DE102021003914A1

DE102021003914A1 - Bauteilanordnung und Verfahren zur Herstellung einer Bauteilanordnung

Info

Publication number: DE102021003914A1
Application number: DE102021003914.9A
Authority: DE
Inventors: Arnd Bressel; Klaus Gessner; Bernd Schietinger
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2021-07-30
Filing date: 2021-07-30
Publication date: 2021-09-16

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bauteilanordnung (1) aus zumindest einem durch einen additiven Fertigungsprozess hergestellten Verbundbauteil (2), wobei das Verbundbauteil (2) eine Stahlmatrix (3) mit in die Stahlmatrix (3) eingebetteten Verstärkungspartikeln (4) umfasst. Die Erfindung ist gekennzeichnet durch einen zumindest das eine Verbundbauteil (2) tragenden Grundkörper (5) mit einer zum Verbundbauteil (2) abweichenden Materialzusammensetzung, wobei der Grundkörper (5) und zumindest das eine Verbundbauteil (2) verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Bauteilanordnung aus zumindest einem durch einen additiven Fertigungsprozess hergestellten Verbundbauteil nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Bauteilanordnung.
Bauteile aus Hartmetall finden breite Anwendungen im allgemeinen Maschinenbau. So werden beispielsweise Werkzeuge aus Hartmetall oder mit Hartmetallabschnitten oftmals zur Ausbildung von Werkzeugen eingesetzt, da Hartmetalle aufgrund ihrer hohen Widerstandskraft gegen Abrasionen und Korrosion vergleichsweise lange Lebensdauern solcher Werkzeuge erlauben. Klassische Hartmetallbauteile umfassen typischerweise Hartstoffpartikel, welche mit Hilfe eines metallischen Elements, meist Kobalt, gesintert werden. Kobalt hat jedoch den Nachteil, dass es einer vergleichsweise hohen Nachfrage bei gleichzeitig begrenzten Fördermengen unterliegt und somit als strategisches Element klassifiziert wird. Dies führt zu starken Preisschwankungen von Kobalt. Somit ist es wünschenswert Hartmetallbauteile ohne Kobalt herzustellen, um die Herstellungskosten zu senken.
Zur Herstellung von Hartmetallbauteilen werden auch additive Fertigungsverfahren wie selektives Laserschmelzen, selektives Elektronenstrahlschmelzen, selektives Lasersintern, selektives Elektronenstrahlsintern, Drahtauftragsschweißen oder Pulverauftragsschweißen eingesetzt. Hierzu wird ein im Folgenden als Verbundbauteil bezeichnetes Hartmetallbauteil aus einem Metallpulver gefertigt, welches mit Hilfe von thermischer Energie, insbesondere in Form eines Laser- oder Elektronenstrahls, aufgeschmolzen wird, woraufhin in die entstehende Schmelze Hartstoffpartikel eingebettet werden. Zur Ausbildung einer solchen Metallmatrix kommen verschiedene Metalle, beziehungsweise Metalllegierungen, in Frage. Hierzu zählen beispielsweise Eisen, insbesondere Stahl, Aluminium, Magnesium und/oder Titan. Durch die in die Metallmatrix eingebetteten Hartstoffpartikel kann eine Festigkeit, Verschleißfestigkeit, thermische Leitfähigkeit, sowie ein Erosions- und/oder Korrosionswiderstand eines entsprechenden Verbundbauteils gezielt eingestellt werden.
So offenbart die EP 3 254 783 A1 eine Pulvermixtur zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts durch additive Fertigungsmethoden. Die Pulvermixtur umfasst wenigstens eine erste Metalllegierung, beispielsweise Stahl oder ein hochlegierter Stahl. Der Stahl kann insbesondere Chrom, Nickel und/oder Molybdän umfassen. Somit kann es sich um ein Pulver aus einem hochlegierten Chrom-Nickelstahl, einem hochlegierten Chrom-Molybdänstahl und/oder einem hochlegierten Chrom-Nickel-Molybdän-Stahl handeln. Auch ist es möglich, dass die Pulvermixtur wenigstens zwei verschiedene Metallsorten umfasst. Neben wenigstens einer Metallpulversorte umfasst die Pulvermixtur zudem Verstärkungspartikel. Bei den Verstärkungspartikeln handelt es sich beispielsweise um Borid, Karbid, Nitrit, Oxid, Silizid, und/oder Grafit. Bewährt hat sich dabei Siliziumkarbid und/oder ähnliche Verbindungen mit Wolfram. Die Verstärkungspartikel können eine beliebige Form aufweisen. Beispielsweise können die Verstärkungspartikel kugelförmig oder auch faserförmig vorliegen. Eine durchschnittliche Größe der einzelnen Verstärkungspartikel liegt dabei vorzugsweise im Bereich zwischen 1µm und 200µm. Der Gewichtsanteil der Verstärkungspartikel an der Pulvermixtur beträgt vorzugsweise 0,5 bis 2 Gewichtsprozent, kann aber auch in einem Bereich zwischen 0,05 bis 40 Gewichtsprozent liegen. Zur Herstellung des dreidimensionalen Objekts wird die Pulvermixtur mittels eines additiven Fertigungsverfahrens wie selektives Aufschmelzen mit einem Elektroden- oder Laserstrahl hergestellt. Bevorzugt liegt dabei eine Schmelztemperatur unterhalb der Schmelztemperatur der Verstärkungspartikel. Dies führt dazu, dass lediglich das Metallpulver zur Ausbildung der Metallmatrix aufgeschmolzen wird und die Verstärkungspartikel in festen Zustand in die Metallmatrix eingebettet werden. Dabei können die Verstärkungspartikel jedoch auch zumindest partiell aufgeschmolzen werden. Hierdurch wird eine Verbindung der Verstärkungspartikel zur Metallmatrix verbessert. Gemäß einer alternativen Ausführung können jedoch auch die Verstärkungspartikel vollständig aufgeschmolzen werden und in der Metallmatrix gelöst werden.
Ähnliche Bauteile sowie Fertigungsverfahren sind beispielsweise auch aus der US 2018/0038167 A1 sowie der WO 2015/030879 A2 bekannt. Die Druckschriften offenbaren die Verwendung von Nickel beziehungsweise Polymerverbindungen als zusätzlichen Binder für eine Pulvermixtur aus einem Metallpulver und Wolframkarbidpartikeln sowie das Durchführen eines Nachbehandlungsschritts nach der Herstellung eines solchen 3D-Bauteils zum Nachverdichten des Bauteils.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Bauteilanordnung aus zumindest einem durch einen additiven Fertigungsprozess hergestellten Verbundbauteil sowie ein entsprechendes Herstellungsverfahren zur Herstellung einer solchen Bauteilanordnung anzugeben, mit dessen Hilfe die mechanischen Eigenschaften der Bauteilanordnung verbessert werden und zudem Herstellungskosten gesenkt werden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Bauteilanordnung aus zumindest einem durch einen additiven Fertigungsprozess hergestellten Verbundbauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Bauteilanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 4 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Ansprüchen.
Eine Bauteilanordnung aus zumindest einem durch einen additiven Fertigungsprozess hergestellten Verbundbauteil, wobei das Verbundbauteil eine Stahlmatrix mit in die Stahlmatrix eingebetteten Verstärkungspartikeln umfasst, weist erfindungsgemäß einen zumindest das eine Verbundbauteil tragenden Grundkörper mit einer zum Verbundbauteil abweichenden Materialzusammensetzung auf, wobei der Grundkörper und zumindest das eine Verbundbauteil verbunden sind.
Durch eine Integration zumindest eines Verbundbauteils aus einer Stahlmatrix mit in die Stahlmatrix eingebetteten Verstärkungspartikeln mit einem Grundkörper zu einer gemeinsamen Bauteilanordnung lassen sich die mechanischen, thermodynamischen und/oder elektrischen Eigenschaften der Bauteilanordnung noch gezielter bei gleichzeitig reduzierten Fertigungskosten an ein mögliches Einsatzszenario einstellen. So lassen sich die Vorteile des Verbundbauteils und des Grundkörpers gewinnbringend kombinieren.
Durch die Ausbildung des Verbundbauteils als eine Metallmatrix mit in die Metallmatrix eingebetteten Verstärkungspartikeln lässt sich für das Verbundbauteil eine besonders hohe Härte, Steifigkeit, Zugfestigkeit oder dergleichen erreichen. Als Verstärkungspartikel können beispielsweise Hartstoffpartikel wie oxidische, nitridische und/oder karbidische Hartstoffe in der Metallmatrix eingebettet werden. Der Grundkörper kann generell aus einem beliebigen zum Verbundbauteil abweichenden Material hergestellt sein. Beispielsweise kann der Grundkörper aus einer Eisenbasislegierung, insbesondere aus Stahl, aus einer Aluminiumbasislegierung, aus einer Magnesiumbasislegierung, aus einer Titanbasislegierung, aus einer Kupferbasislegierung, aus einer Nickelbasislegierung oder dergleichen hergestellt sein. Der Grundkörper kann jedoch auch zumindest teilweise Holz, Kunststoff, Zellulose oder dergleichen umfassen. Der Grundkörper kann durch bewährte Fertigungsmethoden hergestellt sein, beispielsweise durch Gießen, Sintern, Spritzen Schmieden, Umformen oder dergleichen. Durch die Verwendung bewährter Herstellungsverfahren lässt sich der Grundkörper im Vergleich zum Verbundbauteil besonders schnell und kostengünstig produzieren. Des Weiteren kann der Grundkörper auch eine Nachbehandlung erfahren haben, wie beispielsweise eine zerspanende Bearbeitung. Je größer ein Anteil des Grundkörpers an der Bauteilanordnung, desto mehr Kostenersparnis lässt sich erzielen, im Vergleich zu einer Ausführung der Bauteilanordnung unter alleiniger Verwendung des Verbundbauteils. Dies liegt neben den vergleichsweise hohen Kosten der Verstärkungspartikel auch an einer vergleichsweise langen Prozessdauer zur additiven Fertigung des Verbundbauteils.
In einer möglichen Ausführung kann das Verbundbauteil eine vergleichsweise hohe Härte und geringe Verformbarkeit aufweisen und der Grundkörper vergleichsweise weich ausgeführt sein. Typischerweise geht eine hohe Härte mit einer hohen Sprödigkeit einher. Das Verbundbauteil eignet sich aufgrund der hohen Härte zur Verwendung als Schneidwerkstoff, neigt jedoch bei schlagartiger Beanspruchung und/oder über einer Versagensgrenze liegenden, auf das Verbundbauteil wirkenden Kräften zu einem Sprödbruch. Solche Kräfte beziehungsweise Schwingungen lassen sich in den Grundkörper einleiten, welcher aufgrund einer vergleichsweise hohen Duktilität ein Versagen der Bauteilanordnung entgegenwirkt. Hierzu weist der Grundkörper beispielsweise einen geringeren E-Modul, Schubmodul und/oder Härte als das Verbundbauteil auf. Somit führt die Ausbildung der Bauteilanordnung aus Verbundbauteil und Grundkörper zu einer Verschiebung der Versagensgrenze der Bauteilanordnung hin zu höheren ertragbaren Belastungen, als bei einer alleinigen Verwendung des Verbundbauteils zur Zerspanung.
Der Grundkörper kann mit einem oder auch mehreren Verbundbauteilen verbunden sein. Dabei können die einzelnen Verbundbauteile auf dem Grundkörper aneinander liegen oder auch zueinander beabstandet sein. Zum Verbinden wenigstens eines Verbundbauteils mit dem Grundkörper kann das Verbundbauteil auf dem Grundkörper aufgeklebt sein, mit diesem verschraubt sein, mit diesem verpresst sein, auf den Grundkörper aufgelötet oder mit diesem verschweißt sein. Generell kommen beliebige formschlüssige, kraftschlüssige und/oder stoffschlüssige Verbindungstechniken in Frage, um zumindest ein Verbundbauteil mit dem Grundkörper zu verbinden. Insbesondere ist vorgesehen, das Verbundbauteil im Zuge einer additiven Fertigung auf den Grundkörper aufzubringen, insbesondere aufzudrucken.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Bauteilanordnung sieht vor, dass ein Volumenanteil der Verstärkungspartikel am Verbundbauteil bis zu 95 vol% beträgt und bevorzugt in einem Bereich zwischen 15 - 85 vol% liegt. Über das Mischungsverhältnis aus Verstärkungspartikeln und der zur Ausbildung der Stahlmatrix verwendeten Eisenbasislegierung lassen sich die Werkstoffeigenschaften des Verbundbauteils gezielt an einen geplanten Einsatz der Bauteilanordnung einstellen. Je höher der Anteil der Verstärkungspartikel, desto größer ist auch in der Regel eine Abrasionsbeständigkeit beziehungsweise Härte des Verbundbauteils. Dabei hat sich ein Anteil von bis zu 95 vol% an Verstärkungspartikeln am Verbundbauteil bewährt, um herausragende Abrasionssowie Korrosionsbeständigkeitseigenschaften zu gewährleisten, und dennoch eine Integrität des Verbundbauteils sicherzustellen. So besteht beispielsweise bei einem zu hohen Anteil der Verstärkungspartikel am Verbundbauteil das Risiko, dass die Verstärkungspartikel nicht ausreichend von Stahl umgeben sind, sondern beispielsweise entlang einer Kette aneinander anliegen, was eine Rissbildung bei einer zu hohen Beanspruchung des Verbundbauteils begünstigt. Besonders vorteilhaft ist ein Volumenanteil der Verstärkungspartikel am Verbundbauteil in einem Bereich zwischen 15 bis 85 vol%.
Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Bauteilanordnung weist zumindest ein Verbundbauteil wenigstens einen Oberflächenbereich auf, in welchem die Verstärkungspartikel zumindest partiell freigelegt sind. Durch das Freilegen der Verstärkungspartikel lässt sich zumindest im Oberflächenbereich des Verbundbauteils mit den freigelegten Verstärkungspartikeln eine noch höhere Härte beziehungsweise Abrasions- und/oder Korrosionsbeständigkeit erreichen. Handelt es sich bei der Bauteilanordnung beispielsweise um ein Schneidwerkzeug, so können insbesondere im Bereich einer Schneide die Verstärkungspartikel freigelegt werden, um eine hohe Beständigkeit, beispielsweise in einem Zerspanungsprozess, zu gewährleisten. Hierdurch kann eine Standdauer, beziehungsweise Lebensdauer, der Bauteilanordnung erhöht werden. Durch das partielle Freilegen der Verstärkungspartikel lassen sich im Vergleich zur Behandlung der vollständigen Oberfläche des Verbundbauteils zudem Prozesskosten und eine zur Nachbehandlung erforderliche Zeitdauer reduzieren.
Bei einem Verfahren zur Herstellung einer im vorigen beschriebenen Bauteilanordnung werden erfindungsgemäß zumindest die folgenden Verfahrensschritte durchgeführt:

- Bereitstellen des Grundkörpers und eines Gemisches aus einer Eisenbasislegierung und den Verstärkungspartikeln; und
- schichtweises Herstellen des Verbundbauteils auf dem Grundkörper durch additive Fertigung.

Mit dem beschriebenen Verfahren lässt sich die Bauteilanordnung schnell, zuverlässig und günstig herstellen. Der Grundkörper dient dabei als Trägermaterial zur Aufnahme des Verbundbauteils. Mit Hilfe des additiven Fertigungsverfahrens, wie beispielsweise selektives Laserschmelzen, selektives Elektronenstrahlschmelzen, selektives Lasersintern, selektives Elektronenstrahlsintern, Drahtauftragsschweißen oder Pulverauftragsschweißen, kann eine stoffschlüssige Verbindung zwischen Verbundbauteil und Grundkörper während der Erzeugung des Verbundbauteils erzeugt werden. Hierzu wird das Gemisch aus Eisenbasislegierung zur Ausbildung der Stahlmatrix und den Verstärkungspartikeln auf den Grundkörper aufgetragen und das Gemisch sowie nach Bedarf der Grundkörper beispielsweise durch einen Laserstrahl oder Elektronenstrahl aufgeschmolzen. Das Herstellen einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen Verbundbauteil und Grundkörper erlaubt den Verzicht von weiteren Verbindungstechniken. Zur noch zuverlässigeren Befestigung des Verbundbauteils am Grundkörper können selbstverständlich jedoch weitere Verbindungstechniken wie verschrauben, festklemmen, verkleben, verlöten oder dergleichen zum Einsatz kommen.
Eine zum Aufschmelzen der Eisenbasislegierung und/oder der Verstärkungspartikel verwendete thermische Energiemenge kann in Abhängigkeit erwünschter Bauteileigenschaften eingestellt werden. So kann eine vergleichsweise niedrige Energie gewählt werden, um lediglich die Eisenbasislegierung aufzuschmelzen oder aber die Energie erhöht werden, um auch die Verstärkungspartikel, zumindest partiell aufzuschmelzen. Auch kann eine so hohe thermische Energie verwendet werden, dass die Verstärkungspartikel vollständig aufgeschmolzen und in der entstehenden Metallmatrix gelöst werden. Erfolgt das Aufschmelzen des Gemisches beispielsweise mittels Laser, so kann hierzu eine Laserleistung, Wellenlänge des verwendeten Lasers, Pulsdauer, Pulsfrequenz, Abtastgeschwindigkeit, ein Laserstrahldurchmesser oder dergleichen angepasst werden.
Die Eisenbasislegierung kann in vielfältiger Form als Ausgangsstoff zur Ausbildung des Gemisches vorliegen. Beispielsweise kann die Eisenbasislegierung als Granulat, Pulver oder dergleichen vorliegen. Das Gemisch kann auch mehrere verschiedene Legierungen umfassen, wie beispielsweise eine erste Legierung eines Chrom-Stahls und eine zweite Legierung eines Chrom-Nickel-Stahls. Auch kann das Gemisch verschiedene Verstärkungspartikel-Arten umfassen, wie beispielsweise Wolframkarbidpartikel, Siliziumoxidpartikel, Titannitrid oder dergleichen.
Entsprechend einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist während oder nach der additiven Fertigung des Verbundbauteils zumindest ein zusätzlicher Verfahrensschritt vorgesehen. Der zusätzliche Verfahrensschritt kann darin bestehen, zumindest einen Abschnitt des Verbundbauteils einer Wärmebehandlung zu unterziehen, den Abschnitt nachzuverdichten und/oder eine Oberflächenbehandlung zumindest des Abschnitts des Verbundbauteils durchzuführen. Der zusätzliche Verfahrensschritt kann auch eine mechanische Nachbearbeitung zumindest des Abschnitts des Verbundbauteils vorsehen. Mit Hilfe eines solchen zusätzlichen Verfahrensschritts lassen sich die Werkstoffeigenschaften des Verbundbauteils und damit der Bauteilanordnung noch zielgerichteter an einen geplanten Einsatz der Bauteilanordnung anpassen.
Bevorzugt erfolgt ein Nachverdichten zumindest des Verbundbauteils mittels heißisostatischem Pressen. Insbesondere erfährt die gesamte Bauteilanordnung ein Nachverdichten.
Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden durch die Oberflächenbehandlung und/oder mechanische Nachbehandlung zumindest in einem Oberflächenbereich wenigstens eines Verbundbauteils Verstärkungspartikel zumindest partiell freigelegt. Wie bereits erwähnt lässt sich durch das zumindest partielle Freilegen der Verstärkungspartikel eine Widerstandskraft zumindest des Oberflächenbereichs des zumindest einen Verbundbauteils erhöhen. So kann das Verbundbauteil in diesem Oberflächenbereich eine höhere Abrasionsbeständigkeit und/oder Korrosionsbeständigkeit aufweisen. Indem nur eine partielle Oberflächenbehandlung beziehungsweise Nachbehandlung des Verbundbauteils erfolgt, lässt sich eine Prozesszeit zur Nachbehandlung des Verbundbauteils verkürzen. Hierdurch lassen sich Herstellungskosten senken. Dabei können generell mehrere Verbundbauteile einer Bauteilanordnung zur zumindest partiellen Freilegung der Verstärkungspartikel behandelt werden. Die zur Freilegung der Verstärkungspartikel vorgesehenen Oberflächenbereiche mehrerer Verbundbauteile einer Bauteilanordnung können sich dabei in ihrer Form und/oder Größe unterscheiden, oder aber auch identisch sein.
Bevorzugt wird zumindest ein Oberflächenbereich wenigstens eines Verbundbauteils chemisch und/oder elektrochemisch behandelt. So lässt sich durch eine chemische und/oder elektrochemische Behandlung zumindest eine dünne Schicht der Stahlmatrix im zu behandelnden Oberflächenbereich abtragen und die Verstärkungspartikel freilegen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Bauteilanordnung und des Verfahrens zu dessen Herstellung ergeben sich auch aus den Ausführungsbeispielen, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben werden.
Dabei zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts einer erfindungsgemäßen Bauteilanordnung;
2 eine schematische Darstellung der in 1 gezeigten Bauteilanordnung mit freigelegten Verstärkungsartikeln;
3 eine beispielhafte Bauteilanordnung in Form eines Werkzeugs;
4 eine beispielhafte Bauteilanordnung in Form eines Strukturbauteils; und
5 ein schematischer Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung der erfindungsgemäßen Bauteilanordnung.

1 zeigt einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Bauteilanordnung 1 mit einem Verbundbauteil 2 und einem Grundkörper 5. Das Verbundbauteil 2 und der Grundkörper 5 sind verbunden. Beispielsweise sind das Verbundbauteil 2 und der Grundkörper 5 an einer gemeinsamen Berührfläche 7 stoffschlüssig verbunden. Beispielsweise wurde das Verbundbauteil 2 im Zuge einer additiven Fertigung auf den Grundkörper 5 aufgebracht, insbesondere aufgedruckt.
Das Verbundbauteil 1 umfasst eine Stahlmatrix 3 mit in die Stahlmatrix 3 eingebetteten Verstärkungspartikeln 4. Die Verstärkungspartikel 4 können eine beliebige Form aufweisen. Beispielsweise sind die Verstärkungspartikel 4 kugelförmig, faserförmig, rechteckig, würfelförmig oder dergleichen. Die Verstärkungspartikel 4 können gekrümmte Bereiche und/oder Ecken aufweisen. Die Verstärkungspartikel 4 können alle dieselbe Gestalt oder aber auch eine unterschiedliche Form aufweisen. Die Verstärkungspartikel 4 können ferner dasselbe Material oder auch unterschiedliche Materialien umfassen. Insbesondere handelt es sich bei den Verstärkungspartikeln 4 um Hartstoffteilchen aus oxidischen, nitridischen und/oder karbidischen Hartstoffen wie Siliziumkarbid, Siliziumoxid, Wolframkarbid, Aluminiumoxid, Titannitrid und/oder Titankarbid.
Die Stahlmatrix 3 wird durch Aufschmelzen einer Eisenbasislegierung erzeugt. Zur Ausbildung der Eisenbasislegierung kommen beliebige Stähle, insbesondere hochlegierte Stähle wie Chrom-Nickel-Stähle, Chrom-Molybdän-Stähle oder Chrom-Nickel-Molybdän-Stähle in Frage. Beispiele hierfür sind Stähle der Sorte 1.4521, 1.4301, 1.4541, 1.4571, 1.4404, oder dergleichen.
Die Bauteilanordnung 1 kombiniert die Werkstoffeigenschaften des Verbundbauteils 2 mit denen des Grundkörpers 5. So ist das Verbundbauteil 2 aufgrund einer hohen Festigkeit, Steifigkeit, Härte oder dergleichen besonders resistent gegenüber Verformungen, Korrosion, Abrasion oder dergleichen. Der Grundkörper 5 kann ähnliche Werkstoffeigenschaften aufweisen oder aber abweichende Werkstoffeigenschaften. Insbesondere kann der Grundkörper 5 weicher ausgestaltet sein als das Verbundbauteil 2, um beispielsweise auf die Bauteilanordnung 1 wirkende, vergleichsweise hohe Kräfte durch ein Rückfedern aufzunehmen.
2 zeigt die Bauteilanordnung 1 mit freigelegten Verstärkungspartikeln 4 in einem Oberflächenbereich des Verbundbauteils 2. Durch das Freilegen der Verstärkungspartikel 4 lässt sich die Abrasionsbeständigkeit und/oder Korrosionsbeständigkeit des Verbundbauteils 2 in eben diesen Oberflächenbereich noch weiter steigern.
3 zeigt eine beispielhafte Ausführung der Bauteilanordnung 1 als Fräskopf. Dabei bildet der Grundkörper 5 den Fräskopf aus und mehrere Verbundbauteile 2 bilden Schneidplatten aus.
4 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführung der erfindungsgemäßen Bauteilanordnung 1. In 4 ist die Bauteilanordnung 1 als Strukturbauteil ausgeführt. Beispielsweise kann es sich hierbei um einen Träger zur Weiterleitung von Zug- oder Druckkräften handeln. Der Träger kann beispielsweise einen I-förmigen, quadratischen oder runden Querschnitt aufweisen. Zudem kann der Träger als Vollprofil oder als Hohlprofil ausgeführt sein.
5 zeigt einen schematischen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung der erfindungsgemäßen Bauteilanordnung 1. In 5a) wird der Grundkörper 5 bereitgestellt und ein Gemisch 6 aus Verstärkungspartikeln 4 und einem Eisenbasislegierungspulver 8 schichtweise auf dem Grundkörper 5 aufgetragen. Die einzelnen Schichten des Gemisches 6 werden dann durch thermische Energie 9 aufgeschmolzen. Als Quelle der thermischen Energie 9 kann beispielsweise ein Laserstrahl oder Elektronenstrahl dienen. Dabei kann die thermische Energie, insbesondere eine örtlich begrenzte thermische Leistung, so eingestellt werden, dass gezielt nur das Eisenbasislegierungspulver 8 aufgeschmolzen wird. Dies ermöglicht, dass die festen Verstärkungspartikel 4 in eine aus dem Aufschmelzen des Eisenbasislegierungspulvers 8 entstehende Stahlmatrix 3 eingebettet werden. Dabei erhalten die Verstärkungspartikel 4 im Wesentlichen ihre Gestalt. Die thermische Leistung kann jedoch auch erhöht werden, sodass im Gemisch 6 während der Wärmezufuhr ein über dem Schmelzpunkt der Eisenbasislegierung liegender Schmelzpunkt der Verstärkungspartikel 4 erreicht wird. Somit werden zumindest partiell auch die Verstärkungspartikel 4 an- oder aufgeschmolzen. Dies verbessert eine Verbindung der Verstärkungspartikel 4 zur Stahlmatrix 3. Die thermische Leistung kann auch so hoch gewählt werden, dass die Verstärkungspartikel 4 vollständig aufgeschmolzen werden und in der Stahlmatrix 3 gelöst werden.
5b) zeigt die durch diesen Fertigungsprozess hergestellte Bauteilanordnung 1. Eine Verbindung zwischen Verbundbauteil 2 und Grundkörper 5 kann dabei bereits durch das Aufschmelzen der ersten Schicht des Gemisches 6 auf dem Grundkörper 5 in Form einer stoffschlüssigen Verbindung hergestellt werden. So wird neben dem Gemisch 6 auch zumindest eine dünne Schicht des Grundkörpers 5 durch die thermische Energie 9 aufgeschmolzen, wodurch das Verbundbauteil 2 mit dem Grundkörper 5 verschweißt wird.
5c) zeigt eine Nachbehandlung der Bauteilanordnung 1, hier insbesondere eine chemische und/oder elektrochemische Nachbehandlung. Die Bauteilanordnung 1 befindet sich in einem Behälter 10 mit einer chemischen Behandlungslösung 11, beispielsweise Beize oder ein Elektrolyt. In der chemischen Behandlungslösung 11 ist eine Gegenelektrode 12 angeordnet. Die Gegenelektrode 12 und das Verbundbauteil 2 sind an eine Spannungsquelle 13 angeschlossen. Die Spannungsquelle 13 kann in Abhängigkeit eines Nachbehandlungsverfahrens Gleichstrom oder Wechselstrom bereitstellen. Die Spannungsquelle 13 kann auch gepulst betrieben werden. Durch die in 5c) gezeigte Nachbehandlung wird zumindest im Oberflächenbereich des Verbundbauteils 2 die Stahlmatrix 3 abgetragen, sodass die Verstärkungspartikel 4 freigelegt werden. Das fertige Bauteil beziehungsweise die fertige Bauteilanordnung 1 ist in 5d) gezeigt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 3254783 A1 [0004]
US 2018/0038167 A1 [0005]
WO 2015/030879 A2 [0005]

Claims

Bauteilanordnung (1) aus zumindest einem durch einen additiven Fertigungsprozess hergestellten Verbundbauteil (2), wobei das Verbundbauteil (2) eine Stahlmatrix (3) mit in die Stahlmatrix (3) eingebetteten Verstärkungspartikeln (4) umfasst, gekennzeichnet durch einen zumindest das eine Verbundbauteil (2) tragenden Grundkörper (5) mit einer zum Verbundbauteil (2) abweichenden Materialzusammensetzung, wobei der Grundkörper (5) und zumindest das eine Verbundbauteil (2) verbunden sind.
Bauteilanordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Volumenanteil der Verstärkungspartikel (4) am Verbundbauteil (2) bis zu 95 vol% beträgt und bevorzugt in einem Bereich zwischen 15 - 85 vol% liegt.
Bauteilanordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Verbundbauteil (2) wenigstens einen Oberflächenbereich aufweist, in welchem die Verstärkungspartikel (4) zumindest partiell freigelegt sind.
Verfahren zur Herstellung einer Bauteilanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch zumindest folgende Verfahrensschritte: - Bereitstellen des Grundkörpers (5) und eines Gemisches (6) aus einer Eisenbasislegierung und den Verstärkungspartikeln (4); und - Schichtweises Herstellen des Verbundbauteils (2) auf dem Grundkörper (5) durch additive Fertigung.
Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch folgenden zusätzlichen Verfahrensschritt: - während und/oder nach der additiven Fertigung des Verbundbauteils (2): Unterziehen zumindest eines Abschnitts des Verbundbauteils (2) einer Wärmebehandlung, Nachverdichtung, Oberflächenbehandlung und/oder mechanischer Nachbearbeitung.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Nachverdichten zumindest des Verbundbauteils mittels heißisostatischem Pressen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Oberflächenbehandlung und/oder mechanische Nachbehandlung zumindest in einem Oberflächenbereich wenigstens eines Verbundbauteils (2) Verstärkungspartikel (4) zumindest partiell freigelegt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Oberflächenbereich wenigstens eines Verbundbauteils (2) chemisch und/oder elektrochemisch behandelt wird.