DE102022119532A1

DE102022119532A1 - Verfahren zur Herstellung mechanisch aufbereiteter fließfähiger Pulver auf Basis von Aluminiumlegierungen für die additive Fertigung

Info

Publication number: DE102022119532A1
Application number: DE102022119532.5A
Authority: DE
Inventors: Alla Kasakewitsch; Christina Walch; Uwe Arlic
Original assignee: Soluterials Verwaltungs und Verwertungs Ug Haftungsbeschraenkt
Current assignee: Soluterials Verwaltungs und Verwertungs Ug Haftungsbeschraenkt
Priority date: 2021-12-17
Filing date: 2022-08-04
Publication date: 2023-06-22

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gut fließfähiges Aluminiumlegierungspulver mit hoher Schüttdichte für die additive Fertigung aus Schrotten auf Aluminiumbasis herzustellen, der in einem vereinfachten kombinierten Herstellungsverfahren und ohne die Verwendung von gesundheitlich bedenklichen Komponenten hergestellt werden kann. Dabei sollen die Fließfähigkeit und Schüttdichte des Aluminiumlegierungspulvers und somit die Effizienz des Verarbeitungsprozesses der additiven Fertigung verbessert werden. Zusätzlich sollen durch die Verwendung von Schrotten als Ausgangsmaterial sowie eine nichtschmelzbasierte Prozessroute die Wirtschaftlichkeit und der ökologische Fußabdruck des Pulvers verbessert werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung mechanisch aufbereiteter besonders gut fließfähiger Pulver für die metallische additive Fertigung, hergestellt aus Schrotten auf Aluminiumbasis, insbesondere der Legierungen (z.B. EN AW-4004, EN AW-4045, EN AW-4046, EN AW-4018, EN AW-4343; Bezeichnung nach EN 573 sowie entsprechend ihrer Einordnungen als Gusslegierung (EN AC)), einem Verfahren zu dessen Herstellung sowie dessen Verwendung.
Die Additive Fertigung (engl.: additive manufacturing, AM) ist ein Fertigungsverfahren, dass dadurch gekennzeichnet ist, dass die Bauteile Schicht für Schicht aufgebaut werden. Die dadurch entstehenden Bauteile können flexibel gestaltet werden. Dies kann z.B. komplexe geometrische Formgebung, variable Materialeigenschaftsprofile, aber auch Kombinationen von unterschiedlichen Materialien (Multi-Material-Design) beinhalten.
Die Additive Fertigung von Metallbauteilen gewinnt zunehmend an Bedeutung. Im Zeitraum von 2010 bis 2020 hat sich die Bauteil-Fertigung in der Metall-AM verzehnfacht. Für den Zeitraum 2020 bis 2030 ist ebenfalls ein Anstieg um den Faktor 10 prognostiziert. (It. Wohlers Report 2017; Strategy & Analysis)
Aktuelle Fertigungsverfahren des pulverbasierten metallischen AM werden in die drei folgenden Grundtechniken unterteilt:

Pulverbett-Verfahren wie z.B. Selektives Laserschmelzen (Selective Laser Melting (SLM)), Selektives Lasersintern (Selective Laser Sintering (SLS));
Metallabscheidung (Directed Energy Deposition (DED));
Binderstrahlverfahren (Binder Jetting)

Alle oben genannten Techniken benötigen für einen schichtweisen Aufbau von metallischen Materialien, zwingend ein in feinkörniger Pulverform vorliegendes Material, um eine dünne Schicht auf die Bauplattform auftragen zu können und somit einen präzisen Bauteilaufbau zu erreichen.
Das für die Metall-AM-Fertigungsverfahren benötigte Aluminiumpulver wird meist durch ein Verdüsungsverfahren (gas- oder flüssigkeitsbasiert) hergestellt. Dabei wird das metallische Pulver aus der Metallschmelze durch Verdüsung (auch Zerstäubung genannt, engl.: atomisation) hergestellt. Ziel ist dabei kugelförmige (sphärische) Metallpartikel zu generieren. Anforderungen an das so produzierte Aluminiumpulver können z.B. niedriger Sauerstoffgehalt, keine Satelliten oder Porosität sowie geringe Abweichungen von der Kugelform und gewünschten Partikelgröße sein.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gut fließfähiges Aluminiumlegierungspulver mit hoher Schüttdichte für die additive Fertigung aus Schrotten auf Aluminiumbasis herzustellen, der in einem vereinfachten kombinierten Herstellungsverfahren und ohne die Verwendung von gesundheitlich bedenklichen Komponenten hergestellt werden kann. Dabei sollen die Fließfähigkeit und Schüttdichte des Pulvers und somit die Effizienz des Verarbeitungsprozesses der additiven Fertigung verbessert werden. Zusätzlich sollen durch die Verwendung von Schrotten auf Aluminiumbasis als Ausgangsmaterial sowie eine nichtschmelzbasierte Prozessroute die Wirtschaftlichkeit und der ökologische Fußabdruck des Pulvers verbessert werden.
Die vorstehend beschriebene Aufgabe wird gelöst, durch ein erfindungsgemäßes Verfahren der vereinfachten kombinierten mechanischen Zerkleinerung und mechanischen Formgebung für Aluminiumlegierungspulver gemäß Patentanspruch 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Mechanisch aufbereitetes Aluminiumlegierungspulver für die AM-Fertigung wird erfindungsgemäß hergestellt, aus Aluminiumlegierungen, insbesondere Aluminium-Silizium-Legierungen (z.B. EN AW-4004, EN AW-4045, EN AW-4046, EN AW-4018, EN AW-4343; Bezeichnung nach EN 573 sowie entsprechend ihrer Einordnung als Gusslegierung (EN AC)), besonders bevorzugt aus Schrotten auf Aluminiumbasis, mechanisch zerkleinert und in eine für den Prozess der AM-Fertigung sehr günstige Form gebracht. Die dadurch entstandene sehr günstige Form des Aluminiumlegierungspulver zeichnet sich durch eine besonders gute Fließfähigkeit und hohe Schüttdichte aus, womit die Effizienz und Wirtschaftlichkeit des AM-Fertigungsprozesses gesteigert wird.
Ein gut fließendes Aluminiumlegierungspulver führt zu einem stabilen AM-Fertigungsprozess und einer gleichbleibenden hohen Qualität. Durch eine planbar konstant gute Fließfähigkeit kann das Aluminiumlegierungspulver innerhalb des ausgeführten Prozesses sehr zeitgenau zugeführt werden, wodurch sich die Fertigungszeit sowie der auftretende Materialverlust bedeutend reduziert.
Verdüstes sphärisches Aluminiumlegierungspulver ist für großtechnische Anwendung zwar geeignet, im Vergleich zur Halbzeugform, produktionsbedingt aber sehr teuer. Es hat sich erfindungsgemäß herausgestellt, dass die positiven Förderungs- und Verarbeitungseigenschaften von möglichst sphärisch geformten Körnern für die AM-Pulververarbeitung durch andere Methoden effizienter erreicht werden kann. Dies bedeutet, dass auf eine aufwendige und ressourcenintensive Produktion von wasserverdüsten oder gas-atomisierten Pulvern zugunsten von mechanisch zerkleinerten Pulvern verzichtet werden kann. Das erfindungsgemäße Ausgangsmaterial aus Schrotten auf Aluminiumbasis kann direkt aus dem Aufbereitungskreislauf für sortenreine Aluminiumlegierungen entnommen werden. Zum einen ermöglicht dieser Ansatz ein wirtschaftliches und ressourcenschonendes Endprodukt, und zum anderen ist die Rohmaterialversorgung auch in großem Umfang gesichert. Dies umfasst z.B. zerkleinerte Aluminium-Granulate in den Partikelgrößen von etwa 1 bis 5mm sowie Abfälle aus der spanenden Fertigung (Aluminiumspäne). Beides sind typische Standardprodukte der Aufbereitungsindustrie.
Ein weiterer positiver Effekt der erfindungsgemäß hergestellten mechanisch zerkleinerten Aluminiumlegieurungspulver, gegenüber wasserverdüsten oder gas-atomisierten Pulvern, sind die Sauerstofffreiheit und das Fehlen von Gaseinschlüssen oder Porosität. Weiterhin erhöht sich die Schüttdichte im AM-Prozess aufgrund der abgerundete plattenförmigen Partikelform, welche sich durch eine gleichmäßige Partikeldicke des Pulvers auszeichnet. Die Partikellänge und/oder -breite ist davon unabhängig und können variieren. Dies führt zu einer Reihe von Vorteilen im AM-Fertigungsprozess die sich aus z.B. geringerer Schwindung, weniger Gaseinschlüssen, Porosität ergeben.
Das beschriebene Aluminiumlegierungspulver wird erfindungsgemäß hergestellt, indem Aluminiumlegierungsschrotte besonders bevorzugt Aluminium-Silizium-Legierungsschrotte, mechanisch zerkleinert und zu einem besonders fließfähigen Aluminiumlegierungspulver geformt werden.
Die Herstellungsabläufe können sich erfindungsgemäß besonders bevorzugt in zwei Prozessstufen abspielen:

Prozessstufe 1: Zerkleinerung des Ausgangsmaterials auf Aluminiumlegierungsschrotte (Granulat, Späne) In Prozessstufe 1 wird das Ausgangsmaterial, auf Aluminiumlegierungsschrotte (Granulat, Späne) mechanisch zerkleinert, ausgehend von einer Granulat-Körnung zwischen beispielsweise 1mm bis 5mm ( ) oder Spänen ( ) in vergleichbarer Größe zu einem Zwischenprodukt in Form eines feinkörnigen Pulvers mit einer mittleren Partikelgröße von beispielsweise 50µm.
Prozessstufe 2: Formung eines besonders fließfähigen Aluminiumlegierungspulvers In Prozessstufe 2 wird das zerkleinerte Zwischenprodukt aus der Prozessstufe 1 zu einem besonders fließfähigen Aluminiumlegierungspulver mit hoher Schüttdichte ( ) durch Einstellen der Mahlparameter Temperatur, Dauer und Geschwindigkeit vorzugsweise so eingestellt, dass eine Endkontur-Pulverformung sicher verläuft, ohne das Material zu verschmieren. Die Formung der plattenförmigen Partikel zeichnet sich durch eine gleichmäßige Partikeldicke des Pulvers von z.B. 10µm aus ( ).

Für großtechnische Zerkleinerungsaufgaben sind erfindungsgemäß hochenergetische Mühlen wie z.B. Exzenterschwingmühlen geeignete Vorrichtungen. Diese sind zwingend in einer reaktionsneutralen Mühlen-Wandauskleidung wie z.B. Al2O3 auszuführen.
Erfindungsgemäß können die Prozessstufen 1 und 2 innerhalb eines Arbeitsgangs einer hochenergetischen Mühle kombiniert werden. Dabei kann insbesondere in einer Exzenterschwingmühle das Eingangsmaterial in Form von Schroten auf Aluminiumbasis-Granulaten (Partikelgröße z.B. 1mm bis 5mm), oder Spänen vergleichbarer Größe, in eine gut fließfähige abgerundete plattenförmige Pulverform (z.B. Partikelplattendicke von 10µm) gezielt zerkleinert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

EN AW-4004, EN AW-4045 [0009]

Claims

Aluminiumlegierungen, bevorzugt als Schrotte auf Aluminiumlegierungsbasis in beliebiger Schüttform, für die additive Fertigung, in derselben Vorrichtung, einer hochenergetischen Mühle, mit keramischer Auskleidung, in einem Arbeitsgang erfolgen, gekennzeichnet durch die Kombination der Prozessstufen: -Zerkleinerung des Ausgangsmaterials auf Aluminiumlegierungsschrotten und -Formung eines besonders fließfähigen plattenförmigen Aluminiumlegierungspulvers
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das plattenförmige Aluminiumlegierungspulver nach der Herstellung eine hohe Schüttdichte hat.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass keine Änderungen den physikalischen Materialeigenschaften zwischen der eingebrachten Aluminiumlegierung und dem erzeugten Aluminiumlegierungspulver entsteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminiumlegierungspulver nach der Herstellung einen sehr niedrigen bis gar keinen Sauerstoffgehalt hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminiumlegierungspulver nach der Herstellung sehr niedrige bis gar keine Gaseinschlüsse hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminiumlegierungspulver nach der Herstellung sehr niedrige bis gar keine Porosität hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Einsatz des Aluminium-Metallpulver zu einer sehr niedrigen bis gar keiner Porosität in additiv gefertigten Bauteilen führt.