-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nachbehandlung additiv gefertigter Bauteile, ein additiv gefertigtes Bauteil sowie einen Wärmebehandlungsofen zur Nachbehandlung von additiv gefertigten Bauteilen.
-
Stand der Technik
-
In der additiven Fertigung wird eine Vielzahl von unterschiedlichen Materialien verwendet. Eine der Materialien ist der Stahl 1.4404 und weitere austenitische Stähle, welche alle gemein haben, dass diese keine hohe Härten in einem Randbereich aufweisen, da keine Umwandlung in ein Martensit möglich ist.
-
Hierbei besteht bereits eine Vielzahl von Verfahren zum Gasoxinitrieren, welche mittels einer chemischen Behandlung die Oberflächenhärte von austenitischen Stählen erhöhen. Beispielsweise wird ein solches Verfahren in der
DE 10056842 A1 beschrieben.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Mit der Ausführungsform der Erfindung kann in vorteilhafter Weise ein verbessertes Verfahren zur Nachbehandlung additiv gefertigter Bauteile bereitgestellt werden.
-
Die Erfindung ist in den unabhängigen Ansprüchen definiert. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
-
Fachbegriffe werden auf die übliche Art und Weise verwendet. Wenn eine bestimmte Bedeutung einem bestimmten Begriff verliehen wird, werden im Folgenden Begriffsdefinitionen gegeben, in deren Rahmen die Begriffe verwendet werden.
-
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nachbehandlung additiv gefertigter Bauteile, aufweisend die Schritte:
- (a) Bereitstellen eines additiv gefertigten Bauteils aus einem austenitischen Stahl,
- (b) Halten des bereitgestellten Bauteils in einem Temperaturbereich von 410 bis 460°C für eine Zeitdauer von 1,5 Stunden bis 2,5 Stunden,
- (c) Halten des vorgeglühten Bauteils unter einer Ammoniakatmosphäre in einem Temperaturbereich von 465 bis 500°C für eine Zeitdauer von 0,5 Stunden bis 1,5 Stunden.
-
Diese Ausführungsform kann sein, dass mittels des Verfahrens komplexe Formgebungen für additiv gefertigte Bauteile ermöglicht werden, welche dabei eine erhöhte Oberflächenhärte aufweisen. Die komplexen Formen können beispielsweise durch das Konstruieren von Hinterschnitten und innenliegenden Kanälen ausgestaltet werden, die mittels des Verfahrens mit sehr guten mechanischen und korrosionsbeständigen Eigenschaften versehen werden, um so beispielsweise den dynamischen Belastungen durch Medienführungen zu widerstehen. Ferner sorgt dafür die kurze Wärmebehandlungszeit für eine verzugsarme Bearbeitung von komplexen und vor allem feinen Geometrien, welche sich ausschließlich mittels additiver Fertigungsverfahren herstellen lassen. Insbesondere im Vergleich zu gegossenen massiven Bauteilen aus der konventionellen Fertigung stellen additiv gefertigte Bauteile eine Herausforderung für konventionelle Nachbehandlungsverfahren dar. Aufgrund der kurzen Einwirkungsdauer als auch aufgrund der sehr geringen Temperatur werden die teils komplex und aufwändig konstruierten additiv gefertigten Bauteile nicht in ihrer Form verändert, sodass die Qualität der additiv gefertigten Bauteile weiter gesteigert werden kann. Insbesondere kann dabei die Oberflächenhärte von 250 HV auf ca. 1000 HV gesteigert werden. Des Weiteren kann aufgrund des Verfahrens und des thermischen Einflusses sowie des Einflusses durch das Ammoniak die Korrosionsbeständigkeit der additiv gefertigten Bauteile gesteigert werden. Somit ergibt sich eine Vielzahl neuer Anwendungen für additiv gefertigte Bauteile aus einem austenitischen Stahl, insbesondere 1.4404. Des Weiteren kann auch eine Vielzahl von Kosten eingespart werden, da keine hochfesten Materialien für die additive Fertigung verwendet werden müssen, da mittels des Verfahrens die Oberflächenhärte nach eines additiven Fertigungsschrittes durchgeführt werden kann.
-
Ferner kann dabei das Bereitstellen eines additiv gefertigten Bauteils aus einem austenitischen Stahl derart beschrieben werden, dass ein additiv gefertigtes Bauteil bzw. ein 3D-gedrucktes Bauteil mittels einer additiven Fertigungsanlage ausgebildet wird, insbesondere durch einen schichtweisen Aufbau, und dieses anschließend mit dem Verfahren behandelt wird. Dabei kann sich das additiv gefertigte Bauteil noch auf einer Bauplattform befinden oder bereits auch schon von einer Bauplattform abgelöst worden sein. Anschließend wird das additiv gefertigte Bauteil in einen Ofen oder Ähnliches gegeben, wo es in einem Temperaturbereich von 410 bis 46°C, bevorzugt 425 bis 455°C und besonders bevorzugt bei 450°C für eine Zeitdauer von 1,5 Stunden bis 2,5 Stunden, bevorzugt 2 Stunden, gehalten, geglüht und/oder behandelt wird. Anschließend wird das vorgeglühte Bauteil weiter im Ofen behandelt, indem es unter einer Ammoniakatmosphäre in einem Temperaturbereich von 465 bis 500°C, bevorzugt 470 bis 490°C und besonders bevorzugt 480°C für eine Zeitdauer von 0,5 bis 1,5 Stunden, bevorzugt 1 Stunde, gehalten, geglüht und/oder behandelt wird. Unter dem Begriff „Ammoniakatmosphäre“ wird eine Atmosphäre innerhalb eines Ofens verstanden, welche Anteile Ammoniak, insbesondere ein vorbestimmter Anteil an Ammoniak, in dem Volumen, welches durch den Ofen gebildet wird, aufweist.
-
Gemäß einer Ausführungsform weist das Verfahren die Schritte auf:
- (b1) Anwärmen des bereitgestellten Bauteils auf eine Temperatur von 410 bis 460°C und/oder
- (b2) Ausbilden einer Inertgas-Atmosphäre.
-
Ein Vorteil dieser Ausführungsform kann sein, dass mit einem schonenden Anwärmen des bereitgestellten Bauteils Spannungen im Bauteil reduziert werden können bzw. dass sichergestellt wird, dass durch den Anwärmprozess keine Spannungen im Bauteil entstehen sowie durch die Inertgasatmosphäre keine unerwünschten Reaktionen an der Bauteiloberfläche stattfinden.
-
In anderen Worten wird das bereitgestellte Bauteil in einem Ofen oder Ähnlichem auf eine Temperatur von 410 bis 460°C, bevorzugt 425 bis 455°C und besonders bevorzugt auf 450°C, erwärmt, wobei in dem Ofen oder Ähnlichem eine Inertgasatmosphäre vorherrscht bzw. ausgebildet wird, wie beispielsweise ein Vakuum oder eine Stickstoffatmosphäre, um somit die Inertgasatmosphäre auszubilden.
-
Gemäß einer Ausführungsform weist das Verfahren die Schritte auf:
- (c1) Anwärmen des bereitgestellten Bauteils auf eine Temperatur von 465 bis 500°C, und/oder
- (c2) Ausbilden einer Ammoniakatmosphäre.
-
Ein Vorteil in dieser Ausführungsform kann sein, dass mithilfe des Anwärmens auf den vorbestimmten Temperaturbereich zusätzliche Spannungen in dem additiv gefertigten Bauteil vermieden werden. Ferner kann mithilfe des Ausbildens einer Ammoniakatmosphäre die Oberflächenhärte des additiv gefertigten Bauteils erhöht werden.
-
Mit anderen Worten umfasst das Verfahren den Schritt des Anwärmens des bereitgestellten Bauteils auf eine Temperatur von 465 bis 500°C, bevorzugt 470 bis 490°C und besonders bevorzugt 480°C. Zudem umfasst der Schritt ein Ausbilden, Einstellen und/oder Generieren einer Ammoniakatmosphäre, insbesondere in einer Kammer eines Ofens. Dabei kann das additiv gefertigte Bauteil bereits schon in einem Temperaturbereich von 410 bis 460°C sein, sodass die Differenz zum gewünschten Temperaturbereich geringer ist, was sich vorteilhaft auf die Form des additiv gefertigten Bauteils auswirken kann. Ferner ist unter dem Begriff Ausbilden einer Ammoniakatmosphäre zu verstehen, dass die Atmosphäre, welche beispielsweise in einem Ofen bzw. in einer Kammer des Ofens vorherrscht, mithilfe von Ammoniak, insbesondere in einer gasförmigen Form, in eine ammoniakhaltige Atmosphäre umgewandelt wird, sodass ein, insbesondere vorbestimmter, Bestandteil der Atmosphäre innerhalb des Ofens oder der Kammer aus Ammoniak besteht.
-
Gemäß einer Ausführungsform weist das Verfahren den Schritt auf:
- (b3) Einblasen von Umgebungsluft während des Haltens des bereitgestellten Bauteils, sodass eine oxidierende Atmosphäre entsteht.
-
Ein Vorteil dieser Ausführungsform kann sein, dass mithilfe der oxidierenden Atmosphäre das Reaktionsverhalten des additiv gefertigten Bauteils verbessert wird und somit die Oberflächenhärte des additiv gefertigten Bauteils mittels des Verfahrens weiter gesteigert werden kann.
-
In anderen Worten kann während des Haltens des bereitgestellten additiven Bauteils in einem Temperaturbereich von 410 bis 460°C für eine Zeitdauer von 1,5 bis 2,5 Stunden Umgebungsluft eingeblasen werden, insbesondere in eine Kammer eines Ofens oder in einen Ofen, sodass das additiv gefertigte Bauteil der Umgebungsluft ausgesetzt ist, um so den vorteilhaften Effekt zu erhalten. Dabei kann der Begriff Einblasen auch als ein Einbringen oder ein Einpusten oder Ähnliches verstanden werden, was den Effekt hat, dass die Zusammensetzung der Atmosphäre, welche in der Kammer eines Ofens vorherrscht, verändert wird.
-
Gemäß einer Ausführungsform weist das Verfahren den Schritt auf:
- (d) Abkühlen des additiv gefertigten Bauteils unter der Ammoniakatmosphäre.
-
Ein Vorteil dieser Ausführungsform kann sein, dass durch das Abkühlen des additiv gefertigten Bauteils unter der Ammoniakatmosphäre Nachreaktionen stattfinden können und somit die Oberflächenhärte des additiv gefertigten Bauteils weiter gesteigert werden kann.
-
Gemäß einer Ausführungsform weist das Verfahren ferner den Schritt auf:
- (e) Ablösen des additiv gefertigten Bauteils von einer Bauplatte.
-
Ein Vorteil dieser Ausführungsform kann sein, dass mithilfe des Ablösens des additiv gefertigten Bauteils von einer Bauplatte das Bauteil einsatzbereit ist.
-
Beispielsweise kann das additiv gefertigte Bauteil mittels eines Pulverbett basierten additiven Fertigungsverfahrens, wie beispielsweise Selektiv Laser Melting oder Binder Jetting, hergestellt werden. Ferner sind auch extrusionsbasierte Fertigungsverfahren denkbar, welche ebenfalls eine Bauplatte benötigen. Dabei kann das additiv gefertigte Bauteil von der Bauplatte gelöst werden, nachdem es dem Verfahren zur Nachbehandlung, wie vorangehend und nachfolgend beschrieben, ausgesetzt war. Alternativ kann das additiv gefertigte Bauteil auch vor dem Verfahren zur Nachbehandlung, wie vorangehend und nachfolgend beschrieben, von der Bauplatte abgelöst werden. Beispielsweise kann das Bauteil mithilfe eines substraktiven Fertigungsverfahrens oder mittels eines chemischen Ablöseverfahrens von der Bauplatte gelöst werden.
-
Gemäß einer Ausführungsform ist der Stahl ein 1.4404 Stahl. Dabei kann der Stahl auch jeder andere austenitischer rostfreier Edelstahl sein.
-
Gemäß einer Ausführungsform weist die Ammoniakatmosphäre einen 30 bis 45 %igen Ammoniakanteil und/oder eine Ammoniakkonzentration auf.
-
Ein Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass mithilfe der gezielt eingestellten Ammoniakatmosphäre ein weitere Stellschraube besteht, die Oberflächenhärte des additiv gefertigten Bauteils gezielt einzustellen.
-
In anderen Worten handelt es sich bei dem Begriff Ammoniakanteil und/oder Ammoniakkonzentration um das Verhältnis zwischen Ammoniak, welches in einem gasförmigen Zustand innerhalb des Ofens bzw. einer Kammer des Ofens vorliegt, zu einem restlichen Anteil an weiteren Gasen, die sich im Ofen befinden. Dabei macht der Anteil des Ammoniaks bevorzugt 30 bis 45 % des Volumens der Kammer aus. Alternativ kann auch eine Sättigung von Ammoniak in einem Gas von 30 bis 45 % vorliegen, welches der Kammer bzw. dem Ofen zugeführt wird. Ferner kann es sich bei dem Ammoniakanteil auch um eine 30-45% Ammoniakdissoziation handeln.
-
Ein weiterer Aspekt betrifft ein additiv gefertigtes Bauteil aus einem austenitischen Stahl, insbesondere 1.4404, welches eine Nachbehandlung nach einem Verfahren, wie voranstehend und nachfolgend beschrieben, erfahren hat.
-
Ein Vorteil der Ausführungsform ist, dass ein additiv gefertigtes Bauteil, welches mit einem solchen Verfahren hergestellt wurde, eine erhöhte Oberflächenhärte aufweisen kann, insbesondere eine Oberflächenhärte von ungefähr 1000 HV bzw. eine Steigerung um 750 HV, im Verhältnis zu einem nicht behandelten Bauteil. An dem additiv gefertigten Bauteil kann ein solches Verfahren mithilfe eines geätzten Schliffes der Randschicht des additiv gefertigten Bauteils, beispielsweise ein Schliff V2A mit einer Beize für 30 Sekunden, gut von Bauteilen unterschieden werden, welche nicht das Verfahren durchlaufen sind.
-
Ein weiterer Aspekt betrifft einen Wärmebehandlungsofen zur Durchführung des Verfahrens, wie voranstehend und nachfolgend beschrieben, wobei der Wärmebehandlungsofen eine Kammer aufweist, in welcher das additiv gefertigte Bauteil aus einem austenitischen Stahl und/oder eine Bauplatte mit dem additiv gefertigte Bauteil positionierbar ist, wobei der Wärmebehandlungsofen eine Heizeinheit aufweist, welche dazu eingerichtet ist, die Kammer auf eine Temperatur von 400 bis 500°C zu erhitzen und die Temperatur über einen Zeitraum von 0,5 bis 4 Stunden zu halten, wobei der Wärmebehandlungsofen eine Gassteuereinheit aufweist, wobei die Gassteuereinheit dazu eingerichtet ist, eine Inertgasatmosphäre in der Kammer einzustellen und die Inertgasatmosphäre durch eine Ammoniakatmosphäre zu ersetzen, sodass eine Härte des additiv gefertigten Bauteils erhöht wird.
-
Ein Vorteil dieser Ausführungsform kann sein, dass mittels des Wärmebehandlungsofens additiv gefertigte Bauteile verzugs- und formverlustfrei nachbehandelt werden können, um die Oberflächenhärte der additiv gefertigten Bauteile zu erhöhen.
-
Dabei weist insbesondere der Wärmebehandlungsofen eine Kammer auf, in welcher ein additiv gefertigtes Bauteil positionierbar ist. Ferner kann eine Bauplatte mit einem additiv gefertigten Bauteil in die Kammer eingelegt werden, sodass die Nachbehandlung der additiv gefertigten Bauteile zeitsparend erfolgen kann. Mittels einer Heizeinheit, beispielsweise einer Gasheizeinheit oder einer Elektroheizeinheit, kann diese Kammer auf eine Temperatur von 400 bis 500°C erwärmt werden. Ferner ist dabei die Kammer derart ausgestaltet, dass diese Temperatur für eine Zeitdauer von 0,5 bis 4 Stunden gehalten werden kann.
-
Darüber hinaus weist der Wärmebehandlungsofen eine Gassteuereinheit auf, welche dazu eingerichtet ist, beispielsweise eine Inertgasatmosphäre in der Kammer einzustellen und die Inertgasatmosphäre durch ein Ammoniakatmosphäre zu ersetzen. Ferner kann dabei die Gassteuereinheit dazu eingerichtet sein, Umgebungsluft in die Kammer einzublasen.
-
Merkmale des Verfahrens können Merkmale des Wärmebehandlungsofens sein und umgekehrt. Die Reihenfolg der Schritte des Verfahren wie voranstehend und nachfolgend beschrieben können jeder technisch sinnvollen Reihenfolge durchgeführt werden. Dies schließt die durch die Ansprüche gezeigte Reihenfolge ein sowie jede weitere Sortierung der Schritte des Verfahrens.
-
Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. In den Figuren können gleiche, gleichwirkende oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen verwendet werden.
-
Sämtliche Offenbarung, welche voranstehend und nachfolgend in Bezug auf einen Aspekt der Erfindung beschrieben ist, gilt gleichermaßen für alle weiteren Aspekte der Erfindung.
-
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.
-
Ausführungsbeispiele
-
- 1 zeigt einen Wärmebehandlungsofen gemäß einer Ausführungsform.
- 2 zeigt ein additiv gefertigtes Bauteil gemäß einer Ausführungsform.
- 3 zeigt ein Flussdiagramm zur Illustration von Schritten des Verfahrens gemäß einer Ausführungsform.
- 4 zeigt ein Flussdiagramm zur Illustration von Schritten eines erweiterten Verfahrens gemäß einer Ausführungsform.
-
1 zeigt einen Wärmebehandlungsofen 100, welcher über eine Kammer 102 verfügt. In der Kammer 102 kann ein additiv gefertigtes Bauteil positioniert werden. Ferner weist der Wärmebehandlungsofen 100 eine Heizeinheit 104 auf, welche dazu eingerichtet ist, die Kammer 102 auf eine Temperatur von 400 bis 500°C zu erhitzen, um die Temperatur für einen Zeitraum von 0,5 bis 4 Stunden in der Kammer 102 zu halten. Ferner kann dabei der Wärmebehandlungsofen eine Gassteuereinheit 106 aufweisen, welche dazu eingerichtet ist, eine Inertgasatmosphäre in der Kammer 102 einzustellen und die Inertgasatmosphäre durch eine Ammoniakatmosphäre zu ersetzen, sodass eine Härte des additiv gefertigten Bauteils 108 erhöht wird. Ferner kann dabei die Gassteuereinheit 106 dazu eingerichtet sein, Umgebungsluft in die Kammer 102 einzublasen.
-
2 zeigt ein additiv gefertigtes Bauteil 108. Das additiv gefertigte Bauteil 108 ist mittels einer Stützstruktur 110 mit der Bauplatte 112 verbunden. Die Stützstruktur 110 kann mittels eines substraktiven oder chemischen Ablöseprozesses entfernt werden, sodass das additiv gefertigte Bauteil von der Bauplatte 112 gelöst werden kann. Das Entfernen der Stützstruktur 110 kann vor der Behandlung durch das Verfahren 200 erfolgen oder auch nach der Behandlung durch das Verfahren 200 erfolgen.
-
3 zeigt ein Flussdiagramm zur Illustration der Schritte des Verfahrens 200 gemäß einer Ausführungsform. Dabei ist das Verfahren 200 zur Nachbehandlung additiv gefertigter Bauteile derart beschrieben, dass es die nachfolgenden Schritte durchläuft:
- (a) Bereitstellen eines additiv gefertigten Bauteils 108 aus einem austenitischen Stahl,
- (b) Halten des bereitgestellten Bauteils 108 in einem Temperaturbereich von 410 bis 460°C für eine Zeitdauer von 1,5 bis 2,5 Stunden,
- (c) Halten des vorgeglühten Bauteils 108 unter einer Ammoniakatmosphäre in einem Temperaturbereich von 465 bis 500°C für eine Zeitdauer von 0,5 bis 1,5 Stunden.
-
Mit anderen Worten wird ein additiv gefertigtes Bauteil 108 mithilfe des Verfahrens 200 derart behandelt, dass die Oberflächenhärte des additiv gefertigten Bauteils 108 von ungefähr 250 HV auf ca. 1000 HV gesteigert werden kann. Dies geschieht insbesondere mithilfe einer Ammoniakatmosphäre, welche um das additiv gefertigte Bauteil 108 herum ausgebildet wird.
-
4 zeigt ein erweitertes Verfahren 210, welches die Schritte (a), (b) und (c), wie bereits voranstehend und nachfolgend beschrieben, des Verfahrens 200 erläutert. Dabei kann der Schritt (b) die Schritte (b1), (b2) und/oder (b3) umfassen oder bedingen. Dabei können die Schritte (b1), (b2) und/oder (b3) vor, nach und/oder zeitgleich zum Schritt (b) ausgeführt werden. Ferner umfasst das erweiterte Verfahren 210 den Schritt (b1), welcher ein Anwärmen des additiv gefertigten Bauteils 108 auf einen Temperaturbereich von 410 bis 460°C umfasst. Ferner weist das erweiterte Verfahren 210 den Schritt (b2) Ausbilden einer Inertgasatmosphäre auf. Ferner kann der Schritt (c) die Schritte (c1) und/oder (c2) umfassen oder bedingen. Dabei können die Schritte (c1) und/oder (c2) vor, nach und/oder zeitgleich zum Schritt (c) ausgeführt werden. Des Weiteren weist das Verfahren 210 den Schritt (c1) auf, welcher ein Anwärmen des bereitgestellten Bauteils auf eine Temperatur von 465 bis 500°C umfasst. Ferner weist das erweiterte Verfahren 210 den Schritt Ausbilden (c2) einer Ammoniakatmosphäre auf, welche insbesondere derart verstanden werden kann, dass eine Ammoniakatmosphäre innerhalb eines Volumens, beispielsweise einer Kammer 102, ausgebildet wird. Ferner kann dabei das erweiterte Verfahren 210 einen Schritt des Einblasens (b3) von Umgebungsluft während des Haltens (b) des bereitgestellten additiv gefertigten Bauteils 108 umfassen, sodass eine oxidierende Atmosphäre entsteht. Ferner kann das erweiterte Verfahren 210 einen Schritt (d) Abkühlen des additiv gefertigten Bauteils 108 unter der Ammoniakatmosphäre umfassen. Darüber hinaus kann das Verfahren den Schritt (e) Ablösen des additiv gefertigten Bauteils 108 von einer Bauplatte 112 aufweisen.
-
Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass „umfassend“ und „aufweisend“ keine anderen Elemente ausschließt und die unbestimmten Artikel „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließen. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkungen anzusehen.
-
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
-
