DE102021000973A1 - Prüfkörper zur Beurteilung und Bestimmung einer Temperaturleitfähigkeit eines Pulvermaterials und Verfahren zur Verwendung des Prüfkörpers - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Prüfkörper zur Beurteilung und Bestimmung einer Temperaturleitfähigkeit eines Pulvermaterials, welcher eine einheitliche Gesamtdicke aufweist. Bei einem Prüfkörper, mit welchem die Temperaturleitfähigkeit eines im 3D-Druckverfahren verwendeten Pulvermaterials realitätsnah erfasst werden kann, ist zwischen mindestens zwei aus im 3D-Druck konsolidierten Pulvermaterial bestehenden Wandungen (3, 5) ein nicht im 3D-Druck konsolidiertes Pulvermaterial (9) und/oder mindestens eine beim 3D-Druck erzeugte Stützstruktur eingeschlossen.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Prüfkörper zur Beurteilung und Bestimmung einer Temperaturleitfähigkeit eines Pulvermaterials, welcher eine einheitliche Gesamtdicke aufweist, sowie ein Verfahren zur Bestimmung einer Temperaturleitfähigkeit eines mit einem generativen Fertigungsverfahren verwendeten Pulvermaterials.
• Bei additiven Fertigungsverfahren, insbesondere Pulverbettverfahren, wird im Zuge eines 3D-Druckprozesses aus Pulver ein Bauteil erzeugt. Im Zuge der fortschreitenden Digitalisierung ist es ein zunehmender Trend, bereits im Vorfeld Simulationsansätze zum 3D-Druckprozess sowie zur Bauteilgestaltung und Bauteilauslegung einzusetzen. Da im 3D-Druck neben der örtlichen Temperatureinbringung zum Aufschmelzen des Pulvers mit nachfolgender Konsolidierung auch zusätzliche Heizmaßnahmen ergriffen werden, spielt die sich im Druckerbauraum ausbildende Temperaturverteilung eine wichtige Rolle. Unter dem Druckerbauraum soll im Weiteren der Raum verstanden werden, in dem das Pulverbett auf einer optional temperierbaren Bauplatte aufliegt und selektiv konsolidiert wird. Alternativ oder zusätzlich zu der Bauplatte können auch andere Heizquellen im Druckerbauraum wirksam werden.
• Aus der DE 10 2015 122 037 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur thermischen Analyse einer Probe und/oder zur Kalibrierung einer Temperaturmesseinrichtung bekannt. Die Probe ist plättchenförmig ausgestaltet und weist eine einheitliche Dicke auf. Im Rahmen der thermischen Analyse wird die Temperatur der Probe verändert, indem eine Bestrahlung vorgegebener Oberflächenbereiche der Probe erfolgt und anschließend die Intensität der von der Probe in dem jeweiligen Oberflächenbereich abgegebenen Wärmestrahlung ausgewertet wird. Daraus wird die Temperaturleitfähigkeit der Probe ermittelt.
• Aufgabe der Erfindung ist es, einen Prüfkörper und ein Verfahren anzugeben, mit welchen die Temperaturleitfähigkeit eines im 3D-Druckverfahren verwendeten Pulvermaterials realitätsnah erfasst werden kann.
• Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, sowie der Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren dargestellt sind.
• Die Aufgabe ist mit einem eingangs beschriebenen Prüfkörper dadurch gelöst, dass zwischen mindestens zwei aus im 3D-Druck konsolidierten Pulvermaterial bestehenden Wandungen ein nicht im 3D-Druck konsolidiertes Pulvermaterial und/oder mindestens eine beim 3D-Druck erzeugte Stützstruktur eingeschlossen sind. Mit einem solchen Prüfkörper wird die örtliche Realsituation im Druckerbauraum nachgestellt und anschließend einer Temperaturleitfähigkeitsprüfung zugeführt. Es können somit realitätsnahe mechanische und physikalische Kenndaten aller im Druckerbauraum vorliegenden Strukturen, wie nicht im 3D-Druck konsolidiertes Pulver, bereits im 3D-Druck konsolidiertes Material des Zielbauteiles sowie im 3D-Druck konsolidiertes Stütz- bzw. Tragstrukturmaterial erfasst werden.
• Vorteilhafterweise bestehen das Material der Wandungen und das Pulvermaterial aus Material mit gleicher chemischer Zusammensetzung. Dadurch lässt sich die Temperaturleitfähigkeit ein und desselben Materials in unterschiedlichen Druckzuständen prüfen.
• In einer Ausgestaltung ist das nicht im 3D-Druck konsolidierte Pulvermaterial von einer Mantelfläche umgeben, die an die Wandungen angrenzt. Somit werden einfach verschiedene, im Druckerbauraum auftretende Materialverhältnisse nachgebildet.
• In einer Variante weichen die Breite der Wandungen und/oder die Breite eines Zwischenraumes, in welchem das Pulvermaterial und/oder die Stützstruktur angeordnet sind, und/oder die Breite der Mantelfläche voneinander ab. Durch die Variation der Abmaße können Temperaturleitfähigkeiten der verschiedensten, im Druckerbauraum herzustellende Bauteile simuliert werden.
• In einer Ausführungsform sind mehrere Wandungen parallel zueinander ausgebildet, wobei zwischen zwei Wandungen jeweils ein Zwischenraum zur Aufnahme des Pulvermaterials und/oder der Stützstruktur bzw. der Stützstrukturen vorhanden sind. Dadurch wird die Simulationsvielfalt erhöht, da sich gezielt unterschiedliche Zusammensetzungen zur Nachbildung der tatsächlichen Strukturen im Druckerbauraum erzeugen lassen.
• Es ist von Vorteil, wenn die Wandungen und die Zwischenräume einen runden oder eckigen Querschnitt aufweisen. Der Querschnitt kann beispielsweise quadratisch sein oder ein regelmäßiges oder unregelmäßiges Vieleck darstellen, wodurch die Bauform des Druckerraumes beliebig nachgeformt wird.
• In einer weiteren Ausführungsform ist der Prüfkörper in einem 3D-Druckverfahren an unterschiedlichen Stellen im Druckerbauraum herstellbar. Somit besteht grundsätzlich die Möglichkeit, eine eventuelle Ortsabhängigkeit der Temperaturleitfähigkeit zu bestimmen.
• Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Temperaturleitfähigkeit eines in einem generativen Fertigungsverfahren verwendeten Pulvermaterials. Bei einem Verfahren, mit welchem die Temperaturleitfähigkeit eines im 3D-Druckverfahren verwendeten Pulvermaterials realitätsnah erfasst werden kann, wird die Temperaturleitfähigkeit an einem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildeten Prüfkörper ermittelt.
• Vorteilhafterweise wird aus der an dem Prüfkörper ermittelten Temperaturleitfähigkeit eine Wärmeleitfähigkeit des Pulvermaterials bestimmt, wobei die Temperaturleitfähigkeit und die Wärmeleitfähigkeit als Eingangsgrößen für eine Simulation und/oder Digitalisierung des generativen Verfahrens verwendet werden.
• Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der - gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnung - zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Beschriebene und/oder bildlich dargestellte Merkmale können für sich oder in beliebiger, sinnvoller Kombination den Gegenstand der Erfindung bilden, gegebenenfalls auch unabhängig von den Ansprüchen, und können insbesondere zusätzlich auch Gegenstand einer oder mehrerer separater Anmeldung/en sein. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
• Es zeigen:
• 1 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Prüfkörpers,
• 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Prüfkörpers.
• In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Prüfkörpers dargestellt, welcher tablettenförmig gestaltet ist und im Inneren mit einem Pulver gefüllt ist. Der Prüfkörper 1 besteht aus zwei annähernd planparallelen Wandungen 3, 5, die beabstandet zueinander angeordnet sind. In dem Zwischenraum 7 der beiden Wandungen 3, 5 ist ein Pulver 9 angeordnet, welches von einem Ring 11 begrenzt wird, innerhalb welchem das Pulver 9 gelagert ist. Der den Zwischenraum 7 zylinderförmig umgebende Ring 11 grenzt formschlüssig und/oder stoffschlüssig an die beiden Wandungen 3, 5 an und verhindert einen Austritt des Pulvers (1b, 1c). Die als volle Scheiben ausgebildeten Wandungen 3, 5 können verschiedene Breiten 31, 51 aufweisen. Auch die Breite 113 des Ringes 11 kann gegenüber den Breiten 31, 51 der Wandungen 3, 5 variieren. Es besteht ebenfalls die Möglichkeit, eine Dicke 115 des Ringes 11 dem konkreten Prüffall anzupassen.
• Der dargestellte Prüfkörper 1 wird in einem 3D-Druckprozess an einer vorgegebenen Position in einem nicht weiter dargestellten Druckbauraum hergestellt, wobei für die Wandungen 3, 5, den Ring 11 und das Pulver 9 ein Material mit gleichen chemischen Eigenschaften verwendet wird. Die Wandungen 3, 5 und der Ring 11 bestehen dabei aus dem im 3D-Druck konsolidierten Material des verwendeten Pulvers 9, während das Pulver 9 im Zwischenraum 7 im 3D-Druck nicht konsolidiert wurde. Zusätzlich kann in dem Zwischenraum 7 auch ein im 3D-Druckprozess konsolidiertes Stütz- bzw. Tragstrukturmaterial angeordnet sein. Das verwendete Pulver 9 kann aus metallischen und/oder keramischen Anteilen bestehen. Im Inneren des Prüfkörpers 1 ist somit Pulvermaterial aus dem Druckerbauraum eingeschlossen, wie dieses auch während des 3D-Druckprozesses vorliegt und zur Temperaturänderung beiträgt.
• 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Prüfkörpers 13, welcher drei Wandungen 3, 5, 15 aufweist. Die Wandung 15 ist insbesondere parallel zwischen den die Außenseiten des Prüfkörpers 15 bildenden Wandungen 3, 5 angeordnet. Zwischen der Wandung 3 und 15 bildet sich der Zwischenraum 7, welcher in der beschriebenen Art und Weise von dem Ring 11 umgeben ist. Zwischen den Wandungen 15 und 5 ist ein weiterer Zwischenraum 17 ausgebildet, der ebenfalls von einem weiteren Ring 19 umschlossen ist. In den Zwischenräumen 7 und 17 sind das Pulver 9 und/oder die während des 3D-Prozesses konsolidierten Stütz- und Tragstrukturen enthalten. Auch in diesem Fall können die Breiten 31, 51, 151; 113, 193 der Wandungen 3, 5, 15 und der Ringe 11, 19, variieren, um den Druckbauraum realitätsnah nachzubilden.
• Der Prüfkörper 1, 13 kann nach der Herstellung im Druckprozess nachbehandelt werden, indem dieser einer weiteren Wärmebehandlung unterzogen wird und/oder einer Strahlbehandlung und/oder einer Nachverdichtung ausgesetzt wird. Auch kann eine mechanische Nachbearbeitung des Prüfkörpers 1, 13 erfolgen. Insbesondere die mechanische Nachbearbeitung ermöglicht eine genaue Einhaltung der planparallelen Seitenflächen und/oder von Breitentoleranzen des Prüfkörpers 1, 13.
• Zur Bestimmung der Temperaturleitfähigkeit wird der Prüfkörper 1 oder 13 einer Temperaturbehandlung unterzogen, indem beispielsweise die Vorderseite des Prüfkörpers 1, 13 durch einen Energieimpuls aufgeheizt und ein Temperaturanstieg erzeugt wird und die durch die Rückseite des Prüfkörpers 1, 13 abgegebene Wärme mit einem Infrarotdetektor gemessen wird. Dies wird als Flash-Methode bezeichnet. Aus dem gemessenen Temperaturanstieg wird die Temperaturleitfähigkeit des Prüfkörpers 1, 13 berechnet. Mittels der Temperaturleitfähigkeit wird eine Wärmeleitfähigkeit wie folgt bestimmt: $$\mathrm{\lambda }\left(\text{T}\right)=\mathrm{\alpha }\left(\text{T}\right)*\text{cp}\left(\text{T}\right)*\mathrm{\rho }\left(\text{T}\right),$$

  

  wobei

λ(T)

Wärmeleitfähigkeit,

α(T)

Temperaturleitfähigkeit,

cp(T)

spezifische Wärmekapazität,

ρ(T)

Dichte des Materials.

• Die Temperaturleitfähigkeit α(T) ist als materialabhängige Stoffeigenschaft definiert, die angibt, wie schnell ein Material auf eine Temperaturänderung reagiert. Die spezifische Wärmekapazität cp(T) ist ebenfalls eine Materialkonstante und ein Maß für die Energie, die benötigt wird, um 1 kg des Materials um 1 Kelvin zu erwärmen.
• Die so ermittelte Wärmeleitfähigkeit wird als Eingangsgröße für Simulationen oder Digitalisierung des 3D-Fertigungsverfahren von Bauteilen genutzt.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• DE 102015122037 A1 [0003]

Claims (9)

1. Prüfkörper zur Beurteilung und Bestimmung einer Temperaturleitfähigkeit eines Pulvermaterials, welcher eine einheitliche Gesamtdicke aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen mindestens zwei aus im 3D-Druck konsolidierten Pulvermaterial bestehenden Wandungen (3, 5) ein nicht im 3D-Druck konsolidiertes Pulvermaterial (9) und/oder mindestens eine beim 3D-Druck erzeugte Stützstruktur eingeschlossen ist.
2. Prüfkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Wandungen (3, 5) und das Pulvermaterial (9) aus Material mit gleicher chemischer Zusammensetzung bestehen.
3. Prüfkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das nicht im 3D-Druck konsolidierte Pulvermaterial (9) von einer Mantelfläche (11) umgeben ist, die an die Wandungen (3, 5) angrenzt.
4. Prüfkörper nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (31, 51) der Wandungen (3, 5) und/oder die Breite eines Zwischenraumes (7), in welchem das Pulvermaterial (9) oder die Stützstruktur angeordnet sind, und/oder die Breite (113) der Mantelfläche (11) voneinander abweichen.
5. Prüfkörper nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Wandungen (3, 5, 15) parallel zueinander ausgebildet sind, wobei zwischen zwei Wandungen (3, 15; 15, 5) jeweils ein Zwischenraum (7, 17) zur Aufnahme des Pulvermaterials (9) und/oder der Stützstruktur bzw. der Stützstrukturen vorhanden ist.
6. Prüfkörper nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandungen (3, 5, 15) und die Zwischenräume (7, 17) einen runden oder eckigen Querschnitt aufweisen.
7. Prüfkörper nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfkörper (1, 13) in einem 3D-Druckverfahren an unterschiedlichen Stellen im Druckerbauraum herstellbar ist.
8. Verfahren zur Bestimmung einer Temperaturleitfähigkeit eines mit einem generativen Fertigungsverfahren verwendeten Pulvermaterials, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturleitfähigkeit an einem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildeten Prüfkörper (1, 13) ermittelt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass aus der an dem Prüfkörper (1, 13) ermittelten Temperaturleitfähigkeit eine Wärmeleitfähigkeit des Pulvermaterials bestimmt wird, wobei die Temperaturleitfähigkeit und die Wärmeleitfähigkeit als Eingangsgrößen für eine Simulation und/oder Digitalisierung des generativen Fertigungsverfahrens verwendet werden.

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