DE102016206105A1

DE102016206105A1 - Vorprodukt für die Herstellung dreidimensionaler Werkstücke, die mittels heißisostatischem Pressen herstellbar sind, und ein Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102016206105A1
Application number: DE102016206105.4A
Authority: DE
Inventors: Bernd KIEBACK; Thomas WEISSGÄRBER; Burghardt KLÖDEN; Alexander Kirchner
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2016-04-12
Filing date: 2016-04-12
Publication date: 2017-10-12
Also published as: WO2017178194A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Vorprodukt für die Herstellung dreidimensionaler Werkstücke, die mittels heißisostatischem Pressen herstellbar sind, sowie ein Herstellungsverfahren dazu. Das Vorprodukt ist mit eine äußere Wandung bildenden Wänden gebildet, die während des heißisostatischen Pressens plastisch verformbar sind. Im Inneren des Vorprodukts ist mindestens ein allseitig von gasdichten Wänden umschlossener Raum ausgebildet. Der mindestens eine Raum ist mit pulverförmigem Werkstoff gefüllt, der einen porösen Kern bildet, dessen Dichte größer ist, als die Schüttdichte des pulverförmigen Werkstoffs unter zumindest annähernd Vakuumbedingungen. Der poröse Kern kann durch teilweises Schmelzen und damit verbinden von Pulverpartikeln erhalten werden.

Description

Die Erfindung betrifft Vorprodukte für die Herstellung dreidimensionaler Werkstücke, die mittels heißisostatischem Pressen herstellbar sind, und ein Herstellungsverfahren. Es können insbesondere metallische Werkstücke mit dem Vorprodukt pulvermetallurgisch hergestellt werden.
Über pulvermetallurgische Verfahren können Bauteile mit einer dreidimensional gestalteten Geometrie auf unterschiedliche Weise hergestellt werden. So können Pulver in Matrizen verpresst und anschließend gesintert werden, wobei jedoch die Formenvielfalt begrenzt ist und eine beim mechanischen Verpressen verbleibende Restporosität durch den Sintervorgang auch nicht vollständig beseitigt wird.
Um dichte Werkstoffe und Bauteile herzustellen, ist seit langem das heißisostatische Pressen (HIP) von Metallpulvern im Einsatz. Hierbei werden die Pulver in eine gasdichte Hülle (Kapsel) gefüllt und die Kapsel anschließend durch Evakuieren von Gasen befreit und gasdicht verschlossen. Das gekapselte Pulver wird anschließend bei hohen Temperaturen durch auf die Kapsel einwirkende hohe Gasdrücke verdichtet, wobei in der Praxis meist eine vollständige Verdichtung zum porenfreien Werkstoff erreicht wird. In der Gestaltung der Kapsel besteht die Möglichkeit, eine dreidimensionale Geometrie vorzugeben, z. B. durch geschweißte Blechkonstruktionen oder eine dreidimensional geformte Glaskapsel. Da für jedes Bauteil erneut eine Kapsel gefertigt werden muss, ist diese Technik sehr umständlich, wenig wirtschaftlich und in der Gestaltung der dreidimensionalen Geometrie sehr eingeschränkt. Außerdem entsteht durch die große Volumenänderung beim Verdichten des Metallpulvers die Gefahr von unerwünschten Änderungen der Bauteilgeometrie, da das Pulver und das Kapselmaterial sehr verschiedene Hochtemperaturverformungseigenschaften aufweisen.
Neue Methoden der Herstellung von dreidimensional gestalteten Bauteilen aus Metallpulver sind die Verfahren des Laser Beam Melting (IBM) und das Electron Beam Melting (EBM). Beiden Verfahren gemeinsam ist, dass eine Pulverschicht mit einer vorbestimmten Dicke auf eine Unterlage aufgestrichen wird und durch Laserstrahlen bzw. einen Elektronenstrahl anschließend eine Fläche, die einer Scheibe des herzustellenden Bauteils in einer Ebene entspricht, aufgeschmolzen wird. Das nicht bestrahlte Pulver in der Umgebung bleibt dabei unbeeinträchtigt bzw. wird nur sehr schwach verbunden und kann deshalb später leicht entfernt werden. Der Prozess wird mit dem erneuten Aufbringen der Pulverschicht, dem Aufschmelzen der entsprechend der Werkstückgeometrie ggf. veränderten Fläche fortgesetzt und so oft wiederholt, bis das gesamte dreidimensionale Bauteil schichtweise fertig aufgebaut ist. Das auf der Laserstrahlung beruhende Verfahren wird üblicherweise in einer geeigneten Schutzgasatmosphäre durchgeführt, während das Elektronenstrahl-Verfahren eine Vakuumatmosphäre erfordert. Da das Vakuum im Folgenden für die Bearbeitung beim heißisostatischen Pressen erforderlich ist, soll im Weiteren nur auf das Elektronenstrahl-Verfahren eingegangen werden.
Zum Verständnis der ablaufenden Vorgänge und zur besseren Einordnung der Erfindung sollen einige Verfahrensdetails des EBM kurz erläutert werden.
Insbesondere werden an das zu verwendende Pulver bestimmte Anforderungen gestellt:
Die Partikelform sollte möglichst sphärisch sein, um eine gute Fließfähigkeit und eine hohe Packungsdichte für das Pulverbett, einen möglichst geringen Volumenschwund beim Aufschmelzen und einen gleichmäßigen Werkstückaufbau zu erzielen. Aus dem gleichen Grunde sollte die Partikelgröße auch nicht zu klein gewählt werden, da die genannten Pulvereigenschaften dann verloren gehen. Beim Elektronenstrahlschmelzen werden deshalb üblicherweise Pulverpartikelgrößen zwischen 40 μm und 200 μm eingesetzt. Obwohl für die Legierungsherstellung prinzipiell bereits auch geeignet gemischte Pulver verwendet werden können, ist es doch vorteilhaft bereits entsprechend legierte Pulverpartikel einzusetzen. Diese fertig legierten Pulver gewährleisten eine sehr gute Homogenität in der Zusammensetzung im späteren Bauteil, was noch dadurch unterstützt wird, dass eine Entmischung durch Seigerung, wie sie bei Gießprozessen typisch ist, infolge des mikrolokalen Schmelzens und Erstarrens zuverlässig vermieden werden kann. Für die Erzeugung einer dichten Werkstückwand ist ein vollständiges Aufschmelzen des pulverförmig aufgebrachten Materials durch den Elektronenstrahl erforderlich. Die Verdichtung an dem entsprechenden Ort ist an sich unkompliziert und erfolgt freiwillig unter Wirkung der Kapillarkräfte der Metallschmelze. An dieser Stelle ergeben sich aber begrenzende Randbedingungen des Verfahrens, die darin bestehen, dass eine unvollständige Aufschmelzung zu einer unvollständigen Verdichtung führt und im Werkstoff/Bauteil eine die Eigenschaften verschlechternde Porosität verbleibt. Diese Erscheinung tritt auf, wenn die in das Pulverbett eingebrachte Strahlenergie zu geringe Werte aufweist, d. h. Strahlstrom oder/und Einwirkungsdauer zu gering gewählt wurden. Auf der anderen Seite ist auch eine zu hoch gewählte Strahlenergie schädlich, da die lokale Überhitzung der entstehenden Metallschmelze leicht zum Abdampfen einzelner Legierungselemente führen kann. Die gewünschte Werkstoffzusammensetzung ist dann nicht mehr gegeben. Damit ergibt sich für ein strahlbasiertes Verfahren ein Prozessfenster hinsichtlich der Vorschubgeschwindigkeit des Energiestrahls und des Strahlstromes bei gegebener Fokussierung, in dem die gewünschten Legierungszusammensetzungen und porenfreie Zustände zuverlässig eingestellt werden können.
Aus den Beschreibungen des Prozesses wird offensichtlich, dass durch das Elektronenstrahl-Verfahren eine bestimmte Baurate erreicht werden kann. Z. B. liegt diese für Titanlegierungen bei einer Anlage, die unter der Bezeichnung A2X kommerziell erhältlich ist, bei ca. 55 cm³/Stunde–80 cm³/Stunde Baurate. Dem Vorteil der sehr freien Gestaltungsmöglichkeit der Bauteilgeometrie beim additiv generativen Fertigen steht damit ein Nachteil gegenüber, der in der begrenzten Produktivität des Materialaufbaus besteht. Wie weiter unten ausgeführt, besteht ein Ziel der Erfindung eben darin, die Produktivität der Bauteilherstellung erheblich zu erhöhen.
Eventuell noch vorhandene Poren in dem auf genannte Art aufgebauten Material können durch einen nachfolgenden Schritt des heißisostatischen Pressens eliminiert werden, wenn die Porosität geschlossen, das heißt nicht mit der Oberfläche verbunden ist.
In EP 2551040 A1 wird beschrieben, wie mittels einer Strahlquelle nicht das gesamte Bauteilvolumen schichtweise durch Schmelzprozesse aufgebaut, sondern nur eine dichte Hülle einer bestimmten Dicke an den äußeren Oberflächen des Pulverkörpers ausgebildet wird. Diese dichte Hülle wird im Prozess so weit aufgebaut, dass schließlich das gesamte Volumen des Rohlings für das spätere Bauteil gasdicht umschlossen worden ist. Obwohl darin nicht ausdrücklich erwähnt, ist der Vorteil der Elektronenstrahltechnik offensichtlich, da sich in dem eingeschlossenen Volumen wegen der Vakuumatmosphäre keinerlei Gase befinden. Im Inneren der Hülle verbleibt das im Prozess schichtweise aufgebrachte Metallpulver unverdichtet. Die Erfindung sieht dann in einem zweiten Schritt die Verdichtung dieses lose gepackten Pulvers durch ein heißisostatisches Pressen (HIP) vor, wobei die dichte Hülle, wie weiter oben beschrieben, als Kapsel für die Druckübertragung fungiert. Auch wenn hier das Additive Manufacturing genutzt wird, ist es doch offensichtlich, dass die Geschwindigkeit der Bauteilherstellung für den Teilschritt des Additive Manufacturing beträchtlich gesteigert werden kann, da nur ein Bruchteil der Materialmenge aufzuschmelzen ist. Nur für diesen Teil gelten auch die Prozessbeschränkungen hinsichtlich Strahlleistung und Vorschubgeschwindigkeit, mit der der Brennfleck bewegt wird. Die endgültige Verdichtung beim heißisostatischen Pressen kann ebenfalls als hochproduktiv bewertet werden, da in üblichen großvolumigen HIP-Anlagen viele Bauteile gleichzeitig dieser Prozedur unterzogen werden können. Von großem Nachteil in der beschriebenen Bauteilherstellung ist jedoch, dass die Packungsdichte des von der so hergestellten Kapsel eingeschlossenen losen Pulvers relativ niedrig ist und deshalb in der späteren Verdichtung große Volumenänderungen auftreten. Dabei können, wie bereits oben für das HIP beschrieben, erhebliche Probleme mit der Maßhaltigkeit der herzustellenden Bauteile auftreten. Vollkommen analoge Probleme treten auf, wenn mit dem additiven Fertigungsverfahren lediglich das Ziel verfolgt wird, eine HIP-Kapsel herzustellen. Diese Kapsel muss später evakuiert und verschlossen werden und beinhaltet entweder das ursprünglich vorhandene Pulver oder ist nach Entfernung desselben mit einem anderen Pulver zu füllen. Ein wesentlicher Nachteil dieser Verfahrensweise besteht darin, dass die nachträglich oder im Prozess mit losem Pulver angefüllte Kapsel vor ihrem Verschließen erst von Gasen evakuiert werden muss. Dies ist deshalb schwierig und gelingt in der Regel nur unvollständig, weil die Gase durch das gesamte Labyrinth des Porenraumes ihren Weg an die Evakuierungsstelle finden müssen und zudem eine hohe Temperatur, die das Ausgasen fördert, schwer zu verwirklichen ist. In dem Verfahrensablauf der vorliegenden Erfindung wird dieses Problem von vorherein vermieden, da jede einzelne dünne Pulverschicht bei hoher Temperatur eine vollständige Entgasung durchläuft. Dies stellt im Vergleich zu der üblichen, beim heißisostatischen Pressen geübten Praxis einen erheblichen Vorteil für die Werkstoffeigenschaften dar.
Auch wenn das additive Herstellen eines dreidimensionalen Vorprodukts, das anschließend heißisostatisch gepresst wird, durchgeführt wird, können insbesondere an Kanten bestimmte minimale Radien oder Bereiche mit Hinterschneidungen nicht, zumindest nicht ausreichend maßhaltig ausgebildet werden, so dass eine in der Regel mechanische spanende Nachbearbeitung erforderlich wird, die aber im Werkstückinneren nicht immer möglich ist.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung Vorprodukte für die Herstellung dreidimensionaler Werkstücke, die mittels heißisostatischem Pressen endkonturnah herstellbar sind, zur Verfügung zu stellen, mit denen die Produktivität erhöht und die Konturgenauigkeit der fertig hergestellten Werkstücke verbessert werden können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Vorprodukt, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Es kann mit einem Verfahren nach Anspruch 6 hergestellt werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
Das erfindungsgemäße Vorprodukt ist mit eine äußere gasdichte Wandung bildenden Wänden gebildet, die während des heißisostatischen Pressens plastisch verformbar sind und im Inneren des Vorprodukts mindestens einen allseitig von gasdichten Wänden umschlossenen Raum bilden. Der mindestens eine Raum ist mit pulverförmigem Werkstoff, bevorzugt metallischem Werkstoff gefüllt, der einen porösen Kern bildet. Die Dichte des porösen Kerns ist größer als die Schüttdichte des pulverförmigen Werkstoffs unter zumindest annähernd Vakuumbedingungen.
Der mit dem pulverförmigen Werkstoff gebildete poröse Kern weist eine Dichte im Bereich 50% bis 95%, bevorzugt 60% bis 90% auf. Die erhöhte Dichte gegenüber einer losen Schüttung des pulverförmigen Werkstoffs ist mittels zumindest teilweise durch miteinander verschmolzenen Partikeln des pulverförmigen Werkstoffs erreicht.
Dabei können Partikel in unterschiedlichen Ebenen an verschiedenen Positionen innerhalb des porösen Kerns miteinander verschmolzen sein. So können beispielsweise Bearbeitungspuren, die mit dem Brennfleck eines auslenkbaren Energiestrahls zur Ausbildung des porösen Kerns ausgebildet werden, in benachbarten Schichten in einem Versatz nebeneinander oder in einem Winkel, bevorzugt senkrecht zueinander ausgebildet werden. Es besteht auch die Möglichkeit den Brennfleck über die jeweiligen einzelnen Schichten, mit denen der poröse Kern gebildet wird, entlang einer zufällig, beispielswiese mittels Fuzzy-Logik ausgewähltem Weg auszulenken. Darüber hinaus können auch aufeinanderfolgende Schichten des porösen Kerns unterschiedliche Porosität aufweisen. So können im Extremfall beispielsweise Schichten mit geringerer Schüttdichte mit völlig dichten Schichten alternierend angeordnet sein.
Es sollten minimal 20% und maximal 100% aller den porösen Kern bildenden Partikel miteinander zumindest teilweise verschmolzen sein. Es kann aber auch ausreichend sein, wenn maximal 80% der den Kern bildenden Partikel miteinander verschmolzen werden.
Der poröse Kern sollte eine Porosität im Bereich 10% bis 40% aufweisen, wohingegen die die Wandung bildenden Wände nichtporös sind.
Bei der Herstellung eines Vorprodukts für die Herstellung dreidimensionaler Werkstücke, die mittels heißisostatischem Pressen herstellbar sind, kann aufbauend auf die aus EP 2551040 A1 bekannte technische Lehre vorgegangen werden und dabei ein pulverförmiger Werkstoff schichtweise übereinander aufgebracht werden und die einzelnen Schichten mit einem Energiestrahl, insbesondere einem auslenkbaren Elektronen- oder Laserstrahl lokal definiert so bearbeitet werden, dass eine Wandung bildende Wände durch vollständig miteinander verschmolzene Pulverpartikel ausgebildet werden, die mindestens einen Raum vollständig umschließen, der mit pulverförmigem Werkstoff ausgefüllt. Anschließend wird von EP 2551040 A1 abweichend der Raum mit einem porösen Kern gebildet, der mit nicht vollständig miteinander verschmolzenen Pulverpartikeln gebildet wird, indem der Energiestrahl den pulverförmigen Werkstoff im Bereich des von den Wänden der Wandung umschlossenen Raums für die einzelnen Schichten mit einer höheren Vorschubgeschwindigkeit, mit der der Brennfleck des Energiestrahls bewegt wird, einer weiter erhöhten Vorschubgeschwindigkeit bei gleichzeitig erhöhter Leistung des Energiestrahls, und/oder erhöhten Vorschubgeschwindigkeit bei erhöhter Leistung mit einer größeren Brennfleckfläche des Energiestrahls und/oder lediglich ein Teil der Fläche der einzelnen Schichten bestrahlt wird, als dies bei der Ausbildung der Wände der Fall ist; und dadurch der poröse Kern eine Dichte im Bereich 50% bis 95% aufweist.
Bei der Ausbildung des porösen Kerns kann man die Leistung prinzipiell auch reduzieren. Dabei sollte die Vorschubgeschwindigkeit zumindest in etwa der Vorschubgeschwindigkeit entsprechen, die bei der Ausbildung der dichten Wände gewählt wird. Eine solche Vorgehensweise ist aber nicht so produktiv, wie dies mit erhöhter Vorschubgeschwindigkeit und erhöhter Leistung des Energiestrahls möglich ist, da sie mit einer geringeren Baurate verbunden ist.
Es können also die Parameter Vorschubgeschwindigkeit, Leistung, Brennfleckflächengröße, Pulslänge, Größe der Fläche in der Partikel verschmolzen sind, jeweils allein oder auch in Kombination von mindestens zwei dieser Parameter bei der Ausbildung des porösen Kerns angepasst werden.
Dementsprechend können folgende Parameter vorteilhaft so gewählt werden, dass

• die Vorschubgeschwindigkeit mit der der Brennfleck bei der Ausbildung des porösen Kerns bewegt wird, mindestens zweifach und maximal dreißigfach, bevorzugt maximal zehnfach größer als die Vorschubgeschwindigkeit bei der Ausbildung der Wände gehalten wird und/oder
• die Leistung des Energiestrahls mindestens um 20% gegenüber der Leistung, die bei der Ausbildung der Wände eingesetzt wird, erhöht wird und/oder
• die Brennfleckfläche um mindestens 20% gegenüber der Brennfleckfläche, die bei der Ausbildung der Wände eingesetzt wird, vergrößert wird und/oder
• mindestens 20% und maximal 100%, bevorzugt maximal 80% der Flächen der einzelnen Schichten bestrahlt werden und/oder der Hatch-Abstand zwischen nebeneinander angeordneten Schmelzbahnen um mindestens 20% gegenüber dem Hatch-Abstand, der bei der Ausbildung der Wände eingesetzt wird, erhöht wird und/oder
• die Leistung des Energiestrahls um mindestens 20% gegenüber der Leistung, die bei der Ausbildung der Wände eingesetzt wird, verringert wird.

Die Wände der Wandung sollten mit dem Energiestrahl so ausgebildet werden, dass sie beim heißisostatischen Pressen des Vorprodukts plastisch verformbar und gasdicht sind.
Mit der Erfindung können also dreidimensional gestaltete Werkstücke bzw. Bauteile aus Metallen und Metall-Legierungen wirtschaftlicher hergestellt werden. In geeigneter Weise können die Verfahrenstechniken der additiv generativen Fertigung und des heißisostatischen Pressens so miteinander kombiniert werden, dass die Nachteile der im Stand der Technik beschriebenen Vorgehensweise vollständig, zumindest aber in hohem Maße beseitigt werden. Insbesondere wird mit der Erfindung eine erhebliche Steigerung der Produktivität der Herstellung durch additiv generative Fertigung erreicht und der nachteilige Bauteilverzug in Folge der Volumenänderung kann beim anschließenden heißisostatischen Pressen verringert werden. Der vorgeschlagene Lösungsweg beruht darauf, dass als Ursache für den starken Bauteilverzug in der bereits beschriebenen Kombination IBM- oder EBM-HIP die geringe Packungsdichte des Metallpulvers innerhalb der mit den additiv ausgebildeten Wänden den mindestens einen Raum umschließenden Kapsel beseitigt wurde. Übliche Packungsdichten lose geschütteter Metallpulver liegen im Bereich von 20% bis 60% der theoretischen Materialdichte. Der für ein konkretes Pulversystem erreichbare Wert hängt insbesondere von der Partikelform, der Partikelgröße, der Partikelgrößenverteilung und der Art der Ausbildung des Pulverbettes ab. Je nach Verfahrenstechnik liegen die real anzutreffenden Dichten des pulverförmigen Werkstoffs in der Kapsel, als Vorprodukt zwischen den Werten der Schütt- und Klopfdichte. Über die realistischen Werte für den Prozess günstiger Metallpulver liegen in der Literatur umfangreiche Daten vor, die zeigen, dass eine Erhöhung dieser Packungsdichte ohne die Einwirkung äußerer Kräfte nicht möglich ist. Die Bauteilverdichtung durch HIP wird also im Falle des lose als Schüttung vorliegenden Pulvers eine Volumenänderung von 40% bis 80% bewirken müssen, um dichte Werkstücke/Bauteile herstellen zu können. Aus Gründen der Anlagentechnik, der Prozessführung, aber auch wegen der variablen Bauteilquerschnitte ist ein mechanisches Einwirken auf das Pulverbett, um eine Verdichtung zu erreichen, aber in herkömmlicher Weise nicht möglich.
Hier setzt die Lösungsidee der vorliegenden Erfindung an, in der die Verdichtung des losen Pulvers innerhalb der mit den Wänden den mindestens einen Raum umschließenden Kapsel dadurch erreicht wird, dass in einem Strahlregime gearbeitet wird, das üblicherweise nicht für die Herstellung von Werkstücken/Bauteilen mittels eines additiven Herstellungsverfahrens unter Nutzung eines Energiestrahls, beispielsweise durch EBM oder IBM genutzt wird. Das in der Erfindung vorgeschlagene Verfahren sieht also vor, zunächst wie in EP 2551040 A1 beschrieben, beispielsweise mit Prozessparametern eines Elektronenstrahls oder einem anderen Energiestrahl im oben beschriebenen Prozessfenster schichtweise eine gasdichte Hülle mit den aus miteinander verschmolzenen Pulverpartikeln auszubilden und im Weiteren schichtweise den als loses Pulver im Innenbereich, also mindestens einem Raum (Kavität) vorliegenden pulverförmigen Werkstoff mit Prozessparametern zu behandeln, die außerhalb des Prozessfensters liegen, indem insbesondere erheblich höhere Strahlströme und Vorschubgeschwindigkeiten des Brennflecks, ggf. in Kombination mit einem größeren Brennfleck genutzt werden. Die Wahl dieser Parameter in entsprechender Weise hat zur Folge, dass innerhalb der mit den Wänden gebildeten Wandung (Kapsel) keine vollständige Verdichtung eintritt, sondern der pulverförmige Werkstoff nur teilweise und/oder lediglich in einigen Bereichen der einzelnen mit dem Pulverauftrag gebildeten Ebenen lokal angeschmolzen wird und deshalb auch nur partiell verdichtet worden ist. Ein Teil, dies kann der größere Teil der Partikel, die das Pulverbett in dem/den Raum/Räumen bilden, kann nicht miteinander verschmolzen sein. Wie im Ausführungsbeispiel weiter unten beschrieben, können die Parameter so variiert werden, dass die Dichte der aktuellen Pulverschicht, die gerade aufgebracht und dann mit dem Energiestrahl bearbeitet wird, beträchtlich erhöht wird (verglichen mit der Schütt- bzw. Klopfdichte), dabei aber eine bis zum Faktor 10 höhere Vorschubgeschwindigkeit des Brennflecks auf der Oberfläche der aktuellen Schicht im Vergleich zur Vorschubgeschwindigkeit bei der Ausbildung einer Wand erreicht wird. Verglichen mit der Bauteilherstellung ausschließlich durch additiv generative Fertigung kann so die Produktivität deutlich gesteigert werden. Für das zuvor genannte Beispiel von Titanlegierungen auf einer Anlage Arcam A2X ergibt sich für eine erschmolzene Fläche von 400 cm² bei gleichbleibender Dauer der Rakel- und Vorheizschritte eine Verringerung der pro Schicht benötigten Zeit von 110 s auf nur 23 s und damit eine Steigerung der effektiven Baurate von 65 cm³/h auf 313 cm³/h, beziehungsweise eine Erhöhung um den Faktor 5. Die erzielbare Steigerung der Baurate ist abhängig vom Werkstoffsystem, der Bauteilgeometrie und der Querschnittsfläche. Bei sehr filigranen Werkstücken/Bauteilen, die möglicherweise mehrere innere Hohlräume enthalten, wird die Erhöhung der Baurate geringer ausfallen.
Die Erhöhung der Werkstoffdichte durch das partielle Aufschmelzen hat nun zur Folge, dass beim anschließend vorgesehenen heißisostatischen Pressen des Vorprodukts zwar auch noch Porosität zu eliminieren ist, dieses ist jedoch in einem erheblich geringerem Umfang als bei dem in EP 2551040A1 beschriebenen Prozess erforderlich. Somit werden die Probleme der geometrischen Präzision bei der Bauteilherstellung erheblich verringert und ein beträchtlicher Vorteil gegenüber der EP 2551040A1 erreicht.
Für den nachgeschalteten HIP-Prozess gilt, wie bereits oben erwähnt, dass die gleichzeitige HIP-Behandlung vieler derart hergestellter Bauteile als sehr produktiv und kostengünstig eingeschätzt werden kann. Durch die über die Strahl- und Scanparameter des eingesetzten Energiestrahls einstellbaren Verdichtungen des Pulversystems im Innenraum besteht darüber hinaus eine gewisse Variationsmöglichkeit, je nach Anwendungsfall des Verfahrens in Richtung höherer Genauigkeit oder höherer Produktivität. Dies ist bei den im Stand der Technik beschriebenen Verfahren in keiner Weise möglich.
Die Erfindung soll im Folgenden anhand eines Beispiels näher erläutert werden.
Ausführungsbeispiel
Es wurden aus dem Werkstoff Ti-6Al-4V quaderförmige Proben hergestellt. Diese bestehen aus einer ca. 500 μm dicken, vollständig verdichteten Hülle, die eine Wandung mit den Wänden bildet, und einem porösen Kern. Es wurde gasverdüstes Pulver mit Partikelgrößen im Bereich 45 μm–105 μm verarbeitet. Folgende Prozessparameter wurden im EBM-Prozess sowohl für die Ausbildung der die Hülle bildenden Außenwand, wie auch zur Verdichtung des den porösen Kern bildenden Pulvers im von der Wand umschlossenen Raum gewählt:
Schichtdicke: 50 μm, der einzelnen übereinander ausgebildeten und mit dem Elektronenstrahl bearbeiteten Einzelschichten
Hatchabstand: 100 μm (Abstand zwischen parallelen Scanlinien)
Strahlstrom: 15 mA
Es wurden dabei 100% der Fläche der jeweiligen einzelnen übereinander ausgebildeten Schichten mit dem Brennfleck des Elektronenstrahls beeinflusst.
Die Prozessparameter Vorschubgeschwindigkeit des bewegten Brennflecks vS und die im porösen Kern nach dem Verdichten des Pulvers innerhalb des Raums gemessene Dichte im Zustand nach der Verdichtung mit dem Elektronenstrahl sind für die drei Varianten A–C in Tabelle 1 zusammengefasst. Dabei wurde die Dichte an metallographischen Schliffen bestimmt.

Variante A B C

vS – Hülle [m/s] 3 3 3

vS – poröser Kern [m/s] 6.5 19.7 32

Dichte Kern [%] 89.8 66.8 56.4

Tabelle 1: Prozessparameter für Ausführungsbeispiel
Die Proben wurden nachfolgend mittels HIP verdichtet. Dabei kamen folgende Parameter zur Anwendung:
Temperatur: 950°C
Druck: 1000 bar
Heizrate: 15 K/min
Haltezeit: 1 h
Alle Varianten konnten erfolgreich im HIP-Prozess verarbeitet werden. Nach den HIP-Behandlungen wurde die Dichte erneut bestimmt. Die Messungen ergaben, dass alle Proben nach dem HIP vollständig verdichtet waren. Es konnte nachgewiesen werden, dass eine Erhöhung der Vorschubgeschwindigkeit, mit der der Brennfleck des Elektronenstrahls über die Oberfläche der einzelnen Schichten innerhalb des mit der Wand gebildeten Raums um den Faktor von ca. 10 zur Ausbildung eines porösen Kerns des erfindungsgemäßen Vorprodukts, im Vergleich zur Vorschubgeschwindigkeit, die bei der Ausbildung einer äußeren Wand eingesetzt wird, zur Erreichung des gewünschten vorteilhaften Effektes führt. Dadurch kann die Qualität der endformnahen pulvermetallurgischen Herstellung bei geringfügig erhöhter Bearbeitungszeit für die Herstellung des Vorprodukts verbessert werden.
Zusätzlich kann/können auch eine Erhöhung der Leistung in Kombination mit einer Defokussierung und/oder weiteren Erhöhung der Vorschubgeschwindigkeit zu noch höheren Bauraten, also zur Erhöhung der Produktivität im Hohlraum innerhalb der den porösen Kern vollständig umschließenden Wand führen. Dies kann auch durch Beeinflussung lediglich einer Teilfläche der jeweiligen einzelnen Schichten erreicht werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2551040 A1 [0009, 0018, 0018, 0024, 0025, 0025]

Claims

Vorprodukt für die Herstellung dreidimensionaler Werkstücke, die mittels heißisostatischem Pressen herstellbar sind, das mit eine äußere Wandung bildenden Wänden gebildet ist, die während des heißisostatischen Pressens plastisch verformbar sind und im Inneren des Vorprodukts mindestens einen allseitig von gasdichten Wänden umschlossenen Raum bilden, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Raum mit pulverförmigem Werkstoff gefüllt ist, der einen porösen Kern bildet, dessen Dichte größer als die Schüttdichte des pulverförmigen Werkstoffs unter zumindest annähernd Vakuumbedingungen ist.
Vorprodukt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mit dem pulverförmigen Werkstoffgebildete poröse Kern eine Dichte im Bereich 50% bis 95%, bevorzugt 60% bis 90% aufweist, und die erhöhte Dichte gegenüber einer losen Schüttung des pulverförmigen Werkstoffs mittels zumindest teilweise durch miteinander verschmolzenen Partikeln des pulverförmigen Werkstoffs erreicht ist.
Vorprodukt nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Partikel in unterschiedlichen Ebenen an verschiedenen Postionen innerhalb des porösen Kerns miteinander verschmolzen sind.
Vorprodukt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass minimal 20% und maximal 100% aller den porösen Kern bildenden Partikel miteinander verschmolzen sind.
Vorprodukt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der poröse Kern eine Porosität im Bereich 10% bis 40% aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Vorprodukts für die Herstellung dreidimensionaler Werkstücke, die mittels heißisostatischem Pressen herstellbar sind, bei dem ein pulverförmiger Werkstoff schichtweise übereinander aufgebracht wird und die einzelnen Schichten mit einem Energiestrahl, insbesondere einem auslenkbaren Elektronen- oder Laserstrahl lokal definiert so bearbeitet werden, dass eine gasdichte Wandung bildende Wände durch vollständig miteinander verschmolzene Pulverpartikel ausgebildet werden, die mindestens einen Raum vollständig umschließen, der mit pulverförmigem Werkstoff ausgefüllt ist. dadurch gekennzeichnet, dass der Raum mit einem porösen Kern gebildet wird, der mit nicht vollständig miteinander verschmolzenen Pulverpartikeln gebildet wird, indem der Energiestrahl den pulverförmigen Werkstoff im Bereich des von den Wänden der Wandung umschlossenen Raums für die einzelnen Schichten mit einer höheren Vorschubgeschwindigkeit, mit der der Brennfleck des Energiestrahls bewegt wird, einer höheren Leistung des Energiestrahls, mit einer größeren Brennfleckfläche, lediglich ein Teil der Fläche der einzelnen Schichten und/oder mit erhöhten Hatchabstand bestrahlt wird und/oder eine geringere Leistung des Energiestrahls eingesetzt wird, als dies bei der Ausbildung der Wände der Fall ist und dadurch der poröse Kern eine Dichte im Bereich 50% bis 95% aufweist.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorschubgeschwindigkeit mit der der Brennfleck bei der Ausbildung des porösen Kerns bewegt wird, mindestens zweifach und maximal dreißigfach, bevorzugt zehnfach größer als die Vorschubgeschwindigkeit bei der Ausbildung der Wände gehalten wird und/oder die Leistung des Energiestrahls mindestens um 20% gegenüber der Leistung, die bei der Ausbildung der Wände eingesetzt wird, erhöht wird und/oder die Brennfleckfläche um mindestens 20% gegenüber der Brennfleckfläche, die bei der Ausbildung der Wände eingesetzt wird, vergrößert wird und/oder mindestens 20% und maximal 100% der Flächen der einzelnen Schichten bestrahlt werden und/oder die Leistung des Energiestrahls um mindestens 20% gegenüber der Leistung, die bei der Ausbildung der Wände eingesetzt wird, verringert wird.
Verfahren nach den beiden vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Wände der Wandung mit dem Energiestrahl so ausgebildet werden, dass sie beim heißisostatischen Pressen des Vorprodukts plastisch verformbar und gasdicht sind.