DE102019202510A1 - Verfahren zur generativen Herstellung eines Bauteils und Bauteil - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur generativen Herstellung eines Bauteils (10), wobei das Bauteil (10) durch Ausbilden und selektives Aufschmelzen von Schichten (6, 7) von Pulvermaterial mit einem energiereichen Strahl (5) und Erstarren von Pulverschmelze hergestellt wird.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur generativen Herstellung eines Bauteils, insbesondere eines Bauteils, das aus einem pulverförmigem Material aus Metall durch selektives Aufschmelzen und anschließendes Erstarren gebildet wird. Ferner betrifft die Erfindung ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Bauteil.
  • Stand der Technik
  • Aus der DE 10 2016 225 616 A1 der Anmelderin ist ein Verfahren zur generativen Herstellung von Bauteilen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bekannt. Bei dem bekannten Verfahren werden die Bauteile durch schichtweisen Aufbau und lagenweises Aufschmelzen von Pulvermaterial der jeweils obersten Schicht eines Pulverbetts mit einem energiereichen Strahl, insbesondere einem Laserstrahl, und Erstarren der zuvor aufgeschmolzenen Pulverschmelze herstellen. Mittels eines derartigen Verfahrens lassen sich Bauteile erzeugen, die eine homogene Materialzusammensetzung und somit homogene Materialeigenschaften aufweisen.
  • Weiterhin ist aus der DE 10 2015 218 753 A1 ein weiteres, die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs 1 aufweisendes Verfahren bekannt, bei dem wenigstens eine aufgeschmolzene und erstarrte Schicht des Bauteils aus einem von dem restlichen Material des Bauteils unterschiedlichen Material gebildet ist. Ein derartig hergestelltes Bauteil stellt somit ein Verbundbauteil dar, sodass ggf. unterschiedliche Funktionsbereiche ausgebildet werden können, die unterschiedliche Materialieigenschaften aufweisen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur generativen Herstellung eines Bauteils mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass sich in der Randschicht des Bauteils lokal unterschiedliche Materialeigenschaften, insbesondere unterschiedliche Härten, erzielen lassen, wobei dies mit Blick auf den herstellungstechnischen Aufwand besonders einfach möglich ist.
  • Hierzu schlägt es die Lehre der Erfindung vor, dass zur Erzielung lokal unterschiedlicher Härten der Oberfläche des Bauteils für die Schichten unterschiedliche Pulvermaterialien und/oder ein zusätzliches Hilfselement in wenigstens einer Schicht verwendet werden/wird, und dass das Bauteil nach seiner generativen Herstellung als Gesamtes einer thermochemischen Behandlung unterzogen wird.
  • Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass die Realisierung von Bereichen der Oberfläche bzw. der Randschicht des Bauteils mit unterschiedlichen Härten dadurch erzielt wird, dass das Bauteil nicht nur aus unterschiedlichen Materialien bzw. unter Verwendung wenigstens eines zusätzlichen Hilfselements gebildet wird, sondern dass das Bauteil nach seiner generativen Fertigung anschließend als Gesamtes einer thermochemischen Behandlung unterzogen wird. Darunter ist zu verstehen, dass die gesamte Oberfläche des Bauteils thermochemisch behandelt wird, und nicht etwa bestimmte Bereiche beispielsweise abgedeckt bzw. geschützt werden, um diese unbehandelt zu lassen. Dadurch lässt sich die thermochemische Behandlung aus fertigungstechnischer Sicht besonders einfach und kostengünstig, auch bei großserientechnischer Anwendung, realisieren. Unter einer thermochemischen Behandlung im Sinne der Erfindung werden dabei Verfahren verstanden, bei denen durch Eindiffussion von nichtmetallischen Elementen (typischerweise Stickstoff und/oder Kohlenstoff) in der Oberfläche des Bauteils die Ausbildung einer harten und verschleißbeständigen Randschicht ermöglicht wird, wobei der Kernbereich des Bauteils unbeeinflusst bleibt.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur generativen Herstellung eines Bauteils sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
  • Zum lokalen Aufschmelzen des zur Herstellung des Bauteils verwendeten Pulvermaterials findet bevorzugt ein Laserstrahl Verwendung. Die Verwendung eines Laserstrahls hat aus vorrichtungstechnischer Sicht insbesondere den Vorteil, dass sich beispielsweise mittels geeigneter Optiken eine hochpräzise Führung und somit ein hochpräzises lokales Aufschmelzen des Pulvermaterials des Bauteils, und somit die Einhaltung geringer Bauteiltoleranzen, erzielen lässt. Alternativ können auch andere energiereiche Strahlen, wie Elektronenstrahlen, eingesetzt werden.
  • Als bevorzugte Verfahren zur thermochemischen Behandlung der Bauteile haben sich Borieren, Nitrieren, Carbonitrieren oder Nitrocarburieren herausgestellt.
  • Die Erfindung betrifft auch ein nach einem soweit beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Bauteil. Dieses zeichnet sich dadurch aus, dass als Pulvermaterial ein metallisches Pulver vorgesehen ist.
  • In einer ersten Weiterbildung zur Ausbildung des Bauteils ist es vorgesehen, dass ein zusätzliches Hilfselement in wenigstens einer Schicht des Bauteils vorgesehen ist, wobei das zusätzliche Hilfselement ein netz- oder gitterartiges Geflecht oder eine Platte ist, und wobei das zusätzliche Hilfselement aus einem anderen Material besteht als das metallische Pulver.
  • In Weiterbildung des zuletzt gemachten Vorschlags ist es vorgesehen, dass das zusätzliche Hilfselement aus einem anorganischen, nichtmetallischen Material besteht, insbesondere aus Keramik oder Kohlefaser.
  • In einer weiteren Ausgestaltung des Bauteils ist es vorgesehen, dass bei Verwendung unterschiedlicher Pulvermaterialien für die Schichten diese ein gleiches Grundmaterial und unterschiedliche Legierungsbestandteile oder bei gleichen Legierungsbestandteilen unterschiedlich hohe Anteile der Legierungsbestandteile aufweisen. Dadurch lässt sich in gewünschter Art und Weise zum einen eine Grundhärte des Bauteils erzielen, und zum anderen nach der thermochemischen Behandlung eine gewünschte Zielhärte in den unterschiedlichen Bereichen einstellen.
  • Besonders bevorzugt ist es, wenn das Grundmaterial aus Stahl besteht.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
    • 1 zeigt ein aus drei Abschnitten bestehendes, in einem generativen Herstellvorgang erzeugtes (metallisches) Bauteil in einem Längsschnitt und
    • 2 ein Ablaufdiagramm zur Verdeutlichung der wesentlichen Verfahrensschritte zur Erzeugung des Bauteils gemäß 1.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • In der 1 ist beispielhaft ein im Längsschnitt rechteckförmiges Bauteil 10 gezeigt, das aus drei, sandwichartig übereinander angeordneten Abschnitten 1, 2 und 3 besteht. Die jeweils im Ausführungsbeispiel eine zumindest näherungsweise gleiche Dicke d aufweisenden Abschnitte 1 bis 3 werden durch lokales Aufschmelzen und anschließendes Erstarren des Grundmaterials von jeweils einer Vielzahl von übereinander angeordneter Schichten 6, 7 in jedem Abschnitt 1 bis 3 gebildet, wobei der Einfachheit halber in den Abschnitten 1 bis 3 lediglich jeweils nur eine Schicht 6, 7 dargestellt sind.
  • Zum Aufschmelzen des Grundmaterials wird ein von einer im Einzelnen nicht dargestellten Laserstrahleinrichtung 4 erzeugter Laserstrahl 5 verwendet, wobei die Laserstrahleinrichtung 4 die Bestand einer aus dem Stand der Technik an sich bekannten Vorrichtung zur generativen Herstellung des Bauteils ist. Da der generelle Aufbau einer derartigen Vorrichtung an sich bekannt und nicht erfindungswesentlich ist, wird beispielhaft auf die DE 10 2016 225 616 A1 der Anmelderin verwiesen, in der eine Vorrichtung zum schichtweisen Aufbau von Bauteilen 10 im generativen Herstellverfahren offenbart ist.
  • Die Schichten 6 der beiden äußeren Abschnitte 1 und 3 des Bauteils 10 bestehen aus einem Metall, insbesondere aus Stahl als Grundmaterial, und werden in Form eines Pulvers verarbeitet bzw. lokal durch den Laserstrahl 5 in einem Pulverbett aufgeschmolzen. Demgegenüber bestehen die zwischen den beiden äußeren Abschnitten 1 und 3 angeordneten Schichten 7 des mittleren Abschnitts 2 entweder aus einem anderen (metallischen) Grundmaterial und/oder anderen Anteilen von Legierungsbestandteilen, oder aber, zusätzlich zum gleichen oder einem von dem Material der äußeren Schichten 1 und 3 unterschiedlichen Grundmaterial bzw. ist wenigstens ein zusätzliches Hilfselement 8 in Form eines netz- oder gitterartigen Geflechts bzw. Bauteils eingebracht, wobei die Zwischenräume in dem wenigstens einen zusätzlichen Hilfselement 8 ebenfalls mit dem pulverförmigen Grundmaterial (vor dem Aufschmelzen mittels des Laserstrahls 5) ausgefüllt sind.
  • Weiterhin ist anhand der 1 erkennbar, dass eine äußere Randschicht 11 des Bauteils 10 vorhanden ist, die sich insbesondere durch eine gegenüber einem zentralen Bereich 12 des Bauteils 10 größere Härte auszeichnet. Weiterhin weist die Randschicht 11 im Bereich des mittleren Abschnitts 2 eine Härte H2 auf, die im Vergleich zu der Härte H1 in der Randschicht 11 der beiden äußeren Abschnitte 1 und 3 unterschiedlich, beispielsweise höher ist. Die Randschicht 11 wird durch eine thermochemische Behandlung erzeugt, nachdem das Bauteil 10 mit seinen drei Abschnitten 1 bis 3 hergestellt wurde. Dabei wird das gesamte Bauteil 10 bzw. die gesamte Oberfläche des Bauteils 10 der thermochemischen Behandlung ausgesetzt.
  • In der 2 sind die wesentlichen Verfahrensschritte zur Erzeugung des in der 1 dargestellten Bauteils 10 mit gehärteter Randschnitt 11 gezeigt. Dabei findet in einem ersten Schritt 101 zunächst das schichtweise Ausbilden des (unteren) Abschnitts 1 statt. Anschließend erfolgt das schichtweise Ausbilden des mittleren Abschnitts 2 in einem zweiten Schritt 102. In einem dritten Schritt 103 erfolgt anschließend das schichtweise Ausbilden des dritten Abschnitts 3 auf dem zweiten bzw. mittleren Abschnitt 2. Zuletzt findet in einem vierten Schritt 104 die thermochemische Behandlung des Bauteils 10 statt.
  • Nachfolgend werden konkret drei Beispiele für unterschiedliche Materialien bzw. thermochemische Behandlungen eines Bauteils 10 genannt:
    1. a) Eine Kombination eines ferritischen oder martensitischen, niedrigchromhaltigen Stahls (Gewichtsanteil von Chrom weniger als 5%) oder eines austenitischen, hochchromhaltigen Stahls (Gewichtsanteil von Chrom mehr als 10%) mit einem hochchromhaltigen (Gewichtsanteil von Chrom mehr als 10%) ferritischen oder martensitischen Stahl. Durch eine thermochemische Behandlung in Form einer Hochtemperaturnitrierung oder Carbunierung erfolgt eine randzonennahe Härtung des Bauteils 10 nur selektiv in den Bereichen, in denen der hochchromhaltige ferritische oder matensitische Stahl vorliegt.
    2. b) Kombination eines hochchromhaltigen (Gewichtsanteil des Chroms von mehr als 10%) oder eines niedrigchromhaltigen (Gewichtsanteil von Chrom weniger als 5%) ferritischen oder martensitischen Stahls mit einem austenitischen, hochchromhaltigen (Gewichtsanteil des Chroms mehr als 10%) Stahl sowie eine anschließende Härtung der Randschicht mittels Niedertemperatur-Nitrieren, Niedertemperatur-Carbunitrieren oder Niedertemperatur-Nitrocarbonitrieren. Hierbei lässt sich der austenitische hochchromhaltige Stahl selektiv auf eine Härte von 200 HV bis zu 1300 HV härten und als Verschleißschutzschicht verwenden. Die dadurch entstandene harte austenitische Randschicht 11 wirkt zudem als Barriere gegen die Eindiffusion von Wasserstoff und reduziert dadurch die Neigung zur Wasserstoffverspröd ung.
    3. c) Kombination eines Stahls mit einem oder mehreren nitrid-/carbidbildenden Legierungsbestandteilen (z. B. Cr, Mo, Ti, V, Nb, AI) und eines Stahls, der keine oder geringere Mengen solcher Legierungselemente enthält. Durch eine anschließende thermochemische Behandlung der Randschicht 11 mittels Nitrieren, Carbonitrieren oder Nitrocarbunitieren lässt sich der Stahl selektiv härten.
  • Die Erfindung soll nicht auf die soweit beschriebenen Bauteile 10 bzw. die Verwendung der entsprechenden chemischen Elemente für die Bauteile 10 beschränkt sein.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102016225616 A1 [0002, 0018]
    • DE 102015218753 A1 [0003]

Claims (8)

  1. Verfahren zur generativen Herstellung eines Bauteils (10), wobei das Bauteil (10) durch Ausbilden und selektives Aufschmelzen von Schichten (6, 7) von Pulvermaterial mit einem energiereichen Strahl (5) und Erstarren von Pulverschmelze hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung lokal unterschiedlicher Härten (H1, H2) einer Randschicht (11) des Bauteils (10) für die Schichten (6, 7) unterschiedliche Pulvermaterialien und/oder ein zusätzliches Hilfselement (8) in wenigstens einer Schicht (7) verwendet werden/wird, und dass das Bauteil (10) nach seiner generativen Herstellung als Gesamtes einer thermochemischen Behandlung unterzogen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als energiereicher Strahl (5) ein Laserstrahl verwendet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die thermochemische Behandlung Borieren, Nitrieren, Carburieren oder Nitrocarburieren umfasst.
  4. Bauteil (10), hergestellt nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulvermaterial ein metallisches Pulver ist.
  5. Bauteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche Hilfselement (8) ein netz- oder gitterartiges Geflecht oder eine Platte ist, wobei das zusätzliche Hilfselement (8) aus einem anderen Material bzw. einem anderen Metall besteht als das Pulvermaterial.
  6. Bauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche Hilfselement (8) aus einem anorganischen, nichtmetallischen Material besteht, insbesondere aus Keramik oder Kohlefaser.
  7. Bauteil nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung unterschiedlicher Pulvermaterialien diese ein gleiches Grundmaterial und unterschiedliche Legierungsbestandteile oder bei gleichen Legierungsbestandteilen unterschiedlich hohe Anteile der Legierungsbestandteile aufweisen.
  8. Bauteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundmaterial aus Stahl besteht.
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