DE102021215050A1

DE102021215050A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils, das mehrere Bereiche mit verschiedenen Materialeigenschaften aufweist

Info

Publication number: DE102021215050A1
Application number: DE102021215050.0A
Authority: DE
Inventors: Maximilian Binder; Georg Schlick
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2021-12-27
Filing date: 2021-12-27
Publication date: 2023-06-29

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f), das mehrere Bereiche (2a, 2b, 2c, 2d, 2f, 2g, 2h, 2i, 2j, 2k, 2l, 2m, 2n, 2p) mit verschiedenen Materialeigenschaften, insbesondere verschiedenen Beschaffenheiten und/oder Zusammensetzungen, aufweist, aus einem oder mehreren Zwischenprodukten, wobei verschiedene Bereiche des oder der Zwischenprodukte, in denen dieses aus einem Grundwerkstoff besteht, gleichzeitig oder nacheinander bearbeitet, insbesondere erhitzt werden, wobei die Anwesenheit von Umgebungsstoffen gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugabe eines oder mehrerer Umgebungsstoffe in Form von Fluiden sowie die Temperatur der Bereiche derart gesteuert werden, dass in ersten Bereichen das Material des Zwischenproduktes mit einem oder mehreren ersten Umgebungs-stoffen zu einem ersten modifizierten Grundwerkstoff reagiert, während in zweiten Bereichen der Grundwerkstoff bezüglich seiner Beschaffenheit unmodifiziert bleibt, und/oder in weiteren Bereichen der Grundwerkstoff mit einem oder mehreren zweiten Umgebungsstoffen zu einem zweiten modifizierten festen Grundwerkstoff reagiert.

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet des Maschinenbaus und der Elektrotechnik und ist mit besonderem Vorteil bei Bauteilen verwendbar, die besondere mechanische oder elektrische Eigenschaften durch Kombination verschiedener Materialien verwirklichen.
Solche Bauteile können beispielsweise aus Metall bestehen und besonders widerstandsfähige Kanten oder Schneiden aufweisen, wie beispielsweise Stahlbohrer mit Schneidflächen aus Hartmetall, oder es können beispielsweise elektrische Isoliereigenschaften entwickelt werden, indem ein Leiter mit einem nichtleitenden Material beschichtet ist oder ein nichtleitendes Material als Trennmaterial zwischen mehreren leitenden Teilen vorgesehen ist. Eine solche Anwendung ergibt sich beispielsweise in der Herstellung von integrierten Schaltkreisen.
Den genannten Bauteilen ist gemeinsam, dass verschiedene Materialien oder Materialien verschiedener Beschaffenheiten miteinander fest und möglichst stoffschlüssig verbunden werden sollen.
Bei der Herstellung ergeben sich für solche Bauteile Herausforderungen, indem beispielsweise an entsprechenden Fügestellen eine erhöhte Rissanfälligkeit bereits während der Fertigung oder auch beim späteren Gebrauch der Bauteile besteht. Dies gilt beispielsweise auch für Schweißverfahren, die es erlauben, verschiedene Materialien, beispielsweise im Rahmen des Laserstrahlschmelzens, zu verarbeiten. Auch bei solchen Verfahren, die an sich gute stoffschlüssige Verbindungen schaffen können, ergibt sich eine erhöhte Rissanfälligkeit aufgrund unterschiedlicher Materialeigenschaften, insbesondere bei thermischer oder mechanischer Beanspruchung.
Der vorliegenden Erfindung liegt vor dem Hintergrund des Standes der Technik die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Bauteilen zu schaffen, in denen Bereiche mit verschiedenen Materialeigenschaften stabil und dauerhaft miteinander verbunden werden können.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens an.
Demgemäß bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, das mehrere Bereiche mit verschiedenen Materialeigenschaften, insbesondere verschiedenen Beschaffenheiten und/oder Zusammensetzungen, aufweist, aus einem oder mehreren Zwischenprodukten, wobei verschiedene Bereiche des oder der Zwischenprodukte, in denen diese aus einem Grundwerkstoff bestehen, gleichzeitig oder nacheinander bearbeitet, insbesondere erhitzt werden, wobei die Anwesenheit von Umgebungsstoffen gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugabe eines oder mehrerer Umgebungsstoffe in Form von Fluiden sowie die Temperatur der Zielbereiche derart gesteuert werden, dass in ersten Bereichen das Material des oder der Zwischenprodukte mit einem oder mehreren ersten Umgebungsstoffen zu einem ersten modifizierten Grundwerkstoff reagiert, während in zweiten Bereichen der Grundwerkstoff bezüglich seiner Beschaffenheit unmodifiziert bleibt, und/oder in weiteren Bereichen der Grundwerkstoff mit einem oder mehreren zweiten Umgebungsstoffen zu einem zweiten modifizierten festen Grundwerkstoff reagiert.
Der Erfindung liegt unter anderem der Gedanke zugrunde, dass verschiedene Bereiche eines Zwischenproduktes unter dem Einfluss von Wärme bearbeitet oder zusammengefügt werden, wobei die Bearbeitungsumgebung, in der die Bearbeitung oder das Zusammenfügen erfolgt, mit Umgebungsstoffen beaufschlagt wird, die mit dem Grundwerkstoff reagieren. Dadurch, dass in verschiedenen Bereichen der Grundwerkstoff mit verschiedenen Umgebungsstoffen regiert oder die Reaktion mit einem oder mehreren Umgebungsstoffen thermisch anders gesteuert wird, ergeben sich in dem Bauteil nach der Bearbeitung verschiedene Bereiche mit verschiedenen Materialeigenschaften. Beispielsweise kann der Grundwerkstoff ein Metall sein oder ein Metall oder eine Metalllegierung enthalten, und ein Umgebungsstoff kann Sauerstoff oder Stickstoff sein oder eines dieser Gase enthalten, wobei die Temperaturen bei der Zugabe der Umgebungsstoffe derart gesteuert werden, dass Oxide oder Nitride des Metalls entstehen, die keramische Eigenschaften haben. Werden bei der Bearbeitung die Umgebungsstoffe ortsabhängig zugegeben und die Temperaturen entsprechend gesteuert, so können an dem Bauteil verschiedene Zielbereiche als Metall erhalten bleiben und andere Zielbereiche die Form einer Keramik annehmen, wobei durch die Art der Bearbeitung die verschiedenen Zielbereiche außerordentlich fest zusammenhängen.
Durch die gesteuerte Zugabe von Umgebungsstoffen können auch beispielsweise allmähliche Übergänge der Materialeigenschaften erzielt werden, indem beispielsweise die Geschwindigkeit der Stoffzugabe, ein Gasdruck oder eine Gaszusammensetzung während des Bearbeitungsprozesses kontinuierlich geändert werden. Unter dem Bearbeitungsprozess kann ein lokales Erhitzen von Bereichen eines Zwischenproduktes verstanden werden, jedoch beispielsweise auch das Hinzufügen eines partikelförmigen, beispielsweise pulverförmigen Zwischenproduktes aus einem Grundwerkstoff zu einem festen oder ebenfalls pulverförmigen Zwischenprodukt im Rahmen eines additiven Fertigungsprozesses.
Wenn der oder ein Grundwerkstoff des oder der Zwischenprodukte ein Metall oder eine Metalllegierung enthält, kann beispielsweise durch Zugabe geeigneter Gase bei den hierzu geeigneten Temperaturen jeweils ein Oxid oder ein Nitrid oder ein anderer Werkstoff gebildet werden, der Materialeigenschaften aufweist, die von denen des Grundwerkstoffs grundsätzlich verschieden sind. Dabei kann die variierende Eigenschaft im Material des als Endprodukt hergestellten Bauteils beispielsweise eine elektrische Leitfähigkeit und/oder eine thermische Leitfähigkeit sein, oder eine Materialhärte oder -zähigkeit. Es kann dabei auch ein Halbleiter gebildet werden. Durch Änderung der Gaszusammensetzung kann beispielsweise auch eine andere Modifikation des Grundwerkstoffs, beispielsweise eines Metalls, mit besonderen Eigenschaften gebildet werden.
Es kann dabei beispielsweise vorgesehen sein, dass ein Umgebungsstoff, dessen Gehalt in der Umgebung eines bearbeiteten, insbesondere erhitzten, Bereiches gesteuert wird, Sauerstoff oder ein Sauerstoff enthaltendes Gas ist und dass insbesondere ein Grundwerkstoff des Zwischenproduktes oder der Zwischenprodukte AlSi₁₀Mg und/oder Kupfer, Aluminium, Magnesium, Zirkonium oder Titan oder eine Legierung mit einem der genannten Stoffe ist oder enthält. Die entsprechenden Oxide weisen dann im Ergebnis als Bereiche des Bauteils besondere mechanische Härte oder Zähigkeit und/oder elektrische oder thermische Isolationsfähigkeit auf. Auch die chemische Beständigkeit kann durch eine Oxidationsschicht gesteigert werden.
Es kann in einer anderen Ausgestaltungsform der Erfindung auch vorgesehen sein, dass ein Umgebungsstoff, dessen Gehalt in der Umgebung eines bearbeiteten, insbesondere erhitzten, Bereiches gesteuert wird, Stickstoff oder ein Stickstoff enthaltendes Gas ist und dass insbesondere ein Grundwerkstoff des ZwischenproduktesTi₆Al₄V, Silizium, Titan, Tantal, Chrom, Eisen oder eine Legierung ist, deren Hauptbestandteil zu mehr als 50 % eines dieser Elemente ist beziehungsweise die zu mehr als 50 Gewichtsprozent aus einem dieser Elemente besteht. Somit können durch das erfindungsgemäße Verfahren Nitride wie Siliziumnitrid (Si₃N₄), Titannitrid, Tantalnitrid, Roaldit (Fe₄N), Siderazot (Fe₃N), Osbornit (TiN), Carlsbergit (CrN), Sinoit (Si₂ON₂), Chromnitrit oder Eisennitrit gebildet werden.
Mit Bor enthaltenden Fluiden kann erfindungsgemäß mit Titan oder zu mehr als 50 Gewichtsprozent Titan enthaltenden Legierungen Titanborid (TiB₂) hergestellt werden.
Mit Silizium enthaltenden Fluiden können mit Grundwerkstoffen in Form von Magnesium, Calcium oder Platin oder Legierungen, die jeweils eines dieser Elemente zu mehr als 50 Gewichtsprozent enthalten, Mg₂Si, Ca₂Si, Ca₂Si₂ beziehungsweise Platinsilicid erzeugt werden.
Zudem ist auch möglich, dass ein Umgebungsstoff, dessen Gehalt in der Umgebung eines bearbeiteten, insbesondere erhitzten, Bereiches gesteuert wird, ein Kohlenstoff enthaltendes Gas ist. Nach einer Reaktion mit einem kohlenstoffhaltigen Gas und Bildung eines Karbids wird somit eine mechanisch besonders belastbare, harte Schicht gebildet. Auf diese Weise können mit den Grundwerkstoffen Titan, Zirkon, Hafnium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän oder Wolfram oder einer Legierung, die eines oder mehrere dieser Elemente zu mehr als 50 Gewichtsprozenten enthält, entsprechende Carbide gebildet werden.
Es ist jedenfalls möglich, die Vorteile der Erfindung zu erreichen, wenn das oder die Zwischenprodukte ausschließlich aus einem einzigen Grundwerkstoff besteht/bestehen. Die verschiedenen Bereiche des Bauteils können dann durch die Variation der Umgebungsstoffe oder die Variation der Reaktionstemperaturen gestaltet werden. Durch die ortsabhängige Zugabe von Umgebungsstoffen können verschiedene Bereiche des Bauteils unterschiedlich gestaltet werden. Hierzu können beispielsweise Fluide als Umgebungsstoffe durch gerichtete Düsen an verschiedenen Stellen des Zwischenproduktes oder der Zwischenprodukte zugegeben werden. Dies kann beispielsweise im Rahmen eines additiven Herstellungsverfahrens auch gleichzeitig mit dem Schmelzen eines Pulvers ortsabhängig geschehen. Beispielsweise kann bei der Herstellung mittels eines Jet-Verfahrens, in dem ein Pulver mittels Klebstofftropfen verbunden wird, eine zusätzliche Reaktion so gestaltet werden, dass die Düse zur Zufuhr eines Umgebungsstoffs baulich mit einer Düse zur Zugabe eines Bindewerkstoffs verbunden ist. In anderen Fällen, beispielsweise wenn ein 3D-Druckverfahren mittels Laserschmelzens verwirklicht wird, kann der Umgebungsstoff gezielt durch eine Düse zugeführt werden, die in dem Druckraum bewegbar, beispielsweise schwenkbar, ist. Auf diese Weise können in dem Raum, in dem der 3D-Druck stattfindet, auch mehrere Arme mit Kanälen und an ihren Enden angeordneten Zugabedüsen für verschiedene Umgebungsstoffe vorgesehen sein.
In einem ähnlichen Verfahren kann beispielsweise auch vorgesehen sein, dass jeweils zu einem Zeitpunkt nur ein einziger Umgebungsstoff der Umgebung eines bearbeiteten, insbesondere erhitzten, Bereiches zugeführt wird oder dass mehrere Bereiche gleichzeitig auf gleiche oder unterschiedliche Temperaturen erhitzt werden und dass die Zugabe von Umgebungsstoffen derart gesteuert wird, dass mehrere Bereiche gleichzeitig mit verschiedenen Umgebungsstoffen in Berührung gebracht werden.
Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorsehen, dass es die Bildung oder Ergänzung eines Zwischenproduktes durch einen Pulverkuchen umfasst, der im Zuge eines additiven Fertigungsverfahrens bearbeitet wird, und/oder dass im Verlauf des Verfahrens ein Zwischenprodukt einer Partikelwolke mit festen oder flüssigen Partikeln ausgesetzt wird, die einen reaktiven Umgebungsstoff bildet. Auf diese Weise kann im Rahmen eines additiven Fertigungsverfahrens ein Bauteil aus einem Zwischenprodukt durch Zugabe von Partikeln eines Pulvers und/oder Partikeln eines Umgebungsstoffes gebildet werden, wobei ein Pulverkuchen durch geeignete Temperatursteuerung und z. B. Laserschmelzen oder ein Bindemittel-Jet-Verfahren verfestigt wird.
Die Erfindung bezieht sich letztlich außer auf ein Verfahren der oben beschriebenen Art auch auf eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens dieser Art, bei der vorgesehen ist, dass wenigstens zwei Kanäle vorgesehen sind, die die zeitlich und örtlich begrenzte Zuführung von Umgebungsstoffen zu einem bearbeiteten, insbesondere erhitzten Bereich des Zwischenproduktes oder Bauteils, ermöglichen. Umgebungsstoffe können in diesem Zusammenhang Fluide, also gasförmige Stoffe oder auch flüssige Stoffe, beispielweise in Form von Flüssigkeitströpfchen, sein.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Figuren einer Zeichnung gezeigt und nachfolgend beschrieben. Dabei zeigt

1 einen Querschnitt durch ein Bauteil mit einer Beschichtung,
2 einen Querschnitt durch ein Bauteil mit einer ortsabhängigen Beschichtung,
3 einen Querschnitt durch ein Bauteil aus einem Grundwerkstoff mit einer Beschichtung, wobei ein Übergangsbereich zwischen dem Grundwerkstoff und dem Beschichtungswerkstoff geschaffen ist,
4 eine Trägerplatte für elektronische Anwendungen mit einer isolierenden Beschichtung und Leiterbahnen im Querschnitt,
5 schematisch einen möglichen Prozessablauf bei der Herstellung eines Bauteils,
6 in dreidimensionaler Ansicht einen Aufbau zur additiven Fertigung unter Zugabe von Umgebungsstoffen im Laserschmelzverfahren sowie
7 einen Aufbau in dreidimensionaler Ansicht für die additive Herstellung von Bauteilen in einem Jetdruckverfahren unter Zugabe verschiedener Umgebungsstoffe.

1 zeigt ein Bauteil 1a, dessen Grundwerkstoff insgesamt aus einem Metall besteht, wobei ein erster Bereich 2a beispielsweise aus einem gesinterten Metallpulver besteht, während eine obere Schicht 2b einen aus einem Metalloxid bestehenden Bereich bildet, der aus einem aus gesintertem Metallpulver gebildeten Zwischenprodukt durch Zugabe von Sauerstoff oder einem sauerstoffreichen Gas als Umgebungsstoff bei bereichsweise ortsabhängig erhöhter Temperatur des Grundwerkstoffs erzeugt worden ist.
2 zeigt ein Bauteil 1b, das ebenfalls aus einem metallischen Grundwerkstoff besteht, wobei ein Bereich 2c auch beim Endprodukt ausschließlich aus diesem Metall besteht. Im Oberflächenbereich sind drei Bereiche 2d, 2e, 2f unterschiedlich ausgebildet, indem sie bei der Bearbeitung des Zwischenprodukts aus dem metallischen Grundwerkstoff verschiedenen Temperaturen und verschiedenen Sauerstoffgehalten ausgesetzt werden. Dadurch können sich beispielsweise verschiedenartige Oxide unterschiedlicher Wertigkeit in verschiedenen Bereichen der Oberfläche des Bauteils 1b ausbilden. Anstelle von Oxiden können bei geeigneter Wahl der Grundwerkstoffe und der zugeführten Umgebungsstoffe auch Karbide oder Nitride gebildet werden.
In 3 ist beispielhaft gezeigt, dass nicht nur im Oberflächenbereich, sondern im gesamten Aufbau des Bauteils 1c Bereiche 2g, 2h, 2i unterschiedlicher Zusammensetzung und unterschiedlicher Materialeigenschaften erzeugt werden können. Der Bereich 2g liegt als unmodifiziertes Grundmaterial vor, während der Bereich 2h durch Zugabe eines ersten Umgebungsstoffs, beispielsweise Sauerstoff, zu einem Metalloxid verarbeitet ist. Der Bereich 2i kann über den Bereich 2h gelegt werden, wobei der Bereich 2i beispielsweise wieder aus dem reinen Grundwerkstoff bestehen oder ein anderes Oxid enthalten kann, oder auch eine andere Materialzusammensetzung durch Zugabe eines anderen Umgebungsstoffs als Sauerstoff oder eines sauerstoffhaltigen Gases.
Aus 4 geht ein Bauteil 1d hervor, bei dem ein plattenförmiger Grundkörper 2k beispielsweise aus einem Metall bestehen kann, das durch einen Bereich 2j in Form einer Oxidschicht abgedeckt wird. In der Oxidschicht 2j kann dann ein weiterer Bereich 2p eingelagert werden, in dem der Grundwerkstoff unoxidiert, also als Metall vorliegt. Auf diese Weise können Leiterbahnen in isolierterter Form auf einen Grundbereich 2k aufgebracht werden, wobei davon ausgegangen wird, dass der Oxidwerkstoff, aus dem der Bereich 2j besteht, elektrisch isolierend ist. Besonders bei einem 3D-Druckverfahren können derartige Bereiche mi unterschiedlicher Temperaturbehandlung und ortsabhängiger Zugabe von Umgebungsstoffen gut ortsaufgelöst differenziert gestaltet werden. Dazu wird, beispielsweise durch Laserschmelzen, jeweils ein gut abgegrenzter Bereich eines pulverkuchenförmigen Zwischenproduktes erhitzt und aufgeschmolzen, wobei ebenso in Abhängigkeit von dem jeweils gerade erhitzten Bereich der Umgebungsstoff in Konzentration und/oder Zusammensetzung variiert werden kann.
5 zeigt einen beispielhaften Prozessverlauf bei der Bearbeitung eines Zwischenprodukts am Beispiel eines 3D-Drucks. In einem ersten Schritt 3 wird ein Pulverkuchen gebildet beziehungsweise eine Pulverlage auf einen teilweise gedruckten und ein Zwischenprodukt bildenden Gegenstand aufgebracht. In einem zweiten Schritt 4 wird, beispielsweise durch Laserschmelzen, in bestimmten Bereichen der Pulverkuchen durch vorübergehende Verflüssigung beziehungsweise Anschmelzen des Pulvers und nachfolgendes Erstarren verfestigt. Dies kann beispielsweise im Vakuum erfolgen, und es kann kein Umgebungsstoff zugegeben werden. Der Grund-/Ausgangswerkstoff bleibt dann in den meisten Fällen erhalten (abgesehen von Umkristallisierungen und ähnlichen Vorgängen).
In einem dritten Schritt 5 kann dann nach Aufbringen der nächsten Pulverlage mittels des Lasers wieder eine Schicht des Grundwerkstoffs erhitzt und verflüssigt werden, wobei gezielt in die mit dem Laser erhitzten Bereiche ein Umgebungsstoff in Form eines sauerstoffhaltigen Gases gebracht wird, so dass dort Oxidschichten entstehen. In einem weiteren Schritt 6 wird die nächste Pulverlage mittels eines Lasers teilweise verflüssigt, so dass die entstandenen Oxidschichten mit dem Grundwerkstoff abgedeckt werden.
In einem letzten Schritt 7 können dann in verschiedenen Bereichen des Bauteils verschiedene Umgebungsstoffe gleichzeitig oder nacheinander zugegeben werden, während in Anwesenheit der Umgebungsstoffe jeweils mittels eines Lasers das Pulver des Grundwerkstoffs erhitzt wird, so dass es zumindest teilweise schmilzt. In verschiedenen Bereichen des Bauteils können auf diese Weise verschiedene Reaktionen mit den unterschiedlichen Umgebungsstoffen stattfinden, so dass der Grundwerkstoff des Zwischenproduktes in verschiedene Zielwerkstoffe bei dem als Produkt gebildeten Bauteil umgebildet wird. Auf diese Weise kann ein Bauteil geschaffen werden, das in verschiedenen Bereichen aus unterschiedlichen Werkstoffen besteht, was im Wesentlichen durch die zeitlich und örtlich gezielte Temperatursteuerung und/oder Zugabe von Umgebungsstoffen erreicht wird.
In 6 ist beispielhaft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils in Form eines 3D-Druckverfahrens herangezogen. In einem Bearbeitungsraum 10 wird das Bauteil 1e in Form eines Pulverkuchens aufgebaut, wobei verschiedene Schichten des Pulverkuchens nacheinander teilweise derart verfestigt werden, dass eine Zielform entsteht. Die Verfestigung der einzelnen Schichten wird durch Laserschmelzen mittels des Lasers 11 erreicht, der jeweils die Oberfläche des Bauteils 1e bestreicht. Wie durch den Doppelpfeil 12 gezeigt ist, wird jeweils nach Verfestigung einer Schicht des Pulverkuchens dieser heruntergefahren, so dass die Bearbeitungsschicht des Bauteils 1e jeweils an derselben Stelle liegt. Gleichzeitig mit der teilweisen Aufheizung von Bereichen 2l [Buchstabe kleines L] des Bauteils 1e im Bereich der Oberflächenschicht 2m wird ein Umgebungsstoff in Form eines Gases durch eine der Düsen 8, 9 zugegeben, so dass in dem Bereich 2l jeweils heißes beziehungsweise aufgeschmolzenes Grundmaterial mit einem Umgebungsstoff, beispielsweise einem Gas, insbesondere Sauerstoff oder einem kohlenstoffhaltigen oder stickstoffhaltigen Gas, reagieren kann. Dadurch können in dem jeweils örtlich begrenzten aufgeheizten Bereich gezielt Oxide, Karbide oder Nitride gebildet werden.
Der Arm 13, der die Kanäle für die Umgebungsstoffe in Form von zuzugebenden Gasen enthält, ist schwenkbar, wie durch den Doppelpfeil 14 angedeutet ist. Hierdurch und auch durch eine Verfahrbarkeit senkrecht zur Schwenkrichtung können die Düsen 8, 9 an beliebige Bereiche an dem Zwischenprodukt beziehungsweise Bauteil 1e gebracht werden, so dass dort gezielt und ortsabhängig der entsprechende Umgebungsstoff so freigesetzt werden kann, dass er mit dem Grundwerkstoff des Bauteils 1e in Berührung tritt. Durch die Steuerung der Temperatur beziehungsweise Erhitzung durch den Laser 11 auf eine gewünschte Zieltemperatur kann dann eine gewünschte chemische Reaktion initiiert werden. Der Laser 11 kann ebenso wie der Arm 13 die gesamte zu bearbeitende Oberfläche 2m des Bauteils 1e überstreichen.
In 7 ist eine andere Variation des 3D-Drucks beispielhaft gezeigt, nämlich das Binderjetdrucken, bei dem ein Druckkopf 15 mit einem Bindemittel über die Oberfläche / den Oberflächenbereich 2n fährt und selektiv bestimmte Bereiche des Bauteils 1f durch Zugabe eines Binders verfestigt. Der Binder ist dabei oft heiß, so dass der jeweils bearbeitete Bereich des Bauteils zumindest teilweise erhitzt wird. Zudem kann in dem Druckkopf 15 ein Heiz- oder Bestrahlungselement vorgesehen sein, das gezielt Bereiche des Bauteils 1f erhitzt. Zudem enthält der Druckkopf 15 Kanäle, die mit Zuführungsleitungen 16 verbunden sind, über die Umgebungsstoffe, beispielsweise Gase oder Flüssigkeiten, zugeführt werden können. Diese Umgebungsstoffe werden lokal an der Stelle dem Bauteil 1f beziehungsweise dem Zwischenprodukt zugeführt, an der dieses durch ein Heizelement des Druckkopfes oder durch Zugabe eines heißen Bindemittels erhitzt wird, so dass gezielt eine chemische Reaktion mit dem Grundwerkstoff, jedoch möglicherweise auch mit dem Bindemittel initiiert werden kann, die zur Bildung von Oxiden oder Karbiden/Nitriden - je nach dem Grundwerkstoff des Bauteils 1f und den zugeführten Stoffen - führt.
Auf diese Weise können insbesondere mit den Mitteln des 3D-Drucks mit einem einzigen Grundwerkstoff in Form eines Pulvers Bauteile gedruckt werden, die im Endzustand verschiedene Bereiche mit unterschiedlichen Materialzusammensetzungen oder zumindest unterschiedlichen Materialeigenschaften aufweisen.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f), das mehrere Bereiche (2a, 2b, 2c, 2d, 2f, 2g, 2h, 2i, 2j, 2k, 2l, 2m, 2n, 2p) mit verschiedenen Materialeigenschaften, insbesondere verschiedenen Beschaffenheiten und/oder Zusammensetzungen, aufweist, aus einem oder mehreren Zwischenprodukten, wobei verschiedene Bereiche des oder der Zwischenprodukte, in denen diese aus einem Grundwerkstoff bestehen, gleichzeitig oder nacheinander bearbeitet, insbesondere erhitzt werden, wobei die Anwesenheit von Umgebungsstoffen gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugabe eines oder mehrerer Umgebungsstoffe in Form von Fluiden sowie die Temperatur der Bereiche derart gesteuert werden, dass in ersten Bereichen das Material des oder der Zwischenprodukte mit einem oder mehreren ersten Umgebungsstoffen zu einem ersten modifizierten Grundwerkstoff reagiert, während in zweiten Bereichen der Grundwerkstoff bezüglich seiner Beschaffenheit unmodifiziert bleibt, und/oder in weiteren Bereichen der Grundwerkstoff mit einem oder mehreren zweiten Umgebungsstoffen zu einem zweiten modifizierten festen Grundwerkstoff reagiert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der oder ein Grundwerkstoff des Zwischenproduktes ein Metall oder eine Metalllegierung ist oder enthält.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Umgebungsstoff, dessen Gehalt in der Umgebung eines bearbeiteten, insbesondere erhitzten, Bereiches (2a, 2b, 2c, 2d, 2f, 2g, 2h, 2i, 2j, 2k, 2l, 2m, 2n, 2p) gesteuert wird, Sauerstoff oder ein Sauerstoff enthaltendes Gas ist und dass insbesondere ein Grundwerkstoff des oder der Zwischenprodukte AlSi₁₀Mg und/oder Kupfer, Aluminium, Magnesium, Zirkonium oder Titan oder eine Legierung mit einem der genannten Stoffe ist oder enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Umgebungsstoff, dessen Gehalt in der Umgebung eines bearbeiteten, insbesondere erhitzten, Bereiches (2a, 2b, 2c, 2d, 2f, 2g, 2h, 2i, 2j, 2k, 2l, 2m, 2n, 2p) gesteuert wird, Stickstoff oder ein Stickstoff enthaltendes Gas ist und dass insbesondere ein Grundwerkstoff des ZwischenproduktesTi₆Al_aV, Silizium, Titan, Tantal, Chrom, Eisen oder eine Legierung ist, deren Hauptbestandteil zu mehr als 50 % eines dieser Elemente ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Umgebungsstoff, dessen Gehalt in der Umgebung eines bearbeiteten, insbesondere erhitzten, Bereiches (2a, 2b, 2c, 2d, 2f, 2g, 2h, 2i, 2j, 2k, 2l, 2m, 2n, 2p) gesteuert wird, ein Kohlenstoff enthaltendes Gas ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenprodukt oder die Zwischenprodukte ausschließlich aus einem einzigen Grundwerkstoff besteht/bestehen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zu einem Zeitpunkt nur ein einziger Umgebungsstoff der Umgebung eines bearbeiteten, insbesondere erhitzten, Bereiches (2a, 2b, 2c, 2d, 2f, 2g, 2h, 2i, 2j, 2k, 2l, 2m, 2n, 2p) zugeführt wird oder dass mehrere Bereiche gleichzeitig auf gleiche oder unterschiedliche Temperaturen erhitzt werden und dass die Zugabe von Umgebungsstoffen derart gesteuert wird, dass mehrere Bereiche gleichzeitig mit verschiedenen Umgebungsstoffen in Berührung gebracht werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass es die Bildung oder Ergänzung eines Zwischenproduktes durch einen Pulverkuchen umfasst, der im Zuge eines additiven Fertigungsverfahrens bearbeitet wird, und/oder dass im Verlauf des Verfahrens ein Zwischenprodukt einer Partikelwolke mit festen oder flüssigen Partikeln ausgesetzt wird, die einen reaktiven Umgebungsstoff bildet.
Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Zuführeinrichtung für fluidförmige Umgebungsstoffe wenigstens zwei Kanäle (8, 9) vorgesehen sind, die die zeitlich und örtlich begrenzte Zuführung von Umgebungsstoffen zu einem bearbeiteten, insbesondere erhitzten Bereich (2a, 2b, 2c, 2d, 2f, 2g, 2h, 2i, 2j, 2k, 2l, 2m, 2n, 2p) des Zwischenproduktes oder Bauteils (1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f), ermöglichen.