet ist. ZTA wird ebenso für die Schüttung 13 für die zweite erfindungsgemäße Ausführungsform verwendet. Tabelle

			Al₂O₃	Al₂O₃ + ZrO₂	ZrO₂	TiO₂	AlTi
MECHANISCH	Symbol	Einheit
Offene Porosität		[Vol.-%]	0	0	0	0	10–16
Dichte, min.	ρ		4,0	4,32–5,28	5,6	3,5	3,0–3,7
Biegefestigkeit	σB	[MPa]	300–520	400–800	500–1000	400–600	15–100
Elastizitätsmodul	E	[GPa]	300–380	240–350	200–210	-	10–50
Härte	HV	[10² Nmm^–2]	17–23	14–20	11–12,5	-	5
Spannungsintensitätsfaktor	K_IC	[MPam]	4–5,5	4,5–9	5,8–10,5	-	3–5

ELEKTRISCH	Symbol	Einheit
Durchschlagfestigkeit	E_d	[kVmm^–1]	17	-	-	8	-
Stehspannung, min	U	[kV]	20	-	-	15	-
Permttivitätszahl 48–62 Hz	εr	[–]	9	12–18	22	40–100	-
Verlustfaktor bei 20°C, 48–62 Hz	tanδ_pf	[10^–3]	0,2–0,5	-	-	-	-
Verlustfaktor bei 20°C, 1 MHz	tanδ_1M	[10]	1	-	-	2	-
Spezifischer Widerstand bei 20°C	ρV_>20	[Ωcm]	10¹²–10¹⁵	10⁷–10¹¹	10⁸–10¹³	10¹⁰	10¹⁴
Spezifischer Widerstand bei 600°C	ρV_>600	[Ωcm]	10⁶	10³–10⁵	10³–10⁶	-	10⁹

THERMISCH	Symbol	Einheit
Mittlerer Längenausdehnungskoeffizient bei 30–1000°C	α_30-1000	[10^–6 K^–1]	7–8	9–10	10–12,5	6–8	0,5–2
Spezifische Wärmekapazität bei 30–600°C	Cp_30-1000	[Jkg^–1K^–1]	850–1050	400–850	400–550	700–800	800
Wärmeleitfähigkeit	λ_30-100	[Wm^–1K^–1]	19–30	2–25	1,5–3	3–4	1,5–3
Temperaturwechselbeständigkeit			gut	gut	gut	–	Extrem gut
Typische max. Einsatztemperatur	T	[°C]	1400–1700	900–1600	900–1600	–1000	900–1600

Datenblatt Technische Keramik: Quelle: www.klaeger.de

4. Heißisostatisches Pressen des in eine Einspannvorrichtung aus ZTA eingespannten Rohlings
Eine Einspannvorrichtung 14 aus ZTA wird für das Einspannen des Rohrverzweigungsrohlings 1 verwendet. Die Einspannvorrichtung 14 umfasst eine Bodenplatte 5 und zwei darauf befestigte vertikale Stangen 6, 7. Von der vertikalen Stange 6 aus erstrecken sich in horizontaler Richtung und parallel zueinander ein oberes Einspannelement 8 und ein unteres Einspannelement 9. Die beiden Einspannelemente greifen an einen zylindrischen Körper eines vertikalen Rohrabschnitts 2 an und spannen den vertikalen Rohrabschnitt 2 fest ein. Die vertikale Stange 7 weist an ihrem oberen Ende ein sechseckiges hohles Element auf, das über drei horizontale Stege 10 mit einem kreisrunden Stützelement 11 verbunden ist. In diesem kreisrunden Stützelement 11 ist das Ende des horizontalen Rohrabschnitts 3 gelagert und abgestützt. Die Fixierelemente 8 und 9 haben demnach eine Einspannfunktion, das Fixierelement 11 hat eine Stützfunktion.
Das Einspannen erfolgt an denjenigen Stellen, die zueinander eine besondere Maßhaltigkeit aufweisen sollen. So werden selektiv die Stellen relativ zueinander gestützt, wo besondere Toleranzen gefordert werden.
Der in diese Einspannvorrichtung 14 aus ZTA eingespannte Rohling 300 wird durch heißisostatisches Pressen bei 1000°C bei 10⁸ Pa verfestigt, um so das Bauteil 1 zu erhalten.
Nach dem Abkühlen wird das Bauteil 1 von der Einspannvorrichtung 14 gelöst. Das Bauteil 1 weist keine Verzüge oder Deformationen auf. Die geforderten Abmessungen des fertigen Bauteils 1 stimmen mit den Abmessungen des Rohlings 300 überein.
5. Heißisostatisches Pressen des mit einem Schüttgut aus ZTA in einem Gefäß gestützten Rohlings
Es wird ein gleicher Rohling 300 – z. B. einer Rohrverzweigung – wie im vorhergehenden Beispiel verwendet. Anstelle einer Fixierung des Rohlings 300 in der Einspannvorrichtung 14 aus ZTA wird der Rohling 300 in einer Ummantelung 12 platziert. Anschließend wird eine Schüttung 13 aus körnigem ZTA in die Ummantelung 12 eingefüllt, die alle Kavitäten im Rohling 300 und das Leervolumen zwischen Rohling 300 und Ummantelung 12 vollständig erfüllt. Auf diese Weise wird der Rohling 300 großflächig und vollständig durch die Schüttung 13 abgestützt.
Demnach weist bei diesem Beispiel die Fixiervorrichtung 4 ein Gefäß – Ummantelung 12 – und ein Stützmaterial 15 – der Schüttung 13 – auf.
Das Stützmaterial 15 wird in ähnlicher Weise, wie zuvor bezüglich des Materials der Einspannvorrichtung 14 erläutert, ausgewählt. Zum Beispiel wird als Stützmaterial 15 ein Schüttgut aus Partikeln aus ZTA eingesetzt.
Das Stützmaterial 15 hat insbesondere Partikel in Kugelform, deren Partikelgröße entsprechend der Genauigkeitsanforderungen für die Kontur des Bauteils 1 ausgewählt wird.
Wird eine sehr große Detailgenauigkeit gefordert, wird eine sehr kleine Partikelgröße gewählt. Sind die Anforderungen an die Detailgenauigkeit geringer, können die Partikel größer sein.
Der durch die ZTA-Schüttung 13 unterstützte Rohling 300 wird durch heißisostatisches Pressen bei 1000°C bei 10⁸ Pa verfestigt, um so das Bauteil 1 zu erhalten.
Nach dem Abkühlen wird das Bauteil 1 aus der Schüttung 13 entnommen. Das Bauteil 1 weist keine Verzüge oder Deformationen auf. Die Abmessungen des fertigen Bauteils 1 stimmen mit den Abmessungen des Rohlings 300 überein.
Gemäß einem anderen Beispiel wird als Stützmaterial ein gießbares und aushärtbares Medium wie z. B. Gips oder dergleichen verwendet, das nach der Wärmebehandlung abgeschlagen wird.
Bezugszeichenliste

1: Bauteil
2: vertikaler Rohrabschnitt
3: horizontalen Rohrabschnitt
4: Fixiervorrichtung
5: Bodenplatte
6: vertikale Stange
7: vertikale Stange
8: oberes Einspannelement
9: unteres Einspannelement
10: kurze Stege
11: kreisrundes Stützelement
12: Ummantelung
13: Schüttung
14: Einspannvorrichtung
15: Stützmaterial
300: Rohling
320: Materialverteilung
400: Herstellvorrichtung
402: Laserstrahl- oder Elektronenstrahl-Pulverbett-Herstellvorrichtung
404: Energiestrahlerzeugungseinrichtung
406: Energiestrahllenkungseinrichtung
408: Pulverbett
410: Herstellplattform
412: Pulverauftragseinrichtung
414: Steuerungseinrichtung
416: Materialpulver
418: erstes Pulverreservoir
420: zweites Pulverreservoir
422: Energiestrahl
424: zweites Materialpulver

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (1) mit definierten Abmessungen unter Durchführung einer Wärmebehandlung aus einem Rohling (300) mit den gleichen definierten Abmessungen oder mit Abmessungen, die von den definierten Abmessungen des Bauteils (1) abweichen, umfassend die Schritte: a) Bereitstellen des Rohlings (300), b) Fixieren des Rohlings (300) mit einer Fixiervorrichtung (4), c) Durchführen eines Wärmebehandlungsschritts durch Erwärmen des fixierten Rohlings (300) auf eine vorgegebene Temperatur, bei der es zu einer Änderung des Rohlings (300) kommt, wobei die definierten Abmessungen von Rohling (300) und Bauteil (1) infolge der Fixierens mit der Fixiervorrichtung (4) unverändert erhalten bleiben oder wobei Abweichungen der Abmessungen des Rohlings (300) von den definierten Abmessungen des Bauteils (1) durch das Einwirken von verformenden Kräften aus der Fixiervorrichtung (4) auf den Rohling (300) beseitigt werden und die definierten Abmessungen des Bauteils (1) erzielt werden, d) Abkühlenlassen des mit der Fixiervorrichtung (4) fixierten Bauteils (1) mit definierten Abmessungen, und e) Entfernen der Fixiervorrichtung (4), dadurch gekennzeichnet, dass Schritt b) umfasst: b1) Einspannen und/oder Stützen des Rohlings (300) mit einer Einspann- und/oder Stützvorrichtung (14), die ein oder mehrere Einspannelemente (8, 9) und/oder Stützelemente (6, 7, 11) aufweist, die an einer oder mehreren Stellen an den Rohling (300) angreifen und diesen einspannen und/oder stützen, und/oder b2) Stützen des Rohlings (300) in einer Stützvorrichtung (14), die ein Gefäß und ein gießbares oder schüttbares Stützmaterial (15) aufweist, durch Einbringen des Rohlings (300) in das Gefäß und Einfüllen des Stützmaterials (15) in das Gefäß, so dass sich das Stützmaterial (15) an die Kontur des Rohlings (300) diese stützend anschmiegt, und dass Schritt b2) umfasst: b6) Bereitstellen eines flexiblen Einspann- oder Stützmaterials (15) in Form eines Schüttguts mit einspannender oder stützender Wirkung; und/oder b7) Einfüllen des Stützmaterials (15) unter vollständiger Auffüllung der Leervolumina zwischen Rohling (300) und Gefäßwand, und/oder b8) Einfüllen des Stützmaterials (15) unter Auffüllung von Leervolumina innerhalb des Rohlings (300), und/oder b9) Vibrieren oder Rütteln des Gefäßes beim und/oder nach dem Einfüllen des Stützmaterials (15), um eine möglichst gleichmäßige Verteilung und Verdichtung des Stützmaterials in den Leervolumina zwischen Rohling (300) und Gefäßwand und/oder innerhalb des Rohlings (300) zu erhalten; und/oder b10) Verwenden eines Schüttguts mit Partikeln, die näherungsweise eine sphärische Struktur aufweisen; b11) Verwenden eines Schüttguts aus Partikeln, deren Größe an den Detaillierungsgrad des Bauteils (1) angepasst ist; und/oder b12) Verwenden eines gießbaren und aushärtbaren Mediums als Stützmaterial (15).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt a) umfasst: a1) Bereitstellen eines Rohlings (300) aus oder mit einem Material, das ausgewählt wird aus einer Gruppe von Materialien, die Metalle, Leichtmetalle, Hartmetalle, Halbmetalle, Metalllegierungen, Leichtmetalllegierungen, Superlegierungen, Halbleiter, Feuerfestmaterialien, Keramikmaterialien, anorganische Polymere, organische Polymere, Verbundmaterialien, sinterbare Materialien, einzeln oder in Kombination, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt a) umfasst: a2) Herstellen eines Rohlings (300) durch ein Verfahren, das unter mindestens einem von Gießen, Druckgießen, Spritzgießen, Sprühkompaktieren, Sintern, spanendem Bearbeiten, Tiefziehen, Pressen, Strangpressen, Extrudieren, generativen Fertigungsverfahren, wie 3D-Druckverfahren, insbesondere 3D-Titandruckverfahren, ausgewählt wird; und/oder a3) Herstellen des Rohlings (300) durch ein Verfahren, bei dem ein Rohling (300) erzeugt wird, der geschlossene Poren aufweist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt c) zu einer Änderung des Rohlings (300) führt, die ausgewählt ist unter einer oder mehreren von Änderung einer chemische Eigenschaft, einer physikalischen Eigenschaft, des Gefüges, der Mikrostruktur, der Korngröße, der Korngrößenverteilung, der Porosität, der offenen Porosität, der geschlossenen Porosität, der Porenform, der Porengröße, wie durch Porenverkleinerung oder Porenbeseitigung, der Porengrößenverteilung, der makroskopischen Abmessungen, der inneren Spannungen, der Oberflächenbeschaffenheit, der Dichte.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt c) mindestens eines von Ausheizen, Nitridieren, wie Gasnitridieren, Plasmanitridieren, Badnitridieren, Glühen, Metallinfiltrieren, Sinterverdichten, Reaktionssintern, Vakuumsintern, Schutzgassintern, Spark-Plasma-Sintern, Heißpressen, Gasdrucksintern und heißisostatischem Pressen umfasst.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt b) das Fixieren des Rohlings (300) mit der Fixiervorrichtung (4) derart umfasst, dass zwischen der Fixiervorrichtung (4) und dem Rohling (300) steife Lastpfade geschaffen werden, über die während des Wärmebehandlungsschrittes c) Kräfte, die auf den Rohling (300) einwirken, wie innere Spannungen im Rohling (300) und/oder die von außen einwirkende Gewichtskraft, abgeleitet werden.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt b1) umfasst: b3) Bereitstellen einer Einspann- und/oder Stützvorrichtung (14) in Form eines Gestells, das feststehend ist oder dessen Größe und/oder Form an die Größe und/oder die Form des Rohlings (300) anpassbar ist; und/oder b4) Einspannen des Rohlings (300) in der Einspannvorrichtung (14) oder Einspann- und Stützvorrichtung mit Hilfe der Einspannelemente (8, 9) an einer oder mehreren Stellen des Rohlings (300) mit definierten Toleranzanforderungen zur Fixierung des Rohlings (300) und zur Schaffung von steifen Lastpfaden, über die Kräfte, die auf den Rohling (300) einwirken, wie innere Spannungen im Rohling (300) und/oder die von außen einwirkende Gewichtskraft, abgeleitet oder kompensiert werden, wodurch Deformationen oder Abweichungen von den definierten Abmessungen des Rohlings (300) und des Bauteils (1) während der Wärmebehandlung in Schritt c) vermieden werden; und/oder b5) Einspannen des Rohlings (300) in der Einspannvorrichtung (14) oder Einspann- und Stützvorrichtung mit Hilfe der Einspannelemente (8, 9) an einer oder mehreren Stellen des Rohlings (300) zur Fixierung des Rohlings (300) und zur Beaufschlagung des Rohlings (300) mit von außen einwirkender Kraft, die von der Einspannvorrichtung (14) oder Einspann- und Stützvorrichtung über die Einspannelemente (8, 9) auf den Rohling (300) einwirkt, um im Wärmbehandlungsschritt c) Abweichungen des Rohlings (300) von den gewünschten definierten Abmessungen ganz oder teilweise zu kompensieren und zu beseitigen und die gewünschten definierten Abmessungen des Bauteils (1) zu erzielen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) eine Fixiervorrichtung (4) aus einem Material oder einer Materialkombination verwendet wird, das/die eines, mehrere oder alle der folgenden Merkmale aufweist: – der Wärmeausdehnungskoeffizient α stimmt mit dem Wärmeausdehnungskoeffizienten α des Rohlings (300) überein oder unterscheidet sich um maximal 5% vom Wärmeausdehnungskoeffizienten des Rohlings (300), – der mittlere Wärmeausdehnungskoeffizient α_30-1000 liegt bei 30 bis 1000°C vorzugsweise im Bereich von 5·10^–6 K^–1 bis 15·10^–6 K^–1; – der Elastizitätsmodul des Materials oder der Materialkombination ist so hoch, dass die Fixiervorrichtung (4) beim Erhitzen Lasten aufzunehmen vermag, ohne sich dabei zu verformen; – der Elastizitätsmodul des Materials oder der Materialkombination liegt vorzugsweise im Bereich von 200 bis 400 GPa liegt; – das Material oder die Materialkombination der Fixiervorrichtung (4) ist mit dem Material des Rohlings (300) metallurgisch kompatibel; – beim Erhitzen kommt es zu keiner Diffusion oder Festkörperdiffusion zwischen Fixiervorrichtung (4) und Rohling (300); – das Material oder die Materialkombination der Fixiervorrichtung (4) umfasst ein Keramikmaterial, das unter einem oder mehreren von Silicatkeramik-, Oxidkeramik- und Nichtoxidkeramikmaterial ausgewählt wird; – das Material oder die Materialkombination der Fixiervorrichtung (4) umfasst ein oder mehrere von Al₂O₃, ZrO₂, TiO₂, Al₂TiO₅, Al₂O₃-ZrO₂-Mischoxid, SiC.
Vorrichtung zum Herstellen eines Bauteils (1) mit definierten Abmessungen unter Durchführung einer Wärmebehandlung aus einem Rohling (300) mit den gleichen definierten Abmessungen oder mit Abmessungen, die aufgrund von Deformationen des Rohlings verschieden von den definierten Abmessungen des Bauteils (1) sind, umfassend: – eine Rohlingherstelleinrichtung (400) zum Bereitstellen des Rohlings (300), – eine Fixiervorrichtung (4) zum Fixieren des Rohlings (300), – eine Wärmebehandlungseinrichtung zum Durchführen eines Wärmebehandlungsschritts durch Erwärmen des in der Fixiervorrichtung (4) fixierten Rohlings (300) auf eine vorgegebene Temperatur, bei der es zu einer Änderung des Rohlings (300) kommt, so dass die definierten Abmessungen von Rohling (300) und Bauteil (1) infolge der Fixierfunktion der Fixiervorrichtung (4) unverändert erhalten bleiben oder so dass Deformationen im Rohling (300) unter Einwirkung von Kräften aus der Fixiervorrichtung (4) unter Erhalt der definierten Abmessungen des Bauteils (1) beseitigt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Fixiervorrichtung (4) eine Stützvorrichtung zum Stützen des Rohlings (300) aufweist, die ein Gefäß und ein schüttbares oder gießbares Stützmaterial (15) umfasst, das in das Gefäß einbringbar ist, um sich an die Kontur des Rohlings (300) anzuschmiegen und diesen zu stützen.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohlingsherstellungseinrichtung (400) einen 3D-Laserdrucker oder Elektronenstrahldrucker für das selektive Laserschmelzen oder Elektronenstrahlschmelzen im Pulverbett und/oder eine Vorrichtung (400) zum Durchführen eines generativen Fertigungsverfahrens zum Herstellen des Rohlings (300) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Fixiervorrichtung (4) zum Fixieren des Rohlings (300) derart ausgestaltet ist, dass zwischen der Fixiervorrichtung (4) und dem Rohling (300) steife Lastpfade geschaffen werden, über die während des Wärmebehandlungsschrittes c) Kräfte, die auf den Rohling (300) einwirken, wie innere Spannungen im Rohling (300) und/oder die von außen einwirkende Gewichtskraft, abgeleitet werden, und/oder aus einem Material oder einer Materialkombination gebildet ist, das/die eines, mehrere oder alle der folgenden Merkmale aufweist: – der Wärmeausdehnungskoeffizient α stimmt mit dem Wärmeausdehnungskoeffizienten α des Rohlings (300) überein oder unterscheidet sich um maximal 5 vom Wärmeausdehnungskoeffizienten des Rohlings (300), – der mittlere Wärmeausdehnungskoeffizient α_30–1000 liegt bei 30 bis 1000°C vorzugsweise im Bereich von 5·10^–6 K^–1 bis 15·10^–6 K^–1; – der Elastizitätsmodul des Materials oder der Materialkombination ist so hoch, dass die Fixiervorrichtung (4) beim Erhitzen Lasten aufzunehmen vermag, ohne sich dabei zu verformen; – der Elastizitätsmodul des Materials oder der Materialkombination liegt vorzugsweise im Bereich von 200 bis 400 GPa; – das Material oder die Materialkombination der Fixiervorrichtung (4) ist mit dem Material des Rohlings (300) metallurgisch kompatibel; – beim Erhitzen kommt es zu keiner Diffusion oder Festkörperdiffusion zwischen Fixiervorrichtung (4) und Rohling (300); – das Material oder die Materialkombination der Fixiervorrichtung (4) umfasst ein Keramikmaterial, das unter einem oder mehreren von Silicatkeramik-, Oxidkeramik- und Nichtoxidkeramikmaterial ausgewählt wird; – das Material oder die Materialkombination der Fixiervorrichtung (4) umfasst ein oder mehrere von Al₂O₃, ZrO₂, TiO₂, Al₂TiO₅, Al₂O₃-ZrO₂-Mischoxid, SiC.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Fixiervorrichtung (4) eine Einspann- und/oder Stützvorrichtung zum Einspannen und/oder Stützen des Rohlings (300) aufweist, die ein oder mehrere Einspannelemente (8, 9) und/oder Stützelemente (11) aufweist, die an einer oder mehreren Stellen an den Rohling (300) angreifen und diesen einspannen und/oder stützen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Fixiervorrichtung (4) eine Einspannvorrichtung (14) oder Einspann- und Stützvorrichtung ist zum Einspannen des Rohlings (300) mit Hilfe von Einspannelementen (8, 9) an einer oder mehreren Stellen des Rohlings (300) mit definierten Toleranzanforderungen zur Fixierung des Rohlings (300) und zur Schaffung von steifen Lastpfaden, über die Kräfte, die auf den Rohling (300) einwirken, wie innere Spannungen im Rohling (300) und/oder die von außen einwirkende Gewichtskraft, abgeleitet oder kompensiert werden, wodurch Deformationen oder Abweichungen von den definierten Abmessungen des Rohlings (300) und des Bauteils (1) während der Wärmebehandlung in Schritt c) vermieden werden.