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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Herstellung von Bauteilen oder Bauteilabschnitten nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art sowie ein entsprechend hergestelltes Bauteil oder Bauteilabschnitt.
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An mechanisch belastete Bauteile werden die unterschiedlichsten Anforderungen gestellt. So müssen entsprechende Bauteile die gemäß ihrer Auslegung vorgesehenen Beanspruchungen standhalten, sollten einen möglichst geringen Verschleiß aufweisen und zudem kostengünstig fertigbar sein.
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Oft liegen sich gegenseitig widersprechende Anforderungen vor. So sollte ein Bauteil beispielsweise möglich duktil sein, um durch das Aufweisen eines gewissen Verformungsvermögens bei einer Überlastung nicht direkt durch Bruch zu versagen, zum anderen sollte das Bauteil besonders hart sein, um einen übermäßigen Abrieb an der Oberfläche zu verhindern. Dies ist beispielsweise bei Schwertern, Messern, Klingen und dergleichen der Fall sowie bei Werkzeugen zur spanhabenden Bearbeitung. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, sind sogenannte Kompositbauteile bekannt. Diese umfassen einen duktilen Grundkörper mit einer darauf angebrachten harten Beschichtung bzw. harten Widerstandskörper.
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Ferner sind zur Herstellung komplexer Bauteile, insbesondere für Kleinserien, additive Fertigungsverfahren bekannt. So lassen sich beispielsweise mittels selektiven Laserschmelzens, selektiven Elektronenstrahlschmelzens, selektiven Lasersinterns, selektiven Elektronenstahlsinterns und dergleichen, komplexe Bauteile einfach und vergleichsweise kostengünstig fertigen. Ein bekanntes Vorgehen ist es dabei, harte Verstärkungspartikel in einer duktilen Metallmatrix einzubetten. Die Metallmatrix sorgt für den nötigen Zusammenhalt und Duktilität, während die Verstärkungspartikel die tribologischen Eigenschaften verbessern und somit eine besondere Oberflächenhärte bzw. Widerstand gegenüber Verschleiß ermöglichen. Ein derart gefertigtes Kompositbauteil ist beispielsweise aus der
DE 10 2021 003 914 A1 bekannt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein additiv gefertigtes Bauteil oder Bauteilabschnitt sowie ein Verfahren zu deren Herstellung anzugeben, welches eine einfache und kostengünstige Herstellung erlaubt und dabei sicherstellt, dass das derart gefertigte Bauteil oder Bauteilabschnitt einen hohen Widerstand gegenüber Verschleiß sowie eine hohe mechanische Festigkeit aufweist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur additiven Herstellung von Bauteilen oder Bauteilabschnitten mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein entsprechendes, mittels eines solchen Verfahrens hergestellten Bauteils oder Bauteilabschnitts gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Ansprüchen.
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Ein gattungsgemäßes Verfahren zur additiven Herstellung von Bauteilen oder Bauteilabschnitten, wobei zumindest eine Pulverbettschicht, umfassend einen metallischen Matrixwerkstoff und Verstärkungspartikel, auf einem Substrat aufgetragen wird und die Pulverbettschicht zur Erzeugung einer Lage und zum Einbetten der Verstärkungspartikel im Matrixwerkstoff mittels eines Energiestrahls zumindest partiell aufgeschmolzen wird, wird erfindungsgemäß durch die folgenden Verfahrensschritte weitergebildet:
- - Bereitstellen einer Pulvermischung aus dem Matrixwerkstoff und den Verstärkungspartikeln, wobei als Verstärkungspartikel nichtmetallische anorganische Partikel von im Wesentlichen sphärischer Gestalt verwendet werden und als Matrixwerkstoff ein Metallpulver verwendet wird, wobei ein Metallpartikel-Hauptdurchmesser gleichgroß oder kleiner ist, als ein Verstärkungspartikel-Hauptdurchmesser;
- - Auftragen der Pulverbettschicht auf dem Substrat, wobei die Stärke der Pulverbettschicht und der Verstärkungspartikel-Hauptdurchmesser aufeinander abgestimmt werden, sodass der Verstärkungspartikel-Hauptdurchmesser im Bereich von 70 bis 100% der Pulverbettschicht-Stärke liegt; und
- - Aufschmelzen zumindest einer Pulverbettschicht zur Erzeugung zumindest einer Lage.
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Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, einfach und kostengünstig hochbelastbare bzw. widerstandsfähige Bauteile bzw. Bauteilabschnitte herzustellen. Dies ist durch das Verwenden kugelförmiger nichtmetallischer anorganischer Partikel mit im Wesentlichen gleichem Durchmesser und entsprechendes Abstimmen mit der Pulverbettschicht-Stärke möglich. So werden die Verstärkungspartikel innerhalb der Pulverbettschicht „auf einer Höhe“ angeordnet, was es auf besonders einfache Art und Weise ermöglicht, ein gleichmäßiges Oberflächenprofil zu erzeugen, welches die Oberflächeneigenschaften der Verstärkungspartikel aufweist. Durch die Kugelform ist hierbei die tribologische Belastung des Kontaktpartners deutlich geringer als bei üblichen scharfkantigen Hartstoffpartikeln.
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Durch die Wahl des Verstärkungspartikel-Hauptdurchmessers im Bereich zwischen 70 bis 100% der Pulverbettschicht-Stärke wird gewährleistet, dass die Verstärkungspartikel nach dem Aufschmelzprozess nicht vollständig von dem metallischen Matrixwerkstoff umgeben sind, sondern in Richtung der Umgebung hin partiell freiliegen und dabei dennoch eine ausreichende Anbindung an den Matrixwerkstoff aufweisen. Zudem wird durch Wahl von gleichgroßen oder kleineren Metallpartikeln ein geringes Totvolumen der Schüttung sichergestellt.
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„Hauptdurchmesser“ meint in diesem Zusammenhang, dass der Großteil der jeweiligen Partikel im Wesentlichen dieselbe Größe aufweist. Es können einzelne Partikel vorhanden sein, die innerhalb der Fertigungstoleranz ein darüber oder darunter liegendes Maß aufweisen. In diesem Sinne meint „Hauptdurchmesser“ nicht zwangsweise eine statistische Größe. Es könnte sich jedoch auch um ein arithmetisches Mittel, den Meridianwert oder dergleichen einer statistischen Größenverteilung handeln.
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Bei dem metallischen Matrixwerkstoff kann es sich um ein Metallpulver umfassend Metallpartikel eines einzigen Metalls, mehrerer Metalle, einer Metalllegierung oder auch mehrerer Metalllegierungen handeln. Ebenso können als Verstärkungspartikel nichtmetallische anorganische Partikel eines einzigen Stoffs bzw. Verbindung genutzt werden oder auch ein Gemisch verschiedener nichtmetallischer anorganischer Verbindungen. Die Zusammensetzung der Pulvermischung erfolgt dabei in Abhängigkeit der einzustellenden Werkstoffeigenschaften.
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Die Verstärkungspartikel werden durch den Energiestrahl, beispielsweise ein Laserstrahl oder Elektronenstrahl, nicht aufgeschmolzen, sodass sie ihre Ausgangsgestalt zumindest im Wesentlichen beibehalten. Das Metallpulver hingegen wird zumindest versintert, in besonders vorteilhafter Ausführungsform aufgeschmolzen und zieht sich dadurch in die Lücken zwischen den Verstärkungspartikeln. An die Form der Metallpartikel werden entsprechend geringere Anforderungen gestellt.
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Je nach Anforderung kann dabei die Pulverbettschicht-Stärke an den Verstärkungspartikel-Hauptdurchmesser angepasst werden oder umgekehrt. So kann es beispielsweise erforderlich sein, dass die einzelnen Lagen des mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens herzustellenden Bauteils bzw. Bauteilabschnitts eine gewisse vorgegebene Stärke aufweisen sollen. In diesem Falle wird der Verstärkungspartikel-Hauptdurchmesser auf die Pulverbettschicht-Stärke eingestellt. Die Pulverbettschicht-Stärke könnte auch durch die verfügbare Herstellungsmaschine, wie beispielsweise ein 3D-Drucker, mit Hilfe dessen ein selektives Laserschmelzen möglich ist, vorgegeben sein.
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Indem hingegen der Verstärkungspartikel-Hauptdurchmesser frei gewählt wird und danach die Pulverbettschicht-Stärke auf den Verstärkungspartikel-Hauptdurchmesser eingestellt wird, können gezielt die Oberflächeneigenschaften des zu erzeugenden Bauteils bzw. Bauteilabschnitts eingestellt werden. Insbesondere kleinere Verstärkungspartikel erlauben es, die flächenbezogene Dichte der Verstärkungspartikel zu erhöhen, was die Herstellung einer besonders dichten und damit verschleißfesten Oberfläche erlaubt. Dies beeinflusst auch die Glätte oder Rauheit der Oberfläche, was sich wiederum auf die Reibung zwischen zwei Kontaktpartnern ausübt.
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Nach dem Aufschmelzen zumindest einer Pulverbettschicht kühlt diese ab und erstarrt. Eine einzige abgekühlte Lage kann bereits das Bauteil bzw. Bauteilabschnitt ausbilden. Es ist jedoch auch möglich, mehrere solcher Lagen additiv übereinander aufzutragen und somit die Stärke des zu erzeugenden Bauteils bzw. Bauteilabschnitts zu erhöhen. Derart lassen sich mechanisch im Vergleich zum rein metallischen Konstruktionswerkstoff tribologisch beständigere sowie mechanisch hoch feste, ebene und dreidimensionale Verbundwerkstoffe herstellen.
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Bei dem Substrat kann es sich um das Bett eines entsprechenden 3D-Druckers handeln. Das gefertigte Bauteil wird nach dem Abkühlen vom Bett angehoben und aus dem Druckraum oder der Druckkammer entnommen.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass der Verstärkungspartikel-Hauptdurchmesser im Bereich von 90 bis 100% der Pulverbettschicht-Stärke liegt. Die Verstärkungspartikel weisen somit eine engere Größenverteilung auf, wobei der Anteil der Verstärkungspartikel, die annähernd gleich groß sind wie die Pulverbettschicht-Stärke, zunimmt. Dies führt dazu, dass eine noch ebenere Oberfläche erzeugt werden kann, was die Widerstandsfähigkeit und die tribologischen Eigenschaften des mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Bauteils oder Bauteilabschnitts noch weiter verbessert.
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Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Verstärkungspartikel mit einer Größenverteilung von 10 µm bis 1 mm, bevorzugt von 30 µm bis 200 µm, verwendet. Die Verstärkungspartikel weisen im Wesentlichen eine Kugelform auf. Der Begriff Größe meint hierbei den Durchmesser der kugelförmigen Gestalt der Verstärkungspartikel. Geringe geometrische Abweichungen von der idealen Kugelform sind möglich, denn diese lassen sich bei der Herstellung der Verstärkungspartikel nicht gänzlich vermeiden.
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Verstärkungspartikel mit einer entsprechenden Größenverteilung eignen sich besonders zur Herstellung entsprechender Bauteile oder Bauteilabschnitte mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens. So lässt sich mit entsprechenden Verstärkungspartikeln die zu erzielenden tribologischen Eigenschaften des Bauteils oder Bauteilabschnitts gezielt an den jeweiligen Anforderungen einstellen. Je feiner die Partikel sind, desto glattere und homogenere Oberflächen lassen sich erzeugen. Es kann jedoch auch wünschenswert sein, eine eher raue oder strukturierte Oberfläche zu erzeugen, was mit entsprechend gröberen Verstärkungspartikeln möglich ist. Entsprechend korreliert die Pulverbettschicht-Stärke und entsprechend auch die Dicke einer jeweiligen Lage mit den jeweiligen Durchmessern der Verstärkungspartikel.
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Die Größenverteilung kann dabei einer beliebigen statistischen Verteilung entsprechen, beispielsweise einer Gaußschen Normalverteilung. Bevorzugt weist die Normalverteilung eine besonders kleine Standardabweichung auf. Der Erwartungswert kann dem Verstärkungspartikel-Hauptdurchmesser entsprechen. Der Verstärkungspartikel-Hauptdurchmesser muss nicht zwangsweise „mittig“ in dieser Größenverteilung liegen, sondern kann auch im Randbereich liegen. Umfasst die Größenverteilung beispielsweise besonders viele kleine Verstärkungspartikel, so könnte bei einer Größenverteilung von 10 µm bis 1 mm beispielsweise der Verstärkungspartikel-Hauptdurchmesser, also der Erwartungswert, bei 11,8 µm liegen.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht ferner vor, dass zur Ausbildung der Verstärkungspartikel ein keramischer Werkstoff, insbesondere oxidische, karbidische oder nitridische Keramik verwendet wird. Keramiken zeichnen sich durch eine herausragende Härte und damit hoher Abriebfestigkeit aus. Die Oberfläche der Verstärkungspartikel lässt sich bei einer Ausführung aus keramischem Werkstoff besonders glatt ausführen. Zudem ist der Wärmeausdehnungskoeffizient von entsprechenden keramischen Verstärkungspartikeln besonders gering, was eine gute Anbindung der Verstärkungspartikel an das metallische Matrixmaterial nach dem Abkühlen des aufgeschmolzenen Metallmatrixmaterials begünstigt. Keramische Verstärkungspartikel weisen zudem eine vergleichsweise hohe Bruchfestigkeit und Biegefestigkeit auf, wodurch sich die mechanischen Eigenschaften des mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens herzustellenden Bauteils bzw. Bauteilabschnitts noch weiter verbessern lassen. Der Schmelzpunkt ist im Vergleich zu Metallen hoch, sodass zuverlässig verhindert wird, dass beim Aufschmelzen des Metallpulvers die Verstärkungspartikel in die Schmelze legieren. Die Verstärkungspartikel können Yttrium- oder Cerium-stabilisierte Zirkonoxid-Kugeln umfassen oder daraus bestehen. Solche Kugeln sind kommerziell und damit leicht und kostengünstig verfügbar. Sie zeichnen sich durch eine hohe Härte und minimalen Abrieb aus. Solche im Wesentlichen sphärischen oder globularen Körper werden auch als keramische Mikrokugeln bezeichnet.
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Als Verstärkungspartikel können beispielsweise Yttrium-stabilisierte Zirkonoxid Kügelchen verwendet werden. Es steht eine breite Auswahl unterschiedlicher Kugeldurchmesser zur Verfügung.
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Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Metallpartikel mit einer Größenverteilung von 5 µm bis 500 µm, bevorzugt von 10 µm bis 100 µm, verwendet. Die Metallpartikel dürfen maximal so groß sein wie die Verstärkungspartikel, um beim Aufschmelzprozess durch den Energiestrahl zu verhindern, dass eine hohe Anzahl der Verstärkungspartikel an ihrer der Umgebung zugewandten Seite vollständig mit Metall benetzt werden. Insbesondere bei kleineren Metallpartikeln lassen sich Hohlräume zwischen den Verstärkungspartikeln ausfüllen, was die Anbindung der Verstärkungspartikel an die Metallmatrix verbessert. Als Werkstoff kommen Metalle in Frage wie Aluminium, Kupfer, Eisen, Nickelbasiswerkstoff, Stahl, hochlegierter Stahl und dergleichen. Wie bereits erwähnt können auch Mischungen aus verschiedenen Metallen oder Metalllegierungen verwendet werden. Wie später noch erwähnt werden wird, können entsprechende Lagen auch auf einem bestehenden Werkstück aufgebracht werden. Die Wahl des Metallpulvers kann in Abhängigkeit dieses Werkstücks erfolgen. Besteht das Werkstück beispielsweise aus Aluminium oder umfasst Aluminium, so kann ein entsprechendes Aluminiumpulver zur Ausbildung des metallischen Matrixmaterials verwendet werden. Eine Anwendung für tribologisch ohne Beschichtung unbeständige Werkstoffe wie Aluminium, Kupfer- und Kupferbasiswerkstoffe ist besonders vorteilhaft.
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Insbesondere bei Aluminiumwerkstoffen kann durch Herstellung mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Nachbehandlung zur Steigerung der tribologischen Beständigkeit wie beispielsweise Anodisieren entfallen. Dies vereinfacht die Herstellung entsprechender Bauteile. Soll auch eine hohe chemische Beständigkeit realisiert werden, so kann dennoch eine Anodisation erfolgen, wobei hier, da lediglich eine hohe chemische Beständigkeit erzeugt werden muss, im Vergleich zu mechanisch hochbeständigen Anodisierungen nur geringe Anodisierschichtdicken realisiert werden müssen. Hierdurch werden die im Zusammenhang mit der Erzeugung von hohen Anodisierschichtdicken zu erwähnenden Nachteile wie Rissigkeit an Kanten, Empfindlichkeit gegenüber Thermoschock und dergleichen vermieden. Der geringeren Schichtdicke entsprechend sinken zudem die Beschichtungskosten.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht ferner vor, dass der Anteil der Verstärkungspartikel an der Pulvermischung bis zu 80 Volumenprozent (Vol.-%) entspricht, bevorzugt 1 bis 50 Vol.-%. Der Anteil des Metallpulvers muss hoch genug sein, um eine stabile Matrix für die Verstärkungspartikel zu bilden. Dabei haben sich insbesondere 80 Vol.-% als Anteil der Verstärkungspartikel an der Pulvermischung als vorteilhaft erwiesen. Je nach geplantem Einsatzzweck und Anwendungsszenario des mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens herzustellenden Bauteils bzw. Bauteilanschnitts können auch niedrigere Anteile, wie im Bereich von 1 Vol.-% bis 50 Vol.-%, noch günstigere mechanische Eigenschaften bedingen.
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Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Bauteil oder der Bauteilabschnitt in wenigstens eine erste tribologische Zone und eine zweite tribologische Zone unterteilt, wobei die Pulvermischung zur Ausbildung der innerhalb der ersten tribologischen Zone liegenden Pulverbettschicht verwendet wird und das Metallpulver zur Ausbildung der innerhalb der zweiten tribologischen Zone liegenden Pulverbettschicht verwendet wird. Das Unterteilen des Bauteils oder Bauteilabschnitts in die tribologischen Zonen kann sowohl in Dickenrichtung, als auch in der Ebene erfolgen. Bei einer Unterteilung in Dickenrichtung bedeutet dies, dass unterschiedliche Lagen des Bauteils eine andere Zusammensetzung aufweisen können. So kann beispielsweise eine erste Lage vollständig aus dem Metallpulver und entsprechend dem metallischen Matrixmaterial bestehen und eine daran angrenzende Lage sowohl Verstärkungspartikel, als auch das metallische Matrixmaterial enthalten. Bei einer flächigen, das heißt in der Ebene betrachteten Unterteilung in die erste und zweite tribologische Zone, lassen sich solche Oberflächenbereiche auf dem Bauteil oder Bauteilabschnitt erzeugen, die Verstärkungspartikel enthalten und solche Oberflächenbereiche erzeugen, die frei von Verstärkungspartikel sind. Je nach Einsatzzweck kann es erforderlich sein, dass ganz bestimmte Oberflächenabschnitte des Bauteils oder Bauteilabschnitts die besagte hohe Widerstandsfähigkeit gegen Verschleiß und Abrieb aufweisen sollen, andere Oberflächenabschnitte jedoch nicht. In diesen tribologisch nur gering beanspruchten Zonen kann dann auf das Einbringen der Verstärkungspartikel verzichtet werden, wodurch sich Kosten senken lassen.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht ferner vor, dass als Substrat ein konventionell oder additiv gefertigter Grundkörper verwendet wird und das Bauteil oder der Bauteilabschnitt während der Fertigung mit dem Grundkörper gefügt wird. Insbesondere besteht der Grundkörper ebenfalls aus Metall oder umfasst zumindest anteilig Metall. Ein solcher Grundkörper kann konventionell beispielsweise durch Gießen hergestellt sein. Der Grundkörper kann zudem mechanisch, thermisch und/oder chemisch behandelt worden sein, beispielsweise durch eine zerspanende Bearbeitung, einen Vergütungsprozess und/oder eine Oberflächenbehandlung wie Ätzen.
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Ein additiv gefertigter Grundkörper kann mit einem bezüglich des erfindungsgemäßen Herstellverfahrens ähnlichen Herstellverfahren gefertigt worden sein, beispielsweise durch selektives Laserschmelzen (mit oder ohne Verstärkungspartikel). Mit Hilfe des Energiestrahls, der zum Aufschmelzen der Pulvermischung verwendet wird, wird entsprechend auch der Grundkörper partiell aufgeschmolzen, sodass der metallische Matrixwerkstoff eine stoffschlüssige Verbindung zum Grundkörper ausbildet. So lässt sich besonders schnell und einfach das mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens herzustellende Bauteil oder Bauteilabschnitt mit dem Grundkörper verbinden.
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Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nach dem Erzeugen der abschließenden Lage mittels des Energiestrahls der metallische Matrixwerkstoff in der abschließenden Lage zum Freilegen der Verstärkungspartikel partiell abgetragen. Hierdurch lassen sich die tribologischen Eigenschaften der Oberfläche des mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens herzustellenden Bauteils oder Bauteilabschnitts noch weiter verbessern. Je nach Partikelgrößenverteilung und Prozessparameter bei der Behandlung mit dem Energiestrahl kann es vorkommen, dass die Verstärkungspartikel unterschiedlich hoch mit dem metallischen Matrixwerkstoff benetzt sind. Insbesondere wenn die Größenverteilung des Verstärkungspartikel-Durchmessers eine hohe Streuung aufweist, also im Vergleich viele Verstärkungspartikel mit um den Verstärkungspartikel-Hauptdurchmesser schwankenden Durchmesser vorhanden sind, kann es passieren, dass die im Vergleich kleineren Verstärkungspartikel vollständig mit metallischem Matrixwerkstoff überdeckt sind. Durch das partielle Abtragen des metallischen Matrixwerkstoffes nach dem Erzeugen der abschließenden Lage ist es jedoch möglich, auch diese im Vergleich kleineren Verstärkungspartikel freizulegen, sodass sie der Umgebung zugewandt sind.
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Die der Umgebung zugewandte Oberfläche weist dann ferner bereits vor Einsatz des Bauteils eine primär durch die keramischen Mikrokugeln ausgebildete Kontaktfläche auf, wodurch nicht erst „Einschleifprozesse“ zum Abtragen der metallischen Matrix erfolgen müssen.
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Dabei ist darauf zu achten, dass die Verstärkungspartikel ausreichend freigelegt werden, sodass die gewünschten tribologischen Eigenschaften der Oberfläche des Bauteils oder Bauteilabschnitts gewährleistet werden, jedoch die Verstärkungspartikel noch eine ausreichende Anbindung an den metallischen Matrixwerkstoff haben, sodass sie bei einer mechanischen Belastung nicht aus dem Matrixwerkstoff herausgerissen werden bzw. ausbrechen.
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Das Freilegen der Verstärkungspartikel noch während der additiven Fertigung des Bauteils oder Bauteilabschnitts ist dank der Verwendung der kugelförmigen Verstärkungspartikel und des Abstimmens von Verstärkungspartikel-Hauptdurchmesser und Pulverbettschicht-Stärke möglich. So wird zuverlässig gewährleistet, dass ausreichend Verstärkungspartikel in den oberflächennahen Bereichen des Bauteils vorhanden sind, sodass diese auch freigelegt werden können. Bei der Verwendung von beliebig geformten Verstärkungspartikeln, insbesondere ohne Abstimmung von Verstärkungspartikel-Hauptdurchmesser und Pulverbettschicht-Stärke, sind hingegen die Verstärkungspartikel in Bauteil verteilt, sodass die Dichte der Verstärkungspartikel im oberflächennahen Bereich entsprechend geringer ausfällt.
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Dadurch, dass das Freilegen der Verstärkungspartikel in einem Arbeitsschritt mit der additiven Fertigung das Bauteils erfolgt, kann auf das anschließende Durchführen weiterer Prozessschritte wie eine chemische Oberflächenbehandlung oder mechanische Oberflächenbehandlung verzichtet werden, was die Produktionszeit verkürzt und Herstellungskosten senkt. Optional kann jedoch zusätzlich durch chemische Ätzprozesse (Säuren, Laugen), elektrochemische Ätzprozesse, mechanische Bearbeitungen (Bürsten, Schleifen, Strahlen) nachbearbeitet werden.
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Zum Abtragen des metallischen Matrixwerkstoffs an der der Umgebung zugewandten Seite der abschließenden Lage lassen sich verschiedene Prozessparameter verändern. So kann beispielsweise die Laserleistung bzw. Elektronenstrahlleistung erhöht werden, die Wellenlänge des Laserlichts verändert werden, eine Pulsdauer erhöht werden, eine Pulsfrequenz abgesenkt werden, eine Abtastgeschwindigkeit des Energiestrahls reduziert werden, ein Energiestrahldurchmesser verringert werden und dergleichen.
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Bevorzugt wird zumindest ein Abschnitt der wenigstens einen Pulverbettschicht mittels des Energiestrahls nicht behandelt, wobei sich insbesondere unbehandelte Pulverbettabschnitte in einer angrenzenden Pulverbettschicht zumindest partiell überdecken. Wird das Pulvergemisch in der Pulverbettschicht nicht mittels des Energiestrahls behandelt, so wird es auch nicht aufgeschmolzen. Das Pulvergemisch verbleibt in seinem pulverartigen Zustand, sodass es nach Herstellung der Lagen leicht wieder entfernt werden kann. Auf diese Art und Weise lassen sich besonders schnell und einfach Lücken und Hohlräume im zu erzeugenden Bauteil oder Bauteilabschnitt realisieren. An der der Energiestrahlquelle zugewandten Seite eines so zu erzeugenden Hohlraums lassen sich zudem ebenfalls die Verstärkungspartikel freilegen, sodass auch innerhalb zumindest einer Seite des so erzeugten Hohlraums die überragenden mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugbaren tribologischen Eigenschaften bereitgestellt werden können.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht ferner vor, dass die Zusammensetzung der Pulvermischung bei der Erzeugung von zumindest zwei Lagen variiert wird, insbesondere durch Wahl eines abweichenden Metallpulvers. Somit lassen sich für unterschiedliche Lagen unterschiedliche mechanische Eigenschaften leicht einstellen. Auch kann dabei beispielsweise der Volumenanteil der Verstärkungspartikel an der Pulvermischung von Lage zu Lage variiert werden.
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Erfindungsgemäß wird ein Bauteil oder Bauteilabschnitt mit einem im vorigen beschriebenen Verfahren hergestellt. Ein derartig hergestelltes Bauteil bzw. Bauteilabschnitt ist also ebenfalls Teil der Erfindung. Bei dem Bauteil kann es sich beispielsweise um die Schneidplatte eines spanabhebenden Werkzeugs wie eines Fräskopfs handeln. Es kann sich auch um eine Reibfläche, beispielsweise eines Schruppwerkzeugs, handeln. Insbesondere handelt es sich um einen Bauteilabschnitt, wenn die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Lagen auf einem entsprechenden Grundkörper aufgetragen werden.
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Durch die dreidimensionale Verteilung der Verstärkungspartikel über die unterschiedlichen Lagen des Bauteils oder Bauteilabschnitts ist es möglich einen lokalen Oberflächenverschleiß im Vergleich zu einer reinen Beschichtung besser zu kompensieren. So sind entsprechend in tieferen Lagen ebenfalls Verstärkungspartikel enthalten, sodass bei einer partiellen Entfernung von Abschnitten der der Umgebung zugewandten Lage des Bauteils oder Bauteilabschnitts ebenfalls wieder Verstärkungspartikel an der Oberfläche erscheinen. Zudem lässt sich ein für Konstruktionswerkstoffe mit geringer Festigkeit normalerweise auftretender Schadensmechanismus durch zu geringe Festigkeit des Grundwerkstoffs (Eierschaleneffekt) durch die gezielte und homogen einstellbare Verteilung der Verstärkungspartikel während des additiven Aufbauprozesses wirksam verhindern.
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In dem Bauteil können auch Aussparungen, beispielsweise zum Hindurchführen von Schrauben, Stiften, Bolzen oder dergleichen vorgesehen werden, sodass beispielsweise die Herstellung eines tribologisch wirksamen Plättchens oder Inserts möglich ist, welches dann über klassische Fügeverfahren wie Schrauben, Löten, Schweißen, Kleben, Klemmen oder dergleichen an ein bestehendes, zu schützendes Bauteil angebracht werden kann. Ein solches Bauteil kann beispielsweise als Reibfläche fungieren.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur additiven Herstellung von Bauteilen oder Bauteilabschnitten sowie eines jeweiligen Bauteils oder Bauteilabschnitts ergeben sich auch aus den Ausführungsbeispielen, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben werden.
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Dabei zeigen:
- 1 eine schematisierte Darstellung des Verfahrensablaufs zur Erzeugung eines erfindungsgemäßen Bauteils mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur additiven Herstellung;
- 2 eine schematisierte Darstellung eines erfindungsgemäßen Bauteils mit zwei unterschiedlichen tribologischen Zonen gemäß einer ersten und einer zweiten Ausführung;
- 3 eine schematisierte Darstellung des Verfahrensablaufs zur Freilegung von in einer Lage des Bauteils eingebetteten Verstärkungspartikeln während der additiven Herstellung des Bauteils selbst;
- 4 eine schematisierte Darstellung des Verfahrensablaufs zur Herstellung eines Bauteils mit Aussparungen; und
- 5 eine schematisierte Darstellung des Verfahrensablaufs zur Herstellung eines Bauteilabschnitts auf einem Grundkörper.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zur additiven Herstellung eines in den 2 bis 4 gezeigten erfindungsgemäßen Bauteils 1 sowie eines in 5 gezeigten Bauteilabschnitts 2. 1 verdeutlicht den allgemeinen Verfahrensablauf. Zuerst wird auf einem Substrat 6, entweder das Bett beziehungsweise der Grundplatte einer entsprechenden additiven Fertigungsmaschine wie einer Anlage für selektives Laserschmelzen oder auch der in 5 gezeigte Grundkörper 10, eine Pulvermischung 8 zur Ausbildung einer Pulverbettschicht 3 aufgetragen. Die Pulvermischung 8 wird anschließend mit einem Energiestrahl 7, beispielsweise ein Laserstrahl oder ein Elektronenstrahl, im Falle eines Schmelzschweißprozesses partiell aufgeschmolzen und erstarrt anschließend durch einen Abkühlungsvorgang. Nach dem Erzeugen einer ersten Lage L1 kann der Vorgang beliebig oft wiederholt werden und so beispielsweise eine weitere Lage L2 auf der ersten Lage L1 aufgetragen werden. Alternativ zu einem selektiven Schweißprozess kann auch ein selektiver Sinterprozess durchgeführt werden. Dort werden die Pulverpartikel nicht oder überwiegend nicht aufgeschmolzen, sondern durch die Prozesswärme miteinander verbunden beziehungsweise versintert.
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Die zur Ausbildung der Pulverbettschicht 3 verwendete Pulvermischung 8 umfasst zumindest ein Metallpulver 9 sowie zumindest eine Art von Verstärkungspartikeln 5. Das Metallpulver 9 dient zur Ausbildung eines metallischen Matrixwerkstoffes 4 nach dem Aufschmelzen durch den Energiestrahl 7 und anschließenden Erstarrungsprozess. Durch das Vorsehen von Matrixwerkstoff 4 und Verstärkungspartikeln 5 lassen sich bestimmte erwünschte mechanische Eigenschaften des derart hergestellten Bauteils 1 bzw. Bauteilabschnitts 2 einstellen. Die Verstärkungspartikel 5 umfassen insbesondere einen Keramikwerkstoff oder bestehen gänzlich aus diesem, beispielsweise ein oxidischer, karbidischer oder nitridischer Keramikwerkstoff. Entsprechend weisen die Verstärkungspartikel 5 eine vergleichsweise hohe Härte und damit einen hohen Widerstand gegen Verschleiß und Abrieb auf. Die Verstärkungspartikel 5 wiederum werden nicht aufgeschmolzen sondern verbleiben vollständig oder zumindest überwiegend in ihrem festen Zustand.
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Ziel ist es, dass an der Oberfläche des derart hergestellten Bauteils 1 bzw. Bauteilabschnitts 2 Verstärkungspartikel 5 vorliegen, um bestimmte erwünschte tribologische Eigenschaften zu erzielen. So dient ein entsprechendes Bauteil 1 bzw. Bauteilabschnitt 2 beispielsweise als Schneidplatte, Schneidmesser, Reibfläche, Gleitfläche oder dergleichen.
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Der der Erfindung zugrunde liegende Kerngedanke besteht darin, dass die Pulverbettschicht-Stärke s einer jeweiligen Pulverbettschicht 3 zum Verstärkungspartikel-Hauptdurchmesser d der Verstärkungspartikel 5 abgestimmt wird. So liegt der Verstärkungspartikel-Hauptdurchmesser d im Bereich zwischen 70% bis 100% der Pulverbettschicht-Stärke s oder bevorzugt im Bereich von 90% bis 100% der Pulverbettschicht-Stärke s. Bei den in den Figuren gezeigten Darstellungen weisen die Pulverbettschicht-Stärke s und der Verstärkungspartikel-Hauptdurchmesser d denselben Wert auf, sind also gleich groß. Dies hat den Effekt, dass zumindest in der später der Umgebung zugewandten Seite des Bauteils 1 bzw. Bauteilabschnitts 2 sichergestellt wird, dass Verstärkungspartikel 5 enthalten sind. Zudem wird sichergestellt, dass diese zumindest partiell zur Umgebung freiliegen. Somit lässt sich auf besonders zuverlässige und einfache Art und Weise ein entsprechendes erfindungsgemäßes Bauteil 1 bzw. Bauteilabschnitt 2 mit den erwünschten tribologischen Eigenschaften erzeugen. So ist es möglich auf jegliche mechanischen, chemischen und/oder thermischen Nachbehandlungsschritte der Oberfläche zu verzichten, was einen Herstellungsaufwand und Kosten senkt.
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Insbesondere sind die vom Metallpulver 9 enthaltenen Metallpartikel kleiner als die Verstärkungspartikel 5. So wird sichergestellt, dass keine Hohlräume zwischen den Verstärkungspartikeln 5 verbleiben, was die Anbindung der Verstärkungspartikel 5 an den metallischen Matrixwerkstoff 4 verbessert.
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2 zeigt in den 2a) und b) mögliche alternative Ausführungen des erfindungsgemäßen Bauteils 1 bzw. Bauteilabschnitts 2. So wird das Bauteil 1 bzw. der Bauteilabschnitt 2 in zumindest zwei tribologische Zonen Z1 und Z2 unterteilt. Die tribologischen Zonen Z1 und Z2 müssen dabei nicht zwangsweise zusammenhängen, sodass auch eine Vielzahl an ersten tribologischen Zonen Z1 und eine Vielzahl an tribologischen Zonen Z2 existieren kann. In den unterschiedlichen tribologischen Zonen Z1 und Z2 gilt es unterschiedliche tribologische bzw. mechanische Eigenschaften einzustellen. Die tribologischen Zonen Z1 und Z2 können sowohl in der Ebene unterteilt werden, was in 2a) gezeigt ist, oder alternativ oder ergänzend auch in Dicken- bzw. Stärkenrichtung, was in 2b) gezeigt ist.
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Dabei dient die Pulvermischung 8 zur Ausbildung der innerhalb der ersten tribologischen Zone Z1 liegenden Pulverbettschicht 3 und alleinig das Metallpulver 9 zur Ausbildung der innerhalb der zweiten tribologischen Zone Z2 liegenden Pulverbettschicht 3. Mit anderen Worten ist die zweite tribologische Zone Z2 frei von jeglichen Verstärkungspartikeln 5.
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Um die tribologischen Eigenschaften des Bauteils 1 bzw. Bauteilabschnitts 2 noch besser an gewünschten Zielparametern anzupassen, kann, wie in 3 gezeigt ist, auch eine Oberflächenbehandlung noch während der additiven Fertigung erfolgen. Hierzu werden die Prozessparameter während des Schichtaufbaus verändert, beispielsweise wird die Energiestrahlleistung erhöht, ein Laserdurchmesser verringert, eine Pulsdauer verkürzt, eine Pulsfrequenz erhöht, eine Abtastgeschwindigkeit verringert oder dergleichen. Alternativ kann auch eine zweite Energiequelle eingesetzt werden, beispielsweise ein Ultrakurzpulslaser oder ein Femtosekundenlaser. Hierdurch lässt sich der Matrixwerkstoff 4 partiell im Bereich um die Verstärkungspartikel 5 verdampfen. Entsprechend lassen sich besonders schnell und einfach während der additiven Fertigung die Verstärkungspartikel 5 freilegen. Somit wird der der Umgebung zugewandte Oberflächenanteil der Verstärkungspartikel 5 erhöht. Das Abtragen des Matrixwerkstoffs 4 erfolgt dabei lediglich so weit, dass ein ausreichender der Umgebung zugewandter Oberflächenanteil der Verstärkungspartikel 5 erzielt wird, jedoch eine ausreichende Anbindung der Verstärkungspartikel 5 an den Matrixwerkstoff 4 sichergestellt wird, sodass die Verstärkungspartikel 5 bei einer mechanischen Belastung nicht aus dem Matrixwerkstoff 4 ausbrechen. Hierzu wird beispielsweise der Matrixwerkstoff 4 bis maximal zur Hälfte des Verstärkungspartikel-Hauptdurchmessers d abgetragen.
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3 zeigt dabei eine Ausführung des Bauteils 1 mit drei Lagen L1, L2 und L3. Das Abtragen des Matrixwerkstoffs 4 erfolgt dabei an der der Umgebung zugewandten abschließenden Lage Ln.
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4 zeigt das Vorgehen zum Einbringen von Lücken in eine jeweilige Lage L1, L2, L3 bzw. das Einbringen von Aussparungen oder Hohlräumen 12 im fertigen Bauteil 1 bzw. Bauteilabschnitt 2. So wird die Pulvermischung 8 in zumindest einem Abschnitt 11 nicht versintert beziehungsweise nicht aufgeschmolzen, sodass die Pulvermischung 8 in ihrem pulverartigen Zustand verbleibt. Die Pulvermischung 8 lässt sich dann nach dem Herstellen der jeweiligen Lage, hier die Lage L3, einfach beispielsweise mittels Luftstrahl, Pinsel oder dergleichen entfernen.
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Wie 4 zeigt, können sich diese Abschnitte 11 in die Dickenrichtung zumindest partiell überlappen, was das Erzeugen von Hohlräumen 12 ermöglicht. Auch bei der Erzeugung solcher Hohlräume 12 ist eine Oberflächenbehandlung gemäß des in 3 gezeigten Ausführungsbeispiels möglich. So sind an einer Seite 13 des Hohlraums 12 die Verstärkungspartikel 5 freigelegt. Das Freilegen der Verstärkungspartikel 5 ist in 4 nicht dargestellt. Die Freilegung erfolgt vorteilhafterweise im Prozess, bevor benachbart in höhere Baulagen weiter aufgebaut wird.
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5 zeigt die Herstellung eines Bauteilabschnitts 2 auf einem Grundkörper 10. Der Grundkörper 10 umfasst bevorzugt Metall, insbesondere der gleichen Zusammensetzung wie des Metallpulvers 9 bzw. des metallischen Matrixwerkstoffes 4. Durch das Aufschmelzen mittels des Energiestrahls 7 kann so eine stoffschlüssige Verbindung zwischen Matrixwerkstoff 4 und Grundkörper 10 erzeugt werden, was eine besonders schnelle, einfache und kostengünstige Verbindung von Bauteilabschnitt 2 und Grundkörper 10 ermöglicht. Handelt es sich bei dem zur Ausbildung von Grundkörper 10 und Matrixwerkstoff 4 verwendeten Stoffes um dasselbe Metall, dasselbe Metallgemisch bzw. dieselbe Legierung, so lässt sich eine besonders zuverlässige Schweißverbindung herstellen, da sich die jeweiligen Metalle leicht vermischen. Zudem werden Probleme verhindert, die beispielsweise aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten entstehen oder durch Kontaktkorrosion.
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Grundsätzlich kann der Grundkörper 10 aber auch aus einem anderen material als der Matrixwerkstoff 4 bestehen. Der Grundkörper 10 kann ein Bauteil aus der Gruppe Gussbauteil, Schmiedebauteil, Sinterbauteil, Bauteil hergestellt durch additive Fertigung, Blechbauteil, Bauteil aus einem Halbzeug und/oder Strangpresshalbzeug sein oder ein oder mehrere solcher Bauteile umfassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102021003914 A1 [0004]
