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Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur generativen Herstellung von dreidimensionalen Verbundbauteilen, die mit mehr als einem Werkstoff hergestellt werden. Die generative Herstellung kann insbesondere mittels selektivem Strahlschmelzen pulverförmigen Materials, d.h. durch schichtweises ortsselektives Verfestigen mit lokal definiertem Energieeintrag in pulverförmiges, durch Energiestrahlen aufschmelzbare bzw. sinterbare Werkstoffe (auch bekannt unter den Begriffen „Selective Laser Melting (SLM)“, „Laser Melting“, „Laserschmelzen“, „Laserforming“, „LaserCusing“, „Direktes-Metall-Laser-Sintern (DMLS)“ oder „(Selective) Electron Beam Melting ((S)EBM)“, „Elektronenstrahlschmelzen“, „Elektronenstrahlsintern“) erfolgen.
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Generative Herstellungsverfahren, z.B. Laser- bzw. Elektronenstrahlschmelzen, werden im industriellen Einsatz insbesondere zur additiven/generativen Fertigung („Additive Manufacturing“, „Rapid Prototyping“, „Rapid Manufacturing“) von geometrisch hochkomplexen Bauteilen, Prototypen und Werkzeugen anhand vorliegender 3D-CAD-Daten aus metallischen Werkstoffpulvern angewandt.
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In Metall-Strahlschmelzanlagen entstehen dreidimensionale Körper nach dem Schichtaufbauprinzip, wobei durch einen Energieeintrag, z.B. per Laser- bzw. Elektronenstrahl, einzelne Pulverschichten (Layer) nacheinander ortsselektiv aufgeschmolzen werden und zu einem festen Körper erstarren.
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Dabei kann über eine Schiebevorrichtung das bevorzugt metallische nichtgebundene Werkstoffpulver, das z.B. über eine Pulvervorratskammer bereitgestellt wird, über eine Bauplattform einer Prozesskammer verteilt werden, indem die Schiebevorrichtung horizontal verfahren wird, um so eine typischerweise 20 µm bis 150 µm dicke Schicht des eingesetzten nichtgebundenen also fließfähigen Werkstoffpulvers programmierbar definiert aufzutragen.
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Im Anschluss scannen ein oder mehrere energiereiche Strahlen, z.B. Laser- (bspw. Dioden- oder Faserlaser) oder Elektronenstrahlen, die zu schmelzenden Bereiche der aufgetragenen Pulverschicht selektiv an lokal definiert vorgegebenen Positionen. Nach Abschluss der Belichtung/des Aufschmelzens der Schicht senkt sich die Bauplattform der Prozesskammer um die gewählte Schichtdicke der einzelnen Pulverschichten ab, damit eine weitere Schicht des losen Pulvers aufgetragen werden kann, sodass das Werkstück schichtweise hergestellt wird.
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Additive Fertigungsverfahren haben in den letzten drei Jahrzehnten enorme Fortschritte gemacht, was die Werkstoffvielfalt, Produktivität, Genauigkeit und Eigenschaften betrifft. Aus diesem Grund werden additive Verfahren zunehmend auch für die Serienfertigung komplexer Bauteile eingesetzt. Besonders die pulverbettbasierten Verfahren für metallische Werkstoffe zeigen die größten Potentiale, um geometrisch komplexe Werkstücke und Werkzeuge in serienidentischen Werkstoffen mit serienidentischen Eigenschaften konventioneller Fertigungsmethoden, wie z. B. Fräsen oder Gießen, herstellen zu können.
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Üblicherweise werden Verbundbauteile, die mit mindestens zwei unterschiedlichen Werkstoffen hergestellt werden sollen, so hergestellt, dass ein Bereich, der aus einem weiteren vom Basiswerkstoff mit dem das jeweilige Bauteil hergestellt werden soll, unterschiedlicher Werkstoff als festes Einzelteil in einen beim generativen Herstellungsverfahren ausgebildeten Hohlraum, eine Nut oder Vertiefung eingesetzt und dabei formschlüssig mit dem aus dem Basiswerkstoff gebildeten Bereich des Bauteils und/oder stoffschlüssig durch Schweißen, Löten oder Kleben verbunden wird. Dieses Vorgehen schließt aber die Herstellung komplexer dreidimensionaler Verbundbauteile und insbesondere solche mit filigranen Strukturen aus.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten für die generative Herstellung dreidimensionaler Verbundbauteile anzugeben, die mit mindestens zwei unterschiedlichen Werkstoffen hergestellt werden, mit denen eine vergrößerte Bauteilvielfalt bei gleichzeitig verbesserten Bauteileigenschaften, was insbesondere die mechanische Festigkeit, die elektrische und/oder thermische Leitfähigkeit eines dementsprechend hergestellten Verbundbauteils betrifft.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist mit dem Anspruch definiert. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
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Die Erfindung betrifft eine Erweiterung der bekannten Verfahren und Vorrichtungen, um die Möglichkeit der lokal und selektiv definierten Entfernung des nicht gebundenen fließfähigen Pulvers des Basiswerkstoffs, mit dem das Verbundbauteil hergestellt werden soll, und anschließender Einbringung anderer weiterer Werkstoffe mit nicht-pulverförmigem Charakter, z.B. als Suspension (z.B. Pasten, Tinten) oder Schmelze. Der mindestens eine weitere Werkstoff wird in die Bereiche eingebracht, aus denen vorab der pulverförmige Basiswerkstoff entfernt worden ist. Eine Suspension kann mit einer Flüssigkeit, beispielsweise Wasser oder ein Lösungsmittel auf organischer Basis und einem pulverförmigen metallischen oder keramischen Werkstoff sowie ggf. einem organischen Binder oder Emulgator gebildet sein. Ein ungebundener pulverförmiger Basiswerkstoff kann ein Metall oder eine Keramik, ohne jegliche Zusätze sein.
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Bei der Herstellung eines Verbundbauteils wird ein ungebundener pulverförmiger Basiswerkstoff schichtweise auf eine absenkbare Bauplattform aufgebracht und ein lokal definiertes Verschmelzen oder Versintern des ungebundenen pulverförmigen Basiswerkstoffs durch einen Energieeintrag, der mit einem auslenkbaren Energiestrahl erreicht wird, erfolgt, wie dies auch beim Stand der Technik üblicherweise so durchgeführt wird.
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Zusätzlich wird ungebundener pulverförmiger Basiswerkstoff lokal definiert und selektiv aus mindestens einem vorgegebenen Bereich entfernt. Dies kann ein Bereich des Pulverbetts sein, der lokal definiert durch Schmelzen oder Sintern von verfestigtem Basiswerkstoff zumindest teilweise umschlossen ist. Es besteht aber auch die Möglichkeit den ungebundenen pulverförmigen Basiswerkstoff aus mindestens einen Bereich einer Schicht zu entfernen.
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Der/die Bereich(e) wird/werden mit mindestens einem weiteren Werkstoff, der sich vom Basiswerkstoff unterscheidet, in Form einer Suspension oder Schmelze gefüllt und anschließend daran erfolgt eine Trocknung, ein Verschmelzen, ein Versintern und/oder ein Verfestigen des/der weiteren Werkstoffe(s).
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Ungebundener pulverförmiger Basiswerkstoff kann lokal definiert aus mindestens einem Bereich abgesaugt oder in einer Schicht, die mit dem ungebundenen pulverförmigen Basiswerkstoff gebildet ist, mit einem Formwerkzeug, das in die jeweilige Schicht eingedrückt wird, verdrängt werden. Pulverförmiger Basiswerkstoff kann auch aus einem Bereich einer Schicht lokal definiert abgesaugt werden. Ein so erhaltener Bereich wird mit einem weiteren Werkstoff gefüllt.
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Eine Suspension kann durch ein Druckverfahren, Extrudierverfahren, Aerosoljet oder Dispensieren und eine Schmelze kann durch Eingießen oder ein Abschmelzen in einen frei von ungebundenem pulverförmigen Basiswerkstoff gebrachten Bereich eingebracht werden.
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Eine Trocknung, ein Verschmelzen, ein Versintern und/oder ein Verfestigen des/der weiteren Werkstoffe(s) kann durch eine Erwärmung des mit dem ungebundenen pulverförmigen Basiswerkstoff gebildeten Pulverbetts, durch Bestrahlung mit dem Energiestrahl oder einem weiteren Energiestrahl oder eine Atmosphärendruckplasmaquelle erreicht werden.
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Vorteilhaft kann eine Bestimmung des Aufbaus und des Zustandes des/der applizierten weiteren Werkstoffe(s) mit einer Analyseeinheit, insbesondere einem Spektrometer, Hyperspektralanayse oder Kamera durchgeführt werden.
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Mit einer Manipulatoreinheit kann mindestens ein externes Bauteil in einen von ungebundenem pulverförmigen Basiswerkstoff befreiten Bereich, bevorzugt in Form eines Hohlraumes eingesetzt oder eine Suspension, in der pulverförmiger weiterer Werkstoff enthalten ist, eingebracht werden. Dabei kann die Manipulatoreinheit bevorzugt mit einer Positioniereinheit zur Applizierung des/der weiteren Werkstoffe(s) verbunden sein oder Manipulatoreinheit, eine Appliziereinheit und/oder Positioniereinheit können eine Einheit bilden.
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Bei einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sollte ein auslenkbarer Energiestrahl auf eine Schicht eines ungebundenen pulverförmigen Basiswerkstoffs, die auf einer Bauplattform mit Verfahreinheit in Form eines Pulverbetts ausgebildet ist, lokal definiert auftreffen, so dass ein lokal definiertes Verschmelzen oder Versintern des ungebundenen pulverförmigen Basiswerkstoffs in mehreren sukzessive übereinander ausgebildeten einzelnen Schichten erreicht wird. Zusätzlich sind eine Einrichtung zur lokal definierten und selektiven Entfernung von ungebundenem pulverförmigen Basiswerkstoff und eine Appliziereinheit für den weiteren Werkstoff vorhanden.
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Die Einrichtung zur lokal definierten und selektiven Entfernung von ungebundenem pulverförmigen Basiswerkstoff und eine Appliziereinheit für den weiteren Werkstoff können mit einer Positioniereinheit verbunden sein oder mit der Positioniereinheit eine Einheit bilden.
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Eine Appliziereinheit kann eine Einrichtung zur Erzeugung einer Schmelze und/oder ein Manipulator für einen draht- oder stabförmigen weiteren Werkstoff auf dessen in Richtung eines von ungebundenem pulverförmigen Basiswerkstoff befreiten Bereichs weisende Stirnseite der Energiestrahl oder ein weiterer Energiestrahl zum Abschmelzen und füllen des jeweiligen Bereichs mit einem weiteren Werkstoff richtbar ist, sein. So kann ein Draht oder Stab mit einer Stirnseite so in Bezug zu einem Bereich bewegt und ausgerichtet werden, dass durch die Energie und infolge Absorption ein Abschmelzen von der Stirnseite erfolgt und der geschmolzene weitere Werkstoff bevorzugt gravitationskraftbedingt in den von ungebundenem pulverförmigen Basiswerkstoff befreiten Bereich hinein tropfen kann.
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Der mindestens eine weitere Werkstoff sollte nach der Applizierung an den vorgegebenen Positionen an denen vorher der pulverförmige Basiswerkstoff lokal definiert entfernt worden ist, einer Trocknung bzw. Verfestigung unterzogen werden. Der Einsatz eines nicht-pulverförmigen weiteren Werkstoffes bietet den Vorteil, dass das nicht verfestigte Pulver des Basiswerkstoffs nach dem Bauprozess gesiebt und sortenrein wiederverwendet werden kann.
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Die Einbringung des mindestens einen weiteren Werkstoffs kann während des Herstellungsprozesses ohne Unterbrechung einer ggf. erforderlichen Schutzatmosphäre erfolgen. Bereiche, die mit einem weiteren Werkstoff ausgefüllt werden sollen, können innerhalb des selektiven Strahlschmelzprozesses als Hohlräume definiert werden. Die Einbringung der weiteren Werkstoffe kann manuell, z.B. für kleine Werkstücke, oder automatisiert, z.B. für größere und komplexe Bauteile, erfolgen. Eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den unterschiedlichen Werkstoffen kann zum eindeutigen Aufbau und der Herstellung einer mechanischen und evtl. elektrischen bzw. thermischen Verbindung genutzt werden. Für weitere Werkstoffe, die in Form einer Suspension, beispielsweise in Form eines pastösen oder tintenartigen Werkstoffs eingesetzt werden, ist eine Trocknung bzw. Verfestigung vorteilhaft. Diese Trocknung bzw. Verfestigung kann über eine in die Vorrichtung z.B. eine Strahlschmelzanlage integrierte Heizung, eine integrierte Strahlquelle oder von außen bzw. mittels eines eingebrachten Systems durch z.B. thermische Energie (je nach Absorptionsverhalten des/der weiteren Werkstoffe(s), z.B. ein zweiter Laserstrahl mit einer anderen Wellenlänge, einem NIR- oder UV-Strahler oder einer Atmosphärendruck-Plasmaquelle erreicht werden.
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Zur Sicherstellung des korrekten Aufbaus und des Zustandes des/der applizierten weiteren Werkstoffe(s) kann außerdem eine nicht näher spezifizierte Analyseeinheit zur Überwachung des Trocknungs- bzw. Verfestigungszustandes des jeweiligen weiteren Werkstoffes genutzt werden. Dies kann beispielsweise ein Spektrometer, Hyperspektralanayse oder Kamera sein.
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Als optionale Erweiterung kann außerdem eine Manipulatoreinheit eingesetzt werden, mit der externe Bauteile in geschaffene Hohlräume eingesetzt werden können. Diese kann an einer Positioniereinheit zur Applizierung des/der weiteren Werkstoffe(s) angebracht und ebenfalls damit exakt positioniert werden.
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Im Unterschied zum Einlegen von Fremdkörpern, z.B. Drähten, Leiterbahnen, Sensoren usw. in einen Formkörper, muss der Fertigungsprozess bei der vorgeschlagenen erfindungsgemäßen Vorgehensweise zum einen nicht unterbrochen werden, zum anderen ist eine monolithische form- und stoffschlüssige Integration dieser nun additiv aufgebauten eingebetteten Bauteile möglich. Eine solche Verbindung hat insbesondere Vorteile hinsichtlich der elektrischen und thermischen Leitung, da diese nicht unterbrochen wird. Außerdem kann eine erhöhte Festigkeit erreicht werden, da keine Hohlräume entstehen, sondern ein massives Verbundbauteil im Bereich der entsprechenden Komponenten erzeugt wird. Zur definierten Leitung oder Abschirmung elektrischer bzw. elektromagnetischer Energie kann zudem eine dementsprechend isolierende Schicht, die beispielsweise aus einem dielektrischen Metalloxid oder anderen nichtleitenden Werkstoffen als einem geeigneten weiteren Werkstoff gebildet wird, ausgebildet werden. Eine solche Schicht kann durch Applikation eines gebundenen weiteren Werkstoffs, insbesondere in Form einer Suspension, der in einen Bereich eingebracht wird, aus dem vorab pulverförmiger Basiswerkstoff entfernt worden ist, ausgebildet werden. Dabei kann auch eine stoffschlüssige Verbindung hergestellt werden. Selbstverständlich sind auch Kombinationen aus stoff- und formschlüssigen Verbindungen möglich.
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Mit der Erfindung ist eine Integration von lokal definierter elektrischer, elektromagnetischer und thermischer Leitfähigkeit in additiv hergestellten Verbundbauteilen möglich, die z.B. in der Medizintechnik(Implantate)-Materialkombinationen wie Titan / Keramik, Titan / Isolator (z. B. Metalloxid) / Sensorwerkstoff (z.B. Platin, NiTi, ...), in der Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrt, Schifffahrt, Sondermaschinenbau(Bauteil- und Alterungsprüfung)-Materialkombinationen wie Aluminium / Titan, Aluminium / Kupfer, Aluminium / Isolator (z.B. Metalloxid) / Sensorwerkstoff und Kombinationen mit Stählen (rostend und nichtrostend), im Werkzeug- und Formenbau / Maschinenbau-Materialkombinationen wie Werkzeugstahl / Kupfer, Werkzeugstahl / Isolator / Leiter (z.B. Metalloxid / Kupfer bzw. Silber), Werkzeugstahl / Isolator (z.B. Metalloxid) / Sensorwerkstoff einsetzbar sind, erreichbar.
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Es kann Integration von direkt hergestellten Sensoren bzw. Aktoren, zusätzlich zu den oben genannten für neue Messmethoden(Aktorik bzw. Sensorik)-Materialkombinationen, wie z.B. NiTi, Piezo-Keramiken, Thermoelementmaterialien, Platin in Verbund mit den für das Strahlschmelzen geeigneten Werkstoffen ermöglicht werden.
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Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
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Dabei zeigen:
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1 in schematischer Form ein Beispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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2 ein Schema über die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
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3 eine Schnittdarstellung durch ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Verbundbauteil.
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Die 1 zeigt ein Beispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dabei wird ein Pulverbett 2 schichtweise auf einer Bauplattform 1 mit Verfahreinheit ausgebildet. Der pulverförmige ungebundene Basiswerkstoff wird mit dem Pulverauftragsmechanismus 12, z.B. Rakel, Rolle oder Bürste schichtweise auf die Bauplattform aus einem Pulvervorratsbehälter 13 aufgebracht und jede einzelne Schicht mit dem Energiestrahl 9 mit Hilfe einer Strahlablenk- und/oder -einkoppeleinheit 8 lokal definiert auf die Oberfläche der jeweils obersten Schicht des Pulverbetts 2 gerichtet. Dadurch erfolgt durch den so erreichbaren Energieeintrag ein Verschmelzen oder Versintern in lokal definierten Bereichen. Dieser Vorgang wird von Schicht zu Schicht wiederholt, wobei die bestrahlten Bereiche der einzelnen Schichten unterschiedlich sein können, so dass Hohlräume oder auch Hinterschneidungen an mit dem Basiswerkstoff gebildeten Bereichen des Verbundbauteils 3 ausgebildet werden können.
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In 1 sind Bereiche 4 gezeigt, die mit einem weiteren Werkstoff nach lokal definierter Entfernung des ungebundenen pulverförmigen Basiswerkstoffs gefüllt worden sind.
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Mit der Positioniereinheit 5 kann eine Einrichtung 7 zur lokal definierten und selektiven Entfernung von ungebundenem pulverförmigen Basiswerkstoff, z.B. eine Absaugeinrichtung mit einem Saugrohr, das den pulverförmigen Basiswerkstoff aus einem gewünschten Bereich entfernen kann, und/oder eine Appliziereinheit 6 für den mindestens einen weiteren Werkstoff in einen Bereich, aus dem ungebundener pulverförmiger Basiswerkstoff entfernt worden ist, gezielt bewegt werden. Eine Appliziereinheit 6 kann zusätzlich auch eine Manipulatoreinheit aufweisen. Eine Manipultoreinheit kann zusätzlich so ausgebildet sein, dass externe Bauteilen (z. B. vorgefertigte Sensoren oder Aktoren) ebenfalls angebracht werden können.
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In 1 ist außerdem eine weitere Strahlungsquelle 10 mit der elektromagnetische Strahlung zur Trocknung und/oder Verfestigung des/der weiteren Werkstoffe(s) vorhanden. Die jeweilige elektromagnetische Strahlung kann dabei gezielt auf eine Oberfläche, die mit einem weiteren Werkstoff gebildet ist, gerichtet werden, wodurch in Folge Absorption der Strahlung eine Erwärmung bzw. Trocknung erreicht werden kann. Dabei kann im einfachsten Fall die Flüssigkeit einer Suspension verdampft werden. Vorteilhaft kann es auch sein, wenn durch eine ausreichende Erwärmung ggf. in der Suspension enthaltende organische Komponenten, wie z.B. ein Binder entfernt werden.
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Auch der Pulvervorratsbehälter 13 kann auf einer Plattform 14 mit Verschiebemechanismus angeordnet sein.
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Alle Komponenten der gezeigten Vorrichtung sind in einer geschlossenen Kammer 11 angeordnet, in der eine inerte Atmosphäre eingehalten werden kann.
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Der Ablauf des Verfahrens stellt einen modifizierten Ablauf des allgemeinen Strahlschmelzens dar. In 2 ist dieser dargestellt, wobei die Punkte „Bauplattform absenken“, „Pulver aufbringen“ und „Pulver selektiv mittels Energiestrahl 9 aufschmelzen und Verbundbauteilkörper schichtweise erstellen“ denen eines unveränderten Strahlschmelzprozesses gleich sind, dieser aber mittels der Erfindung um die weiteren Verfahrensschritte ergänzt wird.
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In 3 ist in einer Schnittdarstellung ein erfindungsgemäß hergestelltes Verbundbauteil gezeigt. Dabei wurde ein großer Teil des Volumens mit einem Stahlpulver 316L als ungebundener pulverförmiger Basiswerkstoff durch, wie bereits beschrieben selektives Laserstrahlschmelzen ausgebildet. Die einzelnen Schichten des Basiswerkstoffs hatten eine Schichtdicke von jeweils 30 µm. Es wurde eine Laserstrahlschmelzanlage Realizer SLM 100 mit einer Laserleistung von 100 W eingesetzt.
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Bereiche aus denen nicht verschmolzener pulverförmiger ungebundener Basiswerkstoff entfernt wurde, sind mit einer Suspension bestehend aus einer Flüssigkeit, einem organischen Binder und pulverförmigem Kupfer als weiterem Werkstoff mit einem Anteil von 90,2 Masse-% in pastöser Konsistenz (Viskosität 200 Kcps) mittels einer Appliziereinheit 6 durch Dispensieren gefüllt worden. Anschließend erfolgte eine Erwärmung, die zu einer Trocknung der Suspension führte. Für die Trocknung wurde eine integrierte Bauraumheizung genutzt und die Trocknung bei 130°C über einen Zeitraum von 10 Minuten durchgeführt. Während der gesamten Herstellung des Verbundbauteils wurde in der Kammer 11 eine Stickstoffatmosphäre eingehalten.
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Nach dieser Behandlung konnten weitere Schichten des Basiswerkstoffes ausgebildet und die Fertigstellung des Verbundbauteils durch selektives Laserstrahlschmelzen erreicht werden, wobei die mit Kupfer gebildeten Bereiche vom Stahl als Basiswerkstoff umschlossen wurden. Ein solches Verbundbauteil weist gegenüber einem monolithischen Stahlbauteil zumindest eine verbesserte thermische Leitfähigkeit auf.
