DE102016223987A1

DE102016223987A1 - Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit Kavitäten und/oder Hinterschneidungen

Info

Publication number: DE102016223987A1
Application number: DE102016223987.2A
Authority: DE
Inventors: Stefan Stein; Christian Scheitler; Michael Schmidt
Original assignee: BLZ BAYERISCHES LASERZENTRUM GEMEINNUETZIGE FORSCHUNGSGESELLSCHAFT MBH; Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU
Current assignee: BLZ BAYERISCHES LASERZENTRUM GEMEINNUETZIGE FORSCHUNGSGESELLSCHAFT MBH; Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU
Priority date: 2016-12-01
Filing date: 2016-12-01
Publication date: 2018-06-07

Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (1) mit Kavitäten (16) und/oder Hinterschneidungen (2), umfasst die folgenden Schritte: Bereitstellen eines Substrats (3), schichtweises Auftragen einer Opferstruktur (5) aus einem löslichen Opfermaterial auf dem Substrat (3), schichtweises Auftragen einer Primärstruktur (4) aus einem Primärmaterial auf dem Substrat (3), und Entfernen der Opferstruktur (5) durch Ausspülen des Opfermaterials. Die Opferstruktur (5) und die Primärstruktur (4) werden durch Auftragsschweißen schichtweise aufgetragen. Hierbei wird vor dem Auftragen eines Abschnitts (12) einer jeden weiteren Schicht der Opferstruktur (5) oder der Primärstruktur (4) ein sich damit überdeckender Abschnitt (13) der direkt unter der weiteren Schicht zu liegen kommenden Schicht vollständig aufgetragen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit Kavitäten und/oder Hinterschneidungen.
Bei der Herstellung von Bauteilen werden zu erstellende Kavitäten und/oder Hinterschneidungen bekanntermaßen durch eine Opferstruktur definiert. Eine Primärstruktur des zu fertigenden Bauteils wird durch die Opferstruktur im Bereich der zu erstellenden Kavitäten und/oder Hinterschneidungen ausgefüllt und unterstützt. Die Freilegung der Kavitäten und/oder Hinterschneidungen erfolgt durch ein physikalisches oder chemisches Lösen der Opferstruktur aus der Primärstruktur.
Die bekannten Fertigungsverfahren haben den Nachteil, dass die Opferstruktur und die Primärstruktur in unterschiedlichen, nicht vereinbaren Prozessschritten hergestellt werden. Die unterschiedlichen Prozessschritte schränken die Effektivität der Fertigungsverfahren ein. Zudem ist der Einsatz zusätzlicher, kostenintensiver Anlagentechnik unumgänglich.
Beispielsweise ist aus der DE 10 2014 214 527 A1 bekannt, Salzkerne als Opferstruktur mittels eines generativen Fertigungsverfahrens zu erzeugen. Zur Herstellung eines Bauteils kann der Salzkern in einem zweiten Schritt mit einem Primärmaterial umgossen werden, wonach der Salzkern durch Lösung entfernt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes und effektives Fertigungsverfahren für Bauteile mit Kavitäten und/oder Hinterschneidungen bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen Schritten gelöst.
Zunächst wird ein Substrat bereitgestellt, auf welches eine Opferstruktur aus einem löslichen Opfermaterial und eine Primärstruktur aus einem Primärmaterial schichtweise aufgetragen werden. Im Anschluss wird die Opferstruktur durch Ausspülen des Opfermaterials entfernt.
Der Kern der Erfindung besteht nun darin, dass die Opferstruktur und die Primärstruktur mittels Auftragsschweißens schichtweise aufgetragen werden. Mit anderen Worten werden die Opferstruktur und die Primärstruktur durch ein analoges Verfahren hergestellt. Die Fertigung beider Strukturen kann ohne den Einsatz zusätzlicher Anlagentechnik, wie zum Beispiel einer kostenintensiven zusätzlichen Fräsmaschine, erfolgen. Der Rüstaufwand für das erfmdungsgemäße Verfahren ist hierdurch erheblich reduziert. Das Verfahren ermöglicht eine einfache Implementierung in industrielle Serienprozesse.
Im Gegensatz zu anderen gängigen generativen Fertigungsverfahren, wie beispielsweise dem Lasersintern, hat das Auftragsschweißen den Vorteil, dass das Opfermaterial oder das Primärmaterial vor einer Umformung nicht vollflächig aufgetragen wird. Dies ermöglicht ein zeitgleiches Auftragen verschiedener, räumlich benachbarter Strukturen. Eine zeitliche und/oder räumliche Trennung der Fertigung der Opferstruktur und der Primärstruktur wird somit vermieden.
Das Verfahren hat weiterhin den Vorteil, dass die zeitliche Abfolge des Auftragens der Opfer- und der Primärstruktur flexibel gestaltbar und nicht durch unterschiedliche Fertigungsverfahren für die jeweiligen Strukturen eingeschränkt ist. Beispielsweise kann die Auftragung der Opfer- und der Primärstruktur alternierend erfolgen, indem nach dem Auftragen jeder Schicht der Opfer- oder Primärstruktur die entsprechende Schicht der Primär- beziehungsweise Opferstruktur aufgetragen wird. Alternativ können die Opfer- und Primärstruktur auch zeitgleich aufgetragen werden. Prinzipiell ist auch möglich, die Auftragung sequentiell erfolgen zu lassen, indem zunächst die Opferstruktur fertiggestellt und danach die Primärstruktur aufgetragen wird.
Die Flexibilität der zeitlichen Abfolge des Auftragens der Opfer- und der Primärstruktur ist verfahrensbedingt nur dadurch eingeschränkt, dass vor dem Auftragen eines Abschnitts einer jeden weiteren Schicht der Opferstruktur oder der Primärstruktur ein sich damit überdeckender Abschnitt der direkt unter der weiteren Schicht zu liegen kommenden Schicht vollständig aufgetragen wird. Hierdurch ist eine Zugänglichkeit der jeweils aufzutragenden Schicht zu jedem Zeitpunkt des Fertigungsprozesses gewährleistet.
Das Opfermaterial ist löslich, vorzugsweise in Wasser löslich. Das Entfernen der Opferstruktur erfolgt daher durch Ausspülen, vorzugsweise durch Ausspülen mit Wasser. Hierdurch wird das Opfermaterial rückstandslos entfernt. Eine aufwendige Nachbearbeitung des Bauteils zur Entfernung von Rückständen des Opfermaterials ist nicht nötig. Insbesondere kann auf eine Reinigung mit Druckluft oder Ultraschall verzichtet werden. Vorteilhafterweise können hierdurch kleine Strukturgrößen gefertigt werden, da eine für die Nachbearbeitung oder Reinigung der Kavitäten und/oder Hinterschneidungen benötigte Mindeststrukturgröße nicht eingehalten werden muss. Durch das Verfahren können beispielsweise Bauteile mit Strukturgrößen von ≤ 1 mm hergestellt werden.
Das lösliche Opfermaterial liegt vorzugsweise als ein Salz vor. Insbesondere kann das Opfermaterial ein Chlorid, Sulfat, Carbonat, Phosphat oder Nitrat der Alkali-, Erdalkali- oder Nebengruppenelemente umfassen. Die oben genannten Salze sind kostengünstig und gesundheitlich unbedenklich. Dies gewährleistet eine hohe Prozess- und Arbeitssicherheit des erfindungsgemäßen Verfahrens. Zudem ermöglichen die oben genannten Salze einen ökologisch nachhaltigen Fertigungsprozess.
Die oben genannten Salze zeichnen sich weiterhin durch eine geringe Wärmeleitfähigkeit aus. Bei der Auftragung der Primärstruktur an einer Grenzfläche zu der Opferstruktur schmilzt das Opfermaterial daher nur oberflächlich auf, sodass die Tragfähigkeit der Opferstruktur nicht durch die Auftragung der Primärstruktur beeinträchtigt ist.
Das Opfermaterial kann auch Mischungen der oben genannten Salze umfassen. Das Opfermaterial kann vorzugsweise als ein binäres System zweier Salze vorliegen. Im Gegensatz zu einzelnen Salzen zeichnen sich derartige Salzmischungen durch erhöhte mechanische Festigkeiten aus
Als Primärmaterial kann ein beliebiges Material verwendet werden, welches eine geringere Löslichkeit als das Opfermaterial in dem für das Ausspülen des Opfermaterials verwendeten Medium aufweist. Das Primärmaterial ist insbesondere ein Metall, eine metallische Legierung, ein thermoplastisches Polymer oder ein Keramikwerkstoff. Vorzugsweise kann ein Stahl, beispielsweise Warmarbeitsstahl 1.2343, verwendet werden.
Beim Auftragsschweißen wird das aufzubringende Material, in diesem Fall das Opfermaterial oder das Primärmaterial, in Draht- oder Pulverform auf eine bestehende Oberfläche aufgebracht. Hieraufhin werden das aufgebrachte Material und ein Teil der Oberfläche aufgeschmolzen und hierdurch verbunden. Durch die Wiederholung des Vorgangs kann das aufzubringende Material Schicht für Schicht aufgetragen werden.
Das Auftragsschweißen kann mit einem oder mehreren Bearbeitungsköpfen durchgeführt werden. Der Bearbeitungskopf umfasst eine Materialförderstrecke zur Zuführung des Opfermaterials und/oder des Primärmaterials. Die Materialförderstrecke kann beispielsweise als Drahtförderer ausgeführt sein. Für den Fall, dass das Opfermaterial und/oder das Primärmaterial als Pulver vorliegen, können die Pulverpartikel mittels eines die Pulverpartikel enthaltenden Gasstroms zugeführt werden. Die Materialförderstrecke kann hierbei ein Pulverinjektor oder eine Off-Axis-Düse zur seitlichen Zufuhr des Gasstroms sein. Alternativ kann die Materialförderstrecke auch als Koaxial-, Mehrstrahl-, insbesondere Dreistrahl-, Ringspalt- oder Vibrationsdüse ausgebildet sein. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Bearbeitungskopf je eine Materialförderstrecke für das Opfermaterial und das Primärmaterial aufweist. Hierdurch kann das Auftragen der Opferstruktur und der Primärstruktur alternierend über den gleichen Bearbeitungskopf erfolgen. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass je ein Bearbeitungskopf für die Opferstruktur und für die Primärstruktur vorgesehen ist. Dies ermöglicht ein gleichzeitiges Auftragen der Opferstruktur und der Primärstruktur.
Des Weiteren umfasst der Bearbeitungskopf eine Wärmequelle zum Aufschmelzen des zugeführten Opfermaterials und/oder Primärmaterials und der Oberfläche, auf welche das Opfermaterial oder das Primärmaterial aufgebracht werden. Das Aufschmelzen kann über einen Laserstrahl, einen Elektronenstrahl oder einen Lichtbogen erfolgen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens werden die Opferstruktur und/oder die Primärstruktur mittels Laserauftragsschweißens aufgetragen. In diesem Fall dient eine Laserstrahlquelle als Wärmequelle für das Auftragsschweißen. Beim Laserauftragsschweißen definiert ein Strahldurchmesser des Laserstrahls die Größe des erzeugten Schmelzbades, in welchem das Opfermaterial und/oder das Primärmaterial aufgeschmolzen werden. Somit ist die minimal erreichbare Strukturgröße des zu erzeugende Bauteils und der darin befindlichen Kavitäten und/oder Hinterschneidungen nur durch den Strahldurchmesser des Laserstrahls beschränkt. Der Strahldurchmesser kann im Bereich von 50 µm bis zu mehreren Millimetern gewählt werden. Hierdurch können einerseits Strukturgrößen im Submillimeterbereich von ≤ 200 µm, vorzugsweise von ≤ 100 µm, vorzugsweise von ≤ 80 µm erreicht werden. Andererseits kann ein großer Strahldurchmesser ein schnelles Auftragen der Primärstruktur und/oder der Opferstruktur ermöglichen. In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Strahldurchmesser zu 1,4 mm oder größer gewählt.
Besonders bevorzugt werden sowohl die Opferstruktur als auch die Primärstruktur durch Laserauftragsschweißen gefertigt. Hierbei können die Opferstruktur und die Primärstruktur beispielsweise durch den gleichen Bearbeitungskopf, welcher zwei unterschiedliche Materialförderstrecken umfasst, aufgetragen werden. Dies verringert die Rüstkosten für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weiter.
Gemäß einem weiteren Aspekt des Verfahrens werden für das Laserauftragsschweißen zumindest der Opferstruktur Laserstrahlen mit Wellenlängen von 300 nm bis 10.600 nm verwendet. Bevorzugt werden Infrarotlaser verwendet, welche Laserstrahlen mit einer Wellenlänge von 900 nm bis 1.100 nm, besonders bevorzugt mit einer Wellenlänge von 1.000 nm bis 1.080 nm erzeugen. Geeignete Infrarotlaser sind beispielsweise Festkörperlaser, insbesondere Yb:YAG-Laser mit einer Wellenlänge von 1.030 nm und Nd:YAG-Laser mit einer Wellenlänge von 1.064 nm. Festkörperlaser haben den Vorteil eines hohen Wirkungsgrads und einer hohen Leistung. Für das Laserauftragsschweißen kann der Laser mit einer optischen Ausgangsleistung von 5 Watt bis 4.000 Watt, vorzugsweise von 50 Watt bis 300 Watt, vorzugsweise von 150 Watt betrieben werden. Besonders bevorzugt werden das Opfermaterial und das Primärmaterial mit dem gleichen Laser aufgeschmolzen.
Für das Laserauftragsschweißen kann ein gepulster Laser oder ein Dauerstrichlaser eingesetzt werden. Insbesondere mit gepulsten Lasern sind kleine Strahldurchmesser und damit kleine Strukturgrößen im Mikrometerbereich, beispielsweise von ≤ 60 µm realisierbar.
Bevorzugt wird der Bearbeitungskopf relativ zu dem Substrat mit einer Geschwindigkeit zwischen 0,5 mm/s und 500 mm/s, vorzugsweise zwischen 5 mm/s und 100 mm/s, vorzugsweise mit einer Geschwindigkeit von etwa 10 mm/s, bewegt. Bei diesen Geschwindigkeiten des Bearbeitungskopfes wird eine schnelle sowie präzise Auftragung der Opferstruktur und/oder der Primärstruktur gewährleistet. Die Relativbewegung des Bearbeitungskopfs und des Substrats kann mittels bekannter Handlungssysteme, wie beispielsweise Portalachssysteme oder Roboter, erfolgen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt das schichtweise Auftragen der Opferstruktur und der Primärstruktur zeitgleich. Die zeitgleiche Auftragung der Opferstruktur und der Primärstruktur kann insbesondere durch das Vorsehen je eines Bearbeitungskopfs für das Opfermaterial und das Primärmaterial erzielt werden. Hierdurch werden die Effektivität und Produktivität des Verfahrens weiter verbessert.
Bevorzugt erfolgt das Auftragen der Primärstruktur endkonturnah. Hierunter ist zu verstehen, dass die Primärstruktur nach Entfernen der Opferstruktur im Wesentlichen dem fertigen Bauteil entspricht. Auf ein aufwendiges Nachbearbeiten, beispielsweise durch Fräsen oder Drehen, kann verzichtet werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens weist das Opfermaterial eine hohe Liquidustemperatur von insbesondere mehr als 800 °C, vorzugsweise von mehr als 1000 °C auf. Besonders bevorzugt zeichnet sich das Opfermaterial auch durch eine hohe Solidustemperatur von mehr als 200 °C, insbesondere mehr als 800 °C, vorzugsweise etwa 900 °C aus. Eine hohe Liquidus- und/oder Solidustemperatur des Opfermaterials ermöglicht die Erzeugung der Primärstruktur aus einem hochschmelzenden Primärmaterial, ohne dass Diffusionszonen oder intermetallische Phasen zwischen der Opferstruktur und der Primärstruktur ausgebildet werden. Dies garantiert ein rückstandsfreies Entfernen der Opferstruktur durch das Ausspülen des Opfermaterials.
Bevorzugt umfasst das Opfermaterial Natriumchlorid, Natriumcarbonat, Natriumsulfat, Kaliumchlorid, Kaliumcarbonat, Kaliumsulfat, Magnesiumchlorid, Magnesiumsulfat, Ammoniumsulfat und/oder Kalziumsulfat. Diese Salze haben sich aufgrund ihrer guten Löslichkeit in Wasser sowie ihrer hohen Solidus- und Liquidustemperaturen als besonders geeignet erwiesen. Diese Salze sind nicht toxisch, leicht abbaubar und umweltfreundlich. Sie sind in ihrer Handhabung unbedenklich und ermöglichen einen nachhaltigen Produktionsprozess.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung liegt das Opfermaterial als ein binäres System, vorzugsweise aus Natriumchlorid und Natriumcarbonat, vor. Dies gewährleistet eine hohe Festigkeit der Opferstruktur.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens liegt das Opfermaterial und/oder das Primärmaterial als Granulat mit einer mittleren Korngröße von 1 nm bis 1.000 µm vor, bevorzugt von 100 nm bis 500 µm. Besonders bevorzugt werden das Opfermaterial und/oder das Primärmaterial als Pulver mit einer mittleren Korngröße von 20 µm bis 80 µm bereitgestellt. Ein Verfahren gemäß dieser Ausführungsform wird auch Pulverauftragsschweißen genannt. Für den Fall, dass Laser als Wärmequelle eingesetzt werden, handelt es sich um Laserpulverauftragsschweißen.
Das Opfermaterial und/oder das Primärmaterial kann über eine koaxiale oder laterale Pulverdüse am Bearbeitungskopf zugeführt werden. Eine kleine mittlere Korngröße des zugeführten Pulvers hat den Vorteil, dass der Massenzufluss des Opfermaterials und/oder des Primärmaterials präzise gesteuert werden kann. Darüber hinaus gewährleistet eine kleine mittlere Korngröße, dass das gesamte zugeführte Opfermaterial und/oder Primärmaterial gleichmäßig aufgeschmolzen wird. Hierdurch wird die Opferstruktur beziehungsweise die Primärstruktur homogen und porenfrei gebildet und weist eine geringe Oberflächenrauigkeit auf.
Bevorzugt wird das als Pulver vorliegende Opfermaterial und/oder Primärmaterial zur Auftragung mittels eines Trägergases zugeführt. Besonders bevorzugt wird Heliumgas als Trägergas eingesetzt.
Insbesondere bei der Auftragung eines metallischen Primärmaterials ist auch möglich, Formiergas mit einem geringen Wasserstoffanteil als Trägergas zu nutzen. Der Wasserstoffanteil des Formiergases hat aufgrund seiner hohen Reaktivität eine reduzierende Wirkung auf mögliche Oxidschichten des metallischen Primärmaterials. Vorteilhafterweise kann dem Verfahren über die Verbrennungswärme des Wasserstoffs zusätzliche Energie zugeführt werden.
Durch die Fließgeschwindigkeit des Trägergases kann der Massenzufluss des Opfermaterials und/oder des Primärmaterials gezielt gesteuert werden. Beispielsweise kann ein Durchfluss zwischen 0,5 l/min und 15 l/min, vorzugsweise von 5 l/min für das Trägergas vorgesehen sein. Hierdurch kann ein Massenzufluss insbesondere des Opfermaterials zwischen 0,1 g/min und 750 g/min erzielt werden. Besonders bevorzugt wird der Durchfluss des Trägergases derart geregelt, dass das Opfermaterial mit einem Massenzufluss von 2,7 g/min zugeführt wird. Hierdurch wird eine schnelle und gleichzeitig präzise Auftragung der Opferstruktur gewährleistet.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst das Opfermaterial zusätzlich Nanopartikel. Hierzu können sämtliche Nanopartikel, die von dem Opfermaterial absorbiert werden, wie beispielsweise Kohlenstoffnanopartikel, verwendet werden. Bevorzugt werden dem Opfermaterial sphärische Nanopartikel, beispielsweise in Form von pyrogener Kieselsäure, zugesetzt. Die Nanopartikel verringern die Kontaktflächen der Granulat- oder Pulverpartikel, sodass deren interpartikuläre Haftkräfte herabgesetzt werden. Dies wirkt sich positiv auf die Rieselfähigkeit und somit auf die Verarbeitbarkeit des zugeführten Opfermaterials aus.
Vorteilhafterweise umfasst das Opfermaterial auch Absorptionspigmente und/oder lichtstreuende Partikel. Als Absorptionspigment kommen insbesondere Graphitpartikel beziehungsweise Kohlenstoffnanopartikel, wie zum Beispiel Kohlenstoffnanoröhren, in Betracht. Die lichtstreuenden Partikel liegen bevorzugt in Form von Titan(IV)-Oxid vor. Das Beimengen der Absorptionspigmente erhöht den Energieeintrag der Wärmequelle auf das Opfermaterial. Die Zugabe von lichtstreuenden Partikeln ermöglicht eine verbesserte Energiedeposition der durch die Wärmequelle eingebrachten Energie in dem Opfermaterial. Die Absorptionspigmente und/oder lichtstreuenden Partikel führen insbesondere beim Laserauftragsschweißen zu einer weiteren Verbesserung des Wirkungsgrads des Verfahrens.
Das Verfahren kann prinzipiell unter Umgebungsluft durchgeführt werden. Bevorzugt jedoch erfolgt das Auftragen der Opferstruktur und/oder der Primärstruktur unter Schutzgasatmosphäre. Zur Erzeugung der Schutzatmosphäre wird ein Schutzgas, insbesondere ein Edelgas, in einen Bauraum, in welchem das Bauteil gefertigt wird, eingeleitet. Das Schutzgas verdrängt hierbei die Umgebungsluft, insbesondere den darin enthaltenen Sauerstoff aus dem Bauraum. Das Schutzgas kann dem Prozess über eine Düse am Bearbeitungskopf, über eine Begasung des Bauteils oder durch Fluten des gesamten Bauraums zugeführt werden.
Das Schutzgas kann insbesondere mit einem Durchfluss von 1 Liter pro Minute (l/min) bis 30 l/min, besonderes bevorzugt von 10 l/min in den Bauraum eingeleitet werden. Als besonders geeignetes Schutzgas hat sich Argon erwiesen. Hierdurch wird eine Reaktion, insbesondere eine Oxidation oder thermische Zersetzung des Primärmaterials durch den Sauerstoffanteil der Umgebungsluft verhindert.
Gemäß einem weiteren Aspekt des Verfahrens werden das Substrat und/oder der Bauraum zum Auftragen der Opferstruktur und/oder der Primärstruktur vorgeheizt. Das Vorheizen erfolgt bevorzugt bis knapp unter die Solidustemperatur des Opfermaterials. Hierdurch kann das Aufschmelzen des Opfermaterials beziehungsweise des Primärmaterial auch bei geringer Energiezufuhr durch die Wärmequelle gewährleistet werden. Dies erhöht die Effektivität und den Wirkungsgrad des Verfahrens.
Nach dem Ausspülen der Opferstruktur können weiterhin ein Trockenschritt im Ofen und/oder ein Spülen der erzeugten Hinterschneidungen und/oder Kavitäten mit Öl erfolgen. Hierdurch können Korrosionserscheinungen verhindert werden.
Weitere Vorteile und Details der Erfindung sind nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:

1 eine schematische Darstellung des Laserauftragsschweißens mittels eines Bearbeitungskopfes, wobei eine erste Schicht einer Opferstruktur und einer Primärstruktur auf ein Substrat aufgetragen werden,
2 ein Zwischenprodukt, in welchem die Opferstruktur und die Primärstruktur vollständig mittels des Laserauftragsschweißens gemäß 1 aufgetragen worden sind,
3 ein Bauteil mit Hinterschneidung, welches aus dem Zwischenprodukt gemäß 2 durch Entfernen der Opferstruktur fertiggestellt wurde, und
4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Bauteils, dessen Primärstruktur nach Entfernen der Opferstruktur Kavitäten aufweist.

Zunächst wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 die Herstellung eines ersten Bauteils 1 mit einer Hinterschneidung 2 beschrieben. Die angegebenen Parameter stellen bevorzugte Prozessvariablen dar.
Zunächst wird in einem nicht explizit dargestellten Bauraum ein Substrat 3 bereitgestellt. Das Bauteil 1 wird anschließend schichtweise auf dem Substrat 3 aufgebracht. Hierzu wird eine Primärstruktur 4 und eine Opferstruktur 5 schichtweise aufgetragen. Die Auftragung der Primärstruktur 4 erfolgt hierbei endkonturnah in Form des zu fertigenden Bauteils 1. In dem Bereich der zu formenden Hinterschneidung 2 wird die Opferstruktur 5 aufgetragen. Die Primärstruktur 4 sowie die Opferstruktur 5 werden hierbei durch Auftragsschweißen schichtweise aufgebracht. Die Auftragung der Primärstruktur 4 und der Opferstruktur 5 erfolgt also durch analoge Fertigungsverfahren.
Die Opferstruktur 5 wird aus einem Opfermaterial in Form eines binären Systems der Salze Natriumchlorid (20 mol%) und Natriumcarbonat (80 mol%) geformt. Das Opfermaterial ist in Wasser löslich, das Ausspülen der Opferstruktur 5 kann daher mit Wasser erfolgen. Zudem zeichnet sich das Opfermaterial durch eine hohe Liquidustemperatur von etwa 1.000 °C und eine hohe Solidustemperatur von etwa 900 °C aus. Zudem weist das binäre System eine geringe Wärmeleitfähigkeit von ca. 6,49 W/(m K) bei 289 K auf. Dies ermöglicht die Verarbeitung eines hochschmelzenden Primärmaterials, ohne dass Diffusionszonen oder intermetallisch Phasen zwischen der Opferstruktur und der Primärstruktur entstehen.
Die Primärstruktur 4 wird aus einem Primärmaterial geformt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der Warmarbeitsstahl 1.2343 als Primärmaterial verwendet. Dieser ist in dem zum Ausspülen der Opferstruktur verwendeten Wasser nicht löslich.
Das Primärmaterial und das Opfermaterial liegen als Pulver mit einer mittleren Korngröße von 20 µm bis 80 µm vor. In einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel kann das Opfermaterial und/oder das Primärmaterial auch als Granulat mit einer mittleren Korngröße von 1 nm bis 1.000 µm vorliegen. Alternativ hierzu ist auch möglich, das Opfermaterial und/oder das Primärmaterial in Drahtform bereitzustellen.
Um die Fließfähigkeit des Opfermaterials in Pulver- oder Granulatform zu erhöhen, sind dem Opfermaterial sphärische Nanopartikel in Form von pyrogener Kieselsäure zugesetzt.
In dem in 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Opferstruktur 5 und die Primärstruktur 4 mittels Laserauftragsschweißens schichtweise alternierend aufgetragen. Ein hierfür verwendbarer Bearbeitungskopf 6 ist schematisch in 1 dargestellt. Durch den Bearbeitungskopf 6 wird ein Laserstrahl 7 auf das Substrat 3 eingestrahlt. Der Laserstrahl 7 wird durch eine nicht dargestellte Laserstrahlquelle erzeugt. Die Laserstrahlquelle kann ein integraler Bestandteil des Bearbeitungskopfs 6 sein oder mit diesem über eine Laserlichtleitfaser verbunden sein. Alternativ kann der Laserstrahl auch über ein Spiegelsystem geführt und fokussiert werden. Zudem umfasst der Bearbeitungskopf 6 zwei als Pulverdüsen 8 ausgestaltete Materialförderstrecken.
Bei einer möglichen Laserstrahlquelle handelt es sich um einen Infrarotlaser, der Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von 1.030 nm erzeugt. Der Infrarotlaser ist vorzugsweise als Festkörperlaser ausgeführt und erzeugt eine Laserleistung von 150 Watt.
Über die Pulverdüsen 8 wird das in Pulverform vorliegende Opfermaterial oder Primärmaterial mittels eines Trägergases zugeführt. Als Trägergas wird insbesondere Heliumgas eingesetzt. Zur Zuführung des Opfermaterials wird ein Durchfluss des Trägergases von 5 l/min erzeugt, so dass das Opfermaterial mit einem Massenzufluss von ca. 2,7 g/min, zugeführt wird.
Der Laserstrahl 7 schmilzt die Oberfläche, auf welcher die nächste Schicht der Opferstruktur oder der Primärstruktur aufgetragen werden soll, lokal auf. Das in Pulverform zugeführte Opfermaterial oder Primärmaterial schmilzt im Bereich dieses Schmelzbades ebenfalls auf und verbindet sich mit der Oberfläche. Eine mittels Laserauftragsschweißens erzeugbare minimale Strukturgröße ist also durch einen Strahldurchmesser 9 des Laserstrahls 7 geben. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt der Strahldurchmesser 9 des Laserstrahls 7 1,2 mm.
Zur Auftragung einer Schicht der Opferstruktur 5 oder der Primärstruktur 4 wird der Bearbeitungskopf 6 über die Bereiche der jeweiligen zu erstellenden Struktur geführt. Hierzu ist der Bearbeitungskopf 6 relativ zu dem Substrat 3 verlagerbar. Die Relativbewegung erfolgt mit einer Geschwindigkeit von 10 mm/s. Die Relativbewegung zwischen Bearbeitungskopf 6 und Substrat 3 erfolgt hierbei über ein nicht dargestelltes Handlingsystem.
Als Handlingsystem können beispielsweise Portalachssysteme oder Roboter eingesetzt werden. Das Abfahren der Bereiche einer Schicht der Opferstruktur 5 oder der Primärstruktur 4 erfolgt automatisch. Hierzu kann beispielsweise ein zu erzeugendes Bauteil 1 und die darin befindliche Hinterschneidung 2 mittels eines CAD-Programmes entworfen und an einem nicht dargestellten Steuerrechner für die Verlagerung des Bearbeitungskopfes 6 weitergeleitet werden.
Der Bearbeitungskopf 6 wird mit einer Geschwindigkeit von 10 mm/s entlang einer Auftragsrichtung 17 geführt, sodass die Auftragung der Opferstruktur 5 und der Primärstruktur in Form linearer Schweißraupen 18 erfolgt. Eine Breite der Schweißraupen 18 entspricht nahezu dem Strahldurchmesser 9 des Laserstrahls 7. Zwischen der Auftragung zweier benachbarter Schweißraupen 18 einer Schicht wird der Bearbeitungskopf jeweils um 0,6 mm, also die Hälfte der Breite einer Schweißraupe 18, in lateraler Richtung versetzt. Ein Arbeitsabstand 19 zwischen den Pulverdüsen 8 und der zu bearbeitenden Oberfläche wird hierbei zu 12 mm geregelt. Zwischen der Auftragung zweier aufeinanderfolgender Schichten wird der Bearbeitungskopf 6 um 0,2 mm, was der Dicke einer Schicht entspricht, angehoben, um den Arbeitsabstand 19 konstant zu halten.
In der 1 ist der Bearbeitungskopf 6 bei dem Auftragen einer ersten Schicht der Opferstruktur 5 auf das Substrat 3 zu sehen. In der 2 ist die Opferstruktur 5 und die Primärstruktur 4 des Bauteils 1 schon vollständig auf das Substrat 3 aufgetragen.
In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel werden die Opferstruktur 5 und die Primärstruktur 4 mittels desselben Bearbeitungskopfes 6 aufgetragen, indem unterschiedliche Materialförderstrecken, insbesondere unterschiedliche Pulverförderer, für das Opfermaterial und das Primärmaterial verwendet werden. Wie in 1 zu sehen ist, werden die Opferstruktur 5 und die Primärstruktur 4 alternierend mit dem Bearbeitungskopf 6 aufgetragen. Hierbei wird zunächst eine erste Schicht aus Primärstruktur 4 und Opferstruktur 5 fertig gestellt, bevor eine weitere Schicht auf diese erste Schicht aufgetragen wird. Die alternierende Fertigung zeichnet sich durch ein schichtweises Auftragen der Opferstruktur 5 und der Primärstruktur 4 aus. Das schichtweise Auftragen bedingt hierbei, dass die gesamte letzte Schicht der Opferstruktur 5 fertig gestellt wird, bevor ein Deckenbereich 11 der Primärstruktur 4 aufgetragen wird.
Alternativ hierzu ist auch möglich, die Opferstruktur 5 und die Primärstruktur 4 sequentiell zu erstellen. Hierzu kann zunächst die als zentraler Quader vorliegende Opferstruktur 5 (vgl. 2) vollständig aufgetragen werden. Im Anschluss werden zunächst Randbereiche 10 der Primärstruktur 4 schichtweise aufgetragen, bis die Randbereiche 10 der Primärstruktur 4 die Höhe der Opferstruktur 5 erreichen. Im Anschluss hieran wird der Deckenbereich 11 der Primärstruktur 4 auf die Randbereiche 10 sowie die Opferstruktur 5 aufgetragen.
Prinzipiell kann die zeitliche Abfolge des Auftragens einzelner Bereiche der Opferstruktur 5 und der Primärstruktur 4 frei gewählt werden. Die Flexibilität der zeitlichen Abfolge des Auftragens der Opferstruktur 5 und der Primärstruktur 4 ist nur dadurch eingeschränkt, dass vor dem Auftragen eines Abschnitts einer jeden weiteren Schicht der Opferstruktur 5 oder der Primärstruktur 4 ein sich damit überdeckender Abschnitt der direkt unter der weiteren Schicht zu liegen kommenden Schicht vollständig aufgetragen sein muss. Zur Verdeutlichung dieses Sachverhalts ist in 1 der Umriss eines aufzubringenden streifenförmigen Abschnitts 12 der zweiten Schicht der Opferstruktur 5 gezeigt. Vor dem Auftragen des Abschnitts 12 muss ein sich damit überdeckender Abschnitt 13 der ersten Schicht der Opferstruktur 5 vollständig aufgetragen sein.
In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist je ein Bearbeitungskopf 6 für die Opferstruktur 5 und für die Primärstruktur 4 vorgesehen. Hierdurch wird ein zeitgleiches schichtweises Auftragen der Opferstruktur 5 und der Primärstruktur 4 ermöglicht.
Nach vollständigem Auftragen der Primärstruktur 4 und der Opferstruktur 5 wird die Opferstruktur 5 durch Ausspülen entfernt. Das Ausspülen erfolgt mit Wasser. Die Opferstruktur 5 wird durch das Ausspülen rückstandslos entfernt. Auf eine Nachreinigung mittels Druckluft oder Ultraschall kann verzichtet werden.
Nach dem Ausspülen der Opferstruktur 5 verbleibt die Primärstruktur 4 mit der Hinterschneidung 2, welche das Bauteil 1 formen. Die Primärstruktur 4 wurde mittels des Laserauftragsschweißens endkonturnah aufgetragen, so dass die Primärstruktur 4 die Form des fertigen Bauteils 1 hat. Ein aufwendiges Nacharbeiten, beispielsweise durch Fräsen oder Drehen, ist nicht nötig.
Um das Aufschmelzen des als Pulver vorliegenden Opfermaterials bei geringer Energiezufuhr zu gewährleisten, sind im Opfermaterial Absorberpigmente und/oder lichtstreuende Partikel zugesetzt. Als Absorberpigment kann vorzugsweise Graphit eingesetzt werden. Als lichtstrahlende Partikel eignen sich insbesondere Titan(IV)-Oxid-Partikel.
Um die Effektivität des Aufschmelzens des pulverförmigen Opfermaterials und/oder Primärmaterials weiter zu erhöhen, sind das Substrat 3 und/oder der Bauraum vorgeheizt. Das Vorheizen erfolgt insbesondere bis knapp unter die Solidustemperatur des Opfermaterials.
Um eine Reaktion des Primärmaterials mit Luftsauerstoff zu vermeiden, findet das Auftragen der Opferstruktur 5 und/oder der Primärstruktur 4 unter Schutzgasatmosphäre statt. Hierzu wird ein Edelgas, insbesondere Argon, mit einem Durchfluss von 10 l/min in den Bauraum eingeleitet. In einem alternativen, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt das Auftragen der Opferstruktur 5 und/oder der Primärstruktur 4 unter Umgebungsluft.
In einer nicht dargestellten Variante des Verfahrens erfolgt das Aufschmelzen des Opfermaterials und/oder des Primärmaterials auch mittels eines Elektronenstrahls oder Lichtbogens. Insbesondere kann auch vorgesehen sein, dass das Primärmaterial und das Opfermaterial durch verschiedene Auftragsschweißverfahren aufgetragen werden. Die jeweiligen minimalen Strukturgrößen korrelieren dabei mit den minimal erzielbaren Durchmessern, auf die die Energie der jeweiligen Energiequelle minimal gebündelt beziehungsweise fokussiert werden kann.
In 4 ist ein weiteres Beispiel für ein mit dem beschriebenen Verfahren hergestelltes Bauteil 14 gezeigt. Das Bauteil 14 weist eine quaderförmige Primärstruktur 15 auf, in welcher nach Entfernen einer Opferstruktur Kavitäten 16 verbleiben. Die Kavitäten 16 können beispielsweise als Kühlkanäle in dem Bauteil 14 genutzt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014214527 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (1; 14) mit Kavitäten (16) und/oder Hinterschneidungen (2), umfassend die folgenden Schritte: - Bereitstellen eines Substrats (3), - schichtweises Auftragen einer Opferstruktur (5) aus einem löslichen Opfermaterial auf dem Substrat (3), - schichtweises Auftragen einer Primärstruktur (4; 15) aus einem Primärmaterial auf dem Substrat (3), und - Entfernen der Opferstruktur (5) durch Ausspülen des Opfermaterials, - wobei die Opferstruktur (5) und die Primärstruktur (4; 15) mittels Auftragsschweißens schichtweise aufgetragen werden, und - wobei vor dem Auftragen eines Abschnitts (12) einer jeden weiteren Schicht der Opferstruktur (5) oder der Primärstruktur (4; 15) ein sich damit überdeckender Abschnitt (13) der direkt unter der weiteren Schicht zu liegen kommenden Schicht vollständig aufgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Opferstruktur (5) und/oder die Primärstruktur (4; 15) mittels Laserauftragsschweißens aufgetragen werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass für das Laserauftragsschweißen zumindest der Opferstruktur (5) Laserstrahlen mit Wellenlängen von 300 nm bis 10.600 nm, vorzugsweise von 900 nm bis 1.100 nm, insbesondere von 1.000 nm bis 1.080 nm, verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bearbeitungskopf (6) relativ zu dem Substrat (3) mit einer Geschwindigkeit zwischen 0,5 mm/s und 500 mm/s, vorzugsweise zwischen 5 mm/s und 100 mm/s, vorzugsweise mit einer Geschwindigkeit von etwa 10 mm/s, bewegt wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das schichtweise Auftragen der Opferstruktur (5) und der Primärstruktur (4; 15) zeitgleich erfolgt.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Auftragen der Primärstruktur (4; 15) endkonturnah erfolgt.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Opfermaterial eine hohe Liquidustemperatur von vorzugsweise mehr als 800 °C, insbesondere mehr als 1.000 °C, aufweist.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Opfermaterial Natriumchlorid, Natriumcarbonat, Natriumsulfat, Kaliumchlorid, Kaliumcarbonat, Kaliumsulfat, Magnesiumchlorid, Magnesiumsulfat, Ammoniumsulfat oder Kalziumsulfat alleine oder in Mischung umfasst.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Opfermaterial als ein binäres System, vorzugsweise aus Natriumchlorid und Natriumcarbonat, vorliegt.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Opfermaterial und/oder das Primärmaterial als Granulat mit einer mittleren Korngröße von 1 nm bis 1000 µm, vorzugsweise als Pulver mit einer mittleren Korngröße von 20 µm bis 80 µm, vorliegen.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Opfermaterial und/oder das Primärmaterial zur Auftragung mittels eines Trägergases, vorzugsweise mittels Heliumgas oder Formiergas, zugeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Opfermaterial mit einem Massenzufluss zwischen 0,1 g/min und 750 g/min, vorzugsweise von 2,7 g/min, zugeführt wird.
Verfahren nach einem Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Opfermaterial zusätzlich Nanopartikel, vorzugsweise sphärische Nanopartikel, besonders bevorzugt in Form von pyrogener Kieselsäure, umfasst.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Opfermaterial Absorberpigmente, vorzugsweise in Form von Graphit, und/oder lichtstreuende Partikel, vorzugsweise in Form von Titan(IV)-Oxid, zugesetzt sind.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Auftragen der Opferstruktur (5) und/oder der Primärstruktur (4; 15) unter Schutzgasatmosphäre, vorzugsweise unter Argonatmosphäre, erfolgt.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Auftragen der Opferstruktur (5) und/oder der Primärstruktur (4; 15) das Substrat (3) und/oder ein Bauraum vorgeheizt, vorzugsweise bis knapp unter eine Solidustemperatur des Opfermaterials vorgeheizt, werden.