DE102019207389A1 - Method for the additive and / or generative production of a component and a motor vehicle - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven und/oder generativen Herstellung eines Bauteils, insbesondere ein 3D-Druckverfahren, sowie ein Kraftfahrzeug, welches ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Bauteil umfasst.Das Verfahren zur additiven und/oder generativen Herstellung eines Bauteils, insbesondere ein additives 3D-Druckverfahren, bei dem ein Formling im Wesentlichen aus Partikeln eines Metallpulvers (10) und/oder eines Metalllegierungspulvers erzeugt wird. Ferner wird bei oder vor der Erzeugung des Formlings ein Fließhilfsmittel (20) dem Metallpulver zugegeben, zwecks Herabsetzung interpartikulär wirkender Anziehungskräfte (30) zwischen benachbarten Partikeln des Metallpulvers (10). Darüber hinaus wird den Partikeln des Metallpulvers (10) und/oder dem Fließhilfsmittel (20) ein Binder zugegeben. Nach der Erzeugung des Formlings werden durch Einbringung thermischer Energie in den Formling zwischen den Partikeln des Metallpulvers (10) mechanisch feste Verbindungen ausgebildet. Dem Metallpulver wird dabei eine derartige Masse an Fließhilfsmittel (20) zugegeben, dass die Gesamtmasse des Formlings zu weniger als 10 Gew.-%, bevorzugt weniger als 5 Gew.-%, insbesondere weniger als 1 Gew.-%, durch Fließhilfsmittels (20) ausgebildet wird.The invention relates to a method for the additive and / or generative production of a component, in particular a 3D printing method, and a motor vehicle which comprises a component produced using the method according to the invention. The method for the additive and / or generative production of a component, in particular an additive 3D printing process in which a molding is essentially produced from particles of a metal powder (10) and / or a metal alloy powder. Furthermore, a flow aid (20) is added to the metal powder during or before the production of the molding, in order to reduce the forces of attraction (30) between adjacent particles of the metal powder (10) which act in an interparticle manner. In addition, a binder is added to the particles of the metal powder (10) and / or to the flow aid (20). After the molding has been produced, mechanically strong connections are formed between the particles of the metal powder (10) by introducing thermal energy into the molding. Such a mass of flow aid (20) is added to the metal powder that the total mass of the molding is less than 10% by weight, preferably less than 5% by weight, in particular less than 1% by weight, due to flow aid (20 ) is trained.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven und/oder generativen Herstellung eines Bauteils, insbesondere ein 3D-Druckverfahren, sowie ein Kraftfahrzeug, welches ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Bauteil umfasst.The invention relates to a method for the additive and / or generative production of a component, in particular a 3D printing method, and a motor vehicle which comprises a component produced using the method according to the invention.

Generative und/oder additive Herstellungsverfahren stellen in vielfältigen Bereichen, insbesondere im Bereich der Automobilindustrie, eine Zukunftstechnologie dar. Verfahren wie das Binder-Jetting, ein additives pulverbettbasiertes 3D-Druckverfahren mit anschließendem Sinterungsprozess, bieten das Potential, auch in der Serienfertigung eingesetzt werden zu können. Aus mehreren Gründen ist es dabei erstrebenswert, Pulver mit Partikeln mit einer möglichst geringen mittleren Korngröße einsetzen zu können.Generative and / or additive manufacturing processes represent a future technology in various areas, especially in the automotive industry. Processes such as binder jetting, an additive powder bed-based 3D printing process with a subsequent sintering process, offer the potential to be used in series production . For several reasons it is desirable to be able to use powders with particles with the smallest possible average grain size.

Kleinere Korngrößen ermöglichen es, einen Formling und/oder ein Bauteil mit höherer mechanischer Festigkeit herzustellen, da das Bauteil beim Herstellungsvorgang mit einer höheren Dichte bzw. einer geringeren Porosität aufgebaut werden kann. Hohe mechanische Festigkeiten des Formlings sind insbesondere bei großen Strukturbauteilen erforderlich und fördern im Hinblick auf den Formling insgesamt die Prozesssicherheit der additiven Herstellung selbst. Die gängigen Verfahrensoptionen, wie die Einstellung der Sinterparameter, bieten lediglich eingeschränkte Möglichkeiten, die Bauteildichte zu erhöhen.Smaller grain sizes make it possible to produce a molding and / or a component with higher mechanical strength, since the component can be built up with a higher density or a lower porosity during the production process. High mechanical strengths of the molded part are particularly necessary for large structural components and, with regard to the molded part as a whole, promote the process reliability of additive manufacturing itself. The common process options, such as setting the sintering parameters, only offer limited options for increasing the component density.

Neben einer Steigerung der mechanischen Festigkeit von Formling und/oder Bauteil, eröffnet die Verwendung einer kleineren mittleren Korngröße des Pulvers Potentiale im Hinblick auf die Prozesskostenoptimierung, da mit kleineren Korngrößen in der Regel höhere Sinteraktivitäten einhergehen und/oder der Sintertemperatur bietet, bei gleicher Dichte. Alternativ können höheren Dichten bei gleichen oder geringeren Temperaturen und Zeiten erreicht werden.In addition to an increase in the mechanical strength of the molded part and / or component, the use of a smaller mean grain size of the powder opens up potential with regard to process cost optimization, since smaller grain sizes usually go hand in hand with higher sintering activities and / or offer the sintering temperature, with the same density. Alternatively, higher densities can be achieved at the same or lower temperatures and times.

Ein weiterer Aspekt, welcher das Interesse an der Verwendung kleiner Korngrößen begründet, ist das Bestreben, feinere Bauteilstrukturen, insbesondere im Bauteilinneren, mittels additiver Verfahren herstellen zu können. Beim Binder-Jetting ist es beispielsweise erforderlich, überschüssiges Pulver vor dem Sintern vom Formling zu entfernen, ohne den Formling dabei zu beschädigen. Je feiner die Bauteilstrukturen sind, umso zeit- und kostenintensiver ist der Verfahrensschritt des Entpulverns. Typischerweise sind Kanäle und Aussparungen in einem Bauteil, welches mittels Binder-Jetting erzeugt wird, auf ein kleinstes lichtes Maß von 1 mm beschränkt, insbesondere bei komplexen Bauteilstrukturen.Another aspect that justifies the interest in the use of small grain sizes is the endeavor to be able to produce finer component structures, especially inside the component, by means of additive processes. With binder jetting, for example, it is necessary to remove excess powder from the molding before sintering, without damaging the molding. The finer the component structures, the more time-consuming and costly the de-powdering process step. Typically, channels and recesses in a component that is produced by means of binder jetting are limited to a smallest clear dimension of 1 mm, especially in the case of complex component structures.

Je kleiner die mittlere Korngröße eines Pulvers ist, umso stärker wirken sich interpartikuläre adhäsiv wirkende Anziehungskräfte zwischen den einzelnen Partikeln auf die Fließfähigkeit des Pulvers aus und es kommt in der Regel zu einem Verklumpen der Partikeln, sodass eine ausreichend gleichmäßige Ausbringung des Pulvers in einer Ebene erschwert wird bzw. unmöglich wird. Es besteht folglich ein hohes Interesse daran, diesen Nachteil, der mit der Verwendung kleinerer Korngrößen einhergeht, zu kompensieren. Aus dem Stand der Technik ist die grundsätzliche Möglichkeit bekannt, Fließhilfsmittel in Form von Nanopartikeln in Verbindung mit 3D-Druckverfahren einzusetzen.The smaller the mean grain size of a powder, the greater the effect of interparticle, adhesive forces of attraction between the individual particles on the flowability of the powder and the particles usually clump together, making it difficult to apply the powder evenly in one plane becomes or becomes impossible. There is consequently a great deal of interest in compensating for this disadvantage which is associated with the use of smaller grain sizes. The basic possibility of using flow aids in the form of nanoparticles in connection with 3D printing processes is known from the prior art.

Diesbezüglich wird auch auf die Beschreibung zu 1 dieser Anmeldung verwiesen.In this regard, see the description too 1 referred to this application.

Die DE 10 2016 000 435 A1 offenbart eine Substanz, welche ein Gemisch aus einem Metallpulver und einem Fließhilfsmittel ist, wobei die Substanz auf einen Träger aufgetragen wird und mit einem Laser geschmolzen wird. Derart wird ein Bauteil wird aus der Substanz schichtweise aufgebaut und mittels eines dreidimensionalen Laserdruckverfahrens verfestigt.The DE 10 2016 000 435 A1 discloses a substance which is a mixture of a metal powder and a flow aid, the substance being applied to a carrier and being melted with a laser. In this way, a component is built up in layers from the substance and solidified using a three-dimensional laser printing process.

Das Dokument US 2017/0056138 A1 lehrt ein Verfahren zur Herstellung künstlicher Zähne mittels eines Binder-Jetting-Verfahrens, bei dem der künstliche Zahn schichtweise in einem Bett aus Keramikpartikeln mittels eines Binders aufgebaut und anschließend gesintert wird. Dabei zeigt die DE US 2017/0056138 A1 in einer Ausgestaltungsform, dass dem Keramikpulver ein Fließhilfsmittel zugesetzt sein kann.The document US 2017/0056138 A1 teaches a method for producing artificial teeth by means of a binder jetting process, in which the artificial tooth is built up in layers in a bed of ceramic particles by means of a binder and is then sintered. The DE US 2017/0056138 A1 in one embodiment that a flow aid can be added to the ceramic powder.

Die US 2018/0236543 A1 lehrt eine Methode, bei der Nanopartikeln genutzt werden, um Partikeln eines Pulverbetts zu beschichten, um so die Wahrscheinlichkeit von Fehlstellen oder ähnlichen Produktionsfehlern in einem mittels Binder-Jetting herzustellenden Bauteil zu reduzieren.The US 2018/0236543 A1 teaches a method in which nanoparticles are used to coat particles of a powder bed in order to reduce the likelihood of defects or similar production errors in a component to be manufactured by means of binder jetting.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, welches auf einfache, kostengünstige und prozessoptimierte Weise die additive und/oder generative Herstellung von Bauteilen ermöglicht.The present invention is based on the object of providing a method which enables the additive and / or generative manufacture of components in a simple, cost-effective and process-optimized manner.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur additiven und/oder generativen Herstellung eines Bauteils gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen des Verfahrens werden in den Unteransprüchen 2-9 aufgezeigt.The object is achieved according to the invention by a method for the additive and / or generative production of a component according to claim 1. Advantageous embodiments of the method are shown in subclaims 2-9.

Ergänzend wird ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 10 zur Verfügung gestellt, welches wenigstens ein erfindungsgemäß hergestelltes Bauteil umfasst.In addition, a motor vehicle according to claim 10 is provided which comprises at least one component produced according to the invention.

Ein erster Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur additiven und/oder generativen Herstellung eines Bauteils, insbesondere ein additives 3D-Druckverfahren, bei dem ein Formling im Wesentlichen aus Partikeln eines Metallpulvers und/oder eines Metalllegierungspulvers erzeugt wird. Ferner wird bei oder vor der Erzeugung des Formlings ein Fließhilfsmittel dem Metallpulver zugegeben, zwecks Herabsetzung interpartikulär wirkender Anziehungskräfte zwischen benachbarten Partikeln des Metallpulvers. Darüber hinaus wird den Partikeln des Metallpulvers und/oder dem Fließhilfsmittel ein Binder zugegeben. Nach der Erzeugung des Formlings werden durch Einbringung thermischer Energie in den Formling zwischen den Partikeln des Metallpulvers stoffschlüssige Verbindungen ausgebildet. Dem Metallpulver wird dabei eine derartige Masse an Fließhilfsmittel zugegeben, dass die Gesamtmasse des Formlings zu weniger als 10 Gew.-%, bevorzugt weniger als 5 Gew.-%, insbesondere weniger als 1 Gew.-%, durch Fließhilfsmittels ausgebildet wird.A first aspect of the invention is a method for the additive and / or generative production of a component, in particular an additive 3D printing method in which a molding is produced essentially from particles of a metal powder and / or a metal alloy powder. Furthermore, a flow aid is added to the metal powder during or before the production of the molding, in order to reduce the forces of attraction between adjacent particles of the metal powder which act interparticle. In addition, a binder is added to the particles of the metal powder and / or the flow aid. After the molding has been produced, material connections are formed between the particles of the metal powder by introducing thermal energy into the molding. Such a mass of flow aid is added to the metal powder that the total mass of the molding is less than 10% by weight, preferably less than 5% by weight, in particular less than 1% by weight, formed by flow aid.

Typischerweise handelt es sich bei dem Metallpulver um ein Pulver, welches im Wesentlichen Eisen und/oder eine Eisenlegierung, Stahl und/oder Stahllegierungen, Kupfer und/oder eine Kupferlegierung, Titan und/oder eine Titanlegierung, Aluminium und/oder eine Aluminiumlegierung, Magnesium und/oder Magnesiumlegierungen, Nickelbasislegierungen, sowie Gold, Silber, Bronze und deren Legierungen umfasst. Dabei sind Kombinationen mehrerer Metalle und/oder Metalllegierungen, sowie andere als die genannten Metalle und/oder Metalllegierungen, nicht ausgeschlossen. Eine Anwendung des Verfahrens unter Verwendung eines Pulvers basierend auf Kunststoff- oder Keramikpartikeln alternativ zu einem Metallpulver ist ebenfalls grundsätzlich nicht ausgeschlossen.Typically, the metal powder is a powder which essentially consists of iron and / or an iron alloy, steel and / or steel alloys, copper and / or a copper alloy, titanium and / or a titanium alloy, aluminum and / or an aluminum alloy, magnesium and / or magnesium alloys, nickel-based alloys, as well as gold, silver, bronze and their alloys. Combinations of several metals and / or metal alloys, as well as metals and / or metal alloys other than those mentioned, are not excluded. An application of the method using a powder based on plastic or ceramic particles as an alternative to a metal powder is likewise not fundamentally excluded.

Im Folgenden wird zur Erläuterung der Erfindung anstelle von Metallpulver und/oder Metalllegierungspulver lediglich der Begriff Metallpulver verwendet.In the following, instead of metal powder and / or metal alloy powder, only the term metal powder is used to explain the invention.

Zwischen den Partikeln, insbesondere zwischen den Partikeloberflächen benachbarter Partikeln, des Metallpulvers, wirken interpartikuläre Anziehungskräfte, insbesondere physikalisch-chemische adhäsiv wirkende Kräfte, wie beispielsweise Wasserstoffbrückenbindungen, van-der Waals-Kräfte und/oder elektrostatische Kräfte. Je kleiner die Partikeln sind, umso stärken wirken besagte Anziehungskräfte. Mit anderen Worten neigen die Partikeln des Metallpulvers mit abnehmender Partikelgröße dazu, zu Aggregaten zu verklumpen, wobei im Sinne der Erfindung unter einem Aggregat ein Partikelverbund zu verstehen ist, der im Wesentlichen über interpartikuläre Anziehungskräfte ausgebildet wird und wobei im Wesentlichen keine stoffschlüssigen mechanischen Verbindungen zwischen den Partikeln ausgebildet werden.Between the particles, in particular between the particle surfaces of neighboring particles, of the metal powder, interparticle forces of attraction act, in particular physico-chemical forces acting adhesively, such as hydrogen bonds, van der Waals forces and / or electrostatic forces. The smaller the particles, the stronger the said forces of attraction. In other words, as the particle size decreases, the particles of the metal powder tend to clump together to form aggregates, whereby in the context of the invention an aggregate is understood to mean a particle composite which is essentially formed via interparticle forces of attraction and essentially no cohesive mechanical connections between the Particles are formed.

Unter dem Fließhilfsmittel ist eine Substanz zu verstehen, welche im Wesentlichen aus Partikeln besteht und als Pulver oder als Suspension vorliegt. Das Fließhilfsmittel ordnet sich, wenn es dem Metallpulver zugegeben wird, an der Oberfläche der Partikeln des Metallpulvers an. Insbesondere ordnet es sich zwischen den Partikeloberflächen benachbarter Partikeln des Metallpulvers an. Die Anordnung des Fließhilfsmittels zwischen den Partikeln des Metallpulvers bewirkt eine Herabsetzung der interpartikulär wirkenden physikalisch-chemischen Anziehungskräfte zwischen den benachbarten Partikeln des Metallpulvers. Mit anderen Worten wird die Neigung der Partikeln des Metallpulvers, zu Aggregaten zu verklumpen, reduziert und somit die Fließfähigkeit verbessert.The flow aid is to be understood as a substance which consists essentially of particles and is present as a powder or as a suspension. When it is added to the metal powder, the flow aid arranges itself on the surface of the particles of the metal powder. In particular, it is arranged between the particle surfaces of neighboring particles of the metal powder. The arrangement of the flow aid between the particles of the metal powder has the effect of reducing the interparticle-acting physico-chemical attractive forces between the neighboring particles of the metal powder. In other words, the tendency of the particles of the metal powder to clump to form aggregates is reduced and the flowability is thus improved.

Im erfindungsgemäßen Verfahren wird dem Metallpulver eine derartige Masse an Fließhilfsmittel zugegeben, dass die Gesamtmasse des Formlings zu weniger als 10 Gew.-%, bevorzugt weniger als 5 Gew.-%, insbesondere weniger als 1 Gew.-%, durch das Fließhilfsmittel ausgebildet wird. Dabei bezeichnet Gew.-% den Anteil in Gewichtsprozent. Mit anderen Worten setzt sich die Gesamtmasse des Formlings insgesamt zu höchstens 10 Gew.-% aus dem Fließhilfsmittel, und zu wenigstens 90 Gew.-% aus Metallpulver und/oder Binder zusammen. Die Zugabe des Fließhilfsmittels bewirkt dabei eine Verbesserung der Fließeigenschaften und reduziert die Aggregation der Partikeln des Metallpulvers.In the method according to the invention, such a mass of flow aid is added to the metal powder that the total mass of the molding is less than 10% by weight, preferably less than 5% by weight, in particular less than 1% by weight, formed by the flow aid . % By weight denotes the proportion in percent by weight. In other words, the total mass of the molding is composed of at most 10% by weight of the flow aid and at least 90% by weight of metal powder and / or binder. The addition of the flow aid improves the flow properties and reduces the aggregation of the particles in the metal powder.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltungsform, werden dem Metallpulver vor Ausbringung weniger als 0,5 Gew.-%, bevorzugt weniger als 0,25 Gew.-% des Fließhilfsmittels, bezogen auf die Masse des Formlings, zugegeben. Das bedeutet beispielhaft, dass in diesem Fall die Gesamtmasse des auszubringenden Pulvers zu mehr als 99,5 Gew.-% das Metallpulver und zu weniger als 0,5 Gew.-% das Fließhilfsmittel umfasst.In a particularly preferred embodiment, less than 0.5% by weight, preferably less than 0.25% by weight of the flow aid, based on the mass of the molding, is added to the metal powder before it is applied. This means, for example, that in this case the total mass of the powder to be applied comprises more than 99.5% by weight of the metal powder and less than 0.5% by weight of the flow aid.

Die Angaben in Gewichtsprozent mit der Einheit Gew.-% können dabei ebenso als Angaben in Massenprozent mit der Einheit Ma% oder als Massenbruch mit der Einheit % verstanden werden.The data in percent by weight with the unit weight% can also be understood as data in mass percent with the unit Ma% or as a mass fraction with the unit%.

Es ist dabei nicht ausgeschlossen, dass beim Herstellungsprozess eines Bauteils abschnittsweise verschiedene Fließhilfsmittel eingesetzt werden, die sich in ihren physikalisch-chemischen Eigenschaften unterscheiden. Ferner ist es möglich, die auszubringende Masse des Fließhilfsmittels im Herstellungsprozess abschnittsweise zu variieren. Dies ermöglicht es, bestimmte Bauteileigenschaften lokal unterschiedlich auszuprägen.It cannot be ruled out that in the manufacturing process of a component, different flow aids are used in sections, which differ in their physicochemical properties. It is also possible to vary the mass of the flow aid to be applied in sections in the manufacturing process. This enables certain component properties to be expressed locally differently.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren handelt es sich insbesondere um ein Verfahren nach dem Prinzip des Binder-Jetting. Hierbei wird zunächst ein Metallpulver, also ein formloses Material, als Schicht ausgebracht. Anschließend wird ein sogenannter Binder auf die Schicht aufgetragen. Der Binder wird dabei in die Bereiche der Pulverschicht aufgebracht bzw. eingebracht, in denen das Material in einem späteren Prozessschritt verfestigt werden soll, um so das Bauteil auszubilden, insbesondere die Bauteilform zu stabilisieren und zu wahren. Dieser Vorgang wird mehrfach wiederholt. Auf diese Art wird zunächst schichtweise ein Formling erzeugt. Der Binder selbst hat primär die Funktion, den Formling bis zur eigentlichen Verfestigung des Bauteils mittels adhäsiver Kräfte auszubilden bzw. die Partikeln in der Form des herzustellenden Bauteils zusammenzuhalten und in dem Maße mechanisch zu stabilisieren, dass der Formling weiteren Bearbeitungsschritten beschädigungsfrei zugeführt werden kann. Der Binder wird aus dem Formling in der Regel vor und/oder während des Verfestigungsprozesses des herzustellenden Bauteils mittels Temperatureinwirkung, insbesondere durch einen Entbinderungsvorgang, entfernt.The method according to the invention is in particular a method based on the principle of binder jetting. Here, a metal powder, i.e. a shapeless material, is first applied as a layer. A so-called binder is then applied to the layer. The binder is applied or introduced into the areas of the powder layer in which the material is to be solidified in a later process step in order to form the component, in particular to stabilize and maintain the component shape. This process is repeated several times. In this way, a molding is first produced in layers. The primary function of the binder itself is to form the molding by means of adhesive forces until the component actually solidifies, or to hold the particles together in the shape of the component to be produced and to stabilize them mechanically to the extent that the molding can be fed to further processing steps without damage. The binder is usually removed from the molding before and / or during the solidification process of the component to be produced by means of the action of temperature, in particular by a debinding process.

Unter einem Formling ist hier ein Grünling oder ein Grünteil zu verstehen. Es handelt sich dabei um ein Zwischenprodukt in einem additiven und/oder generativen Herstellungsprozess, welches vorzugsweise durch einen gerichteten Ausbringungsprozess hergestellt wird, wie dies beispielsweise beim Binder-Jetting der Fall ist. Dabei ist nicht zwingend eine Form zum Aufbau des Formlings bzw. Grünlings zu verwenden.A molding is to be understood here as a green compact or a green part. This is an intermediate product in an additive and / or generative manufacturing process, which is preferably manufactured by a directed application process, as is the case, for example, with binder jetting. In this case, it is not absolutely necessary to use a mold for building up the molding or green part.

Typischerweise findet nach dem Aufbau des Formlings aus dem Metallpulver und ggf. einem darauffolgenden insbesondere thermischen Aushärten des Binders ein sogenannter Entpulverungsprozess statt. Das bedeutet, dass überschüssiges, also für die Ausbildung des herzustellenden Bauteils nicht erforderliches, ausgebrachtes Metallpulver vom Formteil entfernt wird. Dabei ist es nicht ausgeschlossen, dass in den Formling zwecks Entfernung von Pulverresten mechanische Energie beispielsweise in Form von Vibrationen und/oder Druckluft eingebracht wird.Typically, a so-called de-powdering process takes place after the molding has been built up from the metal powder and, if necessary, a subsequent, in particular thermal, curing of the binder. This means that excess metal powder, that is not required for the formation of the component to be manufactured, is removed from the molded part. It is not excluded that mechanical energy, for example in the form of vibrations and / or compressed air, is introduced into the molding for the purpose of removing powder residues.

Der Eintrag thermischer Energie bzw. die Einbringung von Wärme in den Formling dient der Ausbildung mechanischer Verbindungen, insbesondere stoffschlüssiger Verbindungen, zwischen den Partikeln des Metallpulvers zwecks Verfestigung des herzustellenden Bauteils. Nach der Wärmebehandlung und der damit einhergehenden Verfestigung bzw. Festigkeitssteigerung kann weiterhin eine Entpulverung von nicht verfestigten Bereichen stattfinden.The input of thermal energy or the introduction of heat into the molding serves to form mechanical connections, in particular material connections, between the particles of the metal powder for the purpose of solidifying the component to be produced. After the heat treatment and the associated solidification or increase in strength, powder removal of non-solidified areas can still take place.

Die thermische Energie wird typischerweise bei einem Sinterprozess in den Formling eingebracht. Dazu wird der Formling in eine entsprechende Sintereinrichtung, typischerweise einen Sinterofen, verbracht, mittels welcher die erforderliche Temperatur realisiert wird. Die Sintereinrichtung kann dabei sowohl als Batch-Ofen als auch als Durchlaufofen ausgeführt sein.The thermal energy is typically introduced into the molding during a sintering process. For this purpose, the molding is placed in a corresponding sintering device, typically a sintering furnace, by means of which the required temperature is achieved. The sintering device can be designed both as a batch furnace and as a continuous furnace.

Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in einer Reduzierung der Aggregationsneigung bzw. dem Verklumpen von Partikeln eines Metallpulvers oder Metalllegierungspulvers durch die Verwendung eines Fließhilfsmittels im additiven und/oder generativen Herstellungsverfahren. Dies ermöglicht die Ausbringung gleichmäßiger und homogener Pulverschichten insbesondere bei der Ausbringung von Pulvern mit einer geringen mittleren Korngröße und führt zu einer Steigerung der Bauteilqualität, insbesondere bei der Verwendung von Pulvern mit einer geringen mittleren Korngröße.The particular advantage of the method according to the invention is a reduction in the tendency to aggregate or the clumping of particles of a metal powder or metal alloy powder through the use of a flow aid in the additive and / or generative manufacturing process. This enables the application of uniform and homogeneous powder layers, in particular when applying powders with a small average grain size, and leads to an increase in component quality, in particular when using powders with a small average grain size.

In einer Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens beträgt die mittlere Korngröße der Partikeln des Metallpulvers weniger als 20 |jm, bevorzugt weniger als 10 |jm, besonders bevorzugt weniger als 5 µm. Unter der mittleren Korngröße ist im Sinne der Erfindung der d50-Wert bzw. der Median einer Partikelgrößenverteilung zu verstehen.In one embodiment of the method according to the invention, the mean grain size of the particles of the metal powder is less than 20 μm, preferably less than 10 μm, particularly preferably less than 5 μm. For the purposes of the invention, the mean grain size is to be understood as meaning the d 50 value or the median of a particle size distribution.

Die mittlere Korngröße eines Metallpulvers im besagten Korngrößenbereich wird gemäß DIN3405B2 typischerweise mittels Laserbeugung, dynamischer Bildanalyse, Trockensiebung und/oder Bildaufnahme mit Licht- oder Rasterelektronenmikroskop bestimmt.The mean grain size of a metal powder in the said grain size range is typically determined in accordance with DIN3405B2 by means of laser diffraction, dynamic image analysis, dry sieving and / or image recording with a light or scanning electron microscope.

Es ist dabei nicht zwingend erforderlich, dass es sich um im Wesentlichen runde bzw. sphärische Partikeln handelt. Es ist ebenso möglich, dass das Metallpulver ganz oder teilweise aus amorphen oder sogenannten spratzigen Partikeln besteht. Die Verteilung der Korngrößen im Metallpulver kann dabei im Wesentlichen normalverteilt sein, wobei andere Verteilungen nicht ausgeschlossen sind. Die Form und die Größe der Partikeln werden im Wesentlichen durch das Herstellungsverfahren des Metallpulvers bestimmt.It is not absolutely necessary that the particles are essentially round or spherical. It is also possible for the metal powder to consist entirely or partially of amorphous or so-called spattered particles. The distribution of the grain sizes in the metal powder can essentially be normally distributed, other distributions not being excluded. The shape and size of the particles are essentially determined by the manufacturing process for the metal powder.

Mittels kleinerer Korngrößen lassen sich dichtere Partikelpackungen beim Aufbau des Formlings realisieren. Mit anderen Worten ist bei der Verwendung kleinerer Korngrößen die Porosität des Formlings geringer bzw. die Dichte des Formlings höher. Eine dichtere Partikelpackung hat sowohl vor als auch nach einem Sinterprozess eine höhere mechanische Festigkeit des Formlings bzw. des Bauteils zur Folge. Je höher die Festigkeit des Formlings, umso mehr Energie kann zwecks Entpulverung in den Formling eingebracht werden, ohne diesen zu beschädigen. Mit anderen Worten wird die Entpulverung durch einen mechanisch fest aufgebauten Formling vereinfacht und der Entpulverungsprozess kann effizienter gestaltet werden.By using smaller grain sizes, denser particle packings can be achieved when building up the molding. In other words, when using smaller grain sizes, the porosity of the molding is lower or the density of the molding is higher. A more dense particle packing results in a higher mechanical strength of the molding or the component both before and after a sintering process. The higher the strength of the molding, the more energy can be introduced into the molding for the purpose of de-powdering without damaging it. In other words, the De-powdering is simplified by a mechanically firmly constructed molding and the de-powdering process can be made more efficient.

Ein Vorteil der Verwendung von Metallpulvern mit einer Partikelgröße von weniger als 20 µm besteht in einer höheren mechanischen Festigkeit von Formling und/der Bauteil.One advantage of using metal powders with a particle size of less than 20 µm is the higher mechanical strength of the molding and / of the component.

Mit kleineren Korngrößen geht ferner eine höhere Partikeloberfläche des Pulvers einher, wobei hier unter der Partikeloberfläche im Wesentlichen die äußere kumulierte Oberfläche der Partikeln des Metallpulvers gemeint ist. Die Partikeloberfläche steht in funktionalem Zusammenhang mit der Oberflächenenergie, welche wiederum mit der Sinteraktivität in funktionalem Zusammenhang steht. Es gilt dabei, dass je größer die kumulierte Partikeloberfläche bzw. Gesamtpartikeloberfläche des Pulvers ist, umso höher ist die Sinteraktivität, also das Bestreben des Systems, die Oberflächenenergie durch Diffusionsprozesse zu verringern.Smaller grain sizes also go hand in hand with a higher particle surface area of the powder, whereby the particle surface essentially means the outer cumulated surface of the particles of the metal powder. The particle surface is functionally related to the surface energy, which in turn is functionally related to the sintering activity. The rule here is that the larger the cumulative particle surface or total particle surface of the powder, the higher the sintering activity, i.e. the system's endeavor to reduce the surface energy through diffusion processes.

Entsprechend ist die für einen Sintervorgang erforderliche Aktivierungsenergie bei kleineren Korngrößen geringer, und die Sinterzeit und/oder die Sintertemperatur kann insbesondere bei gleicher Dichte verringert werden.Correspondingly, the activation energy required for a sintering process is lower with smaller grain sizes, and the sintering time and / or the sintering temperature can be reduced, in particular with the same density.

Im erfindungsgemäßen Verfahren wird in einer speziellen Ausgestaltungsform mittels der Sintereinrichtung eine Temperatur von weniger als 98%, bevorzugt weniger als 90%, besonders bevorzugt weniger als 85%, der der stofflichen Zusammensetzung des Metallpulvers entsprechenden üblichen Sintertemperatur realisiert. Alternativ oder zusätzlich beträgt im erfindungsgemäßen Verfahren die Sinterzeit, also die Zeit der Temperatureinwirkung auf den Formling im Sinterprozess, weniger als 97,5%, bevorzugt 90% besonders bevorzugt 85% der für die stoffliche Zusammensetzung des Metallpulvers entsprechenden üblichen Sinterzeit.In the method according to the invention, a temperature of less than 98%, preferably less than 90%, particularly preferably less than 85% of the usual sintering temperature corresponding to the material composition of the metal powder is achieved by means of the sintering device in a special embodiment. Alternatively or additionally, in the method according to the invention, the sintering time, i.e. the time of temperature action on the molding in the sintering process, is less than 97.5%, preferably 90%, particularly preferably 85%, of the usual sintering time corresponding to the material composition of the metal powder.

Beispielsweise ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren die Reduzierung der Sintertemperatur bei der Stahllegierung AISI 316L (X2CrNiMoN17-13-3) von typischerweise 1385 °C auf 1350 °C.For example, the method according to the invention enables the sintering temperature to be reduced in the case of the steel alloy AISI 316L (X2CrNiMoN17-13-3) from typically 1385 ° C to 1350 ° C.

Der Vorteil dieser speziellen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass durch die Verwendung von Pulvern mit mittleren Korngrößen von weniger als 20 µm entsprechend die Herstellungskosten, insbesondere die sinterspezifischen Herstellungskosten, bei der additiven und/oder generativen Herstellung von Bauteilen, insbesondere im Binder-Jetting-Verfahren, reduziert werden können.The advantage of this special embodiment of the method according to the invention is that, through the use of powders with mean grain sizes of less than 20 μm, the production costs, in particular the sinter-specific production costs, in the additive and / or generative production of components, in particular in binder jetting -Procedures that can be reduced.

In einer weiteren Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Metallpulver zusammen mit dem Fließhilfsmittel ausgebracht.In a further embodiment of the method according to the invention, the metal powder is applied together with the flow aid.

Insbesondere beim Binder Jetting, aber auch bei anderen pulverbasierten additiven Herstellungsverfahren, wird das Bauteil bzw. der Formling schichtweise aufgebaut. Dazu werden abwechselnd eine Metallpulverschicht und ein Binder in den Herstellungsbereich ausgebracht.Especially with binder jetting, but also with other powder-based additive manufacturing processes, the component or the molding is built up in layers. For this purpose, a metal powder layer and a binder are alternately applied to the production area.

Vorteilhafterweise wird dazu das Metallpulver vor dem Ausbringen mit dem Fließhilfsmittel vermischt, sodass das Metallpulver zusammen mit dem Fließhilfsmittel ausgebracht werden kann. Die Mischung von Metallpulver und Fließhilfsmittel erfolgt bevorzugt in einer Mischeinrichtung. Dabei wird vorteilhafterweise eine im Wesentlichen homogene Verteilung des Fließhilfsmittels im Pulver realisiert.For this purpose, the metal powder is advantageously mixed with the flow aid before it is dispensed, so that the metal powder can be dispensed together with the flow aid. The metal powder and flow aid are preferably mixed in a mixing device. In this case, an essentially homogeneous distribution of the flow aid in the powder is advantageously achieved.

Die Mischeinrichtung ist bevorzugt so gestaltet, dass die mechanische Belastung der Partikeln während des Mischvorgangs möglichst gering ist, sodass einzelne Partikeln möglichst nicht in ihrer Form und Größe verändert werden. Mit anderen Worten kommt es durch den Energieeintrag beim Mischen vorteilhafterweise nicht zu einer Verkleinerung der mittleren Korngröße des Metallpulvers und/oder der mittleren Partikelgröße des Fließhilfsmittels. Dies kann mit einer Mischeinrichtung mit bewegtem Behälter, wie beispielsweise einem Taumelmischer, realisiert werden.The mixing device is preferably designed in such a way that the mechanical stress on the particles during the mixing process is as low as possible, so that the shape and size of individual particles are not changed as far as possible. In other words, the energy input during mixing advantageously does not lead to a reduction in the mean grain size of the metal powder and / or the mean particle size of the flow aid. This can be achieved with a mixing device with a moving container, such as a tumble mixer.

Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht vor allem darin, dass das Metallpulver trotz kleiner mittlerer Korngrößen in einer gleichmäßigen Weise ausgebracht werden kann und Metallpulveraggregate in der Pulverschicht bei der Ausbringung vermieden, zumindest jedoch verringert werden.The advantage of this embodiment is primarily that the metal powder can be applied in a uniform manner in spite of the small mean grain sizes and metal powder aggregates in the powder layer are avoided, or at least reduced, during the application.

In einer alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Fließhilfsmittel zusammen mit dem Binder dem Metallpulver zugegeben bzw. in das Metallpulver ausgebracht. Dabei ist es ebenso möglich, dass eine Mischung von Metallpulver, Fließhilfsmittel und Binder gemeinsam ausgebracht werden. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass lediglich dort Fließhilfsmittel ausgebracht wird, wo auch feste Bauteilstrukturen erzeugt werden sollen und/oder dort wo komplexe oder feine Bauteilstrukturen besondere Anforderungen an die Entpulverung stellen.In an alternative embodiment of the method according to the invention, the flow aid is added to the metal powder together with the binder or applied to the metal powder. It is also possible here for a mixture of metal powder, flow aid and binder to be applied together. The advantage of this configuration is that flow aids are only applied where solid component structures are to be produced and / or where complex or fine component structures make special demands on the powder removal.

Insbesondere in dieser Ausgestaltung ist es vorteilhaft, dass die Dichte des Fließhilfsmittels wenigstens 0,05 g/cm3 und höchstens 0,5 g/cm3, bevorzugt eine Dichte von wenigstens 0,05 g/cm3 und höchstens 0,3 g/cm3, beträgt. Unter der Dichte des Fließhilfsmittels ist im Sinne der Erfindung die Stampfdichte bzw. Klopfdichte in Anlehnung an ISO787 / 11 zu verstehen, sofern das Fließhilfsmittel als Pulver vorliegt. Die Stampfdichte gibt die Masse eines Kubikzentimeters einer verdichteten Partikelschüttung an. Liegt das Fließhilfsmittel als Suspension vor, so gilt für die Dichte der Suspension ein bevorzugter Wertebereiche von wenigstens 0,5 g/cm3 und höchstens 1,5 g/cm3 bezogen auf einen Kubikzentimeter der Suspension.In this embodiment in particular, it is advantageous that the density of the flow aid is at least 0.05 g / cm 3 and at most 0.5 g / cm 3 , preferably a density of at least 0.05 g / cm 3 and at most 0.3 g / cm 3 . For the purposes of the invention, the density of the flow aid is the tapped density or tapped density based on ISO787 / 11 is to be understood if the flow aid is in the form of a powder. The tamped density indicates the mass of one cubic centimeter of a compacted bed of particles. If the flow aid is present as a suspension, a preferred range of values of at least 0.5 g / cm 3 and at most 1.5 g / cm 3 based on one cubic centimeter of the suspension applies to the density of the suspension.

Alternativ oder zusätzlich beträgt die dynamische Viskosität des Fließhilfsmittels, insbesondere in der Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem das Fließhilfsmittel zusammen mit einem Binder ausgebracht wird, vorteilhafterweise wenigstens 0,001 Pa s und höchstens 0,01 Pa s.Alternatively or additionally, the dynamic viscosity of the flow aid, in particular in the embodiment of the method according to the invention, in which the flow aid is applied together with a binder, is advantageously at least 0.001 Pa s and at most 0.01 Pa s.

Bei dem Binder handelt es sich vorteilhafterweise um einen wasserbasierten oder lösungsmittelbasierten Binder. Die Dichte des Binders beträgt vorteilhafterweise wenigstens 0,5 g/cm3 höchstens jedoch 1,5 g/cm3.The binder is advantageously a water-based or solvent-based binder. The density of the binder is advantageously at least 0.5 g / cm 3, but at most 1.5 g / cm 3 .

In einer Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das Fließhilfsmittel im Wesentlichen metalloxidische, übergangsmetalloxidische und/oder halbmetalloxidische Partikeln.In one embodiment of the method according to the invention, the flow aid essentially comprises metal-oxide, transition-metal-oxide and / or semi-metal-oxide particles.

Unter einem Halbmetall sind chemische Elemente zu verstehen, die im Periodensystem zwischen Metallen und Nichtmetallen angeordnet sind und beiden Elementgruppen nicht eindeutig zugeordnet werden können. Diese Elementgruppe umfasst unter anderem Silizium.A semimetal is to be understood as meaning chemical elements which are arranged between metals and non-metals in the periodic table and which cannot be clearly assigned to both element groups. This group of elements includes silicon.

Es ist nicht ausgeschlossen, dass die Partikeln des Fließhilfsmittel mit dem Metallpulver während der Verfestigung unter Temperatureinwirkung wenigstens teilweise mechanische, insbesondere stoffschlüssige, Verbindungen und/oder wenigstens bereichsweise eine Legierung ausbilden.It is not excluded that the particles of the flow aid with the metal powder form at least partially mechanical, in particular cohesive, connections and / or at least in some areas an alloy during the solidification under the action of temperature.

Fließhilfsmittel aus im Wesentlichen metalloxidischen, übergangsmetalloxidischen und/oder halbmetalloxidischen Partikeln sind in einfacher und kostengünstiger Weise herstellbar.Flow aids made from essentially metal-oxide, transition-metal-oxide and / or semi-metal-oxide particles can be produced in a simple and cost-effective manner.

Grundsätzlich sind Fließhilfsmittel auf einer Basis einer Keramik oder eines Kunststoffs nicht ausgeschlossen.In principle, flow aids based on a ceramic or a plastic are not excluded.

In einer weiteren Ausgestaltungsform umfasst das Fließhilfsmittel zu mehr als 90 Gew.-% ein Siliciumoxid, insbesondere ein Siliciumdioxid.In a further embodiment, the flow aid comprises more than 90% by weight of a silicon oxide, in particular a silicon dioxide.

Bevorzugt umfasst das Fließhilfsmittel pyrogenes Siliciumdioxid. Pyrogenes Silicumdioxid wird auch als pyrogene Kieselsäure bezeichnet. Dabei handelt es sich um synthetische amorphe Siliciumdioxidpartikeln, die in Flammprozessen hergestellt werden.The flow aid preferably comprises pyrogenic silicon dioxide. Fumed silica is also known as fumed silica. These are synthetic amorphous silicon dioxide particles that are produced in flame processes.

Fließhilfsmittel, welche insbesondere auf pyrogenem Siliciumdioxid basieren, sind im Hinblick auf ihre für das erfindungsgemäße Verfahren relevanten chemisch-physikalischen Eigenschaften flexibel einstellbar.Flow aids, which are based in particular on pyrogenic silicon dioxide, can be flexibly adjusted with regard to their chemical-physical properties relevant to the process according to the invention.

In einer alternativen Ausgestaltungsform umfasst das Fließhilfsmittel im Wesentlichen Tricalciumphosphat. Tricalciumphosphat wird auch in der Lebensmittelindustrie zum Erhalt oder zur Erzeugung rieselfähiger Schüttgüter eingesetzt.In an alternative embodiment, the flow aid essentially comprises tricalcium phosphate. Tricalcium phosphate is also used in the food industry to preserve or produce free-flowing bulk goods.

Des Weiteren kann das Fließhilfsmittel Kohlenstoff und/oder Spuren von anderen Metallen, Halbmetallen und/oder Übergangsmetallen wie beispielsweise Aluminium, Calcium, Chrom, Kupfer, Eisen, Kalium, Lithium, Magnesium, Natrium, Nickel, Phosphor, Titan, Zirkonium, umfassen. Unter dem Begriff Spuren sind Gehalte im Konzentrationsbereich weniger ppm zu verstehen.Furthermore, the flow aid can comprise carbon and / or traces of other metals, semi-metals and / or transition metals such as aluminum, calcium, chromium, copper, iron, potassium, lithium, magnesium, sodium, nickel, phosphorus, titanium, zirconium. The term traces means contents in the concentration range of a few ppm.

In einer weiteren Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das Fließhilfsmittel im Wesentlichen Partikeln mit einer mittleren Partikelgröße von weniger als 50 nm, bevorzugt weniger als 20 nm.In a further embodiment of the method according to the invention, the flow aid essentially comprises particles with an average particle size of less than 50 nm, preferably less than 20 nm.

In dieser Ausgestaltungsform umfasst das Fließhilfsmittel im Wesentlichen Nanopartikeln. Die Partikeln des Fließhilfsmittels werden auch als Primärpartikel bezeichnet. Pulver, welche aus Nanopartikeln bestehen, können ähnliche rheologische Eigenschaften wie Flüssigkeiten aufweisen. Die Nanopartikeln des Fließhilfsmittels können als Pulver oder als Suspension, also heterogenes Stoffgemisch mit wenigstens einer festen und wenigsten einer flüssigen Phase, vorliegen.In this embodiment, the flow aid essentially comprises nanoparticles. The particles of the flow aid are also referred to as primary particles. Powders made of nanoparticles can have rheological properties similar to liquids. The nanoparticles of the flow aid can be present as a powder or as a suspension, that is, a heterogeneous mixture of substances with at least one solid and at least one liquid phase.

Liegt das Fließhilfsmittel als Pulver vor, so ist es in besonderer Weise geeignet für eine Vermischung mit dem Metallpulver. Liegt das Fließhilfsmittel als Suspension vor, so ist es in besondere Weise geeignet für eine Vermischung mit dem Binder.If the flow aid is in the form of a powder, it is particularly suitable for mixing with the metal powder. If the flow aid is in the form of a suspension, it is particularly suitable for mixing with the binder.

Der mittlere Partikeldurchmesser bei Partikeln im Nanopartikelbereich wird typischerweise mittels Transmissionselektronenmikroskopie bestimmt. Die Verteilung der Partikelgrößen um den Mittelwert ist typischer-, aber nicht notwendigerweise eine Normalverteilung bzw. weist von einer Normalverteilung keine starken Abweichungen auf.The mean particle diameter for particles in the nanoparticle range is typically determined by means of transmission electron microscopy. The distribution of the particle sizes around the mean value is more typically, but not necessarily, a normal distribution or does not show any major deviations from a normal distribution.

Die Partikeln des Fließhilfsmittels können eine im Wesentlichen amorphe Gestalt haben und damit gegenüber ideal runden Partikeln vergleichbaren Durchmessers eine größere Oberfläche aufweisen.The particles of the flow aid can have an essentially amorphous shape and thus have a larger surface area than ideally round particles of comparable diameter.

Bei Partikeln mit einem Durchmesser im Nanometerbereich ist es durchaus typisch, dass diese sich zu Aggregaten, also über im Wesentlichen physikalisch-chemische Wechselwirkungen miteinander verbundenen Clustern, verbinden. Derartige Cluster haben typischerweise einen Durchmesser bzw. eine Aggregatgröße von weniger als 10 µm. In Verbindung mit dem Metallpulver lösen sich die Nanopartikeln des Fließhilfsmittels wenigstens teilweise aus dem Cluster-Verbund und/oder bilden Cluster kleineren Durchmessers aus und können sich an der Oberfläche von Metallpartikeln des Metallpulvers anlagern.In the case of particles with a diameter in the nanometer range, it is quite typical that these become aggregates, i.e. essentially physico-chemical interactions linked clusters, connect. Such clusters typically have a diameter or an aggregate size of less than 10 μm. In connection with the metal powder, the nanoparticles of the flow aid detach at least partially from the cluster composite and / or form clusters of smaller diameter and can accumulate on the surface of metal particles of the metal powder.

Partikeln mit einer mittleren Partikelgröße von weniger als 50 nm sind in besonderer Weise geeignet, die Wirkung interpartikulärer Anziehungskräfte zwischen Partikeln des Metallpulvers zu reduzieren, und somit die Fließeigenschaften des Metallpulvers zu verbessern.Particles with an average particle size of less than 50 nm are particularly suitable for reducing the effect of interparticle forces of attraction between particles of the metal powder, and thus improving the flow properties of the metal powder.

In einer weiteren Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens beträgt die spezifische Oberfläche des Fließhilfsmittels mehr als 10 m2/g, bevorzugt mehr als 100 m2/g, besonders bevorzugt mehr als 250 m2/g.In a further embodiment of the method according to the invention, the specific surface area of the flow aid is more than 10 m 2 / g, preferably more than 100 m 2 / g, particularly preferably more than 250 m 2 / g.

Die spezifische Oberfläche des Fließhilfsmittels meint im Sinne der Erfindung die sogenannte BET-Oberfläche der Partikeln des Fließhilfsmittels. Die BET-Oberfläche wird mittels der BET-Methode ermittelt. Die BET-Methode wird allgemein eingesetzt, um bei Feststoffen, welche aus sehr kleinen Partikeln bestehen, welche sehr feine Poren im Nanometerbereich aufweisen und/oder welche sehr feine Oberflächenstrukturen besitzen, mittels Gasabsorption die Gesamtoberfläche, also die Summe von äußerer und innerer Oberfläche des Feststoffs, zu ermitteln.For the purposes of the invention, the specific surface area of the flow aid means the so-called BET surface area of the particles of the flow aid. The BET surface area is determined using the BET method. The BET method is generally used in the case of solids, which consist of very small particles, which have very fine pores in the nanometer range and / or which have very fine surface structures, by means of gas absorption, the total surface, i.e. the sum of the outer and inner surface of the solid , to determine.

Die spezifische Oberfläche wird typischerweise als Fläche bezogen auf die Masse oder das Volumen des Feststoffs angegeben. Im Sinne der Erfindung ist die spezifische Oberfläche zu verstehen als die nach der BET-Methode für eine Gasabsorption zur Verfügung stehende Gesamtoberfläche eines Gramms eines Fließhilfsmittels, welches aus Partikeln besteht.The specific surface is typically given as an area based on the mass or volume of the solid. For the purposes of the invention, the specific surface is to be understood as the total surface area of one gram of a flow aid which is made up of particles, which is available for gas absorption according to the BET method.

Bei Partikeln mit geringer innerer Porosität kann die spezifische Oberfläche näherungsweise mit der äußeren Oberfläche der Partikeln eines Gramms einer Schüttung der Partikeln gleichgesetzt werden.In the case of particles with low internal porosity, the specific surface area can be equated approximately with the outer surface area of the particles of one gram of a bed of particles.

Da die interpartikulären Anziehungskräfte im Wesentlichen zwischen den äußeren Oberflächen zweier benachbarter Partikeln wirken, gehen mit großen spezifischen Oberflächen eines Pulvers starke Anziehungskräfte einher. Im Sinne der Erfindung bedeutet dies, dass ein Fließhilfsmittel mit einer hohen spezifischen Oberfläche sich besonders vorteilhaft an bzw. zwischen den Partikeln des Metallpulvers anlagert und somit in besonders günstiger Weise die Fließeigenschaften des Metallpulvers verbessert.Since the interparticle forces of attraction essentially act between the outer surfaces of two neighboring particles, large specific surfaces of a powder are associated with strong forces of attraction. In the context of the invention, this means that a flow aid with a high specific surface area is particularly advantageously deposited on or between the particles of the metal powder and thus improves the flow properties of the metal powder in a particularly favorable manner.

In einer weiteren Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Fließhilfsmittel im Wesentlichen hydrophob.In a further embodiment of the method according to the invention, the flow aid is essentially hydrophobic.

Dabei können die einzelnen Partikeln und/oder die Suspension, welche die Partikeln umfasst, hydrophob sein.The individual particles and / or the suspension which comprises the particles can be hydrophobic.

In einer alternativen Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Fließhilfsmittel im Wesentlichen hydrophil.In an alternative embodiment of the method according to the invention, the flow aid is essentially hydrophilic.

Analog können dabei die einzelnen Partikeln und/oder die Suspension, welche die Partikeln umfasst, hydrophil sein.Analogously, the individual particles and / or the suspension which comprises the particles can be hydrophilic.

Hydrophilie beschreibt die Eigenschaft eines Stoffes oder eines Partikels, mit anderen polaren Substanzen, wie beispielsweise Wasser, in Wechselwirkung zu treten. Mit anderen Worten sind hydrophile Stoffe in der Regel wasserlöslich.Hydrophilicity describes the property of a substance or a particle to interact with other polar substances, such as water. In other words, hydrophilic substances are usually water-soluble.

In einer weiteren Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei der Binderzugabe ein Metallpulvervolumen mit wenigstens einer Abmessung kleiner 1 mm ausgespart, sodass im Bauteil nach Entpulverung ein Hohlraum oder eine Kavität mit wenigstens einer Abmessung kleiner 1 mm erzeugt ist.In a further embodiment of the method according to the invention, a metal powder volume with at least one dimension less than 1 mm is left out when the binder is added, so that a cavity or cavity with at least one dimension less than 1 mm is created in the component after de-powdering.

Mit anderen Worten kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Bauteil erzeugt werden, welches Aussparungen aufweist, die in wenigstens einer Längen-, Breiten- und/oder Höhenabmessung einen Wert von 1 mm unterschreiten. Dabei können die Aussparungen komplexe Geometrien aufweisen. Eine derartige Aussparung kann auch als negatives Volumenelement bezeichnet werden. Hohlräume im Sinne der Erfindung können beispielsweise Kanäle, insbesondere komplexe Kanäle, innerhalb des herzustellenden Bauteils sein, welche einen minimalen Durchmesser von weniger als 1mm aufweisen.In other words, the method according to the invention can be used to produce a component which has recesses which are less than 1 mm in at least one length, width and / or height dimension. The recesses can have complex geometries. Such a recess can also be referred to as a negative volume element. Cavities within the meaning of the invention can for example be channels, in particular complex channels, within the component to be produced, which have a minimum diameter of less than 1 mm.

Typischerweise sind Bauteile, welche mit pulverbasierten additiven Herstellungsverfahren hergestellt werden, hinsichtlich der Abmessungen von insbesondere komplexen Hohlräumen und Kavitäten dahingehend beschränkt, dass eine im Wesentlichen vollständige Entpulverung derartiger Strukturen bei Formlingen nicht möglich ist. Dies kann zum einen daran liegen, dass die Partikeln, die aus den Strukturen des Formlings zu entfernen sind, im Verhältnis zur Abmessung des Hohlraums zu groß sind und mechanisch zurückgehalten werden, indem sie sich beispielsweise verklemmen. Zum anderen kann eine Entpulverung in ausreichender Qualität nicht möglich sein, weil die Partikeln des Pulvers zu klein sind und sie aufgrund physikalisch-chemischer Anziehungskräfte mit der Oberfläche des Hohlraums oder der Kavität so stark verbunden bzw. durch gegenseitige Anziehung so stark verdichtet sind, dass eine Entfernung mit den üblichen technischen Mitteln wie beispielsweise mittels Druckluft und Vibration nicht möglich ist. Die Verwendung eines Fließhilfsmittels im Zusammenhang mit dem Metallpulver im erfindungsgemäßen Verfahren führt zu einer Reduzierung der Wirkung der physikalisch-chemischen Anziehungskräfte zwischen den Oberflächen von Hohlräumen und/oder Kavitäten mit den Partikeln des Metallpulvers und/oder zwischen den Partikeln selbst und ermöglicht auf diese Weise eine Entpulverung entsprechender komplexer Bauteilstrukturen. Ferner ermöglicht die Verwendung von Pulvern mit einer mittleren Korngröße entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren die Herstellung eines Formlings mit einer aufgrund der höheren Packungsdichte der Partikeln höheren mechanische Festigkeit, sodass bei der Entpulverung mehr mechanische Energie in den Formling eingebracht werden kann, ohne diesen zu beschädigen.Typically, components that are manufactured using powder-based additive manufacturing processes are limited in terms of the dimensions of, in particular, complex cavities and cavities, so that essentially complete de-powdering of such structures is not possible in the case of molded articles. On the one hand, this can be due to the fact that the particles that are to be removed from the structures of the molding are too large in relation to the dimensions of the cavity and are mechanically held back by, for example, jamming. On the other hand, de-powdering of sufficient quality may not be possible because the particles of the powder are too small and they are so strongly connected to the surface of the cavity or the cavity due to physical-chemical forces of attraction or so strongly compressed by mutual attraction that removal with the usual technical means such as compressed air and vibration is not possible. The use of a flow aid in connection with the metal powder in the method according to the invention leads to a reduction in the effect of the physico-chemical forces of attraction between the surfaces of cavities and / or cavities with the particles of the metal powder and / or between the particles themselves and in this way enables a Powder removal of corresponding complex component structures. Furthermore, the use of powders with an average grain size according to the method according to the invention enables the production of a molding with a higher mechanical strength due to the higher packing density of the particles, so that more mechanical energy can be introduced into the molding during de-powdering without damaging it.

Der Vorteil dieser Ausgestaltung des Verfahrens besteht darin, dass es in einer einfachen Weise möglich ist, Bauteile herzustellen, welche Hohlräume und/oder Kavitäten mit einer kleinsten Abmessung von weniger als 1 mm herzustellen.The advantage of this refinement of the method is that it is possible in a simple manner to produce components which produce cavities and / or cavities with a smallest dimension of less than 1 mm.

Ein zweiter Aspekt der Erfindung ist ein Kraftfahrzeug, welches wenigstens ein mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestelltes Bauteil umfasst.A second aspect of the invention is a motor vehicle which comprises at least one component produced by means of the method according to the invention.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand des in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert.The invention is explained below with reference to the embodiment shown in the accompanying drawings.

Es zeigen

  • 1: zwei benachbarte Partikeln eines Metallpulvers nach einer Ausbringung gemäß dem Stand der Technik; und
  • 2 zwei benachbarte Partikeln eines Metallpulvers in Anwesenheit von Partikeln eines Fließhilfsmittels.
Show it
  • 1 : two adjacent particles of a metal powder after an application according to the prior art; and
  • 2 two adjacent particles of a metal powder in the presence of particles of a flow aid.

1 zeigt exemplarisch zwei benachbarte Partikeln eines Metallpulvers 10, wie es in einem herkömmlichen additiven und/oder generativen Herstellungsverfahren nach der Ausbringung vorliegen kann. Beispielhaft handelt es sich um zwei metallische Partikeln 10 mit einer mittleren Korngröße 11 von ca. 20 µm. Die Pfeile in 1 zwischen den beiden sich gegenüberliegenden Oberflächen der Partikeln des Metallpulvers 10 stellen die zwischen den Partikeln 10 wirkenden physikalisch-chemischen Anziehungskräfte 30 dar. Dabei handelt es sich um Kräfte, wie beispielsweise Wasserstoffbrücken, Van-der-Waals-Kräfte, elektrostatische Kräfte und ähnliche Wechselwirkungskräfte, die hier nicht näher differenziert dargestellt sind. Die besagten Anziehungskräfte 30 bewirken, dass die beiden Partikeln 10 sich gegenseitig anziehen. Aufgrund der geringen mittleren Korngröße 11 und der damit einhergehenden geringen Masse der einzelnen Partikeln des Metallpulvers 10 wirken besagte physikalisch-chemischen Anziehungskräfte 30 stärker als die Schwerkraft auf die einzelnen Partikel des Metallpulvers 10. Dieser Effekt führt dazu, dass die Partikeln des Metallpulvers 10 Metallpulveraggregate ausbilden und es zu einem Verklumpen kommt. In der Folge kann das Metallpulver nicht in einer gleichmäßigen und ebenen Schicht ausgebracht werden. 1 shows an example of two neighboring particles of a metal powder 10 as it can be in a conventional additive and / or generative manufacturing process after application. For example, there are two metallic particles 10 with a medium grain size 11 of approx. 20 µm. The arrows in 1 between the two opposing surfaces of the particles of the metal powder 10 put those between the particles 10 physico-chemical forces of attraction 30th These are forces such as, for example, hydrogen bridges, Van der Waals forces, electrostatic forces and similar interaction forces, which are not shown here in more detail. The said attractions 30th cause the two particles 10 attract each other. Due to the small mean grain size 11 and the associated low mass of the individual particles of the metal powder 10 the said physico-chemical forces of attraction act 30th stronger than the force of gravity on the individual particles of the metal powder 10 . This effect causes the particles of the metal powder 10 Form metal powder aggregates and clumping occurs. As a result, the metal powder cannot be applied in a uniform and even layer.

2 zeigt exemplarisch zwei benachbarte Partikeln eines Metallpulvers 10 wie in 1, wobei in diesem Fall erfindungsgemäß Partikeln eines Fließhilfsmittels 20 anwesend sind. Es ist zu erkennen, dass die Partikeln des Fließhilfsmittel 20, welche beispielhaft eine mittlere Partikelgröße 21 von 20 nm aufweisen, sich an der Oberfläche der Partikeln des Metallpulvers 10 anlagern. Insbesondere lagern sich die Partikeln des Fließhilfsmittels 20 auch zwischen den benachbarten Partikeln des Metallpulvers 10 an und beabstanden diese voneinander. Dies bewirkt, dass die physikalisch-chemischen Anziehungskräfte 30 zwischen den Partikeln des Metallpulvers 10 nicht in demselben Maße eine Anziehung bewirken können, wie in 1 in Abwesenheit des Fließhilfsmittels 20. In der Folge können die Partikeln des Metallpulvers 10 nicht mehr in demselben Umfang Aggregate ausbilden und ein Verklumpen wird im Wesentlichen vermieden bzw. wenigstens reduziert. Das Metallpulver bleibt mit anderen Worten fließ- und/oder rieselfähig. In 2 ist ebenfalls zu erkennen, dass die Partikeln des Fließhilfsmittels 20 nicht notwendigerweise vereinzelt vorliegen. Es ist zu erkennen, dass die Partikeln des Fließhilfsmittels 20 auch Aggregate 23 ausbilden können und/oder sich in Gruppen an der Oberfläche der Partikeln des Metallpulvers 10 anlagern können. Bei den Partikeln des Fließhilfsmittels 20 im gezeigten Beispiel handelt es sich beispielshaft um pyrogene Kieselsäure und/oder Tricalciumphospat, wobei auch andere Fließhilfsmittel 20 den gezeigten Effekt erzielen können. 2 shows an example of two neighboring particles of a metal powder 10 as in 1 , in which case, according to the invention, particles of a flow aid 20th are present. It can be seen that the particles of the flow aid 20th , which exemplifies a mean particle size 21st of 20 nm have on the surface of the particles of the metal powder 10 attach. In particular, the particles of the flow aid are deposited 20th also between the neighboring particles of the metal powder 10 and spacing them apart. This causes the physico-chemical forces of attraction 30th between the particles of metal powder 10 cannot create an attraction to the same extent as in 1 in the absence of the flow aid 20th . As a result, the particles of the metal powder 10 no longer form aggregates to the same extent and clumping is essentially avoided or at least reduced. In other words, the metal powder remains flowable and / or free-flowing. In 2 it can also be seen that the particles of the flow aid 20th not necessarily present in isolation. It can be seen that the particles of the flow aid 20th also aggregates 23 can form and / or in groups on the surface of the particles of the metal powder 10 can attach. With the particles of the flow aid 20th In the example shown, it is, for example, pyrogenic silica and / or tricalcium phosphate, with other flow aids as well 20th can achieve the effect shown.

Der Effekt des Einsatzes des Fließhilfsmittels ist insbesondere, dass kleinere Partikeln des Pulvers verwendet werden können, sodass dadurch sowohl die Festigkeit eines damit hergestellten Formlings gesteigert werden kann als auch die Sinteraktivität des Formlings gesteigert werden kann.The effect of using the flow aid is, in particular, that smaller particles of the powder can be used, so that both the strength of a molding produced with it and the sintering activity of the molding can be increased.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

1010
Partikel des MetallpulversParticles of the metal powder
1111
mittlere Korngrößemean grain size
2020th
FließhilfsmittelFlow aid
2121st
mittlere Partikelgrößemean particle size
2323
AggregatAggregate
3030th
interpartikulär wirkende Anziehungskräfteinterparticle attractive forces

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • DE 102016000435 A1 [0008]DE 102016000435 A1 [0008]
  • US 2017/0056138 A1 [0009]US 2017/0056138 A1 [0009]
  • US 2018/0236543 A1 [0010]US 2018/0236543 A1 [0010]

Claims (10)

Verfahren zur additiven und/oder generativen Herstellung eines Bauteils, insbesondere ein additives 3D-Druckverfahren, bei dem - ein Formling im Wesentlichen aus Partikeln eines Metallpulvers (10) und/oder eines Metalllegierungspulvers erzeugt wird, - bei oder vor der Erzeugung des Formlings ein Fließhilfsmittel (20) dem Metallpulver zugegeben wird, zwecks Herabsetzung interpartikulär wirkender Anziehungskräfte (30) zwischen benachbarten Partikeln des Metallpulvers (10), - den Partikeln des Metallpulvers (10) und/oder dem Fließhilfsmittel (20) ein Binder zugegeben wird, - nach der Erzeugung des Formlings durch Einbringung thermischer Energie in den Formling zwischen den Partikeln des Metallpulvers (10) stoffschlüssige Verbindungen ausgebildet werden, dadurch gekennzeichnet, dass dem Metallpulver eine derartige Masse an Fließhilfsmittel (20) zugegeben wird, dass die Gesamtmasse des Formlings zu weniger als 10 Gew.-%, bevorzugt weniger als 5 Gew.-%, insbesondere weniger als 1 Gew.-%, durch Fließhilfsmittels (20) ausgebildet wird.A method for the additive and / or generative production of a component, in particular an additive 3D printing process, in which - a molding is produced essentially from particles of a metal powder (10) and / or a metal alloy powder, - a flow aid during or before production of the molding (20) is added to the metal powder, for the purpose of reducing the forces of attraction (30) between neighboring particles of the metal powder (10), - a binder is added to the particles of the metal powder (10) and / or the flow aid (20), - after production of the molding by introducing thermal energy into the molding between the particles of the metal powder (10), cohesive connections are formed, characterized in that such a mass of flow aid (20) is added to the metal powder that the total mass of the molding is less than 10 wt. -%, preferably less than 5% by weight, in particular less than 1% by weight, du rch flow aid (20) is formed. Verfahren zur additiven und/oder generativen Herstellung eines Bauteils nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Korngröße (11) der Partikeln des Metallpulvers (10) weniger als 20 |jm, bevorzugt weniger als 10 |jm, besonders bevorzugt weniger als 5 µm beträgt.Process for the additive and / or generative production of a component according to Claim 1 , characterized in that the mean grain size (11) of the particles of the metal powder (10) is less than 20 μm, preferably less than 10 μm, particularly preferably less than 5 μm. Verfahren zur additiven und/oder generativen Herstellung eines Bauteils nach wenigstens einen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallpulver zusammen mit dem Fließhilfsmittel (20) ausgebracht wird.Method for the additive and / or generative manufacture of a component according to at least one of the preceding claims, characterized in that the metal powder is applied together with the flow aid (20). Verfahren zur additiven und/oder generativen Herstellung eines Bauteils nach wenigstens einen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fließhilfsmittel (20) im Wesentlichen metalloxidische, übergangsmetalloxidische und/oder halbmetalloxidische Partikeln umfasst.Method for additive and / or generative production of a component according to at least one of the preceding claims, characterized in that the flow aid (20) essentially comprises metal-oxide, transition-metal-oxide and / or semi-metal-oxide particles. Verfahren zur additiven und/oder generativen Herstellung eines Bauteils nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Fließhilfsmittel (20) zu mehr als 90 Gew.-% ein Siliciumoxid, insbesondere ein Siliciumdioxid, umfasst.Process for the additive and / or generative production of a component according to Claim 4 , characterized in that the flow aid (20) comprises more than 90% by weight of a silicon oxide, in particular a silicon dioxide. Verfahren zur additiven und/oder generativen Herstellung eines Bauteils nach wenigstens einen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fließhilfsmittel (20) im Wesentlichen Partikeln mit einer mittleren Partikelgröße (21) von weniger als 50 nm, bevorzugt weniger als 20 nm, umfasst.Method for additive and / or generative production of a component according to at least one of the preceding claims, characterized in that the flow aid (20) essentially comprises particles with an average particle size (21) of less than 50 nm, preferably less than 20 nm. Verfahren zur additiven und/oder generativen Herstellung eines Bauteils nach wenigstens einen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die spezifische Oberfläche des Fließhilfsmittels (20) mehr als 10 m2/g, bevorzugt mehr als 100 m2/g, besonders bevorzugt mehr als 250 m2/g beträgt.Method for additive and / or generative production of a component according to at least one of the preceding claims, characterized in that the specific surface area of the flow aid (20) is more than 10 m 2 / g, preferably more than 100 m 2 / g, particularly preferably more than 250 m 2 / g. Verfahren zur additiven und/oder generativen Herstellung eines Bauteils nach wenigstens einen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fließhilfsmittel (20) im Wesentlichen hydrophob ist.Method for additive and / or generative production of a component according to at least one of the preceding claims, characterized in that the flow aid (20) is essentially hydrophobic. Verfahren zur additiven und/oder generativen Herstellung eines Bauteils nach wenigstens einen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Binderzugabe ein Metallpulvervolumen mit wenigstens einer Abmessung kleiner 1 mm ausgespart wird, sodass im Bauteil nach Entpulverung ein Hohlraum oder eine Kavität mit wenigstens einer Abmessung kleiner 1 mm erzeugt ist.Method for additive and / or generative production of a component according to at least one of the preceding claims, characterized in that when the binder is added, a metal powder volume with at least one dimension smaller than 1 mm is left out, so that a cavity or a cavity with at least one dimension in the component after powder removal less than 1 mm is produced. Kraftfahrzeug, umfassend wenigstens ein Bauteil, hergestellt gemäß dem Verfahren zur additiven und/oder generativen Herstellung eines Bauteils nach einem der Ansprüche 1-9.Motor vehicle, comprising at least one component, produced according to the method for additive and / or generative production of a component according to one of the Claims 1 - 9 .
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