DE102020215902A1

DE102020215902A1 - Schichtbauverfahren zum additiven Herstellen eines Bauteils sowie Kit zum Nachweis von Kupferpartikn

Info

Publication number: DE102020215902A1
Application number: DE102020215902.5A
Authority: DE
Inventors: Christian Liebl; Johann Auerweck
Original assignee: MTU Aero Engines AG
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2020-12-15
Filing date: 2020-12-15
Publication date: 2022-06-15

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schichtbauverfahren zum additiven Herstellen eines Bauteils oder Bauteilbereichs. Das Schichtbauverfahren umfasst die Schritte a) Bereitstellen zumindest einer Probe eines pulverförmigen Werkstoffs, b) Untersuchen der Probe auf das Vorhandensein von Kupferpartikeln im pulverförmigen Werkstoff und c) schichtweises Verfestigen des pulverförmigen Werkstoffs, wenn ein Anteil an Kupferpartikeln in der Probe unterhalb eines vorbestimmten Grenzwerts ist. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Kit zum Nachweis von Kupferpartikeln in einem pulverförmigen Werkstoff für ein derartiges Schichtbauverfahren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schichtbauverfahren zum additiven Herstellen eines Bauteils sowie einen Kit zum Nachweis von Kupferpartikeln in einem Werkstoff für ein solches Schichtbauverfahren.
Additive Schichtbauverfahren bezeichnen Prozesse, bei denen anhand eines virtuellen Modells eines herzustellenden Bauteils oder Bauteilbereichs Geometriedaten ermittelt werden, welche in Schichtdaten zerlegt werden (sog. „slicen“). Abhängig von der Geometrie des Modells wird eine Belichtungs- bzw. Bestrahlungsstrategie bestimmt, gemäß welcher die selektive Verfestigung eines Werkstoffs erfolgen soll. Neben der Anzahl und Anordnung von Bestrahlungsvektoren, zum Beispiel Linienbelichtung, Streifenbelichtung, Chess-Strategie, Islandstragie etc., sind Bestrahlungsparameter wie beispielsweise die Energiestrahlleistung und die Belichtungsgeschwindigkeit eines zum Verfestigen zu verwendenden Energiestrahls von Bedeutung. Beim Schichtbauverfahren wird dann der gewünschte Werkstoff schichtweise abgelagert und selektiv mittels des wenigstens einen Energiestrahls verfestigt, um den gewünschten Bauteilbereich additiv aufzubauen. Damit unterscheiden sich additive bzw. generative Herstellungsverfahren von konventionellen abtragenden oder urformenden Fertigungsmethoden. Beispiele für additive Herstellungsverfahren sind generative Lasersinter- bzw. Laserschmelzverfahren, die beispielsweise zur Herstellung von Bauteilen für Strömungsmaschinen wie Flugtriebwerke verwendet werden können. Beim selektiven Laserschmelzen werden dünne Pulverschichten des oder der verwendeten Werkstoffe auf eine Bauplattform aufgebracht und mit Hilfe eines oder mehrerer Laserstrahlen lokal im Bereich einer Aufbau- und Fügezone aufgeschmolzen und verfestigt. Anschließend wird die Bauplattform abgesenkt, eine weitere Pulverschicht aufgebracht und erneut lokal verfestigt. Dieser Zyklus wird solange wiederholt, bis das fertige Bauteil bzw. der fertige Bauteilbereich erhalten wird. Das Bauteil kann anschließend bei Bedarf weiterbearbeitet oder ohne weitere Bearbeitungsschritte verwendet werden. Beim selektiven Lasersintern wird das Bauteil in ähnlicher Weise durch laserunterstütztes Sintern von pulverförmigen Werkstoffen hergestellt. Die Zufuhr der Energie erfolgt hierbei beispielsweise durch Laserstrahlen eines CO₂-Lasers, Nd:YAG-Lasers, Yb-Faserlasers, Diodenlasers oder dergleichen. Diese Verfahren werden als selektives Lasersintern (SLS) oder selektives Laserschmelzen (SLM) bezeichnet. Ebenfalls bekannt sind Elektronenstrahlverfahren, bei welchen der Werkstoff durch einen oder mehrere Elektronenstrahlen selektiv verfestigt wird.
Solche additiven Fertigungsverfahren (AM-Verfahren) kommen immer häufiger in der Serienfertigung zum Einsatz. Im selben Zuge steigen aber auch die Anforderungen an die Qualität additiv gefertigter Bauteilen, insbesondere in der Luft- und Raumfahrt. Diese Qualitätsanforderungen sind aber von vornherein nur unter Verwendung von hochwertigem Werkstoffpulver möglich. In der Praxis hat sich jedoch gezeigt, dass diese Anforderungen nicht immer erfüllt werden, was zur Herstellung von Bauteilen mit schwankenden und teilweise unzureichenden Bauteilqualitäten führt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es vor diesem Hintergrund, ein Verfahren zur additiven/generativen Fertigung mit verbesserter bzw. reproduzierbarer Bauteilqualität bereitzustellen. Eine weitere Aufgab der Erfindung besteht darin, ein Kit zur Verwendung in einem solchen Verfahren bereitzustellen.
Die Aufgaben werden erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Kit gemäß Patentanspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens als vorteilhafte Ausgestaltungen des Kits und umgekehrt anzusehen sind.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Schichtbauverfahren zum additiven Herstellen eines Bauteils oder Bauteilbereichs, wobei erfindungsgemäß zumindest die Schritte a) Bereitstellen zumindest einer Probe eines pulverförmigen Werkstoffs, b) Untersuchen der Probe auf das Vorhandensein von Kupferpartikeln im pulverförmigen Werkstoff und c) schichtweises Verfestigen des pulverförmigen Werkstoffs, wenn ein Anteil an Kupferpartikeln in der Probe unterhalb eines vorbestimmten Grenzwerts ist, durchgeführt werden. Mit anderen Worten ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass bei einem Schichtbauverfahren zunächst das zu verwendende Werkstoffpulver vollständig oder zumindest stichprobenartig auf das Vorhandensein von Kupferverunreinigungen getestet wird. Nur wenn der Anteil an Kupferpartikeln unterhalb eines vorbestimmten Grenzwerts liegt, wird dann das Schichtbauverfahren mit diesem Werkstoffpulver auch tatsächlich durchgeführt. Ansonsten kann der Werkstoff verworfen werden. Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf der Beobachtung, dass bei pulverbasierten AM-Verfahren eine Kontamination des metallischen Ausgangsmaterials insbesondere mit Kupfer die resultierende Bauteilqualität in inakzeptablem Ausmaß beeinträchtigt. Kupfer hat dabei den negativen Effekt, dass beim Verschmelzen beispielsweise eines verunreinigten IN718 Werkstoffpulvers zu Festmaterial Poren und Heißrisse entstehen. Der Grenzwert kann dabei individuell für unterschiedliche Bauteile bzw. geforderte Bauteilqualitäten und unterschiedliche pulverförmige Werkstoffe vorbestimmt werden. Generell sollte der Grenzwert möglichst niedrig, vorzugsweise im ppm-Bereich, gewählt werden, um eine möglichst hohe und gleichbleibende Bauteilqualität sicherzustellen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der pulverförmige Werkstoff ausgewählt aus einer Gruppe, die Zusammensetzungen auf Basis von Nickel, Aluminium, Titan, Chrom, Kobalt, Niob, Tantal, Wolfram, keramischen Faserverbundwerkstoffen und Kombinationen daraus umfasst bzw. aus den genannten Verbindungen besteht.
Bevorzugt ist der pulverförmige Werkstoff ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus Zusammensetzungen auf Basis von Nickel, Aluminium, Titan, Chrom, Kobalt, Niob, Tantal, Wolfram, keramischen Faserverbundwerkstoffen und Kombinationen daraus.
Bevorzugte metallische Werkstoffe umfassen Legierungen auf Basis von Nickel, Aluminium, Titan, Chrom, Kobalt, Niob, Tantal, Wolfram und Kombinationen daraus. Ein nickelbasierter pulverförmiger Werkstoff ist beispielsweise eine aushärtbare Nickel-Chrom-Legierung mit der Summenformel NiCr₁₉Fe₁₉NbMo₃, oder eine nickelbasierte Legierung mit der Summenformel Ni₇Cr_4.5Si₃B₃Fe. Titan-Aluminium-basierte pulverförmige Werkstoffe sind insbesondere Titanaluminide, wie beispielsweise die Titan-Aluminium-Legierung Ti₆Al₄V.
Bevorzugte nichtmetallische Werkstoffe umfassen keramische Faserverbundwerkstoffe auf Basis von Siliziumcarbid oder auf Basis von Siliziumcarbid und Aluminiumoxid und Kombinationen daraus. Die keramischen Faserverbundwerkstoffe werden bevorzugt mittels Sintern, Elektrophorese, Polymerimprägnierung und -pyrolyse, oder durch chemische Dampfinfiltration erzeugt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung enthält der pulverförmige Werkstoff nicht Zirkonium als Bestandteil.
Zum Nachweis von Kupferpartikeln hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn das Untersuchen der Probe zumindest die Schritte i) Bereitstellen einer basischen Lösung, umfassend ein Amin gelöst in einem geeigneten Lösungsmittel, ii)In-Kontakt-Bringen der Probe mit einem Oxidationsmittel und iii) In-Kontakt-Bringen der Probe mit dem Amin umfasst. Bevorzugt wird beim In-Kontakt-Bringen der Probe des pulverförmigen Werkstoffs mit dem Oxidationsmittel das in der Probe enthaltene Kupfer oxidiert. Das Kupfer liegt als Prozessrückstand bei der Herstellung des pulverförmigen Werkstoffs in der Regel in unterschiedlichen Oxidationsstufen vor. Kupfer(II) bildet mit Aminen leicht lösliche komplexe Salze. Diese Kupferamin-Komplexe weisen eine intensive Färbung auf. Die intensive Färbung ermöglicht eine einfache Identifikation von Kupferpartikeln in einer pulverförmigen Zusammensetzung. Die zugrundeliegende Reaktion von Kupfer(II) mit Aminen ist sehr empfindlich und ermöglicht daher bereits die Identifikation von Kupfer bei einem Gehalt von 700 ppm, ohne dabei auf die Verwendung weiterer analytischer Hilfsmittel wie Röntgenfluoreszenzmessungen und dergleichen zurückgreifen zu müssen. Durch das Verwenden einer basischen Lösung ist eine nachgelagerte Neutralisation, wie sie bei einer Oxidation des Kupfers im Sauren erforderlich wird, nicht notwendig.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt der Schritt iii) vor dem Schritt i). Bevorzugt erfolgt der Schritt ii) gleichzeitig mit dem Schritt iii). Insbesondere bevorzugt erfolgt das In-Kontakt-Bringen der Probe des pulverförmigen Werkstoffs mit einem Oxidationsmittel in Schritt ii) zusammen mit dem In-Kontakt-Bringen der Probe mit dem Amin in Schritt iii) durch das Suspendieren der Probe in der basischen Lösung aus Schritt i).
In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Amin ausgewählt aus der Gruppe umfassend Ammoniak, N-Alkylamine, N,N-Dialkylamine, EDTA, N-Hydroxysuccinimid, Ethan-1,2-diamin und Kombinationen daraus.
Bevorzugt wird ein Amin ausgewählt aus einer Gruppe bestehend aus Ammoniak, Methylamin, Dimethylamin, Ethylamin, Diethylamin, n-Propylamin, Di-n-propylamin, Isopropylamin, Diisopropylamin, n-Butylamin, Di-n-butylamin, Isobutylamin, Diisobutylamin, EDTA, N-Hydroxysuccinimid, Ethan-1,2-diamin und Kombinationen daraus.
Insbesondere bevorzugt ist das Amin Ammoniak oder EDTA.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Amin nicht Dithizon.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Lösungsmittel ausgewählt aus einer Gruppe umfassend Wasser, DMSO und Kombinationen daraus. Bevorzugt ist das Lösungsmittel Wasser.
In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein pH-Wert der Lösung in Schritt i) und/oder ein pH-Wert eines Reaktionsgemisches umfassend das Amin und die Probe in Schritt iii) 8 bis 13.
Bevorzugt liegt der pH-Wert des Reaktionsgemisches und/oder der Lösung bei 8,0, oder bei 8,5, oder bei 9,0, oder bei 9,5, oder bei 10,0, oder bei 10,5, oder bei 11, oder bei 11,5, oder bei 12,0, oder bei 12,5, oder bei 13. Das Vorliegen eines basischen pH-Werts trägt zur Beschleunigung der Reaktion von Kupfer(II) mit dem Amin bei.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung beträgt der Amingehalt der Lösung in Schritt i) 0,5 bis 50,0 Gew.-%. Unter einem Amingehalt der Lösung sind beispielsweise Gewichtsprozente von 0,5 Gew.-%, 1,0 Gew.-%, 1,5 Gew.-%, 2,0 Gew.-%, 2,5 Gew.-%, 3,0 Gew.-%, 3,5 Gew.-%, 4,0 Gew.-%, 4,5 Gew.-%, 5,0 Gew.-%, 5,5 Gew.-%, 6,0 Gew.-%, 6,5 Gew.-%, 7,0 Gew.-%, 7,5 Gew.-%, 8,0 Gew.-%, 8,5 Gew.-%, 9,0 Gew.-%, 9,5 Gew.-%, 10,0 Gew.-%, 10,5 Gew.-%, 11,0 Gew.-%, 11,5 Gew.-%, 12,0 Gew.-%, 12,5 Gew.-%, 13,0 Gew.-%, 13,5 Gew.-%, 14,0 Gew.-%, 14,5 Gew.-%, 15,0 Gew.-%, 15,5 Gew.-%, 16,0 Gew.-%, 16,5 Gew.-%, 17,0 Gew.-%, 17,5 Gew.-%, 18,0 Gew.-%, 18,5 Gew.-%, 19,0 Gew.-%, 19,5 Gew.-%, 20,0 Gew.-%, 20,5 Gew.-%, 21,0 Gew.-%, 21,5 Gew.-%, 22,0 Gew.-%, 22,5 Gew.-%, 23,0 Gew.-%, 23,5 Gew.-%, 24,0 Gew.-%, 24,5 Gew.-%, 25,0 Gew.-%, 25,5 Gew.-%, 26,0 Gew.-% , 26,5 Gew.-%, 27,0 Gew.-%, 27,5 Gew.-%, 28,0 Gew.-%, 28,5 Gew.-%, 29,0 Gew.-%, 29,5 Gew.-%, 30,0 Gew.-%, 30,5 Gew.-%, 31,0 Gew.-%, 31,5 Gew.-%, 32,0 Gew.-%, 32,5 Gew.-%, 33,0 Gew.-%, 33,5 Gew.-%, 34,0 Gew.-%, 34,5 Gew.-%, 35,0 Gew.-%, 35,5 Gew.-%, 36,0 Gew.-%, 36,5 Gew.-%, 37,0 Gew.-%, 37,5 Gew.-%, 38,0 Gew.-%, 38,5 Gew.-%, 39,0 Gew.-%, 39,5 Gew.-%, 40,0 Gew.-%, 40,5 Gew.-%, 41,0 Gew.-%, 41,5 Gew.-%, 42,0 Gew.-%, 42,5 Gew.-%, 43,0 Gew.-%, 43,5 Gew.-%, 44,0 Gew.-%, 44,5 Gew.-%, 45,0 Gew.-%, 45,5 Gew.-%, 46,0 Gew.-%, 46,5 Gew.-%, 47,0 Gew.-%, 47,5 Gew.-%, 48,0 Gew.-%, 48,5 Gew.-%, 49,0 Gew.-%, 49,5 Gew.-% oder 50,0 Gew.-%, sowie entsprechende Zwischenwerte zu verstehen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht die in Schritt i) bereitgestellte Lösung aus 25,0 Gew.-% Ammoniak in Wasser gelöst.
In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung hat das Oxidationsmittel ein elektrochemisches Standardpotential von + 0,37 V bis + 1,00 V. Unter dem elektrochemischen Standardpotential des Oxidationsmittels sind beispielsweise + 0,37 V, + 0,38 V, + 0,39 V, + 0,40 V, + 0,41 V, + 0,42 V, + 0,43 V, + 0,44 V, + 0,45 V, + 0,46 V, + 0,47 V, + 0,48 V, + 0,49 V, + 0,50 V, + 0,51 V, + 0,52 V, + 0,53 V, + 0,54 V, + 0,55 V, + 0,56 V, + 0,57 V, + 0,58 V, + 0,59 V, + 0,60 V, + 0,61 V, + 0,62 V, + 0,63 V, + 0,64 V, + 0,65 V, + 0,66 V, + 0,67 V, + 0,68 V, + 0,69 V, + 0,70 V, + 0,71 V, + 0,72 V, + 0,73 V, + 0,74 V, + 0,75 V, + 0,76 V, + 0,77 V, + 0,78 V, + 0,79 V, + 0,80 V, + 0,81 V, + 0,82 V, + 0,83 V, + 0,84 V, + 0,85 V, + 0,86 V, + 0,87 V, + 0,88 V, + 0,89 V, + 0,90 V, + 0,91 V, + 0,92 V, + 0,93 V, + 0,94 V, + 0,95 V, + 0,96 V, + 0,97 V, + 0,98 V, + 0,99 V oder + 1,00 V sowie entsprechende Zwischenwerte zu verstehen.
Das elektrochemische Standardpotential der Oxidation von Kupfer(0) zu Kupfer(II) beträgt + 0,35 V. Diese Potentiallage ist dafür verantwortlich, dass metallisches Kupfer bereits unter Mitwirkung von Oxidationsmitteln mit einem elektrochemischen Standardpotential von + 0,37 V bis + 1,00 V oxidiert wird und als Kupfer(II) in Lösung geht. Es kann daher auf teure beziehungsweise in ihrer Handhabung gefährliche Oxidationsmittel, wie Wasserstoffperoxid, verzichtet werden. Darüber hinaus wird durch den Einsatz eines Oxidationsmittels mit niedrigem elektrochemischen Standardpotential das Ablaufen störender beziehungsweise unerwünschter Nebenreaktionen minimiert.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Oxidationsmittel Sauerstoff. Bevorzugt ist das Oxidationsmittel Luftsauerstoff. Sauerstoff und insbesondere Luftsauerstoff ist kostenneutral verfügbar und einfach in der Handhabung.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Verfahren weiterhin den Schritt iv) Analysieren der Probe nach Durchführung der Schritte i), ii) und iii). Die Kupferpartikel in der Probe können mittels Analyse präzise nachgewiesen werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Analyse der Probe mit einem UVNIS-Spektrometer. Durch die zusätzliche Verwendung eines UV/VIS-Spektrometers wird die Nachweisgrenze von 700 ppm auf bis zu 10 ppm verringert, so dass auch besonders hohe Qualitätsanforderungen erfüllt werden können. Bevorzugt wird die Nachweisgrenze auf 10 ppm verringert. Damit wird der Nachweis von sehr geringen Mengen an Kupferpartikeln in der pulverförmigen Zusammensetzung möglich. Weiterhin kann aufgrund der deutlich niedrigeren Nachweisgrenze eine geringere Probenmenge verwendet werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Analyse der Probe zumindest 24 Stunden nach Durchführung der Schritte i), ii) und iii). Durch die Reaktionszeit von zumindest 24 Stunden wird eine größere Menge von Kupfer(0) in der Probe zu Kupfer(II) oxidiert, was zu einer erhöhten Zuverlässigkeit des Verfahrens führt.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Kit zur Untersuchung eines pulverförmigen Werkstoffs für ein Schichtbauverfahren auf das Vorhandensein von Kupferverunreinigungen, wobei das Kit zumindest ein Lösungsmittel und ein Amin umfasst. Das erfindungsgemäße Kit eignet sich damit zur Verwendung im Rahmen des vorstehend beschriebenen Schichtbauverfahrens. Bevorzugt umfasst das Kit eine basische Lösung, umfassend ein Amin gelöst in einem geeigneten Lösungsmittel. Die sich hieraus ergebenden Merkmale und deren Vorteile sind der Beschreibung des ersten Erfindungsaspekts zu entnehmen, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Erfindungsaspekts und umgekehrt anzusehen sind.
Generell sind „ein/eine“ im Rahmen dieser Offenbarung als unbestimmte Artikel zu lesen, also ohne ausdrücklich gegenteilige Angabe immer auch als „mindestens ein/mindestens eine“. Umgekehrt können „ein/eine“ auch als „nur ein/nur eine“ verstanden werden.
Der Begriff „basischer pH-Wert“ oder auch „basisch“ bezeichnet im Rahmen dieser Offenbarung einen pH-Wert, der höher als 7,5 ist. So ist beispielsweise eine basische Lösung eine Lösung mit einem pH-Wert, der höher als 7,5 ist.
Der Begriff „elektrochemisches Standardpotential“ oder auch „Standardpotential“ bezeichnet im Rahmen dieser Offenbarung die unter Standardbedingungen gemäß IUPAC-Definition in 2020 messbare elektrische Spannung zwischen einer Wasserstoffhalbzelle und der Halbzelle eines Redoxpaares.
Der Begriff „Bestandteil“ bezeichnet im Rahmen dieser Offenbarung die Teile einer Zusammensetzung, die als Komponente der Zusammensetzung vorgesehen sind. Verunreinigungen oder Rückstände sind im Rahmen dieser Offenbarung nicht Bestandteil einer Zusammensetzung.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen, sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen von der Erfindung als umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt und erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind. Es sind auch Ausführungen und Merkmalskombinationen als offenbart anzusehen, die somit nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten unabhängigen Anspruchs aufweisen. Es sind darüber hinaus Ausführungen und Merkmalskombinationen, insbesondere durch die oben dargelegten Ausführungen, als offenbart anzusehen, die über die in den Rückbezügen der Ansprüche dargelegten Merkmalskombinationen hinausgehen oder von diesen abweichen. Dabei zeigt:

1 die schematische Darstellung einer wässrigen Ammoniaklösung, die keine Kupferpartikel enthält; und
2 die schematische Darstellung einer in wässriger Ammoniaklösung suspendierten pulverförmigen Zusammensetzung, die Kupferpartikel enthält und tiefblau gefärbt ist.

1 zeigt in einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schichtbauverfahrens das Bereitstellen einer wässrigen Ammoniaklösung 10 in einem geeigneten Probengefäß 14 als einen ersten Schritt i) in dem Verfahren zum Nachweis von Kupferpartikeln in einem pulverförmigen Werkstoff, der im Rahmen des Schichtbauverfahrens verwendet werden soll. Die Lösung hat einen Ammoniakgehalt von 25,0 Gew.-%. Der pH-Wert der Lösung ist basisch.
In einem zweiten Schritt ii) erfolgt das Suspendieren einer Probe der pulverförmigen Zusammensetzung in der Ammoniaklösung 10, wobei die pulverförmige Zusammensetzung ein Inconel 718 Pulver ist. Inconel 718 ist eine aushärtbare Nickel-Chrom-Legierung mit der Summenformel NiCr₁₉Fe₁₉NbMo₃. Erfahrungsgemäß liegt Kupfer teilweise in unzulässig hohen Mengen als Prozessrückstand bei der Herstellung des Inconel 718 Pulver vor.
2 zeigt das in der Ammoniaklösung 10 suspendierte Inconel 718 Pulver nach 24 Stunden. Kupfer(0) wird in einem dritten Schritt iii) mit Luftsauerstoff zu Kupfer(II) oxidiert und bildet mit dem Ammoniak leicht lösliche, tiefblaue komplexe Salze 12.
Das elektrochemische Standardpotential der Oxidation von Kupfer(0) zu Kupfer(II) beträgt + 0,35 V. Diese Potentiallage ist dafür verantwortlich, dass metallisches Kupfer bereits unter Mitwirkung von Luftsauerstoff mit einem elektrochemischen Standardpotential von + 0,40 V als Kupfer(II) in Lösung geht. Kupfer(II) bildet mit Ammoniak ein leicht lösliches komplexes Salz 12. Dieser Kupfertetramin-Komplex weist eine intensiv blaue Färbung auf. Die intensive Färbung ermöglicht eine einfache Identifikation von Kupferpartikeln im Inconel 718 Pulver. Die zugrundeliegende Reaktion von Kupfer(II) mit Ammoniak ist sehr empfindlich und ermöglicht daher bereits die Identifikation von Kupfer bei einem Gehalt von 700 ppm, ohne dabei auf die Verwendung weiterer analytischer Hilfsmittel, wie Röntgenfluoreszenzmessungen, zurückgreifen zu müssen.
In einer zweiten Ausführungsform wird in einem ersten Schritt i) in dem Verfahren zum Nachweis von Kupferpartikeln in einer pulverförmigen Zusammensetzung eine wässrige Ammoniaklösung 10 in einem geeigneten Probengefäß 14 bereitgestellt. Die Lösung hat einen Ammoniakgehalt von 25,0 Gew.-%. Der pH-Wert der Lösung ist basisch.
In einem zweiten Schritt ii) erfolgt das Suspendieren der Probe des pulverförmigen Werkstoffs in Wasser mit einem basischen pH-Wert, wobei der Werkstoff ein Inconel 718 Pulver ist. Inconel718 ist eine aushärtbare Nickel-Chrom-Legierung mit der Summenformel NiCr₁₉Fe₁₉NbMo₃. Kupfer liegt häufig als Prozessrückstand bei der Herstellung des Inconel 718 Pulvers vor.
Die Ammoniaklösung 10 aus Schritt i) wird 24 Stunden nach dem Aufschlämmen des Inconel 718 Pulvers der Suspension zugegeben. Durch die Reaktionszeit von mindestens 24 Stunden wird eine größere Menge von metallischem Kupfer in der suspendierten pulverförmigen Zusammensetzung zu Kupfer(II) oxidiert, was zu einer erhöhten Zuverlässigkeit des Verfahrens führt. Das elektrochemische Standardpotential der Oxidation von Kupfer(0) zu Kupfer(II) beträgt +0,35 V. Diese Potentiallage ist dafür verantwortlich, dass metallisches Kupfer bereits unter Mitwirkung von Luftsauerstoff mit einem elektrochemischen Standardpotential von +0,40 V als Kupfer(II) in Lösung geht. Kupfer(II) bildet mit Ammoniak ein leicht lösliches komplexes Salz 12. Dieser Kupfertetramin-Komplex weist eine intensiv blaue Färbung auf. Die intensive Färbung ermöglicht eine einfache Identifikation von Kupferpartikeln im Inconel 718 Pulver. Die zugrundeliegende Reaktion von Kupfer(II) mit Ammoniak ist sehr empfindlich und ermöglicht daher die Identifikation von Kupfer bei einem Gehalt von 700 ppm.
In einem vierten Schritt iv) wird die Suspension, nach Durchführung der Schritte i), ii) und iii), mittels eines UV/VIS-Spektrometers analysiert. Durch die zusätzliche Verwendung eines UV/VIS-Spektrometers wird die Nachweisgrenze des Kupfers von 700 ppm auf 10 ppm verringert. Damit wird der Nachweis von sehr geringen Mengen an Kupferpartikeln in der pulverförmigen Zusammensetzung möglich. Weiterhin können aufgrund der deutlich niedrigeren Nachweisgrenze geringere Probenmengen verwendet werden.
Wenn die aufgefundene Menge an Kupferverunreinigungen unterhalb eines vorbestimmten Grenzwerts liegt, wird das getestete Werkstoffpulver im Rahmen des Schichtbauverfahrens bestimmungsgemäß verwendet und schichtweise selektiv zu einem gewünschten Bauteil verfestigt. Dies kann beispielsweise durch selektives Laserschmelzen und/oder Lasersintern erfolgen.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung betrifft ein Kit zur Detektion von Kupferpartikeln in einem pulverförmigen Werkstoff, der im Rahmen eines generativen Schichtbauverfahrens verwendet werden soll. Das Kit umfasst in einer Ausführungsform eine 25,0 Gew.-% wässrige Ammoniaklösung und wird in der vorstehend beschriebenen Weise zum Untersuchen des Werkstoffs auf Kupferpartikel verwendet.
Eine andere Ausführungsform betrifft die Verwendung des hier beschriebenen Verfahrens oder des hier beschriebenen Kits zum Nachweis von Kupferpartikeln in Inconel 718 Pulver.
Die in den Unterlagen angegebenen Parameterwerte zur Definition von Prozess- und Messbedingungen für die Charakterisierung von spezifischen Eigenschaften des Erfindungsgegenstands sind auch im Rahmen von Abweichungen - beispielsweise aufgrund von Messfehlern, Systemfehlern, Einwaagefehlern, DIN-Toleranzen und dergleichen - als vom Rahmen der Erfindung mitumfasst anzusehen.
Bezugszeichenliste

10: Ammoniaklösung
12: komplexes Salz
14: Probengefäß

Claims

Schichtbauverfahren zum additiven Herstellen eines Bauteils oder Bauteilbereichs, umfassend die Schritte: a) Bereitstellen zumindest einer Probe eines pulverförmigen Werkstoffs; b) Untersuchen der Probe auf das Vorhandensein von Kupferpartikeln im pulverförmigen Werkstoff; und c) schichtweises Verfestigen des pulverförmigen Werkstoffs, wenn ein Anteil an Kupferpartikeln in der Probe unterhalb eines vorbestimmten Grenzwerts ist.
Schichtbauverfahren nach Anspruch 1, wobei der pulverförmige Werkstoff ausgewählt wird aus einer Gruppe umfassend Zusammensetzungen auf Basis von Nickel, Aluminium, Titan, Chrom, Kobalt, Niob, Tantal, Wolfram, keramischen Faserverbundwerkstoffen und Kombinationen daraus.
Schichtbauverfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Untersuchen der Probe zumindest die folgenden Schritte umfasst: i) Bereitstellen einer basischen Lösung, umfassend ein Amin gelöst in einem geeigneten Lösungsmittel, ii) In-Kontakt-Bringen der Probe mit einem Oxidationsmittel; und iii) In-Kontakt-Bringen der Probe mit dem Amin.
Schichtbauverfahren nach Anspruch 3, wobei das Amin ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Ammoniak, N-Alkylamine, N,N-Dialkylamine, EDTA, N-Hydroxysuccinimid, Ethan-1,2-diamin und Kombinationen daraus.
Schichtbauverfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei das Lösungsmittel ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend Wasser, DMSO und Kombinationen daraus.
Schichtbauverfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei ein pH-Wert der Lösung in Schritt i) und/oder ein pH-Wert eines Reaktionsgemisches umfassend das Amin und die Probe in Schritt iii) 8 bis 13 ist.
Schichtbauverfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei ein Amingehalt der Lösung in Schritt i) 0,5 bis 50,0 Gew.-% beträgt.
Schichtbauverfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei das Oxidationsmittel in Schritt ii) ein elektrochemisches Standardpotential von + 0,37 V bis + 1,00 V hat.
Schichtbauverfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8, weiterhin umfassend den Schritt: iv) Analysieren der Probe mit einem UV/VIS-Spektrometer nach Durchführung der Schritte i), ii) und iii).
Schichtbauverfahren nach Anspruch 9, wobei die Analyse der Probe mindestens 24 Stunden nach Durchführung der Schritte i), ii) und iii) erfolgt.
Kit zur Untersuchung eines pulverförmigen Werkstoffs für ein Schichtbauverfahren auf das Vorhandensein von Kupferverunreinigungen, wobei das Kit zumindest ein Lösungsmittel und ein Amin umfasst.