DE102016115676A1

DE102016115676A1 - Additive Fertigung

Info

Publication number: DE102016115676A1
Application number: DE102016115676.0A
Authority: DE
Inventors: Trevor Illston; Pratik Yatin Vora
Original assignee: Mat Solutions Ltd; Materials Solutions Ltd
Current assignee: Siemens Mobility GmbH
Priority date: 2015-08-28
Filing date: 2016-08-24
Publication date: 2017-03-02
Also published as: US20170225252A1; GB2541810B; GB2541810A; GB201614503D0; GB201515390D0

Abstract

Die Erfindung stellt ein Verfahren zur Reduzierung der Oberflächenrauigkeit eines additiv gefertigten Metallbauteils bereit, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: das Bauteil wird in einer Kammer platziert, die Kammer wird mit einem brennbaren Gasgemisch gefüllt, man lässt das Gasgemisch das Bauteil umschließen und das Gasgemisch wird entzündet, so dass mindestens ein Wärmeimpuls auf die Oberfläche des additiv gefertigten Metallbauteils einwirkt. Dieses Verfahren ermöglicht die Glättung einer additiv gefertigten Oberfläche, die mittels herkömmlicher Verfahren zur Modifizierung der Oberfläche eines Bauteils nicht zugänglich ist, zum Beispiel mit Hilfe von Lasern, die eine „Sichtlinie” auf die zu verändernde/glättende Oberfläche benötigen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf additiv gefertigte Metallbauteile und insbesondere auf Verfahren zur Verbesserung der Oberflächenrauigkeit eines additiv gefertigten Metallbauteils.
Bei der additiven Fertigung handelt es sich um eine Gruppe von Prozessen, die dadurch gekennzeichnet sind, dass durch schichtweisen Aufbau im Wesentlichen zweidimensionaler Schichten (oder Scheiben) dreidimensionale Bauteile gefertigt werden. Jede Schicht ist im Allgemeinen sehr dünn (zum Beispiel zwischen 20 und 100 Mikrometer), und es werden viele Schichten nacheinander gebildet, wobei die zweidimensionale Form auf jeder Schicht variiert, um das gewünschte endgültige dreidimensionale Profil bereitzustellen. Im Gegensatz zu herkömmlichen „substraktiven” Fertigungsprozessen, bei denen Material entfernt wird, um ein gewünschtes Bauteilprofil zu bilden, wird bei additiven Fertigungsprozessen fortlaufend Material hinzugefügt, um ein fertiges oder endkonturnahes endgültiges Bauteil zu bilden.
Die frühesten additiven Fertigungsprozesse wie z. B. Stereolithografie basierten auf der Härtung von Fotopolymeren mittels UV-Licht, und es existieren verschiedene Techniken zur Bildung von Kunststoffteilen (einschließlich des sogenannten „3D-Drucks”, wie die additive Fertigung von Kunststoffen auf der Grundlage modifizierter Druckverfahren vom Tintenstrahltyp typischerweise bezeichnet wird).
Bei der additiven Fertigung von Metallen treten signifikant andere Probleme auf als bei der von Kunststoffen; sie kann vom Fachmann als eigenes Gebiet betrachtet werden. Techniken zur additiven Fertigung im Metallpulverbett basieren alle auf dem Grundprinzip, dass basierend auf einer 3D-CAD-Datei eine „Scheibe” aufgebaut wird, indem eine punktförmige Energiequelle auf die Oberfläche einer Schicht aus Metallpulver gerichtet wird. Der Energiepunkt besitzt eine ausreichende Intensität, um die Pulverschicht an der Auftreffstelle lokal zu schmelzen (oder zu sintern), und erzeugt einen Flüssigschmelzepool (mit typischerweise derselben Tiefe wie die Schicht und mindestens der Hälfte der darunter liegenden Pulverschicht oder, im Falle einer darunter liegenden festen Schicht, einem Teil dieser Unterschicht). Wenn sich der Energiepunkt (durch die Optik der additiven Schichtfertigungsmaschine gesteuert) weiterbewegt, kühlt sich der Schmelzepool ab und das Metall wird wieder fest, wodurch ein zusammenhängendes Ganzes aus dieser Schicht und den Unterschichten entsteht. Nach Fertigstellung einer Schicht wird eine neue Pulverschicht bereitgestellt, so dass die nächste Scheibe gebildet werden kann.
Bei alternativen additiven Metallfertigungstechniken kann Pulver (oder Draht) verwendet werden, die geschmolzen und durch mechanisches Scannen eines Werkstücks als Flüssigkeit aufgebracht werden.
Die punktförmige Energiequelle kann zum Beispiel ein Laser- oder Elektronenstrahl sein, und es sind verschiedene im Handel erhältlich additive Pulverbett-Metallfertigungssysteme bekannt. Dazu gehören zum Beispiel Verfahren, die als „selektives Lasersintern”, selektives Laserschmelzen, Laser Cusing (RTM) und DMLS (RTM) bekannt und/oder unter den Marken registriert sind. Beispiele für im Handel erhältliche additive Fertigungsmaschinen zur Herstellung von Metallbauteilen beinhalten zum Beispiel selektive Laservorrichtungen wie die EOS M2XX- oder M4XX-Serie (hergestellt von EOS GmbH) und Elektronenstrahlvorrichtungen, die von Acram AB, Schweden hergestellt werden.
Mittels additiver Fertigung können extrem komplexe Bauteile fast mit „Endkontur” gefertigt werden, doch dem Fachmann ist bewusst, dass während der Fertigung im Allgemeinen Stützstrukturen erforderlich sind. Die Stützstrukturen werden während der additiven Fertigung Schicht um Schicht einstückig zusammen mit dem Bauteil gebildet. Stützstrukturen können zum Beispiel erforderlich sein, um überhängende Bauteile/Flächen abzustützen. Stützstrukturen sind bei Metallbauteilen (insbesondere bei hochfesten Metallen) besonders wichtig, da durch das beim additiven Prozess notwendige Erwärmen und Abkühlen Restspannungen in dem Bauteil entstehen, die eine geometrische Verformung und/oder Rissbildung in dem Bauteil hervorrufen können.
Stützstrukturen müssen sorgfältig konzipiert und während des Vorfertigungsprozesses optimiert werden, so dass sie mit ausreichender mechanischer Festigkeit an dem Bauteil befestigt sind, um wie vorgesehen zu funktionieren, nach der Fertigung aber auch relativ leicht entfernt werden können. Typischerweise können die Stützstrukturen dort, wo sie an das Bauteil grenzen, eine ausgeprägte Grenzflächenregion mit einem Gitter- oder Zahnprofil einschließen, um eine klar definierte Trennlinie zu dem Bauteil bereitzustellen. Insbesondere bei Hochleistungsmetallen (wie zum Beispiel Superlegierungen) muss die Grenzfläche jedoch sehr stark sein, und die Stützstruktur ist demzufolge schwer zu entfernen. Es werden scharfe Schneidwerkzeuge mit erheblicher Kraft eingesetzt und es besteht die Gefahr, dass die Oberfläche des Bauteils während dieses Entfernungsprozesses beschädigt werden kann.
Nach der Entfernung der Stützstruktur können die Grenzflächen des Bauteils Reste der Grenzfläche aufweisen, was zu einer unerwünschten erhöhten Grenzflächenrauigkeit führt. Darüber hinaus können nach unten zeigende Flächen infolge des unbeabsichtigten Pulverschmelzens unterhalb der gewünschten Schicht typischerweise einen natürlichen Rauhigkeitsgrad aufweisen.
Daher besteht der Bedarf an weiteren Verfahren zur Reduzierung der Oberflächenrauigkeit von Metallbauteilen, die mittels additiver Fertigung hergestellt wurden.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Reduzierung der Oberflächenrauigkeit eines additiv gefertigten Metallbauteils bereitgestellt, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: das Bauteil wird in einer Kammer platziert, die Kammer wird mit einem brennbaren Gasgemisch gefüllt, man lässt das Gasgemisch das Bauteil umschließen und das Gasgemisch wird entzündet, so dass mindestens ein Wärmeimpuls auf die Oberfläche des additiv gefertigten Metallbauteils einwirkt. Dieses Verfahren ermöglicht die Glättung einer additiv gefertigten Oberfläche, die mittels herkömmlicher Verfahren zur Modifizierung der Oberfläche eines Bauteils nicht zugänglich ist, wie zum Beispiel mit Hilfe von Lasern, die eine „Sichtlinie” auf die zu verändernde/glättende Oberfläche benötigen.
Nach dem Wärmeimpuls kann das Verfahren weiterhin die abrasive Reinigung der Oberfläche des Bauteils umfassen.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur additiven Fertigung von Metallbauteilen bereitgestellt, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
Bildung eines Bauteils in einem schichtweisen Prozess; Entfernung von Stützstrukturen, die während des schichtweisen Prozesses gebildet wurden, und Reduzierung der Oberflächenrauigkeit des additiv gefertigten Metallbauteils durch Einwirkung mindestens eines Wärmeimpulses auf die Oberfläche des additiv gefertigten Metallbauteils. Das Verfahren kann weiterhin die abrasive Reinigung der Oberfläche des Bauteils umfasst.
Der Schritt der abrasiven Reinigung kann zum Beispiel Strahlen umfassen.
Vor der abrasiven Reinigung kann eine Vielzahl von Wärmeimpulsen angewendet werden (zum Beispiel aufeinanderfolgend während eines einzigen Prozesses).
Die Anmelder haben überraschenderweise herausgefunden, dass die Anwendung eines Wärmeimpulses vor der abrasiven Reinigung der Oberfläche zu einer verbesserten Oberflächenbeschaffenheit durch Reduzierung der Oberflächenrauigkeit führt. Wurde zum Beispiel das Verfahren einer Ausführungsform von den Anmeldern auf Prüfkörper angewendet, zeigte die Kombination aus der Anwendung mindestens eines Wärmeimpulses und einem anschließenden abrasiven Prozess eine reduzierte Oberflächenrauigkeit (Ra-Messung) von mindestens 30% und typischerweise 50% bis 60%, gemessen mittels eines Oberflächenprofilometers.
Eine Ausführungsform der Erfindung kann zum Beispiel die Oberflächenrauigkeit infolge von Resten der Stützstrukturgrenzfläche oder die Oberflächenrauigkeit von nach unten zeigenden Flächen reduzieren (die, wie dem Fachmann bewusst ist, infolge des unbeabsichtigten Pulverschmelzens unterhalb der gewünschten Schicht typischerweise einen natürlichen Rauhigkeitsgrad aufweisen können).
Weiterhin weisen im Pulverbett additiv gefertigte Bauteile vor der Oberflächenbehandlung einen Überzug aus aufgesintertem Metallpulver auf, wobei die Kante des gebildeten Bauteils durch eine für das vollständige Schmelzen des Pulvers unzureichende Wärme definiert ist. Das nächste Metallpulverpartikel, das anschließend aufgesintert wird, wird über einen schmalen „Hals” verbunden. Diese aufgesinterten Pulverpartikel werden auf herkömmliche Weise durch mechanische Behandlung, z. B. Strahlen, entfernt. Die Anmelder haben jedoch jetzt herausgefunden, dass ein Wärmeimpuls vor dem Strahlen zu einer glatteren Oberfläche nach dem Strahlen führt. Man glaubt, dass dies daraus resultiert, dass sich der schmale „Hals”, der das aufgesinterte Partikel mit dem vollständig geschmolzenen Bauteil verbindet, weiter verschmälert. Es ist zudem davon auszugehen, dass eine Vielzahl von Wärmeimpulsen ausgeführt werden kann, so dass viele oder die meisten der aufgesinterten Partikel entfernt werden.
Durch das Strahlen werden restliche aufgesinterte Metallpulverpartikel sowie das aus früheren Wärmebehandlungen resultierende und das durch die Wärmeimpuls-Behandlung erzeugte Oxid entfernt. Ohne an eine bestimmte Theorie gebunden zu sein, glaubt man, dass die Kombination aus dem Wärmeimpuls und der anschließenden abrasiven Behandlung besonders vorteilhaft ist, wenn die lokalen feinen Erhebungen auf der Oberfläche zumindest teilweise oxidiert, verdampft oder geschmolzen werden, um ihre selektive Entfernung während der anschließenden abrasiven Behandlung zu ermöglichen oder zu unterstützen. Im Gegensatz dazu kann der Wärmeimpuls von ausreichend kurzer Dauer sein, um eine erheblich geringere Erwärmung abseits der lokalen feinen Erhebungen zu bewirken, da das Bauteil nicht massenerwärmt wird.
Der Wärmeimpuls kann bei einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Metallmaterials erfolgen. Der Wärmeimpuls kann einen Anstieg der Spitzentemperatur von mindestens 2000°C, zum Beispiel einen Anstieg von etwa 2500 bis 3500°C bewirken.
Das Gasgemisch kann ein Gemisch aus Kohlenwasserstoff (zum Beispiel Methan) und Sauerstoff (der zum Beispiel als Luft bereitgestellt werden kann) sein. In der Kammer kann ein erhöhter Atmosphärendruck herrschen (zum Beispiel 400 bar, und der Spitzendruck kann während der Verbrennung zum Beispiel 2000 bar oder mehr erreichen).
Die Verbrennung des Gasgemisches kann dergestalt sein, dass der Wärmeimpuls eine explosive oder pseudo-explosive Entzündung ist.
Der Wärmeimpuls kann von unzureichender Dauer für eine Massenerwärmung des Bauteils sein. Der Wärmeimpuls kann zum Beispiel eine Dauer von weniger als 100 Millisekunden haben, zum Beispiel weniger als 20 Millisekunden.
Da der Wärmeimpuls von relativ kurzer Dauer ist, ist die Wärmeleitung in die Bauteilmasse gering. Aufgrund der sehr kurzen Dauer kann die Temperatur der Bauteilmasse beispielsweise nur um weniger als 200°C, zum Beispiel um etwa 50 bis 150°C steigen.
Zusätzlich kann nach der additiven Fertigung und vor dem Abtrennen des Bauteils von seiner Stützstruktur (die während des schichtweisen additiven Prozesses einstückig gebildet wird) ein Wärmeimpuls auf das Bauteil appliziert werden. Es hat sich herausgestellt, dass hierdurch die Grenzfläche zwischen dem Bauteil und der Stützstruktur geschwächt und in einigen Fällen abgebrochen wird, was die Entfernung ermöglicht oder unterstützt.
Das Abtrennen der Stützstruktur von dem Bauteil nach Applikation des Wärmeimpulses kann durch herkömmliche Mittel erfolgen.
Die Stütze kann eine Hauptstütze umfassen und die Grenzfläche umfasst eine Vielzahl von Grenzflächenstützelementen, welche die Hauptstütze und das Bauteil verbinden. Während des Prozesses werden die Grenzflächenstützelemente durch den Wärmeimpuls vor der anschließenden mechanischen Entfernung (zum Beispiel durch Schneiden) geschwächt und in manchen Fällen abgebrochen.
Die Anmelder haben festgestellt, dass, wenn das Bauteil und die Stützstruktur einem Wärmeimpuls ausgesetzt werden, die Festigkeit der Grenzfläche zwischen der Stützstruktur und dem Bauteil reduziert wird, ohne dass dies eine merkliche nachteilige Auswirkung auf die Materialeigenschaften des Bauteils hat.
Ohne an eine bestimmte Theorie gebunden zu sein, glaubt man, dass der Wärmeimpuls ein lokales (oder selektives) Verdampfen, Oxidieren oder Schmelzen schmaler Elemente mit schlechter Wärmeleitfähigkeit bewirkt. Hierdurch wird die feine Oberfläche zwischen einer Hauptstütze und einem Bauteil und zwischen einem aufgesinterten Metallpulverpartikel und dem Bauteil geschwächt, und die Entfernung mittels herkömmlicher Mittel ist einfacher.
Der Schritt des Einwirkens eines Wärmeimpulses auf das Bauteil und die Stützstruktur umfasst Folgendes: das Bauteil und die Stützstruktur werden in einer Kammer platziert, die Kammer wird mit einem brennbaren Gasgemisch gefüllt, man lässt das Gasgemisch das Bauteil und die Stützstruktur umschließen und das Gasgemisch wird entzündet. Indem sich das Gasgemisch mit dem Bauteil und der Stütze vor der Entzündung vollständig mischt, kann das Gasgemisch vor der Verbrennung offene Zwischenräume oder Hohlräume in dem Bauteil und der Stützstruktur durchdringen. Insbesondere kann das Gasgemisch die Zwischenräume oder Hohlräume, welche die Grenzfläche umschließen, durchdringen.
Das Metallbauteil und die Stützstruktur können auf einer Bodenplatte gebildet werden. Dem Fachmann ist bewusst, dass das Bauteil und die Stützstruktur während des additiven Fertigungsprozesses (bei Bildung der ersten Schicht auf der Bodenplatte) im Wesentlichen an die Bodenplatte geschweißt sein können.
Vor der Anwendung des Verfahrens gemäß erfindungsgemäßen Ausführungsformen (und wahlweise vor Entfernung der Stützstruktur von dem additiv gefertigten Metallbauteil) kann das Metallbauteil wärmebehandelt werden, um durch den schichtweisen Prozess ausgelöste Restspannungen zu entfernen oder zu reduzieren. Um eine Verformung infolge von Restspannung zu vermeiden, kann vor der Entfernung des Bauteils von der Bodenplatte eine solche Wärmebehandlung erfolgen. Die Stützstruktur und das Metallbauteil können gemeinsam von der Bodenplatte entfernt werden und die Wärmebehandlung als solche kann vor der Entfernung der Stützstruktur erfolgen.
Es ist anzumerken, dass eine Vielzahl von Bauteilen und dazugehörigen Stützstrukturen während eines einzelnen additiven Prozesses auf einer einzelnen Bodenplatte gebildet werden können (und dies die Anwendbarkeit der vorliegenden Erfindung nicht beeinträchtigen würde).
Dem Fachmann ist bewusst, dass der Schritt der Wärmebehandlung des additiv gefertigten Bauteils (typischerweise während es noch an der Bodenplatte befestigt ist) ein bekannter Prozess für die Entfernung/Reduzierung von Restspannung ist und sich von dem Wärmeimpuls erfindungsgemäßer Ausführungsformen unterscheidet. Eine solche Wärmebehandlung wird zum Beispiel typischerweise unter Schutzgasatmosphären- oder Vakuumbedingungen (d. h. in einer nicht-oxidierenden Umgebung) durchgeführt. Weiterhin muss die Wärmebehandlung bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des Metallmaterials erfolgen. Während solcher Wärmebehandlungsprozesse ist das Massenerwärmen (nicht das Schmelzen) des Bauteils vorgesehen.
Der additive Fertigungsprozess gemäß erfindungsgemäßen Ausführungen kann eine selektive Pulverbett-Laserfertigung umfassen.
Alternativ wird in einem weiteren Aspekt der Erfindung ein Verfahren zur Reduzierung der Oberflächenrauigkeit eines additiv gefertigten Metallbauteils bereitgestellt, wobei das Verfahren das Einwirken mindestens eines Wärmeimpulses auf die Oberfläche des additiv gefertigten Metallbauteils umfasst.
Zwar wurde die Erfindung zuvor beschrieben, sie erstreckt sich jedoch auf alle zuvor oder in der nachfolgenden Beschreibung oder den Zeichnungen dargelegten erfindungsgemäßen Merkmalskombinationen. Weiterhin gelten alle zuvor beschriebenen optionalen Merkmale bezüglich Ausführungsformen des ersten Aspektes der Erfindung ausdrücklich als auf den zweiten Aspekt der Erfindung gleichwertig anwendbar und umgekehrt.
Anschließend werden spezifische Ausführungsformen der Erfindung nur anhand von Beispielen und mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines nach einem herkömmlichen additiven Fertigungsverfahren hergestellten Bauteils;
2 Beispiele für durch additive Fertigung hergestellte Metallteile, bei denen Stützstrukturen sowohl vorliegen als auch entfernt sind;
3 ein Flussdiagramm für die Bildung eines additiv gefertigten Bauteils gemäß Ausführungsformen der Erfindung; und
4 eine Reihe von Aufnahmen (verschiedener Vergrößerung) der Oberfläche eines vor der Behandlung der Oberfläche in einem Pulverbettprozess gebildeten Metallbauteils.
In 1 ist ein nach einem additiven Fertigungsverfahren hergestelltes Metallteil 1 schematisch dargestellt. Das Metallteil ist zum Beispiel ein Gehäuse und schließt einen Hohlraum 1a in seinem Körper ein. Das Bauteil 1 wird durch schichtweisen Aufbau auf einer Bodenplatte 4 in einer Weise, die dem Fachmann gut bekannt ist, gebildet.
Innerhalb des Hohlraums 1a des Bauteils 1 ist eine Hauptstützstruktur 2 bereitgestellt. Die Hauptstütze ist so angeordnet, dass sie während der additiven Schichtfertigung relativ rasch aufgebaut werden kann, jedoch eine ausreichende Festigkeit besitzt, um den Belastungen durch das Bauteil 1 und zum Beispiel der geometrischen Verformung des Bauteils 1 standzuhalten. Dem Fachmann ist bewusst, dass die Stütze 2 eine zweckmäßige (optimierte) Form haben kann und eine feste oder zum Beispiel eine Gitter- oder Wabenstruktur sein könnte.
Um zu gewährleisten, dass die Stütze 2 nach der Fertigung von dem Bauteil 1 entfernt werden kann, ist sie mit einer Grenzfläche 3 versehen, die eine klare „Bruchlinie” zwischen der Stütze 2 und dem Bauteil 1 bildet. Die Grenzfläche kann eine Reihe einzelner zahnartiger Grenzflächenelemente 3a, 3b, 3c umfassen, die das Bauteil 1 und die Stütze 2 verbinden. Es ist anzumerken, dass das Bauteil 1, die Stütze 2 und die Grenzfläche 3 während des additiven Fertigungsprozesses alle Schicht um Schicht einstückig gebildet werden.
In 2 sind einige beispielhafte Aufnahmen dargestellt, um die Entfernung einer Stützstruktur 2' von einem Bauteil 1' nach dem Verfahren gemäß Ausführungsformen der Erfindung zu veranschaulichen. Es ist anzumerken, dass die Aufnahmen die Stütze 2' in situ, teilweise entfernt sowie nach der Entfernung (wobei Reste der Grenzfläche sichtbar sind) zeigen.
Das Verfahren gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform wird anhand des Flussdiagramms von 3 dargestellt. Im ersten Schritt 10 wird ein Bauteil zusammen mit Stützstrukturen nach einem bekannten additiven Metallfertigungsprozess aufgebaut. Das Bauteil wird nach Entnahme aus der additiven Schichtfertigungsmaschine (wobei das Bauteil jedoch an der Bodenplatte befestigt bleibt, um einer Verformung standzuhalten) einer anschließenden Wärmebehandlung 20 unterzogen. Diese Wärmebehandlung erfolgt in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre (Schutzgas oder Vakuum) und soll Restspannungen reduzieren oder minimieren.
Nach Reduzierung der Restspannungen mittels des Wärmebehandlungsprozesses 20 kann das Bauteil bearbeitet werden 30, um es von der Bodenplatte zu entfernen (wobei die dazugehörige Stützstruktur daran befestigt oder darin eingebettet bleibt).
Nach dieser Entfernung werden das Bauteil und die Stützstruktur wahlweise einem Wärmeimpuls-Prozess 40 unterzogen, um die Grenzflächen zwischen der Stütze und dem Bauteil zu schwächen. Dieser Wärmeimpuls erfolgt in einer abgedichteten Kammer bei erhöhtem Druck. Die Kammer ist mit Methan und Luft gefüllt, die man das Bauteil vor der Entzündung vollständig umschließen lässt, um eine extrem schnelle Verbrennung bei hohen Temperaturen (einen explosiven oder pseudo-explosiven Prozess) bereitzustellen. Der Wärmeimpuls kann zum Beispiel etwa 20 Millisekunden dauern und zu einem Anstieg der Temperatur innerhalb der Kammer um 2500°C bis 3500°C und zu einem Spitzendruck von bis zu 2000 bar führen. Die Wärme trifft auf die Oberflächen des Bauteils und der Stützstruktur, ist aber nicht von ausreichender Dauer, um deren Massenerwärmung auszulösen. Der Wärmeimpuls-Schritt kann zum Beispiel mittels einer herkömmlichen thermischen Entgratungsvorrichtung erfolgen.
Es hat sich herausgestellt, dass der Wärmeimpuls-Schritt 40 die Grenzflächenelemente 3 der Stütze 2 zwar schwächt, jedoch nicht zu einer Veränderung der Materialeigenschaften führt, da er keine Massenerwärmung des Bauteils 1 bewirkt. Im Gegensatz dazu nimmt man an, dass die Grenzflächenelemente eine größere Wärmeleitfähigkeit aufweisen und daher während des Wärmeimpulses ein signifikanteres Oxidieren und/oder Verdampfen und/oder Schmelzen der Oberfläche erfahren. Es hat sich herausgestellt, dass dies zu einer signifikanten Schwächung der Grenzfläche führt und die Entfernung der Stütze fördert (in Schritt 50 unten).
Nach der Wärmebehandlung und dem optionalen Wärmeimpuls-Schritt 40 entfernt man die Stütze 50 mittels eines herkömmlichen mechanischen Bearbeitungsschrittes 50 (und dem Fachmann ist bewusst, dass der gewählte spezielle mechanische Prozess von verschiedenen Faktoren wie zum Beispiel dem Material und der Geometrie des Bauteils und der Stütze abhängen kann).
Sobald die Stütze vollständig entfernt ist, wird normalerweise ein abschließender abrasiver Reinigungsschritt 70, zum Beispiel Strahlen, durchgeführt, um verbleibende Reste der Grenzflächenelemente 3 von dem abgetrennten Bauteil 1 zu entfernen. Gemäß einer Ausführungsform kann das Bauteil vor einem solchen Strahlen einem weiteren Wärmeimpuls-Schritt 60 unterzogen werden. Der Wärmeimpuls-Schritt 60 kann das Applizieren einer Vielzahl von Wärmeimpulsen umfassen.
Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass die Anwendung dieses Zusatzschrittes 70 (Wärmeimpulse gefolgt von Strahlen) zu einer größeren Reduzierung der Oberflächenrauigkeit führt als Strahlen allein und de facto so effektiv ist, dass dieser Schritt alleine angewendet werden könnte, wenn zum Beispiel eine Oxidentfernung nicht erforderlich ist. Dies scheint der Lehre im Stand der Technik direkt entgegenzustehen, da ein Vorteil der Anwendung von Wärmeimpulsen in bekannten Prozessen wie dem thermischen Entgraten darin liegt, dass die Oberflächen des Bauteils nicht beeinträchtigt werden. Bei Anwendung des Verfahrens einer Ausführungsform auf Prüfkörper durch den Anmelder wurde nach dem anschließenden Prozess des Strahlens 70 eine um mindestens 30% und typischerweise 50% bis 60% reduzierte Oberflächenrauigkeit (Ra-Messung), nachgewiesen, gemessen mittels eines Oberflächenprofilometers.
Um die Wirkung der Erfindung zu veranschaulichen, zeigt 4 eine Nahaufnahme einer Oberfläche eines Metallpulverbett-Bauteils vor jeglichen Oberflächenbehandlungen. Es ist ersichtlich, dass zusätzliches unerwünschtes Material in Form von aufgesintertem Metallpulver eine unerwünschte Oberflächenrauigkeit bewirkt. Der Ursprung des aus dem Metallpulver gebildeten Materials ist eindeutig – die Wärmeeinflusszone um den durch die punktförmige Wärmequelle erzeugten Schmelzepool bewirkt, dass Pulver auf die Oberfläche aufgesintert (aber nicht vollständig geschmolzen) wird. Da das Pulverbett zu etwa 50% dicht ist und das Pulver im Allgemeinen kugelförmig ist, ist die entstandene Oberfläche bei lokaler Betrachtung relativ gesprochen sehr rau und unterscheidet sich stark von einer Oberfläche, die durch einen anderen Prozess wie zum Beispiel Schneiden, Mahlen, Formen oder ein Elektroerosionsbearbeitungsverfahren gebildet wird.
Es muss angemerkt werden und ist dem Fachmann bewusst, dass auf den hier beschriebenen additiv gefertigten Oberflächen keine Grate vorliegen und daher kein Entgratungsprozess erforderlich ist. Grate sind die Folge von Zerspanprozessen, und der hierin beschriebene Prozess führt bei Anwendung vor einem beliebigen Zerspanprozess zu einer Reduzierung der Oberflächenrauigkeit.
Ohne an eine bestimmte Theorie gebunden zu sein, glauben die Anmelder, dass die Reduzierung der Oberflächenrauigkeit das Ergebnis dessen ist, dass die restlichen Erhebungen auf der Grenzfläche zwischen einer Stütze (und der Verschmälerung des Halses zwischen einem aufgesinterten Metallpulverpartikel und zum Beispiel rauen Erhebungen auf nach unten zeigenden Flächen) durch den Wärmeimpuls verdampft, oxidiert oder geschmolzen werden, was eine Prozess-Selektivität erzeugt und damit eine Glättung ermöglicht. Das aus der früheren Wärmebehandlung und dem Wärmeprozess resultierende Oberflächenoxid wird anschließend vorzugsweise durch Strahlen entfernt.
Zwar wurde die Erfindung zuvor mit Bezug auf eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben, es ist aber anzumerken, dass verschiedene Änderungen oder Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung, wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert ist, abzuweichen. Die aus den Wärmeimpulsen resultierende Reduzierung der Oberflächenrauigkeit kann zum Beispiel ausreichend sein und eine mechanische Glättung und Entfernung von Oberflächenoxid ist nicht erforderlich, was Zeit und Kosten spart.

Claims

Verfahren zur Reduzierung der Oberflächenrauigkeit eines additiv gefertigten Metallbauteils, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: das Bauteil wird in einer Kammer platziert, die Kammer wird mit einem brennbaren Gasgemisch gefüllt, man lässt das Gasgemisch das Bauteil umschließen und das Gasgemisch wird entzündet, so dass mindestens ein Wärmeimpuls auf die Oberfläche des additiv gefertigten Metallbauteils einwirkt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Einwirkens mindestens eines Wärmeimpulses auf die Oberfläche des additiv gefertigten Metallbauteils das Einwirken einer Vielzahl von Wärmeimpulsen auf die Oberfläche umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei Oberflächenoxide durch Strahlen nach dem Wärmeimpuls entfernt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Verbesserung der Oberflächenrauigkeit eines additiv gefertigten Metallbauteils das Glätten der Oberflächenrauigkeit umfasst, die durch Reste der während des additiven Fertigungsprozesses entstandenen Stützstrukturen entstanden ist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Wärmeimpuls bei einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Metallmaterials erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Wärmeimpuls eine explosive oder pseudo-explosive Entzündung ist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die während der additiven Fertigung gebildeten Stützstrukturen vor der Anwendung des Verfahrens zur Verbesserung der Oberflächenrauigkeit von dem Metallbauteil entfernt werden.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Metallbauteil vor der Anwendung des Verfahrens zur Verbesserung der Oberflächenrauigkeit wärmebehandelt wird.
Verfahren zur additiven Fertigung von Metallbauteilen, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Bildung eines Bauteils in einem schichtweisen Prozess; Entfernung der während des schichtweisen Prozesses gebildeten Stützstrukturen; und Reduzierung der Oberflächenrauigkeit des additiv gefertigten Metallbauteils gemäß dem Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der additive Fertigungsprozess eine selektive Pulverbett-Laserfertigung umfasst.
Verfahren zur additiven Fertigung von Metallbauteilen im Wesentlichen wie hierin beschrieben.