DE102022112187A1

DE102022112187A1 - Verfahren zum Herstellen eines Ausgangsmaterials für die additive Fertigung sowie Bauteil

Info

Publication number: DE102022112187A1
Application number: DE102022112187.9A
Authority: DE
Inventors: Wolfram Wagener; Johannes Kummer; Thomas Musiol
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2022-05-16
Filing date: 2022-05-16
Publication date: 2023-11-16

Abstract

Verfahren zum Herstellen eines Ausgangsmaterial für die additive Fertigung, wobei die bei einem thermischen Spritzverfahren erzeugten Strahlpartikel als Ausgangsmaterial für die additive Fertigung (30) verwendet werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Ausgangsmaterials für die additive Fertigung sowie ein Bauteil.
Der 3D-Druck, auch bekannt unter der Bezeichnung „additive Fertigung“, ist eine Bezeichnung für Fertigungsverfahren, bei denen Material Schicht für Schicht aufgetragen und so 3-dimensionale Gegenstände erzeugt werden. Vorliegend geht es insbesondere um Verfahren, bei welchen pulverförmiges Ausgangsmaterial verarbeitet wird. Wie auch bei anderen Fertigungsverfahren stellt sich hierbei die Herausforderung, möglichst ressourcenschonend zu arbeiten, sei es aus Nachhaltigkeitsgesichtspunkten, aber auch um die Kosten zu reduzieren.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen eines Ausgangsmaterials für die additive Fertigung, sowie ein Bauteil anzugeben, welche höchste Anforderungen an die Nachhaltigkeit erfüllen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Bauteil gemäß Anspruch 10 gelöst. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung und der beigefügten Figur.
Erfindungsgemäß werden bei einem Verfahren zum Herstellen eines Ausgangsmaterials, insbesondere eines Pulvermaterials, für die additive Fertigung die bei einem thermischen Spritzverfahren erzeugten Strahlpartikel als Ausgangsmaterial für die additive Fertigung verwendet. Thermische Spritzverfahren sind Oberflächenbeschichtungsverfahren. Dabei werden Zusatzwerkstoffe, die sogenannten Spritzzusätze, innerhalb oder außerhalb eines Spritzbrenners ab-, an- oder aufgeschmolzen, in einem Gasstrom in Form von Spritzpartikeln beschleunigt und auf die Oberfläche des zu beschichtenden Bauteils geschleudert. Mit Vorteil wurde gefunden, dass die bei thermischen Spritzverfahren erzeugten Strahlpartikel optimal als Ausgangsmaterial für die additive Fertigung geeignet sind. Additive Fertigungsverfahren sind hierbei zweckmäßigerweise additive Verfahren, welche pulverförmige Ausgangsmaterialien benötigen. Lediglich beispielhaft sei hier das „Binder Jetting“ genannt.
Besondere vorteilhaft ist vorliegend, dass das Verfahren ein Erzeugen des Ausgangsmaterials vor Ort ermöglichen kann. Das Ausgangsmaterial muss also nicht über längere Zeit gelagert und vor allem nicht transportiert werden. Beim Lagern ergibt sich grundsätzlich das Problem, dass das Material gegen Alterung und Agglomeration geschützt werden muss. Zu viel Reibung bei Transport, Lagerung und anschließender Förderung kann das Pulver zerreiben und erhöht den Anteil der unbrauchbaren, zu feinkörnigen Fraktion (Staubanteil). Das vorliegende Verfahren kann die vorgenannten Nachteile beseitigen, wobei nicht nur die Qualität des additiven Fertigungsverfahrens gesteigert werden kann, sondern gleichzeitig die Kosten reduziert werden können.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das thermische Spritzverfahren insbesondere Lichtbogendrahtspritzen. Besonders im Automobilbau und hier bei der Beschichtung von Kurbelgehäusen wird das Lichtbogendrahtspritzen zur Beschichtung der Zylinderlaufbahnen verwendet.
Beim Lichtbogendrahtspritzen wird zwischen zumindest zwei drahtförmigen Spritzwerkstoffen ein Lichtbogen gezündet, wobei Strahlpartikel gebildet werden, indem der auf-, an- oder abgeschmolzene Werkstoff über ein Zerstäubergas verdüst wird. Gemäß einer Ausführungsform können auch drei oder vier derart drahtförmige Spritzwerkstoffe verwendet werden. Der Draht kann in verschiedenen Querschnitten, wie nachfolgend noch genannt, durch eine LDS-Lanze gefahren werden, wobei immer zwei Drähte gleichzeitig, optional drei oder vier Drähte, genutzt werden, die dann einen Lichtbogen erzeugen und aufgeschmolzen und verdüst werden
Über die Prozessparameter beim thermischen Spritzen, insbesondere beim Lichtbogendrahtspritzen, können die Strahlpartikel hinsichtlich ihrer Eigenschaften vorteilhafterweise angepasst werden. Zweckmäßigerweise umfasst das Verfahren den Schritt:

- Variieren der Parameter: Drahtvorschub, Spannung, Strom und Druck. Über Spannung oder Strom kann insbesondere die Temperatur des Lichtbogens beeinflusst werden. Der Druck des Zerstäubergases beeinflusst die Aufprallgeschwindigkeit der Strahlpartikel auf die Oberfläche.

Gemäß bevorzugter Ausführungsformen liegt der Drahtdurchmesser der drahtförmigen Spritzwerkstoffe zwischen 1 und 2,2 mm. Gemäß einer Ausführungsform beträgt der Durchmesser 1,2 mm. Gemäß einer weiteren Ausführungsform beträgt der Durchmesser 1,6 mm. Gemäß einer weiteren Ausführungsform beträgt der Durchmesser 2,0 mm.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:

- Verwenden von Stickstoff als Zerstäubergas.

Weiter vorteilhafterweise umfasst das Verfahren den Schritt:

- Kühlen des Zerstäubergases.

Es hat sich herausgestellt, dass insbesondere über das Kühlen des Zerstäubergases, bevorzugt auch in Kombination mit der Verwendung von Stickstoff als Zerstäubergas, ein kugeliges, inertes (pulver-)Material gebildet werden kann, welches für die additive Fertigung optimal geeignet ist. Das Kühlen des Zerstäubergases erfolgt gemäß einer Ausführungsform über einen gekühlten Tunnel, durch welchen das Zerstäubergas hindurchgeleitet wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Strahlvorrichtung einen, insbesondere stickstoffgefluteten, Abkühltunnel auf, welcher zweckmäßigerweise auf eine Temperatur von ungefähr 5 bis 15 °C, insbesondere 10 °C, temperiert wird.
Besonders bevorzugt wird das thermische Spritzverfahren zum Beschichten einer Oberfläche verwendet, wobei dabei auftretendes Overspray als Pulver für die additive Fertigung verwendet wird. Bei derartigen Spritzverfahren entsteht zwangsläufig Overspray. Dies bedeutet, dass nicht alle Strahlpartikel tatsächlich an der Bildung der Beschichtung teilnehmen, sondern „übrigbleiben“. Anstatt diese nun aufwändig entsorgen zu müssen, können diese mit Vorteil als Ausgangsmaterial für die additive Fertigung verwendet werden.
Hierbei hat sich, wie bereits erwähnt, insbesondere das thermische Spritzen als besonders vorteilhaft erwiesen. Dieses wird im Automotive-Bereich beispielsweise zur Beschichtung von Laufflächen von Kurbelgehäusen verwendet. Entsprechend hohe Margen sind hierbei betroffen.
Zweckmäßigerweise umfasst das Verfahren den Schritt:

- Sieben der Strahlpartikel zum Einstellen einer Pulverqualität.

Zweckmäßigerweise weist das Pulver bzw. weisen die Pulver-/Strahlpartikel einen Durchmesser in einem Bereich von 50-150 µm auf. Zweckmäßigerweise enthält das Pulver also im Wesentlichen keine Partikel die kleiner als 50 µm sind und keine Partikel, die größer als 150 µm sind. Hierzu wird beispielsweise mehrfach gesiebt.
Gesiebt wird zweckmäßigerweise nach dem Abkühlen der Strahlpartikel auf, bevorzugt, Umgebungstemperatur.
Die Erfindung betrifft auch ein Bauteil, welches mittels additiver Fertigung hergestellt ist, wobei als Ausgangsmaterial ein Pulver verwendet wird, welches zumindest teilweise nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform des Verfahrens mit Bezug auf die beigefügte Figur.
Es zeigt:

1: eine schematische Ansicht einer Ausführungsform eines Verfahrensablaufs.

1 zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsform des Verfahrensablaufs, wobei Bezugszeichen 20 eine Vorrichtung zum thermischen Spritzen zeigt. Mittels dieser wird eine Beschichtung 12 auf einer Oberfläche 10 erzeugt. Das hierbei entstehende oder auftretende Overspray wird vorteilhafterweise in einem additiven Fertigungsverfahren, vgl. Bezugszeichen 30, verwendet. Typischerweise muss Ausgangsmaterial für die additive Fertigung inert gelagert, mit Speziallastwagen transportiert und mittels eines Pulverförderers zum Druck- bzw. Spraybereich transportiert werden. Das Pulver muss geschützt gegen Alterung und Agglomeration sein, leicht zu fördern sein und präzise in einer Ebene aufzutragen sein. Zu viel Reibung beim Transport, Lagerung und Förderung zerreibt das Pulver und erhöht den Anteil der unbrauchbaren, zu feinkörnigen Fraktion. In der Folge wird ein hoher Aufwand betrieben, ein gleichmäßiges, homogenes Pulver zu erzeugen, das inert gelagert und nicht reagiert hat und wenig Staubanteil aufweist. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es mit Vorteil, auf die oder zumindest einige der vorgenannten typischen Vorgehensweisen zu verzichten.
Bezugszeichenliste

10: Oberfläche
12: Beschichtung
20: Vorrichtung zum thermischen Spritzen
30: additive Fertigung

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Ausgangsmaterials für die additive Fertigung, wobei die bei einem thermischen Spritzverfahren erzeugten Strahlpartikel als Ausgangsmaterial für die additive Fertigung (30) verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das thermische Spritzverfahren Lichtbogendrahtspritzen ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei zwischen zumindest zwei drahtförmigen Spritzwerkstoffen ein Lichtbogen gezündet wird und die Strahlpartikel gebildet werden, indem der auf-, an- oder abgeschmolzene Werkstoff über ein Zerstäubergas verdüst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2-3, umfassend den Schritt: - Variieren der Parameter: Drahtvorschub, Spannung, Strom, Druck.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2-4, wobei der Drahtdurchmesser zwischen 1 mm und 2,2 mm beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2-5, umfassend den Schritt: - Verwenden von Stickstoff als Zerstäubergas.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2-6. umfassend den Schritt: - Kühlen des Zerstäubergases.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das thermische Spritzverfahren zum Beschichten einer Oberfläche (12) verwendet wird, und wobei dabei auftretendes Overspray als Pulver für die additive Fertigung (30) verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend den Schritt: - Sieben der Strahlpartikel zum Einstellen einer Pulverqualität.
Bauteil, herstellt mittels additiver Fertigung, wobei als Ausgangsmaterial ein Pulver verwendet wird, welches zumindest teilweise nach einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist.