DE102019125810A1

DE102019125810A1 - Baumaterial für ein Verfahren, insbesondere ein additives Herstellungsverfahren oder ein Fügeverfahren

Info

Publication number: DE102019125810A1
Application number: DE102019125810.3A
Authority: DE
Inventors: Kirstin Riener; Gabriele Fruhmann; Tino Pfalz
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2019-09-25
Filing date: 2019-09-25
Publication date: 2021-03-25

Abstract

Baumaterial (1) für ein verfahren, insbesondere ein additives Herstellungsverfahren oder ein Fügeverfahren, zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts, insbesondere eines Fahrzeugbauteils, wobei das Baumaterial (1) ein pulverförmiges Baumaterialgemisch (2) umfasst, das- zumindest aus einer ersten Partikelfraktion (3), welche Partikel (4, 4') aus einem vermittels Einwirkung eines Energiestrahls verfestigbaren Partikelmaterial einer ersten Partikelgröße (5) umfasst, und- zumindest aus einer zweiten Partikelfraktion (6), welche Partikel (7, 7') aus einem zur Reduzierung von auf Van-der-Waals-Wechselwirkungen zurückzuführenden Anziehungskräfte zwischen den Partikeln (4, 4') der ersten Partikelfraktion (3) dienenden zweiten Partikelmaterial einer zweiten Partikelgröße (8) umfasst, gebildet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Baumaterial für ein Verfahren, insbesondere ein additives Herstellungsverfahren oder ein Fügeverfahren, zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts, insbesondere eines Fahrzeugbauteils, wobei das Baumaterial ein pulverförmiges Baumaterialgemisch umfasst.
Entsprechende Baumaterialien für additive Herstellungsverfahren sind aus dem Stand der Technik dem Grunde nach bekannt. Nachteilig ist jedoch, dass bestimmte Baumaterialien auf Grund einer unzureichenden Fließfähigkeit nicht in einem, z. B. einen schichtweisen Baumaterialauftrag umfassenden, additiven Fertigungsverfahren eingesetzt werden kann. Auch sind Fügeverfahren, wie beispielsweise Auftragschweißverfahren bekannt, bei welchen ein Baumaterial auf bestehende Körper zu insbesondere deren Verbindung aufgebracht bzw. angebracht wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Baumaterial für ein Verfahren, insbesondere ein additives Herstellungsverfahren oder ein Fügeverfahren anzugeben, welches sich insbesondere im Hinblick auf eine einfache, zuverlässige und schnelle sowie kostengünstige Herstellung auszeichnet, wobei das vermittels des Baumaterials in dem Verfahren, insbesondere additiven Herstellungsverfahren oder Fügeverfahren, hergestellte dreidimensionale Objekt vorteilhafte Materialeigenschaften aufweist. Auch soll das Baumaterial beispielsweise eine prozesssichere und reproduzierbare Herstellung des dreidimensionalen Objekts ermöglichen.
Die Aufgabe wird durch ein Baumaterial für ein Verfahren, insbesondere ein additives Herstellungsverfahren oder ein Fügeverfahren, gemäß Anspruch 1 gelöst. Die hierzu abhängigen Ansprüche betreffen mögliche Ausführungsformen des Baumaterials und dem aus diesem zumindest teilweise hergestellten dreidimensionalen Objekt bzw. Fahrzeugbauteil.
Die Erfindung betrifft ein Baumaterial für ein Verfahren, insbesondere ein additives Herstellungsverfahren oder ein Fügeverfahren, zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts, insbesondere eines Fahrzeugbauteils, wobei das Baumaterial ein pulverförmiges Baumaterialgemisch umfasst, das (a) zumindest aus einer ersten Partikelfraktion, welche Partikel aus einem vermittels Einwirkung eines Energiestrahls verfestigbaren Partikelmaterial einer ersten Partikelgröße umfasst, und (b) zumindest aus einer zweiten Partikelfraktion, welche Partikel aus einem zur Reduzierung von auf Van-der-Waals-Wechselwirkungen zurückzuführenden Anziehungskräfte zwischen den Partikeln der ersten Partikelfraktion dienenden zweiten Partikelmaterial einer zweiten Partikelgröße umfasst, gebildet wird. Die Partikel der zweiten Partikelfraktion sind derart auf die Dimensionierung und/oder geometrische Gestalt der Partikel der ersten Partikelfraktion abgestimmt, dass in einem Gemisch bzw. einem Baumaterialgemisch bestehend aus Partikeln der ersten und zweiten Partikelfraktion, die Partikel der zweiten Partikelfraktion als Distanzelemente bzw. als Abstandshalter für die Partikel der ersten Partikelfraktion wirken. Aufgrund dieser durch die zweite Partikelfraktion ausgeführten Distanzfunktion können die Van-der-Waals-Wechselwirkungen innerhalb des Pulvergemischs und insbesondere der Partikel der ersten Partikelfraktion derart auf ein Maß reduziert werden, sodass keine signifikante Beeinflussung der Fließfähigkeit des Baumaterialgemischs aufgrund der Van-der-Waals-Wechselwirkungen (mehr) vorliegt.
Sofern die zweite Pulverfraktion zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig, aus einer Keramik ausgebildet ist bzw. besteht, kann sich dies während des Auf- und/oder Umschmelzens des Baumaterials vorteilhaft bzgl. einer Verhinderung einer Heißrissbildung an dem zu fertigenden dreidimensionale Objekt auswirken. Dies gilt insbesondere dann, wenn das Baumaterial eine Aluminiumknetlegierung ist oder deren Eigenschaften annähernd aufweist.
Die Gefahr einer Heißrissbildung kann für ein Baumaterial eines additiven Herstellungsverfahren wie auch für ein Baumaterial eines Fügeverfahren, wie beispielsweise dem Auftragschweißen, gegeben. Da das Baumaterial jeweils auf- und/oder umgeschmolzen wird, können sich hierbei und/oder während der anschließenden Erstarrung des Baumaterials Heißrisse bilden.
Im Zuge der Verwendung des Baumaterials in einem Fügeverfahren, insbesondere einem Auftragschweißverfahren, kann das Baumaterial auf wenigstens einen Körper aufgetragen werden. Typischerweise kann dabei das Baumaterial zur Bildung einer Verbindung zweier bestehender Körper verwendet werden. Beispielsweise kann das Fügeverfahren als Auftragschweißverfahren ausgeführt werden, wobei das Baumaterial als Pulver oder als aus Pulver gepresste Elektrode bzw. Draht an den Schweißort appliziert wird und während des Schweißprozesses an den wenigstens einen bestehenden Körper an- und/oder aufgebracht wird. Der wenigstens eine Körper und das an diesem anhaftende Baumaterial bilden nach dem Beenden des Verfahrens das herzustellende dreidimensionale Objekt, insbesondere ein Fahrzeugbauteil.
Typischerweise wird beim Auftragschweißen ein zumindest abschnittsweises Vorwärmen des aus der Düse applizierten Baumaterials und/oder der zum Auftragen des Baumaterials vorgesehenen Körper vorgenommen, um die Heißrissbildungsgefahr zu reduzieren. Durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Baumaterials, insbesondere eines eine Keramikkomponente aufweisenden Baumaterials, kann die Gefahr der Heißrissbildung beim Auftragschweißen reduziert und gleichzeitig eine Mindestfließfähigkeit des Baumaterials erreicht werden. Hierbei kann das Vorwärmen in einem geringeren Umfang (z. B. geringere Temperatur und/oder kürzere Vorwärmzeit) als bislang ausgeführt werden bzw. erforderlich sein oder gänzlich entfallen. Dies kann zu einem geringeren Energiebedarf und/oder einem schnelleren Verfahrensablauf für das Fügeverfahren führen. Auch kann die Qualität des aus dem Verfahren, insbesondere aus dem additiven Herstellungsverfahren oder Fügeverfahren, hergestellten dreidimensionale Objekts positiv beeinflusst werden.
Durch die Beabstandung von wenigstens einem Teil, insbesondere zumindest einem überwiegenden Teil, der Partikel der ersten Partikelfraktion untereinander, kann die Wechselwirkung der zwischen den Partikeln der, insbesondere zumindest ersten, Partikelfraktion(en) wirkenden Van-der-Waals-Kräfte signifikant reduziert werden. Hierbei ermöglichen die zwischen den Partikeln der ersten Partikelfraktion angeordneten Partikel der zweiten Partikelfraktion eine signifikante und in signifikantem Umfang erwirkende Beabstandung der Partikel der ersten Partikelfraktion. Dadurch, dass kaum oder zumindest in einem reduzierten Grad Van-der-Waals-Kräfte zwischen den Partikeln der ersten Partikelfraktion wirken, wird eine Mindestfließfähigkeit des Baumaterialgemischs, insbesondere der Partikel der ersten Partikelfraktion, erreicht. Diese Mindestfließfähigkeit bzw. Fließfähigkeit ermöglicht beispielsweise den Einsatz des Baumaterials innerhalb einer additiven Fertigungsvorrichtung und/oder innerhalb eines Fügeverfahrens, insbesondere eines Auftragschweißverfahrens. Durch diese Mindestfließfähigkeit des Baumaterials wird die prozesssichere und reproduzierbare Verarbeitung des Baumaterials innerhalb des additiven Fertigungsverfahrens und/oder innerhalb des Fügeverfahrens erreicht.
Beispielsweise wird innerhalb der additiven Fertigungsvorrichtung bzw. innerhalb des additiven Herstellungsprozesses das Baumaterial durch eine Rakel bzw. einen (Klingen-)Beschichter und/oder durch eine Kohlefaserbürste schichtweise innerhalb eines Baubereichs der additiven Fertigungsvorrichtung aufgezogen bzw. appliziert. Hierbei ist zum Erreichen der gewünschten Schichtdicke und/oder der homogenen Form der aufgezogenen Schicht hinreichende Mindestfließfähigkeit bzw. eine Fließfähigkeit erforderlich, welche durch das erfindungsgemäße Baumaterial gegeben ist.
Im Falle eines Fügeverfahrens, insbesondere eines Auftragschweißverfahrens, kann das Baumaterial durch eine Düse an den Schweißort appliziert werden, für das Handling und/oder den Transport des pulverförmigen Baumaterials von einem Pulverreservoir zu dem Schweißort, insbesondere zur Düse, ist eine Mindestfließfähigkeit des Baumaterials vorteilhaft und kann für einen sicheren und reproduzierbaren Prozessablauf erforderlich sein bzw. diesen positiv beeinflussen.
Das additive Fertigungsverfahren kann beispielsweise ein additives Fertigungsverfahren umfassen, bei welchem durch sukzessives, schichtweises und selektives verfestigen eines pulverförmigen Baumaterials vermittels Einwirkung eines Energiestrahls auf das pulverförmige Baumaterial die Bildung eines dreidimensionalen Objekts erfolgt. Ausgehend von CAD-Datensätzen kann durch eine entsprechende Steuerung der Prozessparameter eine Einwirkung des Energiestrahls auf das Baumaterial durch dessen bereichsabhängiges Auf- und/oder Umschmelzen zur Bildung des dreidimensionalen Objekts erfolgen. Nach dem Wiedererstarren bzw. Verfestigen des zumindest abschnittsweise bzw. bereichsabhängig auf- oder umgeschmolzenen Baumaterials liegt das dreidimensionale Objekt vor. Dieses wird anschließend von unverfestigten Baumaterial und ggf. von Stützstrukturen befreit und aus der additiven Fertigungsvorrichtung entnommen.
Beispielsweise kann es sich bei dem additiven Fertigungsverfahren um ein selektives Laserschmelzverfahren bzw. selektives Lasersinterverfahren handeln, hierbei wird pulverförmiges Baumaterial schichtweise aufgetragen, durch Einwirkung eines Energiestrahls (z. B. Laserstrahl) auf- und/oder umgeschmolzen und nach dem erstarren ein dreidimensionales Objekt bzw. das Fahrzeugbauteil ausgebildet. Als Energiestrahl kann auch eine zumindest abschnittsweise flächige Einwirkung von Energie, z. B. in Form einer maskierten oder teilweise abgedeckten Energieeinbringung eines flächig, insbesondere vollflächig, Energie abstrahlenden Strahlers verstanden werden.
Als Fügeverfahren kann beispielsweise ein eine nicht lösbare Verbindung erzeugendes Fügeverfahren sein. Beispielsweise bildet das Fügeverfahren eine stoffschlüssige oder formschlüssige Fügeverbindung aus. Bevorzugt kann das Baumaterial beispielsweise in einem Schweißverfahren und/oder einem Lötverfahren eingesetzt werden. Im Falle eines Schweißverfahrens kann das Baumaterial auch beispielsweise in einem Auftragschweißverfahren, auch Cladding bezeichnet, eingesetzt werden. Bei einem Auftragschweißverfahren wird ausschließlich durch einen pulverförmigen Schweißzusatzstoff ein Volumenaufbau erzeugt. Dieser Volumenaufbau kann beispielsweise eine Decksicht bilden. Als pulverförmiger Schweißzusatzstoff des Auftragschweißverfahrens kann das hierin beschriebene Baumaterial verwendet werden. Das Auftragschweißverfahren kann beispielsweise zur Reparatur einer Struktur und/oder zum Verschließen von Körperkanten und/oder Oberflächen eingesetzt werden.
Durch die Abstimmung der Partikelgröße Partikel der ersten und zweiten Partikelfraktion aufeinander, kann die Reduzierung der Van-der-Waals-Wechselwirkungen bzw. -Kräfte zumindest für die Partikel der ersten Partikelfraktion erreicht werden. Hierbei ist die Geometrie und/oder die Korngröße bzw. die Partikelgröße (z. B. der Partikeldurchmesser) der Partikel der ersten und zweiten Partikelfraktion derart aufeinander abgestimmt, dass die Partikel der zweiten Partikelfraktion eine Distanzfunktion bzw. Abstandshalterfunktion auf bzw. für die Partikel der ersten Partikelfraktion ausübt. Hierbei können sich die Partikel der zweiten Partikelfraktion an den Umfang bzw. an die Oberfläche der Partikel der ersten Partikelfraktion derart anlegen und/oder anhaften und/oder anlagern, sodass einerseits ein direkter Kontakt zweier benachbarter Partikel der ersten Partikelfraktion nicht stattfindet oder selten stattfindet oder überwiegend nicht stattfindet. Damit kann ein Mindestabstand für einen signifikanten Anteil der Partikel der ersten Partikelfraktion erzielt werden. Dabei ist der Abstand der Partikel der ersten Partikelfraktion zueinander durch die „dazwischenliegenden“ Partikel der zweiten Partikelfraktion derart „eingestellt“, dass die Van-der-Waals-Wechselwirkungen bzw. Van-der-Waals-Kräfte reduziert werden. Zumindest werden die Van-der-Waals-Kräfte derart reduziert, dass die Fließfähigkeit des Baumaterialgemischs ausreichend hoch ist, um das Baumaterial in einem additiven Fertigungsverfahren zu verwenden, insbesondere um das Baumaterial in einem selektiven Laserschmelzverfahren zu verarbeiten bzw. zu verwenden.
Hierbei kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass die Partikelgröße der Partikel der ersten Partikelfraktion mindestens doppelt so groß ist, als die Partikelgröße der Partikel der zweiten Partikelfraktion.
Angaben zur Partikelgröße bezieht sich typischerweise auf eine charakteristische Partikelgröße einer Partikelfraktion, insbesondere bezogen auf eine bestimmte Partikelgrößenverteilung. Beispielsweise entsprechen Partikelgrößen den jeweiligen mittleren Partikelgrößen bzw. Korngröße einzelner Partikelfraktionen. So kann die Partikelgröße z. B. den Partikeldurchmesser, insbesondere den theoretischen Äquivalenzpartikeldurchmesser, umfassen. Es kann vorgesehen sein, dass die Partikel zumindest annähernd eine kugelartige Form aufweisen, in diesem Fall kann der Partikeldurchmesser den, maximalen oder mittleren oder repräsentativen oder minimalen Durchmesser der Partikel angeben.
Es ist möglich, dass zumindest 80 Vol.-%, insbesondere zumindest 90 Vol.-%, der Partikel der ersten Partikelfraktion ein Breite-zu-Längenverhältnis der Partikel von größer 0,50, bevorzugt von größer 0,55, besonders bevorzugt von größer 0,60, aufweisen. Nach allen Achsen symmetrische Formen wie Kreise bzw. Kugeln haben ein Breite-zu-Längenverhältnis nahe „Eins“, wohingegen nadelartige bzw. längliche Partikel Werte in der Nähe von „Null“ aufweisen. Zusätzlich zu den Partikeln der ersten Partikelfraktion können auch die Partikel der zweiten Partikelfraktion das oben erwähnte Breite-zu-Längenverhältnis aufweisen. Alternativ können die Partikel der zweiten Partikelfraktion eine eher nadelartige bzw. längliche Form aufweisen und damit ein zu den Partikeln der ersten Partikelfraktion unterschiedliches Breite-zu-Längenverhältnis aufweisen. Insbesondere kann beispielsweise das Breite-zu-Längenverhältnis der Partikel der ersten Partikelfraktion um zumindest den Faktor 1,2, bevorzugt um zumindest den Faktor 1,4, besonders bevorzugt um zumindest den Faktor 1,8, größer sein, als das Breite-zu-Längenverhältnis der Partikel der zweiten Partikelfraktion. Alternativ oder zusätzlich können die Partikel der ersten und/oder zweiten Partikelfraktion eine kantige Oberfläche aufweisen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Partikel der ersten Partikelfraktion aus Metall, bevorzugt aus einem Leichtmetall, besonders bevorzugt aus einer Aluminiumlegierung bestehen. Dadurch, dass der Hauptbestandteil des Baumaterialgemischs, nämlich die Partikel der ersten Partikelfraktion aus einem Metall, bevorzugt aus einem Leichtmetall, besonders bevorzugt aus einer Aluminiumlegierung bestehen, kann im Zuge des additiven Fertigungsverfahrens ein aus einem entsprechenden Material bestehendes dreidimensionales Objekt aufgebaut bzw. ausgebildet werden. Dabei können die Partikel der ersten Partikelfraktion zumindest teilweise, bevorzugt überwiegend, besonders bevorzugt vollständig, aus dem jeweiligen Material ausgebildet sein. D. h. z. B., dass die Partikel der ersten Partikelfraktion vollständig aus einer Aluminiumlegierung bestehen können und damit ein aus einer Aluminiumlegierung bestehendes dreidimensionales Objekt gebildet werden kann.
Im Falle einer Aluminiumlegierung kann dies beispielsweise bedeuten, dass das Baumaterial zumindest teilweise aus einer Serie 1000 und/oder Serie 4000 und/oder Serie 5000 und/oder Serie 6000 und/oder Serie 7000 und/oder Serie 8000 Aluminiumlegierung besteht. Dabei kann die Serie 1000 und/oder Serie 4000 und/oder Serie 5000 und/oder Serie 6000 und/oder Serie 7000 und/oder Serie 8000 Aluminiumlegierung das metallische Grundmaterial neben ggf. wenigstens einem weiteren Legierungselement bilden. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht das aus dem hierin beschriebenen Baumaterial in einem additiven Fertigungsverfahren aufgebaute dreidimensionale Objekt zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig, aus einer Aluminiumknetlegierung.
Es ist möglich, dass zumindest die Partikel der ersten Partikelfraktion aus einer metallischen Legierung bestehen, die ein metallisches Grundmaterial und wenigstens ein Legierungselement umfasst, insbesondere umfasst mindestens ein Legierungselement der metallischen Legierung Titan (Ti) und/oder Zirconium (Zr) und/oder Chrom (Cr) und/oder Wolfram (W) und/oder Magnesium (Mg) und/oder Strontium (Sr) und/oder Vanadium (V) und/oder Bor (B) und/oder Silicium (Si) und/oder Eisen (Fe) und/oder Zink (Zn) und/oder Mangan (Mn) und/oder Aluminium (AI) und/oder Kohlenstoff (C) und/oder Nickel (Ni) und/oder Molybdän (Mo). Die Partikel der ersten Partikelfraktion können dabei zumindest teilweise oder überwiegend oder gänzlich, d.h. vollständig, aus den genannten Legierungselementen gebildet sein.
Ferner kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass die Partikel der zweiten Partikelfraktion zumindest teilweise, insbesondere vollständig, aus Keramik bestehen, bevorzugt weisen die Partikel der zweiten Partikelfraktion Titancarbid (TiC) und/oder Titanborid (TiB₂) und/oder Siliciumcarbid (SiC) und/oder Borcarbid (B₄C) und/oder Titanoxid (TiO₂) und/oder Siliciumdioxid (SiO₂) und/oder Aluminiumoxid (Al₂O₃) und/oder Zirconium(IV)-oxid (ZrO₂) und/oder Eisen(III)-oxid (Fe₂O₃) und/oder Aluminiumnitrid (AIN) und/oder Titannitrid (TiN) und/oder Siliciumnitrid (Si₃N₄) und/oder Bornitrid (BN) auf. Die Partikel der zweiten Partikelfraktion können zumindest teilweise, bevorzugt überwiegend, besonders bevorzugt vollständig, d.h. gänzlich, aus Keramik bzw. aus den genannten konkreten Keramiken bestehen bzw. gebildet sein. Die Verwendung einer Keramik kann sich vorteilhaft auf eine Verhinderung der Gefahr einer Heißrissbildung eines aus dem Baumaterial gefertigten dreidimensionale Objekt auswirken, dies gilt insbesondere sofern das Baumaterial eine Aluminiumknetlegierung ausbildet bzw. die Eigenschaften einer Aluminiumknetlegierung aufweist.
Es ist möglich, dass die Partikel der ersten Partikelfraktion eine Partikelgröße in einem Bereich von 5 µm bis 100 µm aufweisen, bevorzugt eine Partikelgröße in einem Bereich von 10 µm bis 70 µm, besonders bevorzugt von 10 µm bis 45 µm und/oder von 20 µm bis 63 µm, aufweisen. Durch die angegebenen Partikelgrößen der ersten Partikelfraktion kann eine ausreichend geringe Schichtdicke der aufgetragenen Baumaterialschichten innerhalb des additiven Fertigungsverfahrens, insbesondere des selektiven Laserschmelzverfahrens, erreicht werden. So lässt sich ein Baumaterial in den genannten Partikelgrößen für die erste Partikelfraktion beispielsweise durch einen (Klingen-)Beschichter bzw. durch eine Rakel und/oder durch eine Kohlefaserbürste zuverlässig und/oder reproduzierbar, insbesondere in homogener Form, in den typischerweise gewünschten (geringen) Schichtdicken auftragen bzw. aufziehen. Die angegebenen Partikelgrößen beziehen sich beispielsweise auf eine mittlere Partikelgröße und/oder auf einen für zumindest die erste Partikelfraktion charakteristische Partikelgröße, welche geeignet ist, das pulverförmige Baumaterial bzw. Bestandteile des pulverförmigen Baumaterials derart zu beschreiben, sodass bei einer Verarbeitung des Baumaterials in einem additiven Fertigungsverfahren eine ausreichend homogene (z. B. Dichte) und ausreichend definierte (insbesondere dünne) Baumaterialschicht erreichbar ist.
Mit dem hierin beschriebenen Baumaterial kann es beispielsweise ermöglicht werden, einen schichtweisen Auftrag des Baumaterials in einer für den additiven Herstellungsprozess ausreichenden Pulverbettdichte zu ermöglichen. Hierbei kann ein schichtweiser Auftrag des Baumaterials mit einer Pulverbettdichte bzw. mit einer relativen Schichtdichte des Baumaterials von mindestens 30 Vol.-%, bevorzugt von mindestens über 35 Vol.-%, besonders bevorzugt mindestens 40 Vol.-% erfolgen.
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass die Partikel der zweiten Partikelfraktion eine Partikelgröße in einem Bereich von 5 nm bis 4000 nm aufweisen, bevorzugt eine Partikelgröße in einem Bereich von 10 nm bis 2000 nm, besonders bevorzugt von 10 nm bis 800 nm, höchst bevorzugt von 20 nm bis 300 nm, aufweisen. Die Partikelgrößenangaben beziehen sich beispielsweise auf charakteristische Partikelgrößenverteilungen bzw. Partikelgrößen für die zweite Partikelfraktion. Die Partikelgrößenangabe bzw. die gewählte Partikelgröße der Partikel der zweiten Partikelfraktion ermöglicht eine signifikante Distanzfunktion bzw. Beabstandungsfunktion der Partikel der ersten Partikelfraktion zur Reduzierung einer zumindest zwischen den Partikeln der ersten Partikelfraktion wirkenden Van-der-Waals-Wechselwirkungen bzw. -Kräften. Die angegebenen Partikelgrößen ermöglichen zudem eine einfache und kostengünstige Herstellung bzw. Verarbeitung eines Baumaterialgemischs zur Bildung eines die Verarbeitung in einem additiven Fertigungsverfahren geeigneten, d. h. z. B. hinreichend Fließfähigen, Baumaterials.
In einer idealisierten Betrachtung kann die Partikelgröße der Partikel der ersten und zweiten Partikelfraktion als Pulverkorndurchmesser verstanden werden. Hierbei kann das pulverförmige Baumaterial bzw. die in Pulverform vorliegenden Partikelfraktionen als, insbesondere im Wesentlichen, kugelförmige und/oder kugelartige Partikel betrachtet werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann es vorgesehen sein, dass die erste und die zweite Partikelfraktion homogen verteilt in dem Baumaterial vorliegt. Die möglichst homogene Verteilung der Partikel der ersten und zweiten Partikelfraktion ermöglicht einerseits ein gut reproduzierbares Ergebnis für den Auftrag des Baumaterials zur Bildung einer Baumaterialschicht innerhalb der additiven Fertigungsvorrichtung und andererseits wird eine hinreichende Reduzierung der zumindest zwischen den Partikeln der ersten Partikelfraktion wirkenden Van-der-Waals-Wechselwirkungen bzw. -Kräfte erreicht, da das Mischungsverhältnis der ersten und zweiten Partikelfraktion und/oder die Partikelgrößenrelation der ersten und zweiten Partikelfraktion auf eine homogene Verteilung der wenigstens zwei Partikelfraktion abgestimmt bzw. eingestellt sein kann. Insbesondere können die Partikel der zweiten Partikelfraktion homogen auf einer Pulverkornoberfläche der Partikel der ersten Partikelfraktion verteilt vorliegend. Hierdurch wird während des Aufschmelzens des Baumaterials eine homogene Verteilung der Pulverfraktionen und damit ein gutes Ergebnis für das aus dem auf- und/oder umgeschmolzenen Baumaterials hergestellten dreidimensionale Objekt erreicht. Insbesondere wenn die Partikel der zweiten Partikelfraktion zumindest teilweise form- und/oder stoffschlüssig an der Oberfläche der Partikel der ersten Partikelfraktion verbunden sind ist deren homogene Verteilung auf der Oberfläche der Partikel der ersten Partikelfraktion vorteilhaft.
Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die zweite, insbesondere Keramik umfassende, Partikelfraktion bis zu 25 Vol.-%, bevorzugt bis zu 10 Vol.-%, besonders bevorzugt bis zu 6 Vol.-%, höchst bevorzugt bis zu 3 Vol.-%, des Baumaterials ausbildet. Mit anderen Worten beträgt der Anteil der Partikel der zweiten Partikelfraktion an dem gesamten Baumaterial bzw. Baumaterialgemisch maximal 25 Vol.-%, bevorzugt 10 Vol.-%, besonders bevorzugt 6 Vol.-%, höchst bevorzugt 3 Vol.-%. Alternativ oder zusätzlich kann es vorgesehen sein, dass die erste, insbesondere ein Leichtmetall umfassende, Partikelfraktion bis zu 95 Vol.-%, bevorzugt bis zu 90 Vol.-%, besonders bevorzugt bis zu 85 Vol.-%, höchst bevorzugt bis zu 80 Vol.-% des Baumaterials ausbildet. Durch die angegebenen Mindestanteile der ersten und/oder der zweiten Partikelfraktion in dem Baumaterial, insbesondere in einem ausschließlich die ersten und die zweite Partikelfraktion umfassenden Baumaterials, wird es erreicht, eine hinreichende Fließfähigkeit für die Verwendung des Baumaterials innerhalb des additiven Herstellungsverfahrens zu erreichen und/oder ein dreidimensionale Objekt herzustellen, das hohen physikalischen und/oder chemischen Anforderungen genügt, insbesondere die Eigenschaften eines Bauteils aufweist, das aus einer Aluminiumknetlegierung ausgebildet ist.
Es ist möglich, dass sich das Baumaterial, insbesondere, dass sich die Partikel der ersten Partikelfraktion, zur Verarbeitung in einem Verfahren, insbesondere in einem additiven Herstellungsverfahren oder einem Fügeverfahren, eignen. Bevorzugt eignet sich das Baumaterial zur Verarbeitung in einem selektiven Laserschmelzverfahren (SLM) und/oder in einem Elektronenstrahlschmelzverfahren, auch als Electron Beam Melting (EBM) bezeichnet, und/oder in einem Laserauftragsschweißverfahren, auch als Laser Metal Deposition (LMD) bezeichnet. Die Eignung zeichnet sich beispielsweise dadurch aus, dass eine ausreichend geringe bzw. dünne Schichtdicke in einer ausreichend reprozierbaren Form aufgetragen werden kann. Schließlich kann die Eignung des Baumaterials eine hinreichende Fließfähigkeit zur Verarbeitbarkeit innerhalb des additiven Fertigungsverfahrens aufweisen.
Als Laserauftragsschweißen, auch als „Laser Metal Deposition“ (LMD) oder „Direct Metal Deposition“ (DMD) oder „Direct Energy Deposition“ (DED) bezeichnet, kann ein generatives Fertigungsverfahren für Metalle bezeichnet werden, wobei auf eine Bauteiloberfläche eines Grundkörpers ein Laser ein Schmelzbad erzeugt. Dabei wird über eine Düse ein Metallpulver eingebracht, sodass das aufgeschmolzene Metallpulver zur Bildung von Strukturen an dem Grundkörper verwendet werden kann. Im Falle von Reparaturen von Strukturen kann das Auftragschweißverfahren den Fügeverfahren zugeordnet werden, sowohl in einem additiven Fertigungsverfahren als auch in einem Fügeverfahren, insbesondere einem Auftragschweißverfahren, kann das Baumaterial eingesetzt werden.
Die gebildeten bzw. aufgezogenen Schichten des Baumaterials bzw. des Baumaterialgemischs innerhalb des additiven Fertigungsverfahrens können beispielsweise eine Schichtdicke von 30 bis 100 µm aufweisen. Diese Schichtdicken können eine Abweichung von maximal +/- 20% umfassen, d. h. z. B., dass die Schichtdicke innerhalb des Bereichs von 80 % bis 120 % des Zielwertes (z. B. 30 µm) der Schichtdicke schwankt. Bevorzugt beträgt die Abweichung maximal +/-15 %, besonders bevorzugt maximal +/- 10 %, höchst bevorzugt maximal +/- 5 %.
Es kann sich beispielsweise als vorteilhaft erweisen, wenn die erste und/oder die zweite Partikelfraktion eine sphärische Form bzw. eine Kugelform oder eine kugelartige Form aufweist. Die sphärische Form bzw. Kugelform oder die kugelartige Form kann dabei zumindest teilweise, bevorzugt überwiegend, besonders bevorzugt vollständig, die Form sämtlicher Partikel der ersten und/oder zweiten Partikelfraktion umfassen.
Neben dem Baumaterial betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts, wobei zur Herstellung des dreidimensionalen Objekts, insbesondere zur Vermeidung von Heißrissen, ein hierin beschriebenes Baumaterial verwendet wird. Das Verfahren kann optional ein Mischen der ersten Partikelfraktion und der zweiten Partikelfraktion zur Bildung eines Baumaterialgemischs umfassen, insbesondere erfolgt das Mischen in einem 3D-Schüttelmischer. Durch das angegebene Mischen der beiden Partikelfraktionen kann auf eine kostengünstige und einfache Weise ein Baumaterialgemisch gebildet werden, welches sich zur Verarbeitung in einem additiven Fertigungsverfahren eignet und es zugleich erlaubt, durch das additive Fertigungsverfahren z. B. ein dreidimensionales Objekt aus einer Aluminiumknetlegierung zu erzeugen. Hierbei kann die Gefahr einer Rissbildung reduziert werden. Bei dem verwendeten 3D-Schüttelmischer kann es sich beispielsweise um einen sogenannten Turbula-Mischer® handeln. Es ist möglich, dass ein Mischer verwendet wird, der vermittels beweglicher Mischwerkzeuge (z. B. Schneckenmischer, Schaufelmischer) und/oder vermittels eines sich bewegenden Behälters (z. B. Trommelmischer, Konusmischer) und/oder vermittels pneumatischer Einwirkung (Wirbelschichtmischer, Gasstrahlmischer) ein Mischen der Partikelfraktionen ausführt. Sofern die Partikel der zweiten Partikelfraktion eine längliche Form und/oder eine kantige Oberfläche aufweisen, kann es vorgesehen sein, den Mischprozess derart auszuführen, dass aufgrund der zumindest abschnittsweise spitzen Form der Partikel der zweiten Partikelfraktion ein oberflächliches Eindringen dieser Partikel an der und/oder in die Oberfläche der Partikel der ersten Partikelfraktion sich ergibt. Durch diese kraft- und/oder formschlüssige Verbindung der zweiten Partikel an bzw. in der Oberfläche der ersten Partikel kann die durch den Mischer erzeugte Homogenität der Partikel der ersten und zweiten Partikelfraktion beibehalten werden, da ein „Entmischen“ unwahrscheinlicher wird.
Im Falle des Anhaftens bzw. des Eindringens der Partikel der zweiten Partikelfraktion in bzw. an der Oberfläche der Partikel der ersten Partikelfraktion ist darauf zu achten, dass die Partikel der zweiten Partikelfraktion nicht zu tief in die Oberfläche der bzw. in die Partikel der ersten Partikelfraktion eindringen, damit die von diesen Partikeln ausgeführte Distanzfunktion nicht beeinträchtigt wird bzw. noch in einem ausreichendem Maße erhalten bleibt. Das Eindringverhalten kann beispielsweise durch Steuerung der während des Mischens auf die jeweiligen Partikel einwirkenden Kräfte (z. B. durch einen Rührer eingebrachter Impuls) und/oder der zeitlichen Dauer des Mischprozesses gesteuert bzw. beeinflusst werden.
Es ist möglich, dass ein Mahlen bzw. Vermahlen der Partikel der ersten und/oder zweiten Partikelfraktion, insbesondere vor der Verwendung des Baumaterials in einem additiven Fertigungsverfahren erfolgt. So kann ein Mahlen bzw. Vermahlen der ersten Partikelfraktion und/oder der zweiten Partikelfraktion vorgesehen sein, wobei eine Vermahlung der Partikel erfolgen kann. Beispielsweise wird ein Walzenstuhl und/oder eine Schlag- und/oder Prallmühle zur Ausführung des Mahlprozesses verwendet. Alternativ oder zusätzlich können die erste und zweite Partikelfraktion gemeinsam vermahlen werden, so dass sich zumindest teilweise zeitgleich ein Mischen der Partikel beider Partikelfraktionen ergibt. Beispielsweise kann ein Mahlprozess der Partikel der ersten und/oder zweiten Partikelfaktion vermittels einer Planetenkugelmühle erfolgen.
Alternativ oder zusätzlich können Partikel der ersten und/oder zweiten Partikelfraktion zumindest teilweise, bevorzugt überwiegend, besonders bevorzugt vollständig bzw. gänzlich, vor der Verwendung des Baumaterials in einem additiven Fertigungsverfahren, einer Sphärodisierung, insbesondere durch ein Flammverfahren und/oder durch ein Sprühpyrolyseverfahren und/oder durch ein Plasmabehandeln, unterzogen werden. Insbesondere erfolgt die Sphärodisierung der Partikel der ersten und/oder zweiten Partikelfraktion vor einem Mischen der ersten und zweiten Partikelfraktion zur Bildung des Baumaterialgemischs. Durch die Sphärodisierung kann beispielsweise erreicht werden, dass insbesondere die Partikel der ersten Partikelfraktion eine nicht zu zackige bzw. eine nicht zu spitze bzw. eine nicht zu scharfkantige Oberflächenstruktur und/oder Grundform aufweisen, welche ggf. die Distanzfunktion bzw. Beabstandungsfunktion der Partikel der zweiten Partikelfraktion für die Partikel der ersten Partikelfraktion beeinträchtigen oder verhindern würde. Auch könnte eine zu scharfkantige bzw. zu zackige bzw. zu spitze Oberflächenstruktur und/oder Grundform der Partikel der ersten Partikelfraktion ggf. ein Verkanten und/oder ein zumindest abschnittsweises Eindringen dieser, in die Partikelgrundform bzw. Partikeloberfläche der Partikel der ersten Partikelfraktion bedeuten. Dies könnte zu einer Beeinträchtigung der Distanzfunktion der Partikel der zweiten Partikelfraktion führen und folglich die Reduzierung der Van-der-Waals-Wechselwirkungen bzw. -kräfte negativ beeinflussen. Hingegen kann ein zumindest abschnittsweises Eindringen der Partikel der zweiten Partikelfraktion in die Partikel der ersten Partikelfraktion in einem definierten Grad bzw. Maß vorteilhaft bzw. gewünscht sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Partikel der ersten Partikelfraktion eine zumindest im Wesentlichen sphärische Form und die Partikel der zweiten Partikelfraktion eine von der sphärischen Form abweichende bzw. längliche Form und/oder kantige Oberfläche auf, wobei die Partikel der ersten Partikelfraktion im Vergleich zu den Partikeln der zweiten Partikelfraktion das weichere Material bilden. Ausgehend von der länglichen Form und/oder kantigen Oberfläche und dem härteren Material können die Partikel der zweiten Partikelfraktion zumindest abschnittsweise oberflächlich in die Partikel der ersten Partikelfraktion eindringen und dort anhaften bzw. sich form- und/oder kraftschlüssig verbinden.
Wenn sowohl die Partikel der ersten und der zweiten Partikelfraktion einem zumindest tendenziell rundlichen bzw. nicht scharfkantigen oder nicht spitzen Formideal entsprechen oder sich diesem zumindest annähern, kann der Modellvorstellung bzgl. der Distanzfunktion weitestgehend entsprochen werden und damit die Distanzfunktion der zweiten Partikelfraktion für die Partikel der ersten Partikelfraktion am wirksamsten vorliegen.
Neben dem Baumaterial und dem Verfahren betrifft die Erfindung auch ein Fahrzeug umfassend wenigstens ein hierin beschriebenes Bauteil.
Sämtliche Vorteile, Einzelheiten, Ausführungen und/oder Merkmale des erfindungsgemäßen Baumaterials sind auf das erfindungsgemäße Verfahren und/oder das erfindungsgemäße Fahrzeug übertragbar bzw. anzuwenden. Auch sind sämtliche Vorteile, Einzelheiten, Ausführungen und/oder Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens auf das erfindungsgemäße Baumaterial und/oder auf das erfindungsgemäße Fahrzeug übertragbar bzw. anzuwenden.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:

1 eine perspektivische Prinzipdarstellung im Detail der modellhaften Anordnung der Partikel der zweiten Partikelfraktion an Partikeln der ersten Partikelfraktion gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 eine Prinzipdarstellung im Detail eines Zwischenbereichs zwischen zwei Partikeln der ersten Partikelfraktion und den dort vorliegenden Partikeln der zweiten Partikelfraktion in einer ersten Ansicht;
3 eine Prinzipdarstellung im Detail eines Zwischenbereichs zwischen zwei Partikeln der ersten Partikelfraktion und den dort vorliegenden Partikeln der zweiten Partikelfraktion in einer weiteren Ansicht.

In der nachfolgenden Figurenbeschreibung ist als Verfahren zum Einsatz des Baumaterials 1 beispielshaft auf ein additives Herstellungsverfahren abgestellt, zumindest die materialspezifischen Ausführungen zu dem Baumaterials 1 sind analog auf den Einsatz des Baumaterials 1 in Fügeverfahren, insbesondere in Auftragschweißverfahren, zu verstehen.
In den nachfolgenden Figuren wird das Baumaterial 1 beispielhaft bzw. modellhaft an Partikeln 4, 4', 7, 7' der ersten und zweiten Partikelfraktion 3, 6 dargestellt, die jeweils eine kugelförmige Form bzw. eine sphärische Form aufweisen. Diese kugelförmige Form ermöglicht eine prinzipielle Darlegung der vorliegenden Wirkungsweise, wobei das Prinzip nicht auf die kugelförmige Form beschränkt ist, sondern die Partikel 4, 4', 7, 7' der ersten und/oder zweiten Partikelfraktion 3, 6 auch eine hiervon abweichende Geometrie aufweisen kann bzw. können, wobei bevorzugt eine kugelförmige oder zumindest annähernd kugelförmige Form für die Partikel 4, 4', 7, 7' der ersten und zweiten Partikelfraktion 3, 6 vorgesehen ist. Bevorzugt können die Partikel 4, 4' der ersten Partikelfraktion 3 eine kugelartige Form und die Partikel 7, 7' der zweiten Partikelfraktion 6 eine längliche Form und/oder kantige Oberfläche aufweisen.
Das Baumaterial 1 ist für ein Verfahren, insbesondere ein additives Herstellungsverfahren oder ein Fügeverfahren, zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts (nicht dargestellt), insbesondere eines Fahrzeugbauteils, vorgesehen. Das Baumaterial 1 umfasst hierbei ein pulverförmiges Baumaterialgemisch 2. Das Baumaterialgemisch 2 wird hierbei gebildet (a) zumindest aus einer ersten Partikelfraktion 3, welche Partikel 4 aus einem vermittels Einwirkung eines Energiestrahls (nicht dargestellt) verfestigbaren Partikelmaterial einer ersten Partikelgröße 5 umfasst, und (b) zumindest aus einer zweiten Partikelfraktion 6, welche Partikel 7 aus einem zur Reduzierung von auf Van-der-Waals-Wechselwirkungen zurückzuführenden Anziehungskräfte zumindest zwischen den Partikeln 4, 4' der ersten Partikelfraktion 3 dienenden zweiten Partikelmaterial einer zweiten Partikelgröße 8 umfasst. Die erste und/oder zweite Partikelgröße 5, 8 kann sich beispielsweise auf den, insbesondere mittleren und/oder maximalen und/oder minimalen, Durchmesser der Partikel 4, 4', 7, 7' der ersten und/oder zweiten Partikelfraktion 3, 6 beziehen. Alternativ oder zusätzlich kann sich die Partikelgröße auf den typischerweise auf eine charakteristische Partikelgröße einer bestimmten Partikelgrößenverteilung beziehen. Schließlich kann sich die erste und/oder zweite Partikelgröße 5, 8 auf einen Median und/oder einen Modus des Durchmessers der Partikel 4, 4', 7, 7' der ersten und/oder zweiten Partikelfraktion 3, 6 beziehen.
Das angewandte additive Fertigungsverfahren (nicht dargestellt), in welchem das Baumaterialgemisch 2 bzw. das Baumaterial 1 eingesetzt wird, kann sich beispielsweise durch ein sukzessives, schichtweises und selektives Verfestigen des Baumaterials 1 vermittels Einwirkung eines Energiestrahls (nicht dargestellt) auf das pulverförmige Baumaterial 1 zur Bildung des dreidimensionalen Objekts auszeichnen. Hierbei wird das Baumaterial 1 beispielsweise vermittels einer Rakel (nicht dargestellt) bzw. eine Beschichterklinge und/oder durch eine Kohlefaserbürste zur Bildung einer Materialschicht aufgezogen. Hierbei ist eine hinreichende Rieselfähigkeit bzw. Fließfähigkeit des Baumaterials 1 notwendig. Um diese sicherzustellen, ist die Abstimmung der Partikelgröße der Partikel 4, 4', 7, 7' der ersten und zweiten Partikelfraktion 3, 6 vorzunehmen, d. h. z. B., dass die jeweiligen Partikelgrößen, insbesondere die Partikeldurchmesser (z. B. der mittlere Partikeldurchmesser) der beiden Partikelfraktion 3, 6 kann derart angepasst bzw. gewählt sein, dass die Partikel 7, 7' der zweiten Partikelfraktion 6 als Distanzelemente zur definierten Beabstandung der Partikel 4, 4' der ersten Partikelfraktion 3 innerhalb des Baumaterialgemischs 2 wirken können. Aufgrund dieses definierten Abstands 9, d.h. eines Abstands 9 der ein definiertes Mindestmaß und ein definiertes Maximalmaß (z. B. drei Partikel 7, 7' der zweiten Partikelfraktion 6 liegen aneinander an und der sich hieraus ergebende Abstand 9 bzw. die Abstandswirkung für die Partikel 4, 4' der ersten Partikelfraktion 3) aufweisen kann, kann eine Van-der-Waals-Wechselwirkung bzw. hieraus resultierende Anziehungskraft zwischen zumindest der Partikel 4, 4' der ersten Partikelfraktion 3 reduziert werden, sodass eine hinreichende Rieselfähigkeit des Baumaterialgemischs 2 erreicht wird. Typischerweise verhindert die Van-der-Waals-Anziehungskraft eine ausreichende Rieselfähigkeit des Baumaterials 1. Die Partikel 7, 7' der zweiten Partikelfraktion 6 können in diesem Zusammenhang auch als Rieselhilfe für insbesondere die Partikel 4, 4' der ersten Partikelfraktion 3 fungieren bzw. bezeichnet werden.
Der Abstand 9 zwischen den Partikeln 4, 4' der ersten Partikelfraktion 3 ist in 2 ersichtlich. Es ist erkennbar, dass auf Grund der Anordnung der Partikel 7, 7' der zweiten Partikelfraktion 6 die Partikel 4, 4' der ersten Partikelfraktion 3 auf Abstand 9 gehalten werden.
Gemäß 3, welche eine Sicht auf einen Partikel 4 der ersten Partikelfraktion 3 aus der Zwischenebene zwischen zwei benachbarten Partikeln 4, 4' der ersten Partikelfraktion 3 zeigt ist ersichtlich, dass die Partikel 7, 7' der zweiten Partikelfraktion 6ebenfalls einen Abstand bzw. eine Strecke 10 zwischen diesen aufweist. Dabei können die Partikel 7, 7' der zweiten Partikelfraktion 6 derart, zumindest in einer idealen Modellbetrachtung, angeordnet oder ausgebildet sein, dass die drei Partikel 7, 7' der zweiten Partikelfraktion 6 eine Beabstandung bzw. einen Abstand 9 der Partikel 4, 4' der ersten Partikelfraktion 3 hervorrufen und/oder gewährleisten. Dabei können die Abstände bzw. Strecken 10 zwischen diesen drei Partikeln 7, 7' der zweiten Partikelfraktion 6 ein gleichschenkliges oder wie dargestellt ein gleichseitiges Dreieck ausbilden. Insbesondere bilden die Partikel 7, 7' ein regelmäßiges Dreieck aus. Der in 3 gezeigte Abstand 10 fußt auf theoretischen Überlegungen, in der Realität können die an der Oberfläche der Partikel 4, 4' der ersten Partikelfraktion 3 befindlichen Partikel 7, 7' der zweiten Partikelfraktion 6 ein beliebiges Dreieck bilden und die Abstände 10 zwischen diesen können beispielsweise unterschiedlich ausgebildet sein.
Die Partikel 4, 4' der ersten Partikelfraktion 3 können beispielsweise aus Metall, bevorzugt aus einem Leichtmetall, besonders bevorzugt aus einer Aluminiumlegierung bestehen. Die erwähnten Bestandteile können zumindest teilweise, bevorzugt überwiegend, besonders bevorzugt vollständig die Partikel 4, 4' der ersten Partikelfraktion 3 bilden. Beispielsweise kann das Baumaterial 1, zumindest die Partikel 4, 4' der ersten Partikelfraktion 3 zumindest teilweise, bevorzugt vollständig, aus einer Serie 1000 und/oder Serie 4000 und/oder Serie 5000 und/oder Serie 6000 und/oder Serie 7000 und/oder Serie 8000 Aluminiumlegierung bestehen.
Die Partikel 4, 4' der ersten Partikelfraktion 3 können beispielsweise aus einer metallischen Legierung bestehen, die ein metallisches Grundmaterial und wenigstens ein Legierungselement umfasst, insbesondere umfasst mindestens ein Legierungselement der metallischen Legierung Titan (Ti) und/oder Zirconium (Zr) und/oder Chrom (Cr) und/oder Wolfram (W) und/oder Magnesium (Mg) und/oder Strontium (Sr) und/oder Vanadium (V) und/oder Bor (B) und/oder Silicium (Si) und/oder Eisen (Fe) und/oder Zink (Zn) und/oder Mangan (Mn) und/oder Aluminium (AI) und/oder Kohlenstoff (C) und/oder Nickel (Ni) und/oder Molybdän (Mo).
Die Partikel 7, 7' der zweiten Partikelfraktion 6 können beispielsweise aus einer Keramik bestehen bzw. Keramikbestandteile umfassen, bevorzugt weisen die Partikel 7, 7' der zweiten Partikelfraktion 6 Titancarbid (TiC) und/oder Titanborid (TiB₂) und/oder Siliciumcarbid (SiC) und/oder Borcarbid (B₄C) und/oder Titanoxid (TiO₂) und/oder Siliciumdioxid (SiO₂) und/oder Aluminiumoxid (Al₂O₃) und/oder Zirconium(IV)-oxid (ZrO₂) und/oder Eisen(III)-oxid (Fe₂O₃) und/oder Aluminiumnitrid (AIN) und/oder Titannitrid (TiN) und/oder Siliciumnitrid (Si₃N₄) und/oder Bornitrid (BN) auf. Die jeweiligen Bestandteile können zumindest teilweise, bevorzugt überwiegend, besonders bevorzugt vollständig, die Partikel 7, 7' bzw. die zweite Partikelfraktion 6 bilden.
Die Partikel 4, 4' der ersten Partikelfraktion 3 können beispielsweise eine Partikelgröße 5 in einem Bereich von 5 µm bis 100 µm aufweisen, bevorzugt eine Partikelgröße 5 in einem Bereich von 10 µm bis 70 µm, besonders bevorzugt von 10 µm bis 45 µm und/oder von 20 µm bis 63 µm, aufweisen. Die Partikelgröße 5 kann hierbei beispielhaft als der Durchmesser der modellhaft als Kugel geformten Partikel 4, 4' verstanden werden, wobei insbesondere ein Durchmesserwert herangezogen werden kann, welcher für die Partikelfraktion 3 repräsentativ ist, d. h. z. B. ein Mittelwert (z. B. arithmetisches) oder ein Median oder ein Modus. Der Mittelwert, Median und/oder Modus kann hierbei eine Partikelgrößenverteilung innerhalb der ersten Partikelfraktion 3 angeben.
Die Partikel 7, 7' der zweiten Partikelfraktion 6 kann beispielsweise eine Partikelgröße 8 in einem Bereich von 5 nm bis 4000 nm aufweisen, bevorzugt eine Partikelgröße in einem Bereich von 10 nm bis 2000 nm, besonders bevorzugt von 10 nm bis 800 nm, höchst bevorzugt von 20 nm bis 300 nm, aufweisen. Die Partikelgröße 8 kann hierbei beispielhaft als der Durchmesser der modellhaft als Kugel geformten Partikel 7, 7' verstanden werden, wobei insbesondere ein Durchmesserwert herangezogen werden kann, welcher für die Partikelfraktion 6 repräsentativ ist, d. h. z. B. ein Mittelwert (z. B. arithmetisches) oder ein Median oder ein Modus. Der Mittelwert, Median und/oder Modus, insbesondere des Partikeldurchmessers, kann hierbei eine Partikelgrößenverteilung innerhalb der zweiten Partikelfraktion 6 angeben.
Grundsätzlich kann es vorteilhaft sein, wenn die erste und die zweite Partikelfraktion 3, 6 homogen verteilt in dem Baumaterial 1 bzw. in dem Baumaterialgemisch 2 vorliegen. Die homogene Verteilung der Partikel 4, 4', 7, 7' der beiden Partikelfraktionen 3, 6 erhöht den die Van-der-Waals-Wechselwirkungen bzw. Van-der-Waals-Kräfte reduzierenden bzw. eliminierenden Effekt auf das Baumaterialgemisch 2 und damit die Fließfähigkeit des Baumaterialgemischs 2. , Insbesondere können die Partikel 7, 7' der zweiten Partikelfraktion 6 beispielsweise homogen auf einer Pulverkornoberfläche der Partikel 4, 4' der ersten Partikelfraktion 3 verteilt vorliegen.
Die zweite Partikelfraktion 6, welche insbesondere Partikel 7, 7' umfasst, die zumindest zum Teil oder vollständig aus einem keramischen Material bzw. einer Keramik gebildet sein können, kann an dem Baumaterialgemisch 2 bzw. an dem Baumaterial 1 einen Anteil von bis zu 25 Vol.-%, bevorzugt von bis zu 10 Vol.-%, besonders bevorzugt von bis zu 6 Vol.-%, höchst bevorzugt von bis zu 3 Vol.-% ausbilden. Damit kann der Hauptanteil des Baumaterials 1 durch die erste Partikelfraktion 3 und die die Fließfähigkeit der Partikel 4, 4' der ersten Partikelfraktion 3 gewährleistende bzw. verbessernden Partikel 7, 7' der zweiten Partikelfraktion 6 einen geringeren Anteil ausbilden.
Das Baumaterial 1, insbesondere die Partikel 4, 4' der ersten Partikelfraktion 3 können sich zur Verarbeitung in einem additiven Herstellungsverfahrens eignen, insbesondere eignet sich das Baumaterial 1 zur Verarbeitung in einem selektiven Laserschmelzverfahren (SLM) und/oder in einem Elektronenstrahlschmelzverfahren, auch als Electron Beam Melting (EBM) bezeichnet, und/oder in einem Laser Metal Deposition-Verfahren (LMD) bzw. Laserauftragsschweißverfahren.
Die durch das Baumaterial 1 gebildeten Schichten können in einer Schichtdicke von 30 bis 100 µm aufgezogen werden bzw. aufweisen. Die angegebene Schichtdicke kann eine Homogenität bzw. eine Abweichung von maximal +/- 20 % zu einem Schichtdickenzielwert bzw. Schichtdickenreferenzwert, bevorzugt eine Abweichung von maximal +/- 15 %, besonders bevorzugt von maximal +/- 10 %, höchst bevorzugt von maximal 5 %, zu einem Schichtdickenzielwert bzw. Schichtdickenreferenzwert aufweisen.
Die Partikel 4, 4' der ersten Partikelfraktion 3 kann beispielsweise wenigstens annähernd eine Kugelform oder eine kugelartige Form aufweisen. Eine kugelartige Form meint dabei, dass die Abweichung der betrachteten Partikel 4, 4' zu einer idealen Kugelform maximal 30 %, bevorzugt maximal 20 %, besonders bevorzugt maximal 10 %, höchst bevorzugt maximal 5 %, beträgt. Diese kugelartige Form oder eine Kugelform der Partikel 4, 4' kann beispielsweise auf mindestens 50 Vol.-% der Partikel 4, 4', bevorzugt auf mindestens 75 Vol.-% der Partikel 4, 4', besonders bevorzugt auf mindestens 85 Vol.-% der Partikel 4, 4', höchst bevorzugt auf mindestens 95 Vol.-% der Partikel 4, 4', der ersten Partikelfraktion 3 zutreffen. Mit anderen Worten kann es vorgesehen sein, dass in einer Produktcharge der ersten Partikelfaktion 3 die Partikel 4, 4' bzw. das kugelförmige und/oder kugelartige Gut, in seiner Gesamtheit im Wesentlichen eine gleiche oder gleichartige Partikelgröße (z. B. Kugelgröße) und/oder Partikelform (z. B. Kugelform) aufweist.
Neben dem Baumaterial 1 umfasst die hierin beschriebene Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts (nicht dargestellt) in einem additiven Herstellungsverfahren unter Verwendung eines hierin beschriebenen Baumaterials 1. Dem, das Baumaterial 1 verarbeitenden, additiven Fertigungsverfahren kann ein Mischprozessschritt vorgeschaltet sein, in welchem ein Mischen der Partikel 4, 4' der ersten Partikelfraktion 3 und der Partikel 7, 7' der zweiten Partikelfraktion 6 zur Bildung eines Baumaterialgemischs 2 vorgesehen ist. Damit weist das Baumaterialgemisch 2 nach dem Mischprozessschritt sowohl die Partikel 4, 4' der ersten Partikelfraktion, als auch die Partikel 7, 7' der zweiten Partikelfraktion 6 auf, wobei die Verteilung der jeweiligen Partikel 4, 4', 7, 7' zumindest annähernd homogen im Bauteilgemisch 2 vorliegt. Hierbei kann das Mischen beispielsweise durch die Verwendung eines 3D-Schüttelmischers, z. B. eines Turbula-Mischers®, erfolgen. Das Mischen der Partikel 4, 4', 7, 7' der ersten und zweiten Partikelfraktion 3, 6 miteinander durch einen 3D-Schüttelmischer oder ein Rührwerk ermöglicht eine kostengünstige Herstellung zur Bildung eines eine hinreichende Rieselfähigkeit bzw. Fließfähigkeit aufweisenden Baumaterials 1 bzw. Baumaterialgemischs 2 zur Verwendung in einem additiven Fertigungsverfahren. Neben der angegebenen Möglichkeit der Verwendung eines 3D-Schüttelmischers können auch andere Verfahren und/oder Vorrichtungen zum Mischen der Partikel 4, 4', 7, 7' der ersten und/oder zweiten Partikelfraktion 3, 6 verwendet werden.
Alternativ oder zusätzlich können die Partikel 4, 4', 7, 7' der ersten und/oder zweiten Partikelfraktion 3, 6 einem Mahlprozess unterzogen werden.
Um möglichst eine kugelförmige Form bzw. sphärische Form aufweisende Partikel 4, 4', 7, 7' wenigstens einer, insbesondere beider, Partikelfraktion(en) 3, 6 zu erreichen, kann es vorgesehen sein, dass die Partikel 4, 4', 7, 7' zumindest teilweise, insbesondere vollständig, einer Sphärodisierung, insbesondere durch ein Flammverfahren und/oder durch ein Sprühpyrolyseverfahren und/oder durch ein Plasmabehandeln, unterzogen werden. Die Plasmabehandlung erfolgt vorzugsweise vor einem Mischprozessschritt der Partikel 4, 4', 7, 7'. Die Plasmabehandlung führt dazu, dass zumindest die, insbesondere keramischen, Partikel 7, 7' der zweiten Partikelfraktion 6 eine weniger zackige Form aufweisen bzw. eine glattere oder weniger raue Oberflächenstruktur aufweisen.
Das aus dem hierin beschriebenen Baumaterial 1 bzw. Baumaterialgemisch 2 in einem additiven Fertigungsverfahren aufgebaute Bauteil bzw. dreidimensionale Objekt kann vorzugsweise in einem Fahrzeug (nicht dargestellt) verbaut werden.
Bezugszeichenliste

1: Baumaterial
2: Baumaterialgemisch
3: erste Partikelfraktion
4, 4': Partikel von 3
5: Partikelgröße von 4, 4'
6: zweite Partikelfraktion
7, 7': Partikel von 6
8: Partikelgröße von 7, 7'
9: Abstand zwischen 4, 4'
10: Strecke zwischen 7, 7'

Claims

Baumaterial (1) für ein Verfahren, insbesondere ein additives Herstellungsverfahren oder ein Fügeverfahren, zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts, insbesondere eines Fahrzeugbauteils, wobei das Baumaterial (1) ein pulverförmiges Baumaterialgemisch (2) umfasst, das - zumindest aus einer ersten Partikelfraktion (3), welche Partikel (4, 4') aus einem vermittels Einwirkung eines Energiestrahls verfestigbaren Partikelmaterial einer ersten Partikelgröße (5) umfasst, und - zumindest aus einer zweiten Partikelfraktion (6), welche Partikel (7, 7') aus einem zur Reduzierung von auf Van-der-Waals-Wechselwirkungen zurückzuführenden Anziehungskräfte zwischen den Partikeln (4, 4') der ersten Partikelfraktion (3) dienenden zweiten Partikelmaterial einer zweiten Partikelgröße (8) umfasst, gebildet wird.
Baumaterial (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (4, 4') der ersten Partikelfraktion (3) aus Metall, bevorzugt aus einem Leichtmetall, besonders bevorzugt aus einer Aluminiumlegierung bestehen.
Baumaterial (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (4, 4') der ersten Partikelfraktion (3) aus einer metallischen Legierung bestehen, die ein metallisches Grundmaterial und wenigstens ein Legierungselement umfasst, insbesondere umfasst mindestens ein Legierungselement der metallischen Legierung Titan (Ti) und/oder Zirconium (Zr) und/oder Chrom (Cr) und/oder Wolfram (W) und/oder Magnesium (Mg) und/oder Strontium (Sr) und/oder Vanadium (V) und/oder Bor (B) und/oder Silicium (Si) und/oder Eisen (Fe) und/oder Zink (Zn) und/oder Mangan (Mn) und/oder Aluminium (AI) und/oder Kohlenstoff (C) und/oder Nickel (Ni) und/oder Molybdän (Mo).
Baumaterial (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (7, 7') der zweiten Partikelfraktion (6) aus Keramik bestehen, bevorzugt weisen die Partikel (7, 7') der zweiten Partikelfraktion (6) Titancarbid (TiC) und/oder Titanborid (TiB₂) und/oder Siliciumcarbid (SiC) und/oder Borcarbid (B₄C) und/oder Titanoxid (TiO₂) und/oder Siliciumdioxid (SiO₂) und/oder Aluminiumoxid (Al₂O₃) und/oder Zirconium(IV)-oxid (ZrO₂) und/oder Eisen(III)-oxid (Fe₂O₃) und/oder Aluminiumnitrid (AIN) und/oder Titannitrid (TiN) und/oder Siliciumnitrid (Si₃N₄) und/oder Bornitrid (BN) auf.
Baumaterial (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (4, 4') der ersten Partikelfraktion (3) eine Partikelgröße (5) in einem Bereich von 5 µm bis 100 µm aufweisen, bevorzugt eine Partikelgröße (5) in einem Bereich von 10 µm bis 70 µm, besonders bevorzugt von 10 µm bis 45 µm und/oder von 20 µm bis 63 µm, aufweisen.
Baumaterial (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (7, 7') der zweiten Partikelfraktion (6) eine Partikelgröße (8) in einem Bereich von 5 nm bis 4000 nm aufweisen, bevorzugt eine Partikelgröße (8) in einem Bereich von 10 nm bis 2000 nm, bevorzugt von 10 nm bis 800 nm, besonders bevorzugt von 10 nm bis 800 nm, höchst bevorzugt von 20 nm bis 0,300 nm, aufweisen.
Baumaterial (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Partikelfraktion (3, 6) homogen verteilt in dem Baumaterial (1) vorliegt, insbesondere sind die Partikel (7, 7') der zweiten Partikelfraktion (6) homogen auf einer Pulverkornoberfläche der Partikel (4, 4') der ersten Partikelfraktion (3) verteilt vorliegend.
Baumaterial (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite, insbesondere Keramik umfassende, Partikelfraktion (6) bis zu 25 Vol.-%, bevorzugt bis zu 10 Vol.-%, besonders bevorzugt bis zu 6 Vol.-%, höchst bevorzugt bis zu 3 Vol.-%, des Baumaterials (1) ausbildet.
Baumaterial (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich, insbesondere die Partikel (4, 4') der ersten Partikelfraktion (3) sich, zur Verarbeitung in einem additiven Herstellungsverfahren eignet bzw. eignen, insbesondere eignet sich das Baumaterial (1) zur Verarbeitung in einem selektiven Laserschmelzverfahren (SLM) und/oder einem Elektronenstrahlschmelzverfahren (EBM) und/oder einem Laserauftragsschweißverfahren (LMD).
Baumaterial (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich, insbesondere die Partikel (4, 4') der ersten Partikelfraktion (3) sich, zur Verarbeitung in einem Fügeverfahren eignet bzw. eigenen, bevorzugt eignet sich das Baumaterial (1) zur Verarbeitung in einem eine stoffschlüssige Verbindung erzeugenden Fügeverfahren, besonders bevorzugt zur Verarbeitung in einem Schweißverfahren, besonders bevorzugt zur Verarbeitung in einem Auftragschweißverfahren.
Baumaterial (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (4, 4', 7, 7') der ersten und/oder der zweiten Partikelfraktion (3, 6) zumindest annähernd, insbesondere vollständig, eine Kugelform oder eine kugelartige Form aufweisen, bevorzugt weisen die Partikel (4, 4') der ersten Partikelfraktion (3) eine kugelartige Form und die Partikel (7, 7') der zweiten Partikelfraktion (6) eine längliche Form und/oder kantige Oberfläche auf.
Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts, wobei zur Herstellung des dreidimensionalen Objekts, insbesondere zur Vermeidung von Heißrissen, ein Baumaterial (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch Mischen und/oder Mahlen der Partikel (4, 4', 7, 7') der ersten und zweiten Partikelfraktion (3, 6), insbesondere erfolgt das Mischen in einem 3D-Schüttelmischer.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, gekennzeichnet durch Sphärodisieren, insbesondere durch ein Flamm- und/oder durch ein Sprühpyrolyseverfahren und/oder durch ein Plasmabehandeln, der Partikel (4, 4', 7, 7') der ersten und/oder zweiten Partikelfraktion (3, 6) vor der Verwendung des Baumaterials (1) in einem additiven Fertigungsverfahren.
Fahrzeug, umfassend wenigstens ein dreidimensionales Objekt, insbesondere umfassend wenigstens ein Fahrzeugbauteil, nach einem der vorhergehenden Ansprüche.