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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Fertigung eines Bauteils gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Die
DE 10 2015 203 873 A1 offenbart ein 3D-Druckverfahren, bei welchem ein Sinterbestandteil mit mindestens einem Oberflächenbeschichtungsbestandteil gemischt wird. Der Sinterbestandteil ist aus der Gruppe keramischer Materialien, keramischer Materialkombinationen, metallischer Materialien, metallischer Materialkombinationen und metallischer Legierungen ausgewählt. Der Oberflächenbeschichtungsbestandteil ist aus der Gruppe von Bornitrit, Graphen, Kohlenstoffnanoröhrchen, Wolframsulfit, Wolframcarbid, Molybdänsulfid, Molybdäncarbid, Kalziumfluorid, Cäsiummolybdänoxidsulfid, Titansiliziumcarbid und Cerfluorid ausgewählt. Der Sinterbestandteil wird mit dem Oberflächenbeschichtungsbestandteil in einer Pulvermischung gemischt, welche in einem selektiven Lasersinterverfahren oder einem selektiven Laserschmelzverfahren durch Lasersintern oder Laserschmelzen bearbeitet wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur additiven Fertigung eines Bauteils zu schaffen, sodass auf besonders vorteilhafte Weise besonders vorteilhafte Eigenschaften des Bauteils realisiert werden können.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven beziehungsweise generativen Fertigung eines Bauteils aus einem metallischen Werkstoff. Unter dem Merkmal, dass das Bauteil additiv gefertigt wird, ist insbesondere zu verstehen, dass das Bauteil mittels eines generativen Fertigungsverfahrens hergestellt wird.
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Um nun auf besonders vorteilhafte Weise besonders vorteilhafte, insbesondere mechanische, Eigenschaften des Bauteils realisieren zu können, ist es bei dem Verfahren erfindungsgemäß vorgesehen, dass zumindest ein erster Teilbereich des Bauteils hergestellt wird, indem ein erster Teil des, insbesondere zunächst festen beziehungsweise in festem Aggregatszustand vorliegenden, metallischen Werkstoffs in einer ersten Schutzgasatmosphäre aufgeschmolzen wird. Hierdurch wird in der ersten Schutzgasatmosphäre aus dem ersten Teil des metallischen Werkstoffes eine erste Schmelze gebildet, aus welcher zumindest der erste Teilbereich des Bauteils durch additive Fertigung, das heißt additiv beziehungsweise generativ, hergestellt wird.
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Zumindest ein zweiter Teilbereich des Bauteils wird hergestellt, indem ein zweiter Teil des, insbesondere zunächst festen, metallischen Werkstoffes in einer zweiten Schutzgasatmosphäre aufgeschmolzen wird. Hierdurch wird in der zweiten Schutzgasatmosphäre aus dem zweiten Teil eine zweite Schmelze gebildet, aus welcher zumindest der zweite Teilbereich durch additive Fertigung, das heißt additiv beziehungsweise generativ, hergestellt wird. Dabei unterscheiden sich die Schutzgasatmosphären voneinander. Insbesondere unterscheiden sich die Schutzgasatmosphären dadurch voneinander, dass die zweite Schutzgasatmosphäre gezielt zumindest gasförmigen Stickstoff und/oder gezielt wenigstens ein kohlenstoffhaltiges Gas umfasst. Unter dem Merkmal, dass die zweite Schutzgasatmosphäre gasförmigen Stickstoff beziehungsweise kohlenstoffhaltiges Gas gezielt umfasst, ist insbesondere zu verstehen, dass die zweite Schutzgasatmosphäre bewusst, gezielt beziehungsweise gewünscht derart gebildet, ausgewählt und/oder zusammengesetzt wird, dass die zweite Schutzgasatmosphäre den Stickstoff beziehungsweise das Gas aufweist, das heißt dass der Stickstoff beziehungsweise das Gas ein gezielter Teil der zweiten Schutzgasatmosphäre ist. Vorzugsweise bildet der Stickstoff für sich alleine betrachtet und/oder das kohlenstoffhaltige Gas für sich alleine betrachtet mindestens fünf Prozent, insbesondere mindestens fünf Volumen- oder Gewichtsprozent, der zweiten Schutzgasatmosphäre insgesamt.
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Die erste Schutzgasatmosphäre ist dabei bis auf herstellungsbedingte, das heißt technisch bedingte beziehungsweise, insbesondere technisch, unvermeidbare Verunreinigungen frei von Stickstoff und frei von kohlenstoffhaltigen Stoffen. Unter dem Merkmal, dass die erste Schutzgasatmosphäre bis auf herstellungsbedingte Verunreinigungen frei von Stickstoff und frei von kohlenstoffhaltigen Stoffen ist, kann insbesondere verstanden werden, dass es technisch nicht möglich ist, die zweite Schutzgasatmosphäre beziehungsweise ein die zweite Schutzgasatmosphäre, insbesondere vollständig, bildendes Schutzgas derart herzustellen beziehungsweise zu bilden, dass die erste Schutzgasatmosphäre beziehungsweise das die erste Schutzgasatmosphäre, insbesondere vollständig, bildende Schutzgas absolut beziehungsweise vollkommen, das heißt zu absolut 100 Prozent rein ist beziehungsweise keinen Stickstoff und keine kohlenstoffhaltigen Stoffe aufweist. Wieder mit anderen Worten ausgedrückt kann es bei der Herstellung von Gasen beziehungsweise Schutzgasatmosphären und somit bei der Herstellung der ersten Schutzgasatmosphäre beziehungsweise bei der Herstellung des die erste Schutzgasatmosphäre, insbesondere vollständig, bildenden Schutzgases zu etwaigen, unvermeidbaren Verunreinigungen kommen, welche Stickstoff und/oder kohlenstoffhaltige Stoffe umfassen können. Diese etwaig vorgesehen, herstellungsbedingten Verunreinigungen betragen dabei vorzugsweise höchstens oder weniger als ein Prozent der ersten Schutzgasatmosphäre insgesamt. Im Rahmen der Erfindung sind unter Prozent-Angaben insbesondere Volumenprozent oder aber Gewichtsprozent zu verstehen. Wieder mit anderen Worten ausgedrückt kann vorgesehen sein, dass die erste Schutzgasatmosphäre vollständig, das heißt zu 100 Prozent frei von kohlenstoffhaltigen Stoffen und frei von Stickstoff ist, jedoch kommt es in der Regel zu insbesondere herstellungsbedingten, unvermeidbaren Verunreinigungen, welche einen kohlenstoffhaltigen Stoff und/oder Stickstoff umfassen kann. Dies soll insbesondere bedeuten, dass unter dem Merkmal, dass die erste Schutzgasatmosphäre frei von Stickstoff und frei von kohlenstoffhaltigen Stoffen ist, zu verstehen ist, dass technisch bedingt und unvermeidbar Verunreinigungen auftreten können, welche gegebenenfalls Stickstoff und/oder Kohlenstoff enthalten können. Dies bedeutet insbesondere, dass die erste Schutzgasatmosphäre in den Grenzen des technisch Machbaren frei von Stickstoff und frei von kohlenstoffhaltigen Stoffen ist.
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Der Erfindung liegen insbesondere die folgenden Erkenntnisse zugrunde: Bei der additiven Fertigung von metallischen Bauteilen werden prinzipbedingt üblicherweise die Bauteile aus Lagen beziehungsweise Schichten und somit mit lageabhängigen Materialeigenschaften hergestellt. Sind beispielsweise für einen Anwendungsfall hohe Oberflächenhärten gewünscht, die durch generative Fertigungsverfahren alleine nicht realisiert werden können, werden nachfolgende Härteprozesse erforderlich. Ein solcher Härteprozess wird dann beispielsweise nach dem generativen Fertigungsverfahren durchgeführt. Im Rahmen eines solchen Härteprozesses wird das additiv gefertigte Bauteil einer thermischen Belastung unterworfen, die zu Maßabweichungen durch Verzug führen kann.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es nun, eine übermäßige thermische Belastung des Bauteils nach der additiven Fertigung des Bauteils zu vermeiden, wodurch Maßabweichungen beziehungsweise übermäßige Verzüge vermieden werden können. Hierzu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass während der additiven Fertigung an sich und somit während eines additiven Fertigungsprozesses, durch welchen das Bauteil hergestellt wird, die beispielsweise üblicherweise beziehungsweise überwiegend zum Einsatz kommende erste Schutzgasatmosphäre, insbesondere lokal und/oder vorübergehend, durch die zweite Schutzgasatmosphäre ersetzt wird. Umfasst die zweite Schutzgasatmosphäre beispielsweise Stickstoff, so kann hierdurch eine Nitrier-ähnliche Behandlung der Schmelze und somit eines Schmelzgefüges erzeugt werden. Im Vergleich zur Herstellung der Schmelze in der ersten Schutzgasatmosphäre kann hierdurch eine Veränderung des Gefüges und der Werkstoffkennwerte realisiert werden, wodurch beispielsweise eine erhöhte Härte des zweiten Teilbereichs gegenüber dem ersten Teilbereich realisiert werden kann. Hierdurch sind beispielsweise sowohl die Ausformung lokal härterer Bereiche, insbesondere Oberflächenbereiche, zum Beispiel durch Schneiden, als auch die gezielte Einbringung von Druckspannungen durch lokale Innenstrukturierung möglich. Umfasst die zweite Schutzgasatmosphäre wenigstens einen kohlenstoffhaltigen Stoff beziehungsweise wenigstens ein kohlenstoffhaltiges Gas wie beispielsweise Methan, so dient das kohlenstoffhaltige Gas als Kohlenstoffquelle, um dadurch beispielsweise ein Karbonnitrieren oder eine Art Karbonnitrieren des zweiten Teilbereichs realisieren zu können. Das Ersetzen der ersten Schutzgasatmosphäre durch die zweite Schutzgasatmosphäre erfolgt beispielsweise gesteuert oder geregelt und insbesondere temporär, um dadurch Bereiche des Bauteils während der additiven Fertigung an sich gezielt zu modifizieren, insbesondere im Vergleich zum Herstellen der Schmelze in der ersten Schutzgasatmosphäre.
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Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die erste Schutzgasatmosphäre, insbesondere bis auf unvermeidbare Verunreinigungen und somit in den Grenzen des technisch Machbaren, durch, insbesondere im technischen Sinne, reines und vorzugsweise gasförmiges Argon gebildet ist. Dadurch können unerwünschte Modifizierungen, insbesondere ein unerwünschtes Härten, des ersten Teilbereichs vermieden werden.
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Als weiterhin besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die zweite Schutzgasatmosphäre einen Stickstoff-Anteil von fünf Prozent bis 100 Prozent aufweist. Dadurch kann beispielsweise eine gezielte Härtung des zweiten Teilbereichs vorteilhaft realisiert werden.
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Um beispielsweise eine besonders vorteilhafte Aufkohlung des zweiten Teilbereichs realisieren zu können, ist es vorzugsweise vorgesehen, dass als das kohlenstoffhaltige Gas Methan verwendet wird.
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Um auf besonders vorteilhafte Weise besonders vorteilhafte, insbesondere mechanische, Eigenschaften des Bauteils realisieren zu können, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass als der metallische Werkstoff ein Eisen-Basiswerkstoff oder ein Kobalt-Basiswerkstoff verwendet wird. Mit anderen Worten ist es vorzugsweise vorgesehen, dass der metallische Werkstoff Eisen (Fe) und/oder Kobalt (Co) aufweist.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird als der metallische Werkstoff ein Pulver verwendet. Hierdurch kann das Bauteil mit den vorteilhaften Eigenschaften besonders zeit- und kostengünstig hergestellt werden.
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Um besonders vorteilhafte mechanische Eigenschaften des Bauteils realisieren zu können, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Teilbereiche direkt aneinander anschließen und sich dadurch direkt gegenseitig berühren. Beispielsweise werden die Teilbereiche stoffschlüssig und/oder formschlüssig miteinander verbunden.
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Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass das Bauteil durch die additive Fertigung schichtweise und somit Schicht für Schicht hergestellt wird, wobei aus den Teilbereichen dieselbe Schicht zum Herstellen des Bauteils hergestellt wird. Dadurch können lokal besonders vorteilhafte Eigenschaften des Bauteils dargestellt werden.
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Schließlich hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn ein sich an die additive Fertigung des Bauteils anschließendes, gezieltes Härten des Bauteils unterbleibt. Dadurch kann das Bauteil besonders zeit- und somit kostengünstig hergestellt werden.
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Insbesondere können durch die Erfindung die folgenden Vorteile realisiert werden:
- - gezielte Einführung von Bereichen höherer Härte beziehungsweise erhöhter mechanischer Eigenschaften, insbesondere derart, dass beispielsweise der zweite Teilbereich gegenüber dem ersten Teilbereich eine höhere Härte beziehungsweise erhöhte oder bessere mechanische Eigenschaften aufweist
- - Vermeidung von übermäßigen Verzügen durch Entfall einer Nachbehandlung zur Härteeinstellung
- - Einbringung von Bereichen mit erhöhter Festigkeit im Inneren des Bauteils analog bionischer Systeme entlang von Belastungsachsen erstmals ohne Verwendung eines weiteren Werkstoffes möglich
- - bei rostfreien ferritischen Chrom-Stählen lokal Umwandlung in teilaustenitische Werkstoffbereiche durch Stickstoff-Zugabe möglich
- - gezieltes Einbringen von Druckeigenspannungsbereichen zur Erhöhung der Dauerfestigkeit
- - Kompensation von Verzügen durch lokales Einbringen von modifizierten Bereichen mit erhöhten Druckspannungen
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Verwendung eines durch ein Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung hergestellten Bauteils, wobei das Bauteil für ein beziehungsweise in einem Fahrzeug, insbesondere für ein beziehungsweise in einem Kraftfahrzeug, verwendet wird. Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Aspekts der Erfindung sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Aspekts der Erfindung anzusehen und umgekehrt.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
- 1 eine Schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur additiven Fertigung eines Bauteils;
- 2a eine schematische Querschnittsansicht des Bauteils gemäß einer ersten Ausführungsform;
- 2b eine schematische Draufsicht des Bauteils gemäß der ersten Ausführungsform;
- 3a eine schematische Seitenansicht des Bauteils gemäß einer zweiten Ausführungsform;
- 3b eine schematische Querschnittsansicht des Bauteils gemäß der zweiten Ausführungsform;
- 4a eine schematische Draufsicht des Bauteils gemäß einer dritten Ausführungsform;
- 4b eine schematische Querschnittsansicht des Bauteils gemäß der dritten Ausführungsform;
- 5a eine schematische Querschnittsansicht des Bauteils gemäß einer vierten Ausführungsform; und
- 5b eine schematische Draufsicht des Bauteils gemäß einer vierten Ausführungsform.
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In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Im Folgenden wird anhand von 1 ein Verfahren zur additiven Fertigung eines Bauteils erläutert. Im Rahmen des Verfahrens wird das in 1 ausschnittsweise erkennbare und mit 10 bezeichnete Bauteil additiv, das heißt durch ein generatives Fertigungsverfahren, hergestellt. Dabei wird das Bauteil 10 aus einem metallischen Werkstoff hergestellt, sodass das Bauteil 10 in seinem vollständig hergestellten Zustand aus dem metallischen Werkstoff hergestellt beziehungsweise gebildet ist. Somit ist das Bauteil 10 ein metallisches Bauteil. Beispielsweise wird das Bauteil 10 durch Drucken, insbesondere durch 3D-Drucken, additiv beziehungsweise generativ gefertigt. Somit kann das Bauteil 10 ein gedrucktes Bauteil sein. Wie im Folgenden noch genauer erläutert wird, wird das Bauteil 10 bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel durch ein Pulverbettverfahren und dabei insbesondere durch Laserschmelzen, insbesondere durch selektives Laserschmelzen (SLM), hergestellt. Hierzu ist der metallische Werkstoff zunächst pulverförmig, sodass als der metallische Werkstoff ein zunächst pulverförmiger Werkstoff, das heißt ein Pulver, verwendet wird. Im Rahmen des Verfahrens wird das Bauteil 10 Schicht für Schicht, das heißt schichtweise, hergestellt, wobei die jeweilige Schicht auch als Lage bezeichnet wird. Um die jeweilige Schicht herzustellen, wird aus dem Pulver ein jeweiliges Pulverbett 12 gebildet. Zumindest ein Bereich des Pulverbetts 12, aus welchem die jeweilige Schicht hergestellt wird, wird mit einem vorliegend als Laserstrahl 14 ausgebildeten Energiestrahl beaufschlagt, das heißt bestrahlt und dadurch erwärmt. Hierdurch werden zumindest der Bereich des Pulvers und somit den Bereich bildende, zunächst lose und somit nicht miteinander verbundene Partikel des Pulvers erwärmt, wodurch die Partikel aufgeschmolzen und miteinander verbunden werden. Dadurch wird aus dem genannten Bereich die jeweilige Schicht beziehungsweise eine der Schichten hergestellt.
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Um auf besonders vorteilhafte Weise besonders vorteilhafte, mechanische Eigenschaften des Bauteils 10 realisieren zu können, wird bei einem ersten Schritt S1 des Verfahrens zumindest ein erster Teilbereich TB1 des Bauteils 10 hergestellt, indem ein erster Teil T1 des Pulverbetts 12 und somit des Pulvers beziehungsweise des metallischen Werkstoffes in einer ersten Schutzgasatmosphäre SG1 aufgeschmolzen wird. Dies bedeutet, dass die den ersten Teil T1 bildenden Partikel des Pulvers in der Schutzgasatmosphäre SG1 mit dem Laserstrahl 14 beaufschlagt und dadurch mittels des Laserstrahls 14 erwärmt, aufgeschmolzen beziehungsweise geschmolzen und dadurch miteinander verbunden werden, sodass die den ersten Teil T1 bildenden und zunächst losen Partikel den Teilbereich TB1 bilden. Durch das Aufschmelzen der den ersten Teil T1 bildenden Partikel wird in der ersten Schutzgasatmosphäre SG1 eine in 1 besonders schematisch dargestellte erste Schmelze SM1 aus dem ersten Teil T1 beziehungsweise aus den den ersten Teil T1 bildenden Partikeln gebildet, sodass aus der ersten Schmelze SM1 der erste Teilbereich TB1 durch additive Fertigung hergestellt wird. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der erste Teilbereich TB1 ein erster Teil des Pulverbetts 12 beziehungsweise der zuvor genannten und in 1 mit 16 bezeichneten Schicht, aus welcher das Bauteil 10 hergestellt wird.
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Um die erste Schutzgasatmosphäre SG1 zu bilden, insbesondere in einem mit F bezeichneten Fokus oder Fokuspunkt des Laserstrahls 14, wird eine beispielsweise eine Düse umfassende oder eine als eine Düse ausgebildete Zuleitung 18 verwendet. Dabei wird durch die Zuleitung 18 ein erstes Schutzgas hindurchgeleitet, aus welchem die erste Schutzgasatmosphäre SG1, insbesondere vollständig, gebildet wird. Mittels der Zuleitung 18 wird das erste Schutzgas in einen Schmelzbereich SB geführt, in welchem di erste Schmelze SM1 unter der ersten Schutzgasatmosphäre SG1 hergestellt wird. Beispielsweise werden der Laserstrahl 14 und die Zuleitung 18 und somit der Schmelzbereich SB und beispielsweise die Schutzgasatmosphäre SG1 relativ zu dem Pulverbett 12 bewegt, um dadurch eine gewisse, insbesondere flächige, Erstreckung des Teilbereichs TB1 zu realisieren. Dieses Bewegen des Laserstrahls 14 und der auch als Zuführung bezeichneten Zuleitung 18 relativ zu dem Pulverbett 12 wird beispielsweise auch als Vorschub bezeichnet, welcher in 1 durch einen Pfeil 20 veranschaulicht ist.
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Bei einem zweiten Schritt S2 des Verfahrens wird zumindest ein zweiter Teilbereich TB2 des Bauteils 10 hergestellt, indem ein zweiter Teil T2 des metallischen Werkstoffes und somit des Pulvers in einer insbesondere von der ersten Schutzgasatmosphäre SG1 unterschiedlichen zweiten Schutzgasatmosphäre SG2 aufgeschmolzen wird. Hierzu werden die den zweiten Teil T2 bildenden und zunächst losen Partikel des Pulverbetts 12 und somit des Pulvers mit dem Laserstrahl 14 beaufschlagt und dadurch mittels des Laserstrahls 14 erwärmt und hierdurch aufgeschmolzen und miteinander verbunden. Durch das Erwärmen und Aufschmelzen der den zweiten Teil T2 bildenden Partikel des Pulvers wird in der zweiten Schutzgasatmosphäre SG2 aus dem zweiten Teil T2 beziehungsweise aus den den zweiten Teil T2 bildenden Partikeln eine zweite Schmelze SM2 erzeugt beziehungsweise gebildet, aus welcher zumindest der zweite Teilbereich TB2 durch additive Fertigung hergestellt wird. Aus 1 ist erkennbar, dass der zweite Teilbereich TB2 ein zweiter Teil beziehungsweise ein zweiter Bereich der Schicht 16 ist, deren erster Teil beziehungsweise erster Teilbereich durch den Teilbereich TB1 gebildet wird beziehungsweise wurde.
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Um beispielsweise die zweite Schutzgasatmosphäre SG2 zu bilden beziehungsweise herzustellen, wird durch die Zuleitung 18 ein von dem ersten Schutzgas unterschiedliches zweites Schutzgas hindurchgeleitet, aus welchem die zweite Schutzgasatmosphäre SG2, insbesondere vollständig, gebildet wird. Somit wird das zweite Schutzgas mittels der Zuleitung 18 in den Fokus F beziehungsweise in den Schmelzbereich SB geleitet, in welchem die zweite Schmelze SM2 unter der Schutzgasatmosphäre SG2 hergestellt wird. Die Teilbereiche TB1 und TB2 bilden jeweils teilweise dieselbe Schicht 16 und schließen dabei direkt aneinander an und berühren sich direkt gegenseitig, wobei die Teilbereiche TB1 und TB2 miteinander verbunden sind beziehungsweise werden. Um auch dem zweiten Teilbereich TB2 eine gewisse, insbesondere flächige, Erstreckung zu verleihen, werden auch bei dem zweiten Schritt S2 der Laserstrahl 14 und die Zuleitung 18 relativ zu dem Pulverbett 12, insbesondere translatorisch, bewegt. Die zweite Schutzgasatmosphäre SG2 umfasst gezielt zumindest gasförmigen Stickstoff oder gezielt wenigstens ein kohlenstoffhaltiges Gas, welches als Kohlenstoffquelle fungiert. Die erste Schutzgasatmosphäre SG1 jedoch ist innerhalb der Grenzen des technisch Machbaren frei von Stickstoff und frei von kohlenstoffhaltigen Stoffen beziehungsweise Gasen.
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Bei einem sich an den zweiten Schritt S2 anschließenden dritten Schritt S3 des Verfahrens wird ein dritter Teilbereich TB3 des Bauteils 10 auf die Weise hergestellt, auf die auch bereits der Teilbereich TB1 hergestellt wird beziehungsweise wurde. Dies bedeutet, dass der dritte Teilbereich TB3 hergestellt wird, indem aus einem dritten Teil T3 des metallischen Werkstoffes und somit des Pulvers in einer der ersten Schutzgasatmosphäre SG1 entsprechenden dritten Schutzgasatmosphäre SG3 aufgeschmolzen wird. Mit anderen Worten werden die den dritten Teil T3 bildenden Partikel des Pulvers in der der ersten Schutzgasatmosphäre SG1 entsprechenden dritten Schutzgasatmosphäre SG3 mit dem Laserstrahl 14 beaufschlagt beziehungsweise bestrahlt und dadurch mittels des Laserstrahls 14 erwärmt und dadurch aufgeschmolzen und miteinander verbunden, wodurch die den dritten Teil T3 bildenden Partikel den dritten Teilbereich TB3 bilden. Dabei ist der dritte Teilbereich TB3 ein dritter Teil beziehungsweise ein dritter Teilbereich derselben Schicht 16, welche auch die Teilbereiche TB1 und TB2 umfasst. Unter dem Merkmal, dass die dritte Schutzgasatmosphäre SG3 der ersten Schutzgasatmosphäre SG1 entspricht, ist insbesondere zu verstehen, dass die dritte Schutzgasatmosphäre SG3 aus dem ersten Schutzgas, insbesondere vollständig, gebildet wird. Hierzu wird das erste Schutzgas durch die Zuleitung 18 hindurchgeleitet und mittels der Zuleitung 18 in den Fokus F und dabei in den Schmelzbereich SB geleitet, in welchem bei dem dritten Schritt S3 die dritte Schmelze SM3 hergestellt wird. Somit ist auch die dritte Schutzgasatmosphäre SG3 zumindest im Wesentlichen frei von Stickstoff und von kohlenstoffhaltigen Stoffen, sodass dadurch, dass die zweite Schmelze SM2 in beziehungsweise unter der zweiten Schutzgasatmosphäre SG2 hergestellt wird, eine lokale Modifikation des Teilbereichs TB2 gegenüber den Teilbereichen TB1 und TB3 geschaffen werden kann.
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Umfasst die Schutzgasatmosphäre SG2 im Gegensatz zu den Schutzgasatmosphären SG1 und SG3 beispielsweise Stickstoff, so ist der zweite Teilbereich TB2 ein gegenüber den Teilbereichen TB1 und TB3 mit Nitriden modifizierter Werkstoffbereich. Werden beispielsweise der Laserstrahl 14 und die Zuleitung 18 linienförmig und somit entlang einer, insbesondere geraden, Linie relativ zu dem Pulverbett 12 bewegt, so kann der modifizierte Werkstoffbereich linienförmig erzeugt werden. Dabei werden der Laserstrahl 14 und die Zuleitung 18, insbesondere translatorisch, relativ zu dem Pulverbett 12 beziehungsweise relativ zu dem metallischen Werkstoff bewegt, während der metallische Werkstoff mit dem Laserstrahl 14 beaufschlagt wird und während mittels der Zuleitung 18 das jeweilige Schutzgas in den Schmelzbereich SB geleitet wird, das heißt während die jeweilige Schutzgasatmosphäre SG1-3 gebildet wird.
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Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass das erste Schutzgas und somit die Schutzgasatmosphäre SG1 beziehungsweise SG3 vollständig durch Argon gebildet ist, wodurch eine Modifizierung der Teilbereiche TB1 und TB3 unterbleibt. Die vorigen und folgenden Ausführungen können ohne weiteres auch auf andere, generative Fertigungsverfahren wie beispielsweise auf Drahtspritzverfahren, insbesondere auf xygesteuerte Drahtspritzverfahren, übertragen werden. Alternativ oder zusätzlich können die vorigen und folgenden Ausführungen auf anderweitige Verfahren übertragen werden, bei welchen Bauteile in Schichtweise hergestellt, das heißt aufgebaut, werden.
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Additive Fertigungsverfahren sind für Kunststoffe ebenfalls denkbar. Im Bereich der Kunststoffe können Bauteile durch Verwendung eines zweiten Bearbeitungskopfes mit einem weiteren, in den Eigenschaften abweichenden Kunststoff, lokal strukturell modifiziert und dadurch beispielsweise verstärkt werden. Dies ist für additiv zu fertigende Metallbauteile bisher prinzipbedingt und dabei insbesondere für Verfahren mit Pulverbett, das heißt für Pulverbettverfahren nicht möglich, da eine lokale beziehungsweise lokalisierte Veränderung des metallischen Werkstoffes und somit des Pulverbetts 12 nicht möglich ist. Zusätzlich wird eine lokale Verwendung eines anderen, metallischen Werkstoffs bei einer Wiederverwertung, das heißt bei einem Recycling des nicht verschmolzenen Metallpulvers zu einer Vermischung der Werkstoffe führen.
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Das Verfahren kann die zuvor genannten Probleme und Nachteile lösen, insbesondere durch lokale Modifikation des beispielsweise 3D-gedruckten und als Metallbauteil ausgebildeten Bauteils 10, indem durch Verwendung der Schutzgasatmosphäre SG2 Nitride oder Carbide lokal erzeugt werden, insbesondere während des generativen und beispielsweise als Druckprozess ausgebildeten Fertigungsverfahrens. Nitride können beispielsweise erzeugt werden, indem beispielsweise das zweite Schutzgas Stickstoff umfasst. Carbide können beispielsweise erzeugt werden, wenn das zweite Schutzgas ein kohlenstoffhaltiges Gas als Kohlenstoffquelle umfasst. Durch die Erzeugung von Nitriden oder Carbiden kann der Teilbereich TB2 gegenüber den Teilbereichen TB1 und TB3 mit einer höheren Festigkeit hergestellt werden. Hierzu wird das Schutzgas, welches zum Herstellen der Schutzgasatmosphären SG1 und SG3 verwendet wird, zum Herstellen des Teilbereichs TB3 durch das zweite Schutzgas ersetzt. Während das beispielsweise als Argon ausgebildete erste Schutzgas keine Reaktion mit dem metallischen Werkstoff eingeht, kann durch Verwendung des zweiten Schutzgases eine gezielte Festigkeitserhöhung des Teilbereichs TB2 gegenüber den Teilbereichen TB1 und TB3 bewirkt werden. Beispielsweise wird das erste Schutzgas zeitlich und örtlich gesteuert in dem auch als Umschmelzbereich bezeichneten Schmelzbereich SB3 verwendet und beispielsweise mit geeigneten Anteilen, beispielsweise fünf Prozent bis 100 Prozent Stickstoff oder einer Kohlenstoffquelle wie beispielsweise Methan versetzt, um diese Elemente in der Schmelze SM2 und somit deren Gefüge analog einer Nitrierung oder Karbonnitrierung einzubringen. Verlässt der Laserstrahl 14 den lokal zu modifizierenden Bereich, wird erneut das erste Schutzgas über die beispielsweise eine Düse aufweisende oder als Düse ausgebildete Zuleitung 18 zugeführt, sodass in den Teilbereichen TB1 und TB3 der gleiche Werkstoff ohne Modifikation erzeugt wird. Insgesamt ist erkennbar, dass es das Verfahren ermöglicht, im Pulverbettverfahren lokale Bereiche mit erhöhten Festigkeitswerten herzustellen, ohne unterschiedliche metallische Werkstoffe zum Herstellen des Bauteils 10 verwenden zu müssen.
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2a, b zeigen eine erste Ausführungsform des Bauteils 10. Aus 2a, b ist besonders gut erkennbar, dass beispielsweise der Teilbereich TB2 zumindest im Wesentlichen linienförmig und dabei entlang einer geraden Linie hergestellt wurde. Dabei sind die Teilbereiche TB1-3 Teilbereiche, Teile oder Bestandteile derselben Schicht 16.
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3a, b zeigen eine zweite Ausführungsform des Bauteils 10. Bei der zweiten Ausführungsform bildet der modifizierte Teilbereich TB2 beispielsweise eine Spitze und/oder eine Schneide des Bauteils 10. Mit anderen Worten ist der Teilbereich TB2 beispielsweise ein Schneidenbereich mit einer besonders hohen Härte.
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Dabei bildet beispielsweise der Teilbereich TB1 eine erste der Schichten des Bauteils 10, während der Teilbereich TB2 eine zweite der Schichten des Bauteils 10 bildet. Dabei ist beispielsweise die zweite Schicht auf der ersten Schicht angeordnet oder umgekehrt.
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4a, b veranschaulichen eine dritte Ausführungsform des Bauteils 10. Bei der dritten Ausführungsform sind mehrere modifizierte Teilbereiche TB2 vorgesehen, welche gegenüber dem ersten Teilbereich TB1 auf die beschriebene Weise modifiziert sind. Bei der dritten Ausführungsform sind die modifizierten Teilbereiche TB2 beispielsweise innenliegende, modifizierte Bereiche, insbesondere zur gezielten Einführung von Druckeigenspannungen beziehungsweise zur gezielten Verstärkung entlang von Belastungsachsen.
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Schließlich zeigen 5a, b eine vierte Ausführungsform des Bauteils 10. Bei der vierten Ausführungsform weist das Bauteil 10 eine als Durchgangsöffnung ausgebildete Öffnung 22 auf, welche entlang ihrer Umfangsrichtung vollständig umlaufend direkt durch den modifizierten zweiten Teilbereich TB2 gebildet ist. Die Öffnung 22 ist beispielsweise eine, insbesondere gewindefreie, Schrauböffnung, welche beispielsweise von einem insbesondere als Schraube ausgebildeten Schraubelement durchdringbar oder durchdrungen ist. Somit kann mithilfe des modifizierten Teilbereichs TB2 eine besonders feste und somit stabile Verschraubung realisiert werden, mittels welcher das Bauteil 10 mit beispielsweise einem weiteren Bauteil, insbesondere eines Fahrzeugs, verbunden sein kann.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Bauteil
- 12
- Pulverbett
- 14
- Laserstrahl
- 16
- Schicht
- 18
- Zuleitung
- 20
- Pfeil
- 22
- Öffnung
- F
- Fokus
- S1
- erster Schritt
- S2
- zweiter Schritt
- S3
- dritter Schritt
- SB
- Schmelzbereich
- SG1
- erste Schutzgasatmosphäre
- SG2
- zweite Schutzgasatmosphäre
- SG3
- dritte Schutzgasatmosphäre
- SM1
- erste Schmelze
- SM2
- zweite Schmelz
- SM3
- dritte Schmelze
- T1
- erster Teil
- T2
- zweiter Teil
- T3
- dritter Teil
- TB1
- erster Teilbereich
- TB2
- zweiter Teilbereich
- TB3
- dritter Teilbreich
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015203873 A1 [0002]
