DE102018008989A1

DE102018008989A1 - Verfahren zum Herstellen eines Bauteils oder einer Oberflächenbeschichtung

Info

Publication number: DE102018008989A1
Application number: DE102018008989.5A
Authority: DE
Inventors: Michael Lahres; Detlef Nowotni
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2018-11-15
Filing date: 2018-11-15
Publication date: 2020-05-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteil (20) oder einer Oberflächenbeschichtung (2) auf einem Substrat (1) mittels pulverbasiertem 3D-Druck aus mehreren einzelnen Schichten (8), wozu für jede der Schichten (8) ein Pulver (3, 3') aufgebracht und durch Energieeintrag mit der darunterliegenden Schicht (8) oder dem Substrat (1) verbunden wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das Metallkörner aufweisende Pulver (3, 3') in Form jeweils einer Pulverschicht aufgetragen wird, welche eine Schichtstärke aufweist, die der mittleren Korngröße des Pulvers (3, 3') oder einem kleinen einstelligen Vielfachen hiervon entspricht, wonach die Pulverschicht so mit der darunterliegenden Schicht (8) oder dem Substrat (1) verbunden wird, dass einzelne Körner des aufgetragenen Pulvers (3, 3') lose bleiben und entfernt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils oder einer Oberflächenbeschichtung auf einem Substrat mittels pulverbasiertem 3D-Druck aus mehreren einzelnen Schichten nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
Die Herstellung von Bauteilen mittels pulverbasiertem 3D-Druck ist so weit aus dem Stand der Technik bekannt. Beispielsweise kann in diesem Zusammenhang auf die EP 2 981 379 A1 hingewiesen werden, bei welcher ein Kurbelgehäuse für eine Brennkraftmaschine als Monoblock durch den Prozess des sogenannten Lasersinterns im 3D-Druck auf der Basis von metallischem Pulver hergestellt wird. Ein ähnliches Verfahren ist in der DE 10 2012 216 793 A1 oder auch in der WO 2018/45351 A1 beschrieben. In diesem Zusammenhang kann außerdem auf die CN 104 001 915 A sowie auf die CN 105 458 260 A hingewiesen werden. All diesen Schriften ist es im Wesentlichen gemeinsam, dass ein Pulver auf ein Substrat oder eine zuvor bereits hergestellte Schicht aus verfestigtem Pulver aufgetragen und durch Energieeintrag mit der darunterliegenden Schicht oder dem Substrat verbunden wird, wobei der Energieeintrag beispielsweise über Laser erfolgen kann, welcher das Pulver, typischerweise ein metallisches Pulver, schichtweise aufschmilzt und so Schicht für Schicht das gewünschte Bauteil oder eine Oberflächenbeschichtung auf einem Substrat aufbaut.
Grundlegend ist es dabei außerdem bekannt, dass solche über pulverbasierten 3D-Druck hergestellte Schichten eine gewisse Porosität aufweisen können, ähnlich wie bei Bauteilen, die durch ein herkömmliches Sintern hergestellt sind. Allerdings ist diese Porosität typischerweise nicht steuerbar, da sie von vielen verschiedenen Prozessparameter abhängt und nicht gezielt variiert werden kann.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils oder einer Oberflächenbeschichtung auf einem Substrat mittels eines solchen pulverbasierten 3D-Drucks so zu verbessern, dass eine gezielte Porosität im jeweiligen Bereich jeder einzelnen Schicht möglich wird, um so das Bauteil bzw. seine Oberfläche oder die Oberflächenbeschichtung insbesondere als tribologische Schicht zu verwenden, bei welcher in den gezielt eingebrachten Poren beispielsweise ein Schmiermittel wie Öl zurückgehalten werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt zur Herstellung des Bauteils oder der Oberflächenbeschichtung auf einem Substrat einen pulverbasierten 3D-Druck, durch welchen das Bauteil oder die Oberflächenbeschichtung aus mehreren einzelnen Schichten hergestellt wird, wie dies insbesondere auch im Stand der Technik der Fall ist. Erfindungsgemäß ist es dabei so, dass das Metallkörner aufweisende Pulver jeweils in einer Pulverschicht auf das Substrat oder auf die davor bereits bestehende Schicht aufgetragen wird, welche erfindungsgemäß eine Schichtstärke aufweist, die der mittleren Korngröße des Pulvers oder maximal einem kleinen einstelligen Vielfachen hiervon entspricht. Die aufgetragene Pulverschicht ist also entsprechend dünn. Die Pulverschicht wird danach so mit der darunterliegenden Schicht oder dem Substrat verbunden, dass einzelne Körner des aufgetragenen Pulvers lose bleiben und entfernt werden können. Gezielt werden also einzelne Körner der vorzugsweise in einer der mittleren Korngröße des Pulvers entsprechenden Schichtstärke aufgetragenen Pulverschicht nicht mit dem Substrat oder der darunterliegenden Schicht verschmolzen, um so im Bereich dieser Körner Poren bzw. Taschen zu erreichen, die nachfolgend durch ein Entfernen der nicht verschmolzenen Körner des Pulvers freigegeben werden und dann beispielsweise bei einer tribologischen Oberfläche zur Aufnahme von Schmierstoffen zur Verfügung stehen.
Ein ganz entscheidender Vorteil dieses Aufbaus des Bauteils oder der Oberflächenbeschichtung aus den einzelnen Schichten, wobei jede der Schichten die entsprechende Porosität aufweist, liegt auch darin, dass bei einem Verschleiß oder bei der Nacharbeit weitere in der Tiefe der additiv aufgetragenen Schichten liegende Poren der Oberflächenbeschichtung oder des Bauteils offengelegt werden, sodass bei auftretendem Verschleiß oder einer Nachbearbeitung neue Poren geöffnet werden und somit die vorteilhaften Eigenschaften der Oberflächenbeschichtung, insbesondere als tribologische Tragschicht, über einen langen Betriebszeitraum hinweg, unverändert erhalten werden können.
Eine sehr vorteilhafte Weiterbildung der Idee sieht es dabei vor, dass die lose bleibenden Körner durch einen pulsierten Energieeintrag erreicht werden. Die Erfindung kann prinzipiell mit einem homogenen Pulver beispielsweise mit Korngrößen in der Größenordnung zwischen 20 und 60 µm durchgeführt werden. Durch einen pulsierten Energieeintrag, welcher über die aufgetragene Schicht läuft und letztlich die gesamte Fläche der aufgetragenen Schicht überstreicht, lassen sich so einzelne Bereiche erreichen, in denen ein zum Aufschmelzen von Körnern des Pulvers ausreichend hoher Energieeintrag erfolgt und Bereiche, in denen die Energie dazu nicht ausreicht. Durch eine geeignete Ansteuerung der Prozessparameter, insbesondere der Pulsweiten und des Vorschubs, lässt sich so eine gezielte Porosität erreichen. Diese Porosität kann entlang des Wegs, welchen der Energieeintrag über der Pulverschicht nimmt, beispielsweise des Wegs, welche ein Laser beim Überstreichen der Pulverschicht verfährt, entsprechend eingestellt und variiert werden, sodass gezielte Oberflächenstrukturen im Mikrobereich erreichbar sind. Liegt die Korngröße beispielsweise bei ca. 30 µm und werden nur einzelne Körner über den Laser nicht mit der darunter liegenden Schicht oder dem Substrat sowie den danebenliegenden Körnern verschmolzen, dann entstehen dementsprechend Poren mit einem mittleren Durchmesser von ca. diesen 30 µm, wenn das nicht verschmolzene Pulver anschließend entfernt, beispielsweise ausgerüttelt und abgesaugt, wird.
Der Energieeintrag kann, wie erwähnt über einen Laser erfolgen, aber auch über einen Elektronenstrahl, einen Lichtbogen oder eine Plasma.
Alternativ oder ergänzend hierzu können die lose bleibenden Körner auch durch dem Pulver beigemischte Körner mit höherem Schmelzpunkt und/oder einer leicht lösbaren Anhaftung, insbesondere Salze, erreicht werden. Indem anstelle eines homogenen Pulvers ein Kombipulveragglomerat, wie beispielsweise eine Metall-Salz-Mischung oder auch ein Pulver mit der Zumischung von Metallen oder Halbmetallen mit sehr hohem Schmelzpunkt, verwendet wird, kann ein Aufbau erzielt werden, bei dem die lose bleibenden Körner, obwohl in ihrem Bereich ebenfalls ein Energieeintrag erfolgt ist, eben nicht ausreichend aufschmelzen, um sich mit den benachbarten und darunterliegenden Körnern oder dem Substrat zu verbinden. Körner z.B. aus Salzen können auch aufschmelzen und in Sinne der hier vorliegenden Erfindung trotzdem „lose“ bleiben, da Sie nicht mit den umgebenen Körnern verschweißen und daher z.B. über ein Lösungsmittel oder eine thermische Behandlung leicht entfernt werden können.
Dabei kann es gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee vorgesehen sein, dass die losen Körner zwischen dem Auftrag der einzelnen Schichten ausgerüttelt und/oder abgesaugt werden. Durch ein solches Entfernen, beispielsweise durch ein Absaugen, insbesondere auf einem Rütteltisch, zwischen dem Auftrag der einzelnen Schichten, wird erreicht, dass die losen Körner zuverlässig entfernt werden können, weil sie zu diesem Zeitpunkt nur in der obersten Schicht auftreten. Wird dann die nachfolgende Schicht aufgetragen, werden die Körner durch diese Schicht nicht eingeschlossen, sondern es liegen hier bereits die entsprechenden Poren vor, sodass nach und nach mehrere einzelne in der gewünschten Art und Weise offenporige bzw. poröse Schichten zu der Oberflächenbeschichtung aufgebaut werden.
Die lose bleibenden Körner können gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Idee am Ende ausgewaschen und/oder durch eine thermische Nachbehandlung entfernt werden Das Auswaschen kann insbesondere beim Einsatz der Salze zum Tragen kommen und hier insbesondere wenn die Struktur offenporig ist, was typischerweise mit einer Dichte von weniger als 92% einhergeht. In diesem Fall ist die Struktur ausreichend offenporig, um beim Auswaschen mit geeigneten Lösungen die Salze herauszulösen und die Poren durch das Herauswaschen der lose bleibenden Körner - als Platzhalter in den späteren Poren - entsprechend freizugeben. Über eine thermische Nachbehandlung können solche losen Körner in Sinner der Erfindung ebenfalls entfernt werden, z.B. durch Ausschmelzen oder insbesondere durch „Ausdampfen“. Dies kann ferner durch ein Lösungsmittel, wie z.B. Wasser, unterstützt werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Idee sieht es vor, dass der Schichtauftrag in einem Pulverbassin mittels einer Rakel erfolgt, wobei die Schichtdicke insbesondere einer mittleren Korngröße des Pulvers, welche insbesondere zwischen 20 µm und 60 µm liegt, entspricht. Durch den Rakelauftrag der einzelnen Schicht wird eine ausreichend dünne Schicht erreicht, welche im Idealfall aus einer einlagigen Schicht der Körner besteht und damit eine Schichtdicke aufweist, welche der mittlere Korngröße entspricht. Insbesondere in einer solchen Schicht ist es dann möglich, durch beispielsweise pulsierenden Energieeintrag, insbesondere durch einen Laser, und/oder die Verwendung des angesprochenen Kombipulveragglomerats lose Körner zu erreichen, welche gezielt über die Schicht verteilt sind, und welche dementsprechend entfernt, beispielsweise abgesaugt, ausgerüttelt oder ausgewaschen werden können.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Idee ist es außerdem vorgesehen, dass die Oberfläche der Oberflächenschicht oder des Bauteils nach dem Auftrag der letzten Schicht nachbearbeitet wird, insbesondere durch Schleifen, Honen und/oder Bürsten. Eine solche Nachbearbeitung gewährleistet eine hohe Oberflächenqualität der Schicht. Insbesondere dann, wenn die Schicht als tribologische Schicht eingesetzt werden soll, hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn durch die Nachbearbeitung die Oberfläche entsprechend geglättet und insbesondere die Kanten der einzelnen Poren entgratet werden. Die Kombination aus den vorhandenen Poren zur Aufnahme des Schmiermittels einerseits und der sehr glatten Oberfläche mit hoher Tragfähigkeit von größeren homogenen Abschnitten der Oberfläche garantiert so ideale tribologische Eigenschaften. Ein reibungsarmes Gleiten eines Bauteils auf einer solchen Schicht wird damit ermöglicht.
Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung kann das Nachbearbeiten als alleinigen oder optional auch als abschließenden Schritt eine sogenannte Präzisionskantenverrundung umfassen. Die erste Maschine, mit welcher diese Präzisionskantenverrundung durchgeführt werden konnte, trug die Bezeichnung Flakko, weshalb die Präzisionskantenverrundung unter Fachleuten häufig auch als Flakkotieren bezeichnet wird. Dabei kommen ebenfalls Bürstenwerkezeuge zum Einsatz, die eine Kantenverrundung in der Genauigkeit im µm-Bereich und bei Oberflächenpolituren, wie sie hier bei der Nachbearbeitung der abschließenden einzelnen Schicht vorliegen, im Nanobereich erzielen. Beim Flakkotiren werden dabei auch die kannten der einzelnen Poren, also quasi der Einlauf in die Poren mit verrundet. Dadurch wird eine sogenannte Deckelgratbildung, wie sie beim Schleifen oder Hohnen gerne auftritt, verhindert oder beseitigt. Eine solche „Politur“ mit entsprechender Verrundung der Kanten der einzelnen gezielt in die Schicht eingebrachten Poren ermöglicht so eine ideale tribologische Oberfläche mit hoher Tragfähigkeit einerseits und hoher Speicherfähigkeit für ein Schmiermittel andererseits.
Das Verfahren eignet sich wie bereits mehrfach angesprochen insbesondere zur Herstellung von tribologischen Schichten und hier gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Verwendung für tribologische Schichten in einer Brennkraftmaschine, zumindest an den Zylinderlaufflächen. Das Verfahren eignet sich insbesondere zur Beschichtung von planaren Flächen, z.B. Laufflächen, Anschlägen oder dergleichen. Es kann prinzipiell auch bei gebogenen Flächen zum Einsatz kommen, z.B. bei Lageraugen oder -bolzen etc. Bei den Zylinderlaufflächen kann der Aufbau aber gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung auch durch eine Zylinderlaufbuchse als Bauteil erreicht werden, welche erfindungsgemäß aufgebaut ist.
Es wird damit eine hohe Verschleißfestigkeit bei sehr guten tribologischen Eigenschaften erzielt, was insbesondere den Kraftstoffverbrauch einer solchen Brennkraftmaschine durch die Reduzierung der Reibung in der Brennkraftmaschine reduzieren kann. Dies ist ein ganz entscheidender Vorteil hinsichtlich der Kosten und der Umweltbelastung. Außerdem ist es so, dass die aufgetragenen metallischen Pulver beispielsweise aus geeigneten Legierungen auf der Basis von Eisen und/oder Hartstoffen ausgebildet sein können. Diese können auf ein „weicheres“ Substrat, beispielsweise aus Aluminium, aufgetragen oder als Laufbuchsen in einen Motorblock daraus eingebracht werden und vereinen so in an sich bekannter Art und Weise die Vorteile eines Kurbelgehäuses bzw. Motorblocks aus Aluminium mit der Verschließfestigkeit eines Zylinders oder einer Laufbuchse aus Eisenwerkstoffen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich auch aus den Ausführungsbeispielen, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben sind.
Dabei zeigen:

1 eine prinzipmäßige Darstellung von drei sich wiederholenden Verfahrensschritten bei der Herstellung einer Oberflächenbeschichtung gemäß der Erfindung;
2 eine Prinzipdarstellung einer nach dem Verfahren gemäß 1 hergestellten Oberflächenbeschichtung;
3 zwei Schritte eines alternativen Verfahrens zum Herstellen der Oberflächenbeschichtung aus einzelnen Schichten;
4 Fertigstellung der Oberflächenbeschichtung beim Herstellungsverfahren gemäß 3;
5 eine Prinzipdarstellung einer nach dem Verfahren gemäß 3 und 4 hergestellten Oberflächenbeschichtung;
6 die Möglichkeiten der Nachbearbeitung der Oberflächenbeschichtung; und
7 in einer schematischen Skizze die mögliche Anwendung der Oberflächenbeschichtung als tribologische Schicht.

Die 1a, 1b und 1c zeigen im Rahmen der 1 drei Bearbeitungsschritte, über welche das erfindungsgemäße Verfahren bei mehrfacher Wiederholung dieser Arbeitsschritte entsprechend durchgeführt werden kann. In der Darstellung der 1 ist ein mit 1 bezeichnetes Substrat zu erkennen, auf welches eine später noch dargestellte und mit dem Bezugszeichen 2 versehene Oberflächenbeschichtung aufgebracht werden soll. Dazu wird auf das Substrat 1 im ersten Verfahrensschritt, welcher in 1a dargestellt ist, ein mit 3 bezeichnetes Metallpulver aufgebracht. Über eine Rakel bzw. Messerrakel 4 wird das Metallpulver 3 in einer sehr dünnen Schichtstärke auf das Substrat 1 aufgetragen. Im nachfolgenden Schritt wird das auf dem Substrat 1 befindliche Metallpulver 3 über einen Energieeintrag, beispielsweise über einen Laser 5, welcher wie hier angedeutet mit einem pulsierten Laserstahl arbeitet und relativ zu dem Substrat 1 bewegt wird, partiell aufgeschmolzen. Es entsteht durch die Prozessparameter gezielt beeinflussbar eine auf das Substrat 1 aufgeschmolzene einzelne Schicht, bei welcher einzelne Körner, beispielsweise bei einer Korngröße von 30 µm, durch den pulsierten Energieeintrag über den Laser 5 nicht mit verschmolzen sind. Auf dieselbe Art lässt sich auch ein gesamtes Bauteil 20 aufbauen.
In dem in 1c dargestellten Bearbeitungsschritt werden, beispielsweise bei einer planaren Oberflächenbeschichtung 2, unterstützt durch einen Rütteltisch, dessen Funktion hier durch die gestrichelten mit 6 bezeichneten Pfeile entsprechend angedeutet ist und durch eine Absaugvorrichtung 7, diese losen Körner des Pulvers 3 abgesaugt. Es bleibt als aufgeschmolzene Schicht 8 eine Schicht zurück, welche eine entsprechende Porosität aufweist, nachdem die losen Körner - quasi als Platzhalter für die späteren Poren - abgesaugt sind. Dies ist in der Darstellung der 1c durch die gestrichelte Darstellung der aufgeschmolzenen Schicht 8 mit gezielter Porosität entsprechend angedeutet.
Die Verfahrensschritte, welche in den 1a, 1b und 1c beschrieben sind, werden dabei mehrfach hintereinander durchlaufen, bis sich die eigentliche Oberflächenbeschichtung 2 sich auf dem Substrat 1, wie in der 2 schematisch angedeutet ist, aufgebaut hat. Diese besteht aus mehreren einzelnen aufgeschmolzenen Schichten 8, welche in der Darstellung der 2 beispielhaft durch drei derartige Schichten 8 angedeutet sind. In der Praxis werden es sehr viel mehr solcher Schichten 8 sein, typischerweise einige hundert bei einer Oberflächenbeschichtung 2, tausende bei einem Bauteil 20. Durch die geeigneten Prozessparameter, insbesondere den Vorschub, also die relative Bewegung zwischen dem Substrat 1 und dem Laser 5, sowie den pulsierten Energieeintrag durch einen pulsierten Laser lassen sich die Bereiche mit den losen Körnern einstellen und variieren, sodass eine weitgehend frei einstellbare - sich bei Bedarf über die Fläche jeder einzelnen Schicht 8 und über die Höhe der Oberflächenbeschichtung 2 oder des Bauteils 20 verändernde bzw. gradierte - Porosität erzielt werden kann. Insbesondere können dabei nur einzelne Körner nicht mit den umgebenden Körnern und dem Substrat 1 bzw. der darunterliegenden Schicht 8 verschmolzen werden, sodass eine Porengröße in der Größenordnung der mittleren Korngröße in dem Metallpulver 3 erreicht wird, in dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel also beispielsweise in der Größenordnung von 30 µm.
Eine alternative Möglichkeit, welche auch ergänzend zu der in 1 beschriebenen Möglichkeit genutzt werden kann, ist in den 3a und 3b sowie der 4 entsprechend beschrieben. Das hierbei erzielte Ergebnis, welches in 5 dargestellt ist, entspricht dabei dem in 2 dargestellten Ergebnis. Das Verfahren gemäß 3 startet in 3a analog zur Darstellung in 1a mit dem Auftrag eines Pulvers, hier eines Kombipulveragglomerats 3' mit der Rakel 4. Die Besonderheit liegt nun in dem Kombipulveragglomerat 3', welches z.B. Salzkörner aufweist, welche sich, selbst wenn sie aufgeschmolzen werden, nicht dauerhaft mit der Umgebung verbinden bzw. mit dieser verschweißen. Sie bleiben also im Sinne der Erfindung lose. Auch hier wird eine Pulverschicht mit einer Schichtdicke in der Größenordnung des mittleren Korndurchmessers des Kombipulveragglomerats 3' über die Rakel 4 aufgetragen. Im anschließenden in 1b gezeigten Verfahrensschritt wird das aufgetragene Kombipulveragglomerat 3' dann über den Energieeintrag eines relativ zum Substrat verfahrbaren Lasers 5 aufgeschmolzen, vergleichbar wie beim Verfahrensschritt in der 1b, wobei hier auf einen gepulsten Betrieb des Lasers 5 verzichtet werden kann, da auch bei einem durchgängigen homogenen Energieeintrag in die Schicht des Kombipulveragglomerats 3' nur die metallischen Körner mit dem Substrat 1 oder der darunterliegenden Schicht 8 verschweißt und damit dauerhaft verbunden werden und die Salzkörner nicht. Die Verfahrensschritte in den 3a und 3b lasen sich dann direkt, ohne dass die losen Körner dazwischen ausgeschüttet und/oder durch die Absaugvorrichtung 7, wie in 1c angedeutet, abgesaugt werden, wiederholen.
Durch die gezielt eingebrachten Poren wird dabei eine im Wesentlichen offenporigen Struktur der einzelnen Schichten 8 auf dem Substrat 1 erzielt. Offenporig bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Poren untereinander in den einzelnen Schichten in Verbindung stehen, was typischerweise bei einer Dichte von bis zu 92% der Dichte des porenfreien metallischen Materials, aus welchem das Metallpulver besteht, erreicht wird. Ein solcher offenporiger Schichtaufbau der Schichten 8 auf dem Substrat 1 ist in der Darstellung der 4 entsprechend angedeutet. Die einzelnen Salzkörner liegen also überwiegend in Poren, welche miteinander in Verbindung stehen. Über eine angedeutete Wascheinrichtung 9 lässt sich dieses Salz dann durch ein geeignetes Lösungsmittel, beispielsweise Wasser, mit entsprechendem Druck und entsprechender Temperatur auswaschen, sodass zumindest der allergrößte Teil der losen Salzkörner aufgelöst und aus den einzelnen Schichten 8 entfernt wird. Durch die offenporige Struktur ist dies insbesondere erst nach Fertigstellen einer Vielzahl von Schichten 8 möglich, es könnte vergleichbar wie das Ausrütteln und Absaugen in der 1c jedoch auch als Zwischenschritt zwischen die Schritte der 3a und 3b entsprechend integriert werden.
Das Endergebnis dieses Herstellungsverfahrens ist in der 5 angedeutet und entspricht im Wesentlichen dem in 2 gezeigten. Es besteht aus einem Schichtaufbau von mehreren aufgeschmolzenen Schichten 8 mit gezielter Porosität auf dem Substrat 1.
Der Schichtaufbau aus den z.B. hinsichtlich ihrer Porosität identischen aber geometrisch versetzt zueinander angeordneten Schichten 8 liegt nun darin, dass in dem Verschleiß einer dieser Schichten 8 die nächste Schicht 8 mit vergleichbaren Eigenschaften hinsichtlich der Porosität an die Oberfläche tritt, sodass insbesondere bei der Verwendung der Oberflächenbeschichtung 2 als tribologische Tragschicht durch den Verschleiß keine Nachteile hinsichtlich der Rückhaltefähigkeit von Schmiermitteln in der Oberflächenbeschichtung 2 auftreten.
Um die Oberflächenbeschichtung 2 nun als tribologische Schicht verwenden zu können, ist es von besonderem Vorteil, wenn diese noch nachbearbeitet wird. In der Darstellung der 6a ist dabei rein beispielhaft mit 10 eine Schleifeinrichtung angedeutet, welche sich über die Oberflächenbeschichtung 2 bzw. relativ zu dieser bewegen soll, um die Oberfläche der Oberflächenbeschichtung 2 in an sich bekannter Weise schleifend nachzubearbeiten. Alternativ oder ergänzend zu diesem Schleifen kann auch ein Honen und/oder Bürsten zum Einsatz kommen. Dies ist soweit allgemein bekannt und üblich und verbessert die Tragfähigkeit der Oberflächenbeschichtung 2 bei ihrer Anwendung als tribologische Schicht durch die verbesserte Oberflächenqualität.
Eine noch weitere Verbesserung, welche ergänzend oder auch alternativ zu einem solchen Schleifen, Honen oder Bürsten eingesetzt werden kann, ergibt sich durch die sogenannte Präzisionskantenverrundung, welche unter Fachleuten auch als Flakkotieren bezeichnet wird. In der Darstellung der 6b ist eine Flakkotiereinrichtung 11 prinzipmäßig dargestellt, welche sich wieder relativ zu der Oberflächenbeschichtung 2 bzw. dem Substrat 1 bewegen soll. Durch dieses Flakkotieren wird eine Verrundung der Kanten der einzelnen Poren erreicht, sodass nicht nur eine hohe Rückhaltefähigkeit für Schmiermittel in der Oberflächenbeschichtung 2 zu erzielen ist, sondern auch eine entsprechend hohe Tragfähigkeit, da die Kanten entsprechend verrundet und die Oberfläche in sich poliert ist, soweit sie zwischen den einzelnen Poren liegt. Über das Flakkotieren lässt sich dabei ein Bearbeitung im Nano-Bereich erzielen, sodass durch die Kombination der gezielt eingebrachten Porosität in der Oberflächenbeschichtung 2 und der nachfolgenden Präzisionskantenverrundung entlang der Oberfläche der Oberflächenbeschichtung 2 eine sehr gute tribologische Beschichtung erzielt werden kann.
Die Einsatzzwecke für die tribologische Oberflächenbeschichtung 2 können dabei vielfältig sein. Eine besonders bevorzugte Verwendung liegt im Bereich von Brennkraftmaschinen. In 7 ist rein beispielhaft ein Ausschnitt aus einem mit 12 bezeichneten Kurbelgehäuse bzw. Motorblock, beispielsweise aus einer Aluminiumlegierung, angedeutet. Ein in dem Kurbelgehäuse 12 befindlicher mit 13 bezeichneter Zylinder ist dabei ausschnittsweise zu erkennen. Der Zylinder 13 wird durch eine Zylinderlaufbuchse 20 gebildet, welche als Bauteil 20 aus einzelnen kreisringförmigen Schichten 8 mit gradierten Porosität sowohl in der Fläche der einzelnen Schicht 8, als auch in der Höhe des Bauteils 20 aufgebaut ist. Die Zylinderlaufbuchse 20 weist an ihrer inneren Zylinderfläche eine Oberfläche 14 auf, welche als Laufschicht in dem Zylinder 13 dient, und zwar in dem Bereich, auf welchem sich Kolbenringe eines hier nicht dargestellten Kolbens in dem Zylinder 13 der Brennkraftmaschine bewegen. Die Oberfläche 14 dabei die eines Bauteils 20, welches gemäß einem der oben beschriebenen Verfahren hergestellt und insbesondere durch eine Nachbearbeitung, welche zumindest das Flakkotieren umfasst, bearbeitet ist. Eine solche Oberfläche 14 als tribologische Tragschicht in dem Zylinder 13 ermöglicht eine deutliche Verringerung der Reibung des Kolbens bzw. der Kolbenringe in dem Zylinder 13, wodurch ein Verbrauchsvorteil der Brennkraftmaschine erzielt werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2981379 A1 [0002]
DE 102012216793 A1 [0002]
WO 2018/45351 A1 [0002]
CN 104001915 A [0002]
CN 105458260 A [0002]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Bauteils (20) oder einer Oberflächenbeschichtung (2) auf einem Substrat (1) mittels pulverbasiertem 3D-Druck aus mehreren einzelnen Schichten (8), wozu für jede der Schichten (8) ein Pulver (3, 3') aufgebracht und durch Energieeintrag mit der darunterliegenden Schicht (8) oder dem Substrat (1) verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallkörner aufweisende Pulver (3, 3') in Form jeweils einer Pulverschicht aufgetragen wird, welche eine Schichtstärke aufweist, die der mittleren Korngröße des Pulvers (3, 3') oder einem kleinen einstelligen Vielfachen hiervon entspricht, wonach die Pulverschicht so mit der darunterliegenden Schicht (8) oder dem Substrat (1) verbunden wird, dass einzelne Körner des aufgetragenen Pulvers (3, 3') lose bleiben und entfernt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die lose bleibenden Körner durch einen pulsierten Energieeintrag erreicht werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die lose bleibenden Pulverkörner durch dem Pulver (3, 3') beigemischte Körner mit höheren Schmelzpunkt und/oder einer leicht lösbaren Anhaftung, insbesondere Salze, erreicht werden.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die lose bleibenden Körner zwischen dem Auftrag der einzelnen Schichten (8) ausgerüttelt und/oder abgesaugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die lose bleibenden Körner, vorzugsweise am Ende der Herstellung der Oberflächenbeschichtung (2), ausgewaschen und/oder durch eine thermische Nachbehandlung entfernt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Auftrag der Pulverschicht in einem Pulverbassin mittels einer Rakel (4) erfolgt, insbesondere in einer der mittleren Korngröße des Pulvers (3, 3') entsprechenden Schichtdicke.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Oberflächenbeschichtung (2) nach dem Auftrag der letzten Schicht (8) nachbearbeitet wird, insbesondere durch Schleifen, Honen und/oder Bürsten.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Nachbearbeiten als alleinigen oder abschließenden Schritt eine Präzisionskantenverrundung umfasst.
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Herstellung einer tribologischer Oberflächenbeschichtung (2) oder eines Bauteil (20), von welchem zumindest eine seiner Oberflächen (14) als tribologische Tragschicht dient.
Verwendung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die tribologische Oberflächenbeschichtung (2) oder das Bauteil (20) in einer Brennkraftmaschine verwendet wird.