DE102023119757A1

DE102023119757A1 - Verfahren zur Eigenspannungsverringerung eines 3D-Metallbauteils

Info

Publication number: DE102023119757A1
Application number: DE102023119757.6A
Authority: DE
Inventors: Till Konstantin Tetzlaff
Original assignee: Bundesministerium der Verteidigung
Current assignee: Bundesministerium der Verteidigung
Priority date: 2023-07-26
Filing date: 2023-07-26
Publication date: 2024-06-06

Abstract

Verfahren zur Eigenspannungsverringerung eines 3D-Metallbauteils (1), mit den Merkmalen:a) das 3D-Metallbauteil (1) wird einer thermischen Behandlung unterzogen, aufweisend die Schritte:b) Kühlung des 3D-Metallbauteils (1) mit Flüssigstickstoff (5) auf eine Kalttemperatur (TK) von weniger als minus 180°C für eine Kühlungsdauer (DK) von mehr als 10 min, und danach:c) Erwärmung des 3D-Metallbauteils (1) auf eine Warmtemperatur (Tw) von 100 bis 350°C für eine Erwärmungsdauer (Dw) von mehr als 10 min.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Eigenspannungsverringerung eines 3D-Metallbauteils.
Die meisten additiven Fertigungsverfahren für Metalle sind Prozesse mit extrem hohen Abkühlraten, ausgeprägter Schmelzbaddynamik und wiederholter lokaler thermischer Belastung des Werkstücks.
Prozessbedingt unterscheiden sich die Gefüge additiv gefertigter Legierungen daher stark von ihrem konventionell hergestellten Pendant, auch wenn die Legierungszusammensetzungen gleich sind. Aufgrund dieser Prozesscharakteristiken zeigen additiv gefertigte metallische Werkstücke häufig hohe statische Festigkeiten, geringe Bruchdehnungen und ein eher sprödes Versagen sowie sehr komplexe Eigenspannungsfelder. Während die hohen statischen Festigkeiten für Konstruktionswerkstoffe etwas Positives sind, limitieren die geringen Bruchdehnungen und das eher spröde Versagen die Anwendungsbereiche stark. Die Eigenspannungen führen häufig zum Verzug des Werkstücks und beeinflussen maßgeblich das Verhalten unter schwingender Belastung. Gerade die enorme Streuung in Schwingfestigkeitsversuchen erschwert den Betriebsfestigkeitsnachweis erheblich. Dieser Umstand wird durch die schwierige, ausschließlich indirekte Messung von Eigenspannungen zusätzlich verkompliziert.
Zusammengenommen führt dieses Eigenschaftenprofil dazu, dass additiv gefertigte Metallbauteile im As-built-Zustand kaum für Konstruktionsanwendungen verwendet werden können. Der Nutzer wird daher aktuell zu aufwendigen Nachbehandlungen gezwungen, die sowohl teuer und zeit-intensiv als auch fehleranfällig sind. Viele der Vorteile - und im Besonderen das große werkstoffliche Potential - der additiven Fertigung können so aktuell nicht genutzt werden.
Die DE 100 39 143 C1 zeigt ein Verfahren zur Eigenspannungsverringerung eines 3D-Metallbauteils. Das 3D-Metallbauteil wird einer thermischen Behandlung in Form einer Wärmebehandlung unterzogen.
Die DE 10 2018 004 195 A1 zeigt ein Verfahren zur additiven Fertigung von Grünteilen aus metall- oder keramikgefüllten Filamenten. Diese sind schwer, gut wärmeleitend und gleichzeitig mechanisch instabil. Durch den bei Metall - oder Keramikfilamenten technisch bedingten höheren Füllgrad an organischem Binder, kommt es beim Abkühlen der aufgeschmolzenen und abgelegten Raupe zu einer thermischen Schwindung. Um einen Verzug des Teils bereits während des Druckens zu verhindern, wird eine ringförmige Kühleinrichtung eingesetzt, die das Bauteil allseitig mit einem gasförmigen Kühlmedium abkühlt. Kühlmedium kann hierbei Umgebungsluft, gekühlte Umgebungsluft oder aus Flüssigstickstoff gewonnenes, kaltes Stickstoffgas sein.
Die US 10 710 306 B2 zeigt ein Verfahren zum Abtrennen eines 3D-Bauteils von einer Trägerstruktur. Das Verfahren umfasst das Erhitzen einer Grenzschicht, die das 3D-Bauteil mit der Trägerstruktur verbindet, und das Abkühlen der Grenzschicht, so dass die Grenzschicht bricht. Das Kühlen kann ein Eintauchen in ein Bad mit Flüssigstickstoff sein.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein alternatives Verfahren zur Eigenspannungsverringerung eines 3D-Metallbauteils zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des auf ein Verfahren gerichteten Anspruchs 1 gelöst. Ferner wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die Merkmale des auf einen 3D-Drucker gerichteten Anspruchs 7 gelöst.
Die Vorteile resultieren daraus, dass das 3D-Metallbauteil zur Eigenspannungsverringerung einer thermischen Behandlung unterzogen wird, aufweisend die Schritte:

a) Kühlung des 3D-Bauteils mit Flüssigstickstoff auf eine Kühltemperatur von weniger als minus 180°C für eine Kühldauer von mehr als 10 min, und danach:
b) Erwärmung des 3D-Metallbauteils auf eine Warmtemperatur von 100 bis 350 °C für eine Erwärmungsdauer von mehr als 10 min.

Die Vorteile der Erfindung sind:

- Mit sehr einfachen Mitteln werden Eigenspannungen gelöst und die Schwingfestigkeit gesteigert, ohne die statische Festigkeit abzusenken.
- Das Gefüge wird nur sehr geringfügig verändert. Es tritt kein makroskopischer Verzug beim Auslösen der Eigenspannungen auf.
- Der Ausschuss wird reduziert. Dies ist gerade bei Sonderlegierungen und aufwendigen Kleinserien/Einzelbauteilen extrem wichtig.
- Es sind kein teures Schutzgas und keine teure, große und energieintensive Prozesstechnik (Retortenofen, Abschreckbäder) notwendig.
- Das vorgestellte Verfahren ist deutlich anwenderfreundlich, weil die Kühltemperatur bereits durch die sehr tiefe Temperatur von Flüssigstickstoff vorgegeben wird und keine Temperaturregelung erfordert.
- Die notwendige Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens beschränkt sich im einfachsten Fall auf ein Dewargefäß mit Flüssigstickstoff und einen Ofen.
- Die Varianz der Temperaturbereiche für die unterschiedlichen Legierungen ist gering.
- Mit Hinblick auf die Nutzung des Metall-3D-Drucks durch die Bundeswehr auf Schiffen und in Feldlagern ist der Platz- und Energiebedarf von großer Bedeutung. Die notwendige technische Ausrüstung für die Erfindung passt leicht neben bestehende Drucksysteme in Containerlösungen und Flüssigstickstoff ist logistisch vergleichsweise leicht zu handhaben.
- Die Möglichkeit die Eigenspannungen zu lösen ohne das Gefüge maßgeblich zu verändern und zu vergröbern, eröffnet ein enormes Potential für die additive Fertigung von Metallen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Kühlung des 3D-Metallbauteils mit Flüssigstickstoff mit einer Abkühlrate von weniger als 50° C/min. Hierdurch werden Risse durch zu hohe Spannungen aufgrund hoher Temperaturunterschiede im 3D-Metallbauteil vermieden
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das 3D-Metallbauteil ein erstes Zwischenprodukt, oder ein weiteres Zwischenprodukt, das jeweils nach der thermischen Behandlung weitergedruckt wird, oder ein fertig gedrucktes 3D-Endprodukt. Anders ausgedrückt, kann die thermische Behandlung während oder nach Abschluss der additiven Fertigung erfolgen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung findet die thermische Behandlung in einer Kälteklimakammer und einer Wärmeklimakammer statt. Dies stellt eine einfache Möglichkeit mit einfachen Mitteln dar.
Alternativ findet, gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, die thermische Behandlung in einem 3D-Drucker statt, in dem das 3D-Metallbauteil auch gedruckt wird.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird zur Sicherstellung, dass die Kühlung des 3D-Metallbauteils mit Flüssigstickstoff mit einer Abkühlrate von weniger als 50 °C/min erfolgt, eine Isolationsschicht verwendet, die das 3D-Metallbauteil vom Flüssigstickstoff trennt.
Gemäß einem Nebenanspruch findet die thermische Behandlung in einem 3D-Drucker statt. Zur Durchführung des Verfahrens weist der 3D-Drucker eine Bauteilplattform auf, die für den Schritt der Kühlung Kanäle für eine Zuführung des Flüssigstickstoffs aufweist, und die für den Schritt der Erwärmung eine Heizung aufweist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Nebenanspruches ist in der Bauteilplattform zur Sicherstellung, dass die Kühlung des 3D-Metallbauteils mit Flüssigstickstoff mit einer Abkühlrate von weniger als 50 °C/min erfolgt, die Isolationsschicht angeordnet.
Aufbauend auf der vorhergehenden Ausgestaltung ist die Bauteilplattform schichtartig aufgebaut und weist in Richtung 3D-Metallbauteil eine erste Schicht mit den Kanälen für die Zuführung des Flüssigstickstoffs, eine zweite Schicht mit der Isolationsschicht und eine dritte Schicht mit der Heizung auf. Hiermit wird erreicht, dass die erzeugte Wärme der Heizung direkt auf das 3D-Metallbauteil unbeeinflusst von der Isolationswirkung einwirken kann.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend an Hand der Zeichnungen näher beschrieben. Hierbei zeigen;

1 den Temperaturverlauf eines thermischen Verfahrens zur Eigenspannungsverringerung eines 3D-Metallbauteils 1, als Temperatur-ZeitDiagramm;
2 einen Ausschnitt eines 3D-Druckers, mit dem zusätzlich das thermische Verfahren durchgeführt wird, als perspektivische Schnittdarstellung;
3a bis 3c einzelne Schritte, wie ein zuvor gedrucktes 3D-Metallbauteil zunächst mit einer Isolationsschicht versehen wird und dann thermisch behandelt wird, jeweils als perspektivische Schnittdarstellung;
4 ein Zugdiagramm einer Probe aus einer Legierung, die zur Eigenspannungsverringerung thermisch behandelt wurde;
5 ein Zugdiagramm einer weiteren Probe aus einer anderen Legierung, die zur Eigenspannungsverringerung thermisch behandelt wurde.

1 illustriert den Temperaturverlauf einer thermischen Behandlung zur Eigenspannungsverringerung eines 3D-Metallbauteils 1,
aufweisend die Schritte:

• Kühlung des 3D-Metallbauteils 1 mit Flüssigstickstoff 5 auf eine Kalttemperatur T_K von weniger als minus 180 °C für eine Kühlungsdauer D_K von mehr als 10 min, und danach:
• Erwärmung des 3D-Metallbauteils 1 auf eine Warmtemperatur Tw von 100 bis 350°C für eine Erwärmungsdauer Dw von mehr als 10 min.

Das 3D-Metallbauteil 1 ist beispielhaft ein fertig gedrucktes 3D-Endprodukt.
In 1 sind Punkte A bis J eingezeichnet. Hierauf wird nachfolgend eingegangen: Punkt A: Fertigstellung eines 3D-Metallbauteils 1.
Punkt B: Beginn der Abkühlung. Zur Rissvermeidung erfolgt die Kühlung des 3D-Metallbauteils 1 mit Flüssigstickstoff 5 mit einer Abkühlrate von weniger als 50 °C/min. Die Zeitdauer zwischen Punkt A und B ist nicht länger als 12 h, weil sich das Gefüge zu Anfang verändert und erst nach etwa einer Woche stabil ist.
Punkt C: Erreichen der Kalttemperatur T_K. Beginn der Kühlungsdauer D_K.
Punkt D: Ende der Kühlungsdauer D_K.
Punkt E: Erwärmung auf Raumtemperatur T_R.
Punkt F: Beginn der Erwärmung.
Punkt G: Erreichen der Warmtemperatur Tw. Beginn der Erwärmungsdauer Dw. Punkt H: Ende der Erwärmungsdauer Dw.
Punkt I: Abkühlung auf Raumtemperatur T_R.
Punkt J: Weiterbearbeitung.
2 zeigt einen 3D-Drucker, in dem das 3D-Metallbauteil 1 sowohl gedruckt als auch anschließend thermisch behandelt wird. Der Drucker ist beispielhaft ein Laser-Metallpulver-3D-Drucker. Im 3D-Metallbauteil 1 sind die gedruckten Lagen durch dünne Linien illustriert. Eingezeichnet und durch Punkte illustriert ist nicht geschmolzenes Metallpulver 21.
Der 3D-Drucker 20 umfasst zur Durchführung des Verfahrens eine Bauteilplattform 25, die für den Schritt der Kühlung Kanäle 26 für eine Zuführung des Flüssigstickstoffs 5 aufweist und die für den Schritt der Erwärmung eine Heizung 27 aufweist.
Zur Sicherstellung, dass die Kühlung des 3D-Metallbauteils 1 mit Flüssigstickstoff 5 mit einer Abkühlrate von weniger als 50° C/min erfolgt, wird eine Isolationsschicht 8 verwendet, die das 3D-Metallbauteil 1 vom Flüssigstickstoff 5 trennt.
Die Isolationsschicht 8 ist in der Bauteilplattform 25 integriert.
Die Bauteilplattform 25 ist schichtartig aufgebaut und weist in Richtung 3D-Metallbauteil 1 eine erste Schicht mit den Kanälen 26 für die Zuführung des Flüssigstickstoffs 5, eine zweite Schicht mit der Isolationsschicht 8 und eine dritte Schicht mit der Heizung 27 auf. Dadurch isoliert die Isolationsschicht 8 nur den Flüssigstickstoff 5 gegenüber dem 3D-Metallbauteil. Die Heizung 27 dagegen ist nicht gegenüber dem 3D-Metallbauteil 1 isoliert.
Die 3a bis 3c illustrieren einzelne Schritte, wenn die thermische Behandlung nicht in dem 3D-Drucker 20 selbst, sondern in einer Kälteklimakammer 10 und einer Wärmeklimakammer (nicht dargestellt) stattfindet.
3a zeigt ein soeben gedrucktes 3D-Metallbauteil 1.
3b zeigt, dass zur Rissvermeidung das 3D-Metallbauteil 1 mit einer Isolationsschicht 8 versehen ist.
3c zeigt, dass die Einheit aus 3D-Metallbauteil 1 und Isolationsschicht 8 in eine Kälteklimakammer 10 eingebracht wird, die über Anschlüsse 11 mit Flüssigstickstoff 5 gefüllt wird, um den Schritt der Kühlung durchzuführen. Der Schritt der Erwärmung findet in einer nicht dargestellten Wärmeklimakammer ohne die Isolationsschicht 8 statt.
Nachfolgend werden konkrete Beispiele beschrieben:

Erstes Beispiel, AlSi10Mg-Legierung:
- Probekörper werden mittels minus 196° C kaltem Flüssigstickstoff abgekühlt, 1 h gehalten und an Luft auf Raumtemperatur gebracht. Bei Erreichen von Raumtemperatur werden die Proben in einen Ofen überführt und auf 180 °C erhitzt, 1 h gehalten und an Luft abgekühlt. Dieser Zyklus wird dreimal wiederholt. Die behandelten Probekörper weisen eine deutliche Reduktion der Eigenspannungen auf. 4 zeigt ein zugehöriges Zugdiagramm. Die Kurve des behandelten Probekörpers ist durch eine Volllinie dargestellt. Die Kurve des unbehandelten Probekörpers ist durch eine gestrichelte Linie dargestellt. Die thermische Behandlung hat die Bruchdehnung dreifach erhöht bei nur leicht erniedrigter Zugfestigkeit.
Zweites Beispiel, Ti64-Legierung:
- Probekörper werden mittels minus 196° C kaltem Flüssigstickstoff abgekühlt, 10 h gehalten und anschließend im Ofen auf 180 °C erhitzt und 3 h gehalten. Danach an Luft auf Raumtemperatur abgekühlt. Die behandelten Probekörper weisen deutlich reduzierte Eigenspannungen auf. 5 zeigt ein zugehöriges Zugdiagramm. Die Kurve des behandelten Probekörpers ist durch eine Volllinie dargestellt. Die Kurve des unbehandelten Probekörpers ist durch eine gestrichelte Linie dargestellt. Die thermische Behandlung hat die Bruchdehnung fast zweifach erhöht bei nur leicht erniedrigter Zugfestigkeit.

In Abweichung zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen sind beispielsweise folgende Modifikationen möglich:

• Das 3D-Metallbauteil 1 der Beispiele besteht aus einer AlSi10Mg-Legierung oder einer Ti64-Legierung. Das 3D-Metallbauteil kann aus einer beliebigen Legierung bestehen, wie auch eine Stahllegierung.
• Die 3D-Metallbauteile 1 der Beispiele sind 3D-Endprodukte. Die 3D-Metallbauteile können aber auch erste Zwischenprodukte oder weitere Zwischenprodukte sein, die jeweils nach der thermischen Behandlung weitergedruckt werden.
• Bei der thermischen Behandlung ist es erforderlich, dass sich nach einem Schritt der Kühlung ein Schritt der Erwärmung anschließt. Dieser Zyklus kann sich bis zu 5-mal wiederholen. Der Abschluss der thermischen Behandlung kann der Schritt einer Kühlung sein.
• 3b zeigt, dass zur Rissvermeidung beim Herunterkühlen mit Flüssigstickstoff das 3D-Metallbauteil mit einer Isolationsschicht versehen ist. Alternativ ist ein Isolationsbehälter verwendbar.
• Nachfolgend werden bevorzugte Werte und Obergrenzen aufgezeigt: Das 3D-Metallbauteil 1 wird einer thermischen Behandlung unterzogen, aufweisend die Schritte:
- ◯ Kühlung des 3D-Metallbauteils 1 mit Flüssigstickstoff 5 auf eine Kalttemperatur T_K von weniger als minus 180 °C für eine Kühlungsdauer D_K von mehr als 10 min, wobei eine Obergrenze der Kühlungsdauer D_K aus Gründen der Handhabung und Effizienz bei 24 h liegt, und danach:
- ◯ Erwärmung des 3D-Metallbauteils 1 auf eine Warmtemperatur von 100 bis 350°C, bevorzugt 120 bis 280° C, für eine Erwärmungsdauer Dw von mehr als 10 min, wobei die Obergrenze der Erwärmungsdauer Dw aus Gründen der Handhabung und Effizienz bei 24 h liegt.
• Nach 3a bis 3c findet die thermische Behandlung in einer Kälteklimakammer 10 und einer Wärmeklimakammer (nicht dargestellt) statt. Die Kälteklimakammer 10 und die Wärmeklimakammer können auch eine Einheit mit nur einer gemeinsamen Kammer sein.

Bezugszeichenliste

1: 3D-Metallbauteil
5: Flüssigstickstoff
8: Isolationsschicht
10: Klimakammer
11: Anschluss für Flüssigstickstoff
20: 3D-Drucker
21: Metallpulver
25: Bauteilplattform
26: Kanäle
27: Heizung
Tw: Warmtemperatur
TR: Raumtemperatur
TK: Kalttemperatur
DK: Kühlungsdauer
Dw: Erwärmungsdauer

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

DE 10039143 C1 [0003]
DE 102018004195 A1 [0004]
US 10710306 B2 [0005]

Claims

Verfahren zur Eigenspannungsverringerung eines 3D-Metallbauteils (1), mit den Merkmalen: a) das 3D-Metallbauteil (1) wird einer thermischen Behandlung unterzogen, aufweisend die Schritte: b) Kühlung des 3D-Metallbauteils (1) mit Flüssigstickstoff (5) auf eine Kalttemperatur (T_K) von weniger als minus 180 °C für eine Kühlungsdauer (D_K) von mehr als 10 min, und danach: c) Erwärmung des 3D-Metallbauteils (1) auf eine Warmtemperatur (Tw) von 100 bis 350 °C für eine Erwärmungsdauer (Dw) von mehr als 10 min.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Kühlung des 3D-Metallbauteils (1) mit Flüssigstickstoff (5) mit einer Abkühlrate von weniger als 50 °C/min erfolgt.
Verfahren nach Ansprüche 1 oder 2, bei dem das 3D-Metallbauteil (1) ein erstes Zwischenprodukt oder ein weiteres Zwischenprodukt ist, das jeweils nach der thermischen Behandlung weitergedruckt wird, oder ein fertig gedrucktes 3D-Endprodukt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die thermische Behandlung in einer Kälteklimakammer (10) und einer Wärmeklimakammer stattfindet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die thermische Behandlung in einem 3D-Drucker (20) stattfindet, in dem das 3D-Metallbauteil (1) auch gedruckt wurde.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem zur Sicherstellung, dass die Kühlung des 3D-Metallbauteils (1) mit Flüssigstickstoff (5) mit einer Abkühlrate von weniger als 50 °C/min erfolgt, eine Isolationsschicht (8) verwendet wird, die das 3D-Metallbauteil (1) vom Flüssigstickstoff (5) trennt.
3D-Drucker (20) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, der eine Bauteilplattform (25) aufweist, die für den Schritt der Kühlung Kanäle (26) für eine Zuführung des Flüssigstickstoffs (5) aufweist, und die für den Schritt der Erwärmung eine Heizung (27) aufweist.
3D-Drucker (20) nach Anspruch 6 und 7, bei dem in der Bauteilplattform (25) zur Sicherstellung, dass die Kühlung des 3D-Metallbauteils (1) mit Flüssigstickstoff (5) mit einer Abkühlrate von weniger als 50 °C/min erfolgt, die Isolationsschicht (8) angeordnet ist.
3D-Drucker (20) nach Anspruch 8, bei dem die Bauteilplattform (25) schichtartig aufgebaut ist und in Richtung 3D-Metallbauteil (1) eine erste Schicht mit den Kanälen (26) für die Zuführung des Flüssigstickstoffs (5), eine zweite Schicht mit der Isolationsschicht (8) und eine dritte Schicht mit der Heizung (27) aufweist.