DE102021132139A1

DE102021132139A1 - Verfahren zur Herstellung einer porösen Schicht oder eines porösen Körpers

Info

Publication number: DE102021132139A1
Application number: DE102021132139.5A
Authority: DE
Inventors: Matthias Brucki; Thomas Schopphoven
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2021-12-07
Filing date: 2021-12-07
Publication date: 2023-06-07
Also published as: WO2023104778A1

Abstract

Bei einem Verfahren zur Herstellung einer porösen Schicht oder eines porösen Körpers auf einem Trägersubstrat wird das Material für die poröse Schicht als Pulver bereitgestellt und mittels eines Pulvergasstrahls auf das Trägersubstrat aufgebracht. Der Pulvergasstrahl wird dabei zusammen mit einem energetischen Strahl, insbesondere einem Laserstrahl, ein- oder mehrmals über einen Bereich des Trägersubstrates geführt, der mit der porösen Schicht oder dem porösen Körper versehen werden soll. Bei dem Verfahren werden die Strahlführung des Pulvergasstrahls und des energetischen Strahls sowie die Leistung des energetischen Strahls so gewählt, dass das Pulver im Pulvergasstrahl vor dem Auftreffen auf das Trägersubstrat auf- oder angeschmolzen wird, und sich auf dem Trägersubstrat kein Schmelzbad ausbildet oder lediglich ein oder mehrere kleinere Schmelzbäder, deren laterale Ausdehnungen jeweils kleiner als der Spot des energetischen Strahls auf dem Trägersubstrat sind. Mit dem vorgeschlagenen Verfahren lässt sich eine beispielsweise metallische poröse Schicht mit hoher mechanischer Festigkeit und starker Anbindung an das Trägersubstrat kostengünstig erzeugen.

Description

Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer porösen Schicht oder eines porösen Körpers auf einem Trägersubstrat, bei dem ein Material für die poröse Schicht oder den porösen Körper als Pulver bereitgestellt und mittels eines Pulvergasstrahls auf das Trägersubstrat aufgebracht wird, indem der Pulvergasstrahl zusammen mit einem energetischen Strahl, insbesondere einem Laserstrahl, ein- oder mehrmals über einen Bereich des Trägersubstrates geführt wird, der mit der porösen Schicht oder dem porösen Körper versehen werden soll.
Poröse Schichten und poröse Körper kommen in vielen technischen Bereichen zum Einsatz. So sind beispielsweise für Elektroden oder Kondensatoren, in Brennstoffzellen, Elektrolyseuren oder auch im medizinischen Bereich häufig poröse Schichten erforderlich, um eine große Oberfläche bereitzustellen. In einigen Anwendungen kommen auch entsprechend poröse Körper, beispielsweise aus einem Metallschaum, zum Einsatz. Unter einer porösen Schicht oder einem porösen Körper wird dabei wie auch in der vorliegenden Patentanmeldung eine Schicht oder ein Körper mit einer Porosität, also dem Quotienten aus Hohlraumvolumen und Gesamtvolumen des porösen Materials, zwischen 10 und 90 Vol.-% verstanden.
Stand der Technik
Poröse Körper oder Schichten können durch Sintern hergestellt werden. Dabei wird ein Metallpulver, beispielsweise aus Titan, auf ein Trägersubstrat aufgebracht und dann auf dem Trägersubstrat über längere Zeit einer stark erhöhten Temperatur (Sintertemperatur) ausgesetzt. Bei der Sintertemperatur reagieren Metallpulver allerdings mit der Prozessatmosphäre. Insbesondere Titanpulver sind bei erhöhter Temperatur chemisch sehr aktiv, wodurch eine Titanoxid- oder eine Titankarbidschicht an der Oberfläche der Pulverpartikel ausgebildet wird. Sobald eine solche Oxid- oder Karbid-Schicht entstanden ist, wird das Sintern behindert, da sich die Adhäsionsfähigkeit der Pulverteilchen verringert. Zur Vermeidung dieser Schichtbildung wird vorgeschlagen, während des Sinterns Wasserstoff zuzugeben. Auf diese Weise kann eine reduzierende Atmosphäre eingestellt werden. Wasserstoff hat als Prozessgas zwar einen positiven Einfluss, bei bisher eingesetzten Sintertechniken ist jedoch trotz Wasserstoffzugabe das Ansintern der Pulverteilchen nicht optimal, so dass im Ergebnis die mechanischen Eigenschaften der hergestellten porösen Schicht oder des hergestellten porösen Körpers für einige Anwendungen nicht zufriedenstellend sind.
So beschreibt beispielsweise die US 4206516 A ein Verfahren für die Herstellung einer porösen Oberflächenschicht auf einem massiven Titansubstrat. Hierzu wird reines Titanhydrid mittels Aufsprühen auf dem Substrat aufgeschlämmt. Durch thermische Zersetzung wandeln sich die Titanhydrid-Partikel beim Sintern in Titanmetall um. Die mit dem Sintern einhergehende Schrumpfung führt zu den gewünschten Poren im Gefüge.
Die US 3855638 A befasst sich mit einem medizinischen Implantat, bei dem auf einem festen metallischen Substrat eine poröse Beschichtung haftet. Die Herstellung der Beschichtung erfolgt mittels wässriger Aufschlämmung, welche in einer Wasserstoffatmosphäre getrocknet und gesintert wird.
Die Herstellung von Metallschäumen erfolgt häufig unter Einsatz eines Metall- und eines Metallhydridpulvers, z. B. dem Titandihydrid. Beide Pulver werden miteinander vermischt und dann durch Heißpressen oder Strangpressen zu einem Vormaterial verdichtet. Das Vormaterial wird dann auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Metalls erhitzt. Dabei setzt das Titandihydrid gasförmigen Wasserstoff frei und schäumt das Gemenge auf. In der EP 1501650 B1 ist bspw. ein Verfahren zur Herstellung eines porösen Körpers beschrieben, bei dem eine Titanpulver und ein Titanhydridpulver miteinander aufgeschwämmt und bei einer Temperatur von wenigstens 1000°C unter Vakuum gesintert werden. Der Anteil an Titanhydrid in der aufgeschwämmten Mischung beträgt dabei 0,01 - 0,1 Gew-.-%. Hierbei wird ausgenutzt, dass sich Titanhydrid bei relativ niedriger Temperatur von ungefähr 288°C bereits zersetzt und vorhandene Verunreinigungen wie Sauerstoff oder Kohlenstoff von den resultierenden freien Hydriden (Wasserstoffionen) aufgefangen werden. Das Sinterverfahren dauert zwischen einer und 1000 Minuten, insbesondere zwischen 0,5 und einer Stunde.
Die Herstellung von porösen Schichten oder porösen Körpern mit den bisher eingesetzten Techniken, insbesondere Sinterverfahren, sind jedoch sehr energie, zeit- und kostenintensiv. Die damit hergestellten Schichten oder Körper weisen teilweise eine unzureichende mechanische Festigkeit und eine unzureichende Anbindung an das Trägersubstrat auf, auf dem sie erzeugt werden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur produktiveren Herstellung einer porösen Schicht oder eines porösen Körpers anzugeben, mit dem eine Schicht oder ein Körper mit verbesserten mechanischen Eigenschaften und besserer Anbindung zum Trägersubstrat erzeugt werden kann.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Herstellung einer porösen Schicht oder eines porösen Körpers auf einem Trägersubstrat wird das Material für die poröse Schicht oder den porösen Körper als Pulver bereitgestellt und mittels eines Pulvergasstrahls auf das Trägersubstrat aufgebracht. Hierzu wird der Pulvergasstrahl zusammen mit einem energetischen Strahl ein- oder mehrmals, vorzugsweise in aneinandergrenzenden Bahnen, über einen Bereich des Trägersubstrates geführt, der mit der porösen Schicht oder dem porösen Körper versehen werden soll. Unter einem energetischen Strahl wird dabei ein Strahl verstanden, mit dem das Pulver des Pulvergasstrahls auf- oder angeschmolzen werden kann. Hierbei kann es sich um einen Strahl elektromagnetischer Strahlung, insbesondere Laserstrahlung, oder auch bspw. um einen Elektronen- oder Ionenstrahl handeln. Im Folgenden wird das Verfahren anhand der Verwendung eines Laserstrahls als energetischem Strahl erläutert. Der Laserstrahl kann jedoch jederzeit auch durch einen anderen energetischen Strahl ersetzt werden.
Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Strahlführung des Pulvergasstrahls, die Strahlführung des Laserstrahls sowie die Leistung des Laserstrahls so gewählt werden, dass das Pulver im Pulvergasstrahl vor dem Auftreffen auf das Trägersubstrat oder einem darauf bereits gebildeten Schichtanteil auf- oder angeschmolzen wird und sich auf dem Trägersubstrat oder dem darauf bereits gebildeten Schichtanteil durch Einwirkung des Laserstrahls entweder kein Schmelzbad ausbildet oder lediglich ein oder mehrere relativ kleine Schmelzbäder, deren laterale Ausdehnung jeweils kleiner als der Laserspot des Laserstrahls auf dem Trägersubstrat oder dem darauf bereits aufgebrachten Schichtanteil ist. Durch das An- bzw. Aufschmelzen der Pulverteilchen noch im Flug verbinden sich diese auf- oder angeschmolzenen Pulverteilchen bei Auftreffen auf die Oberfläche des Trägersubstrates - oder einen bereits darauf aufgebrachten Schichtanteil - mit dem Trägersubstrat bzw. dem bereits aufgebrachten Schichtanteil. Bei Einsatz eines metallischen Pulvers und eines metallischen Trägersubstrates führt dies zu einer schmelzmetallurgischen Verbindung. Damit wird eine hohe mechanische Festigkeit der auf diese Weise aufgebrachten porösen Schicht und eine starke Anbindung zum Trägersubstrat erreicht. Pulverpartikel, die während des Flugs nicht auf- oder angeschmolzen werden, bleiben nicht haften und tragen damit nicht zur Schichtbildung bei. Im Gegensatz dazu kommt es bei den bisher üblichen Sinterverfahren vor, dass einzelne Pulverpartikel der aufgebrachten Schicht beim Sintern nicht ausreichend aufschmelzen, aber dennoch in der Schicht verbleiben und damit die Schicht oder den Körper verunreinigen oder mechanisch schwächen.
Bei Erzeugung einer porösen Schicht oder eines porösen Körpers aus einem metallischen Material wird durch die schmelzmetallurgische Anbindung der einzelnen Partikel bei dem vorgeschlagenen Verfahren auch eine höhere elektrische Leitfähigkeit als bei der Herstellung mit einem Sinterverfahren erreicht.
Ein weiterer Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens besteht darin, dass poröse Schichten direkt auf temperaturempfindliche Bauteile aufgetragen werden können, welche beispielsweise mit einem Sinterprozess nicht bearbeitbar wären. Zudem können durch eine angepasste Prozessführung einzelne Schichtlagen mit selektiv angepassten Eigenschaften erzeugt werden, beispielsweise mit unterschiedlichen Werkstoffen bzw. Materialien und Strukturgrößen. Dabei können besonders auch Materialien bzw. Werkstoffe verarbeitet werden, die aufgrund ihrer starken Neigung zur Oxidbildung für das Sintern ungeeignet sind. Das wird dadurch ermöglicht, dass im Vergleich zu zeitintensiven Sinterprozessen mit langen Temperatur-Haltezeiten die Pulverpartikel im vorgeschlagenen Verfahren nur für eine um Größenordnungen kürzere Zeit erhitzt und anschließend rasch durch die Wärmeleitung zum darunterliegenden Trägersubstrat wieder abgekühlt werden.
Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht die Erzeugung lediglich einer dünnen porösen Schicht, indem der mit der porösen Schicht zu versehende Bereich des Trägersubstrates nur einmalig mit dem Pulverstrahl und dem Laserstrahl abgescannt bzw. überfahren wird (einfache Überfahrt). Durch mehrfache aufeinander folgende Überfahrten kann die Schichtdicke entsprechend erhöht werden. Auf diese Weise kann auch ein nahezu beliebig geformter Körper auf dem Trägersubstrat aufgebaut werden. Sowohl die Schicht als auch der Körper können anschließend bei Bedarf auch vom Trägersubstrat abgetrennt werden. Hierzu sollte vorzugsweise die Oberfläche des Trägersubstrates so ausgebildet oder die Materialien der porösen Schicht oder des porösen Körpers und des Trägersubstrates so gewählt sein, dass keine schmelzmetallurgische Verbindung zum Trägersubstrat hergestellt wird. Auf diese Weise kann beispielsweise eine selbstragende Schicht, z.B. in Form einer Folie oder einer dünnen Platte, erzeugt werden.
Bevorzugt werden mit dem vorgeschlagenen Verfahren poröse Schichten oder poröse Körper aus einem metallischen Material, beispielsweise einem Reinmetall oder auch einer metallischen Legierung, auf einem metallischen Trägersubstrat hergestellt. Das Verfahren eignet sich jedoch auch für viele andere Materialkombinationen, beispielsweise zur Herstellung einer porösen Kunststoffschicht auf einem Trägersubstrat aus einem beliebigen Material. Die Größe der Pulverpartikel kann beispielsweise zwischen 5 µm und 150 µm im Durchmesser betragen. Die Schichtdicken der aufgebrachten Schicht können beispielsweise im Bereich zwischen 10 µm und mehreren Zentimetern liegen. Poröse Körper können auch mit Höhen im mehrstelligen Zentimeterbereich auf dem Trägersubstrat hergestellt werden.
Die Porosität der zu erzeugenden porösen Schicht oder des zu erzeugenden porösen Körpers kann über unterschiedliche Parameter beeinflusst werden. So wird bei einer höheren Vorschubgeschwindigkeit des Pulvergasstrahls über das Trägersubstrat eine höhere Porosität erreicht als bei einer geringeren Vorschubgeschwindigkeit bei ansonsten gleichen Parametern, insbesondere gleicher Pulverdichte im Pulvergasstrahl und gleicher Laserleistung. Bei gleicher Vorschubgeschwindigkeit kann die Porosität auch über die Pulverdichte im Pulvergasstrahl beeinflusst werden, wobei bei höherer Pulverdichte eine geringere Porosität erzeugt wird.
Die Strahlführung des Pulvergasstrahls und des Laserstrahls kann bei dem vorgeschlagenen Verfahren in unterschiedlicher Weise erfolgen, um das Aufschmelzen bzw. Anschmelzen der Pulverpartikel vor dem Auftreffen und die weitgehende Vermeidung größerer Schmelzbäder zu erreichen. So kann der Pulvergasstrahl in bekannter Weise als kegelmantelförmiger Koaxialstrahl, also mittels einer Koaxialdüse, auf die Oberfläche des Trägersubstrates gerichtet werden. Der Laserstrahl verläuft in diesem Falle auf der zentralen Achse des Koaxialstrahls. Die Fokuslage des Pulvergasstrahls wird dabei in einem Abstand oberhalb der momentanen Oberfläche, also der Oberfläche des Trägersubstrates bei Aufbringen der ersten Schichtlage oder der Oberfläche eines bereits aufgebrachten Schichtanteils bzw. von bereits aufgebrachten Schichtlagen bei Aufbringen einer weiteren Schichtlage, eingestellt. Dadurch wird erreicht, dass der Laserstrahl den Pulvergasstrahl oberhalb der momentanen Oberfläche kreuzt und die Pulverpartikel darin aufschmilzt. Die auf- bzw. angeschmolzenen Pulverpartikel treffen dann teilweise auch außerhalb des Laserspots auf die momentane Oberfläche auf, den der Laserstrahl auf der momentanen Oberfläche bildet. Der Laserstrahl wird beim Durchgang durch den Pulvergasstrahl vor dem Auftreffen auf die momentane Oberfläche geschwächt, so dass er bei geeigneter Einstellung der Laserleistung und ggf. des Laserstrahlfokus zwar die Pulverpartikel im Fokus des Pulvergasstrahls noch auf- oder anschmelzen, aber auf der momentanen Oberfläche kein Schmelzbad mehr erzeugen kann.
In einer weiteren Ausgestaltung wird der Pulvergasstrahl nicht als Koaxialstrahl sondern als einfacher Strahl, im Folgenden auch als Einzelstrahl bezeichnet, auf das Substrat gerichtet. Die Strahlführung erfolgt dabei derart, dass der Pulvergasstrahl vor dem Auftreffen auf die momentane Oberfläche den Laserstrahl kreuzt, so dass der Laserstrahl die im Pulvergasstrahl enthaltenen Partikel vor dem Auftreffen auf die momentane Oberfläche aufschmelzen kann. Die zentrale Achse des Pulvergasstrahls trifft dabei in einem Abstand zur zentralen Achse des Laserstrahls auf die momentane Oberfläche auf, so dass auch hier ein Anteil der Pulvergaspartikel außerhalb des Laserspots auf die momentane Oberfläche gelangt. Die Laserleistung des Laserstrahls und ggf. der Laserstrahlfokus wird bzw. werden wieder so eingestellt, dass der Laserstrahl die Pulverpartikel im Kreuzungsbereich der zentralen Achsen des Pulvergasstrahls und des Laserstrahls zwar an- oder aufschmelzen, auf der momentanen Oberfläche aber kein Schmelzbad mehr erzeugen kann. Anstelle eines einzigen können auch mehrere Pulvergasstrahlen (Einzelstrahlen) erzeugt und auf das Trägersubstrat gerichtet werden, die den Laserstrahl aus unterschiedlichen Richtungen kreuzen.
In einer weiteren Ausgestaltung wird der Laserstrahl so fokussiert, dass der Laserfokus oberhalb der momentanen Oberfläche und innerhalb des Pulvergasstrahls liegt. Die Fokussierung erfolgt dabei derart, dass im Laserspot auf der momentanen Oberfläche die Flächenleistung des Laserstrahls zu gering ist, um dort noch ein Schmelzbad zu erzeugen, während im Fokus ausreichend Leistung vorhanden ist, um die Pulverpartikel aufzuschmelzen.
Vorzugsweise wird für die Bearbeitung ein Bearbeitungskopf eingesetzt, der während der Schichterzeugung über das Trägersubstrat geführt und über den der Pulvergasstrahl und der Laserstrahl auf das Trägersubstrat gerichtet wird. In diesen Bearbeitungskopf kann zusätzlich eine Düse oder eine Düsenanordnung integriert sein, über die der momentane Depositionsbereich des Pulvers zusätzlich mit einem Schutzgas, beispielsweise Argon, beaufschlagt wird. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann alternativ oder zusätzlich auch als Fördergas für den Pulvergasstrahl ein Inertgas, insbesondere Argon, eingesetzt werden.
Mit dem vorgeschlagenen Verfahren lassen sich sowohl poröse Schichten auf Trägersubstraten, selbsttragende Schichten wie beispielsweise Folien oder Platten oder auch poröse Körper aus den unterschiedlichsten Materialien, vorzugsweise aus Metallen oder Metalllegierungen, herstellen. Derartige poröse Schichten oder Körper können bspw. als Elektroden, als Kondensatoren, in Brennstoffzellen oder Elektrolyseuren, als Strukturteile, insbesondere für den Leichtbau, in Wärmetauschern oder als Bauteile für konvektive Wärmeübertragung, als Filter, als pneumatische Schalldämpfer, als Träger für einen Fotokatalysator oder auch im medizinischen Bereich zum Einsatz kommen. Dies ist selbstverständlich keine abschließende Aufzählung.
Figurenliste
Das vorgeschlagene Verfahren wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:

1 ein erstes Beispiel für eine Strahlführung des Laserstrahls und des Pulvergasstrahls beim vorgeschlagenen Verfahren in schematischer Darstellung;
2 ein zweites Beispiel für eine Strahlführung des Laserstrahls und des Pulvergasstrahls beim vorgeschlagenen Verfahren in schematischer Darstellung; und
3 fotografische Aufnahmen einer mit und ohne Einsatz des vorgeschlagenen Verfahrens deponierten Schicht.

Wege zur Ausführung der Erfindung
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird ein poröser Körper oder eine poröse Schicht durch Schmelzen eines pulverförmigen Zusatzwerkstoffs eines auf eine Oberfläche eines Trägersubstrates gerichteten Pulvergasstrahls mittels Laserstrahlung erzeugt. Die Strahlführung des Pulvergasstrahls sowie die Strahlführung des Laserstrahls und auch die Laserleistung werden derart gewählt, dass die Pulverpartikel im Pulvergasstrahl bereits vor Auftreffen auf die Substratoberfläche durch den Laserstrahl an- oder aufgeschmolzen werden und sich auf der Substratoberfläche kein Schmelzbad ausbildet oder lediglich ein oder mehrere kleinere Schmelzbäder, deren Abmessungen (Fläche) jeweils geringer als die Abmessungen (Fläche) des Laserspots auf der Substratoberfläche sind.
1 zeigt ein Bespiel einer geeigneten Strahlführung für das vorgeschlagene Verfahren. In der Figur ist eine Koaxialdüse 1 zu erkennen, über die ein kegelmantelförmiger Pulvergasstrahl 2 erzeugt und auf die Oberfläche des Substrats 4 gerichtet wird. Auf der zentralen Achse dieses Hohlstrahls wird der Laserstrahl 3 geführt und ebenfalls auf das Substrat 4 gerichtet. Beide Strahlen werden entlang geeigneter Bahnen über das Substrat 4 geführt, im vorliegenden Beispiel auf einer Bahn von rechts nach links. Der Abstand der Pulverfokuslage des Pulvergasstrahls 2 wird bei diesem Beispiel oberhalb der Oberfläche des Substrats bzw. der Depositionslage des Pulvers auf dem Substrat 4 gewählt, so dass der Zusatzwerkstoff zum Teil außerhalb des Laserspots des Laserstrahls 3 auf der Substratoberfläche auf die Substratoberfläche auftrifft, wie dies schematisch in der Figur angedeutet ist. Die Laserleistung des Laserstrahls 3 wird so gewählt, dass das Pulver des Pulvergasstrahls 2 im Pulverfokus durch den Laserstrahl 3 aufgeschmolzen wird, die Laserleistung auf der Oberfläche des Substrates jedoch nicht mehr ausreicht, um dort das Material aufzuschmelzen und ein Schmelzbad zu erzeugen. Die aufgeschmolzenen Partikel verbinden sich daher beim Auftreffen auf das Substrat 4 mit dem Substrat und untereinander und bilden damit eine poröse Schicht 5, die in der Figur angedeutet ist. Beim Durchtritt durch den Pulverfokus wird der Laserstrahl 3 zusätzlich geschwächt, so dass bei geeigneter Einstellung der Laserleistung diese bei Auftreffen auf das Substrat 4 nicht mehr ausreicht, um dort ein Schmelzbad zu erzeugen.
Die Strahlführung kann auch in anderer Weise gewählt werden, insbesondere wenn keine Koaxialdüse sondern nur eine einfache Düsen für die Erzeugung des Pulvergasstrahls eingesetzt wird. Dies ist in 2 schematisch angedeutet. In diesem Beispiel wird der Laserstrahl wieder senkrecht auf die Oberfläche des Substrats 4 gerichtet und lediglich eine einzelne Düse 6 zur Erzeugung eines Pulvergasstrahls 2 eingesetzt. Die Strahlführung des Pulvergasstrahls 2 erfolgt derart, dass dieser den Laserstrahl 3 vor dem Auftreffen auf das Substrat 4 kreuzt und mit seiner Strahlachse beabstandet von der Strahlachse des Laserstrahls 3 auf das Substrat 4 auftrifft. Auch in diesem Beispiel wird somit wenigstens ein Anteil des Pulvers außerhalb des Laserspots auf das Substrat 4 aufgebracht. Die Pulvergaspartikel werden beim Durchtritt durch den Laserstrahl 3 durch diesen an- bzw. aufgeschmolzen, bevor sie auf das Substrat 4 oder auch eine darauf bereits befindliche Schichtlage auftreffen. Die Leistung des Laserstrahls wird wiederum so gewählt, dass die Pulverpartikel noch innerhalb des Pulvergasstrahls 2 aufgeschmolzen werden, die Laserleistung aber nicht mehr ausreicht, um das aufgebrachte Pulver bzw. die aufgebrachte Schicht noch aufzuschmelzen.
3 zeigt fotografische Darstellungen von zwei aufgebrachten Schichten. Bei der deponierten Schicht 7, die im linken Teil der Figur dargestellt ist, erfolgte die Strahlführung des mit einer Koaxialdüse erzeugten Pulvergasstrahls und des Laserstrahls so, dass der Laserstrahl das aufgebrachte Pulver auf der Substratoberfläche unter Bildung eines Schmelzbades aufgeschmolzen hat. Dadurch wird keine ausreichend poröse Schicht erhalten. Die Ausbildung einer porösen Schicht erfordert beim vorgeschlagenen Verfahren eine Vermeidung größerer Schmelzbäder. Dies wird durch die entsprechende Wahl der Strahlführungen und der Leistung des Laserstrahls erreicht.
Im rechten Teil der Figur wurde der Abstand des Pulverfokus zur Oberfläche des Substrates vergrößert, so dass durch den Laserstrahl kein Schmelzbad auf der Substratoberfläche mehr erzeugt werden konnte. In diesem Beispiel ist die deponierte Schicht 8 (Pulveranhaftung PAB) daher ausreichend porös. Im mittleren Teil der Figur ist eine Momentaufnahme des Pulvergasstrahls von der Seite gezeigt, in die der (geringe) Abstand des Pulverfokus zur Substratoberfläche für das Beispiel des linken Teils der Figur (1.) und der (größere) Abstand des Pulverfokus zur Substratoberfläche für das Beispiel des rechten Teils der Figur (2.) eingezeichnet ist.
Eine poröse Schicht aus einem metallischen Material (hier Nickel) kann beispielsweise mit folgenden Parametern auf einem metallischen Substrat (hier Titan) erzeugt werden.
Oberflächengeschwindigkeit: 50 m/min
Laserleistung: 600 Watt
Pulvermassenstrom: 20 g/min
Bezugszeichenliste

1: Koaxialdüse
2: Pulvergasstrahl
3: energetischer bzw. Laserstrahl
4: Substrat
5: poröse Schicht
6: Düse
7: deponierte Schicht
8: deponierte Schicht

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

US 4206516 A [0004]
US 3855638 A [0005]
EP 1501650 B1 [0006]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer porösen Schicht oder eines porösen Körpers auf einem Trägersubstrat, bei dem ein Material für die poröse Schicht (5) oder den porösen Körper als Pulver bereitgestellt und mittels eines Pulvergasstrahls (2) auf das Trägersubstrat (4) aufgebracht wird, indem der Pulvergasstrahl (2) zusammen mit einem energetischen Strahl (3), insbesondere einem Laserstrahl, ein- oder mehrmals über einen Bereich des Trägersubstrates (4) geführt wird, der mit der porösen Schicht (5) oder dem porösen Körper versehen werden soll, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strahlführung des Pulvergasstrahls (2) und des energetischen Strahls (3) sowie eine Leistung des energetischen Strahls (3) so gewählt werden, dass das Pulver im Pulvergasstrahl (2) vor dem Auftreffen auf das Trägersubstrat (4) oder einen darauf bereits gebildeten Schichtanteil auf- oder angeschmolzen wird und sich auf dem Trägersubstrat (4) oder dem darauf bereits gebildeten Schichtanteil kein Schmelzbad ausbildet oder lediglich ein oder mehrere Schmelzbäder, deren laterale Ausdehnung jeweils kleiner als ein Spot des energetischen Strahls (3) auf dem Trägersubstrat (4) oder dem darauf bereits gebildeten Schichtanteil ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlführung des Pulvergasstrahls (2) und die Strahlführung des energetischen Strahls (3) so gewählt und während der Herstellung der porösen Schicht oder des porösen Körpers bei Bedarf angepasst werden, dass das Pulver im Pulvergasstrahl (2) den energetischen Strahl vor dem Auftreffen auf das Trägersubstrat (4) oder den darauf bereits gebildeten Schichtanteil kreuzt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulvergasstrahl (2) mit einer Koaxialdüse (1) erzeugt wird, die den energetischen Strahl (3) umschließt und den Pulvergasstrahl (2) fokussiert, wobei eine Fokusposition des Pulvergasstrahls (2) so eingestellt und während der Herstellung der porösen Schicht oder des porösen Körpers bei Bedarf angepasst wird, dass sie einen Abstand zum Trägersubstrat (4) oder dem darauf bereits gebildeten Schichtanteil aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulvergasstrahl (2) als einfacher Strahl erzeugt und die Strahlführung des Pulvergasstrahls (2) und die Strahlführung des energetischen Strahls (3) so gewählt und während der Herstellung der porösen Schicht oder des porösen Körpers bei Bedarf angepasst werden, dass der Pulvergasstrahl (2) den energetischen Strahl (3) vor dem Auftreffen auf das Trägersubstrat (4) oder den darauf bereits gebildeten Schichtanteil kreuzt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der energetische Strahl (3) fokussiert wird, wobei eine Fokusposition des energetischen Strahls (3) so eingestellt und während der Herstellung der porösen Schicht oder des porösen Körpers bei Bedarf angepasst wird, dass sie einen Abstand zum Trägersubstrat (4) oder dem darauf bereits gebildeten Schichtanteil aufweist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokusposition des energetischen Strahls (3) so eingestellt und während der Herstellung der porösen Schicht oder des porösen Körpers bei Bedarf angepasst wird, dass sie in einem Kreuzungsbereich des Pulvers oder Pulvergasstrahls (2) mit dem energetischen Strahl (3) liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Material für die poröse Schicht (5) oder den porösen Körper ein metallisches Material eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulvergasstrahl (2) mit einem Schutzgas als Fördergas erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Schicht oder der poröse Körper aus mehreren Schichtlagen aufgebaut wird, von denen zwei oder mehrere aus unterschiedlichen Materialien gebildet werden.