DE19909882C2 - Material zur schichtweisen Herstellung von Werkzeugen, Formen oder Bauteilen durch das Lasersinterverfahren - Google Patents
Material zur schichtweisen Herstellung von Werkzeugen, Formen oder Bauteilen durch das LasersinterverfahrenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Material zur schichtweisen Herstellung von dreidimensionalen Körpern
durch das Lasersinterverfahren, wobei die Ausgangsstoffe des Materials aus Pulverbestandteilen
bestehen, mit den Merkmalen der in dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen
Gattung.
Unter Lasersintern versteht man ein Verfahren, bei dem eine lokale Verschmelzung von
Pulverwerkstoffen infolge der Bestrahlung und damit der Wärmeeinwirkung durch einen Laserstrahl
erfolgt. Die Pulverpartikel werden dabei unter Wärmeeinwirkung ohne äußeren Druck miteinander
verbunden. Für den Erfolg eines industriell hergestellten Produktes ist der Zeitpunkt seiner
Vorstellung auf dem Markt zunehmend von großer Bedeutung, da sich die Produktlebenszeit
ständig verkürzt und den Einsatz neuer Verfahren zur Herstellung der Produkte erzwingt, um Zeit
und Kosten einzusparen. In vielen Produktbereichen ist es nötig, vor einer Serienfertigung
Prototypen herzustellen, damit sie bereits vor, Beginn der Serienfertigung funktionsmäßig in
Versuchsanordnungen getestet werden können. Derartige Prototypen sollen nicht allein in der
Form dem zukünftigen Produkt entsprechen, sondern sie sollen bezüglich ihres Materials dem
Serienprodukt möglichst nahekommen, um einen sinnvollen Test dieser Prototypen durchführen zu
können.
Zur Zeit gibt es mehrere unterschiedliche Fertigungsverfahren, die auch mit "Rapid Prototyping"
bezeichnet werden. Diese neue Technik macht sich die Möglichkeiten zunutze, die mit Hilfe einer
CAD/CAM-Technik erzielt werden können. Das Rapid Prototyping ermöglicht die Herstellung von
Modellen, Formen und Musterteilen direkt auf Basis der Konstruktionsdaten ohne
Zwischenschaltung und ohne vorherige Herstellung von Formen und Werkzeugen. Der
kommerzielle Nutzen der derzeit verfügbaren Verfahren ist jedoch durch die in der Praxis
verwendbaren Werkstoffe noch einer erheblichen Einschränkung unterworfen. So werden in der
Regel Polymere, Wachse, Papier und nur wenige metallische Werkstoffe zur Erstellung von
Prototypen mittels Prototyping verwendet. Die mit den vorgenannten Werkstoffen erzeugten
Werkzeuge, Formen und Bauteile hatten einer betriebsmäßigen Funktionsprüfung unter besonders
hohen Temperaturen und großen Belastungen nicht stand. Deshalb ist es zur Erzeugung belastbarer
Prototypen bisher üblich, gießtechnische Folgeverfahren anzuwenden
wie das Wachsausschmelzverfahren, das Sandgußverfahren, Kunststoffvakuumgießen,
Gipsformverfahren und dergleichen. Durch den zusätzlichen Verfahrensschritt eines
gießtechnischen Folgeverfahrens geht ein Teil der erzielten Zeitvorteils einer direkten Herstellung
des Prototypen wieder verloren.
Eine Alternative ist die direkte Herstellung metallischer Prototypen gemäß dem Rapid Prototyping
Verfahren. Der Bau von Prototypen im Werkzeug- und Formenbau ist bisher nur eingeschränkt
möglich, da es bisher keine Verarbeitung von Metallen für den Werkzeug- und Formenbau gibt, die
die Anforderungen an Maß- und Formgenauigkeit, Härte, Verschleißwiderstand und dergleichen
erfüllen können. Bei den mit den bisher bekannten Verfahren erzeugten Prototpyen und Bauteilen
steht ihre Eignung als Funktionsprototyp im Vordergrund, jedoch sind diese herkömmlichen
Prototypen nicht den Belastungen gewachsen, die in einer Serienfertigung zu erfüllen sind. Zur Zeit
sind zur Herstellung metallischer Prototypen zwei Verfahren bekannt, nämlich das indirekte und das
direkte Metallsintern. Beim indirekten Sintern wird das metallische Werkstoffpulver mit einem
Polymer umhüllt oder mit einem anderen sinterfähigen Hüllmaterial. Beim Sintervorgang des
Materialpulvers wird nur das Polymermaterial oder das Hüllmaterial aufgeschmolzen oder gesintert
und bindet dadurch die Metallpartikel des Basismaterials zu einem sogenannten Grünling
zusammen. Um ein stufenweises Entfernen des Binders zu ermöglichen, wird das Bauteil bzw. der
Prototyp anschließend mit einem weiteren Polymer infiltriert, danach entbindert und anschließend
wiederum konventionell gesintert. Zur Erhöhung seiner Festigkeit und Härte erfolgt in der Regel
eine Infiltration des porösen Grünlings mit Kupfer. Durch die Herstellungsmethoden beim Einsatz
von Polymeren und dem konventionellen Sintern entstehen Schwund sowie andere erhebliche
Mängel bezüglich der Maß- und Formgenauigkeit des Prototypen, so daß die Bauteile in der Regel
nachbearbeitet werden müssen.
Durch die Wärmebehandlungsprozesse während der Herstellung des Prototyps kommt es außerdem
zum Verzug der derart hergestellten Prototypen, Formen und Bauteile. Selbstverständlich weist ein
auf diese Weise hergestellter Prototyp nicht die Verschleißfestigkeit, die Härte und die
Temperaturfestigkeit auf, die beim Bau von Werkzeugen für die spanende Bearbeitung und von
Formen und Bauteilen zur spanlosen Formgebung erforderlich sind.
Ein weiteres Verfahren zur direkten Herstellung metallischer Prototypen mittels dem Rapid
Prototyping-Verfahren ist als direkte Sinterung bekannt geworden. Bei einer direkten Sinterung
besteht die Materialpulvermischung aus niedrigschmelzenden und hochschmelzenden Materialien.
Diese Werkstoffmischung wird aus miteinander vermischten Komponenten mittels eines Lasers
unter Umgebungsbedingungen verarbeitet. Bei der Verarbeitung wird nur die niedrigschmelzende
Komponente der Mischung aufgeschmolzen und funktioniert dann als Binder für die
höherschmelzenden Pulverbestandteile der Mischung. Diese, mit dem direkten Sintern hergestellten
Prototypen und Bauteile, weisen im unbehandelten Zustand eine Restporosität auf, die in der Regel
durch anschließende Infiltration mit Epoxydharz gefüllt wird,
damit die Bauteile verdichtet werden können und sich so beispielsweise die Biegefestigkeit steigern
läßt. Durch die Verwendung von Epoxydharz als Infiltrationsmittel bei der direkten Sinterung um
den aus Kupfer als Basismaterial aufgebauten Prototypen zu infiltrieren, läßt sich aufgrund der
Eigenschaften der eingesetzten Materialien aus Kupfer und Epoxydharz selbstverständlich eine
direkte Erprobung des Prototypen unter betriebsmäßigen Bedingungen bei der Serienfertigung im
Bereich der hochbelasteten Werkzeuge bei der spanenden Bearbeitung und bei den Formen zur
spanlosen Formgebung nicht verwenden, da die nötige Verschleißfestigkeit, Härte,
Temperaturbelastbarkeit und dergleichen nicht erreicht werden kann.
Aus der DE 196 49 865 C1 ist ferner einer Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers,
insbesondere eines Prototyps eines Produkts oder eines Bauteils, eines Werkzeugprototyps oder
eines Ersatzteils vorbekannt. Bei diesem Verfahren werden mit den dreidimensionalen CAD-Daten
eines Modells des Formkörpers durch schichtweises Aufbauen aus pulverförmigem Werkstoff, bei
dem nacheinander mehrere Pulverschichten übereinander aufgebracht werden, wobei jede
Pulverschicht vor dem Aufbringen der nächstfolgenden Pulverschicht mit einem fokussierten
Laserstrahl in einem vorgegebenen Bereich, der einen ausgewählten Querschnittsbereich des
Formkörpers entspricht, auf eine vorgegebene Temperatur erhitzt. Dabei wird ein metallisches
Werkstoffpulver verwendet, das bindemittel- und flußmittelfrei ist. Durch den Laserstrahl wird es
auf Schmelztemperatur erhitzt, wobei die Energie des Laserstrahls so ausgewählt wird, daß das
metallische Werkstoffpulver im Fokus des Laserstrahls über die gesamte Schichtdicke
aufgeschmolzen wird. Der Laserstrahl wird in mehreren Spuren über den vorgegebenen Bereich der
Werkstoffpulverschicht so geführt, daß jede folgende Spur des Laserstrahls die vorherige Spur
teilweise überlappt, wobei dieses Aufschmelzen unter einer Schutzgasatmosphäre erfolgt. Da gemäß
der DE 196 49 865 C1 das metallische Werkstoffpulver bindemittel- und flußmittelfrei ist und dieses
Werkstoffpulver jeweils auf seine Schmelztemperatur erhitzt wird, wird das metallische
Werkstoffpulver über die gesamte Schichtdicke vollständig aufgeschmolzen, so daß ein dichter
Formkörper mit hoher Festigkeit hergestellt wird.
Nachteile des Verfahrens gemäß der DE 196 49 865 C1 entstehen durch die Tatsache, daß das
Schmelzbad die metallischen Werkstoffpulver komplett aufschmilzt, so daß schmelzmetallurgische
Verbindungen entstehen. Dieses Herstellverfahren ohne Bindemittel führt zu Schwund und
Aufwölbung des Materials auf den Bahnen des Bauteils bzw. Prototyps. Durch die bei dem
Herstellverfahren nach der DE 196 49 865 C1 entstehende große Dichte des Prototyps bzw. der
Formen und Bauteile entstehen hohe Spannungen in den Prototypen bzw. Bauteilen, wodurch die
Prototypen und Bauteile sehr spröde werden. Die Sprödigkeit der Bauteile führt bei Belastungen
häufig zum Bruch und damit zur Zerstörung der Prototypen und Bauteile. Deshalb läßt sich auch
mit dem Verfahren nach der DE 196 49 865 C1 nicht die für den
Bau von Werkzeugen zur spanenden Bearbeitung und von Formen und Teilen zur spanlosen
Formgebung erforderliche Formbestätigung und Verschleißfestigkeit erreichen.
Aus der DE 90 18 138 U1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Fertigung von Teilen
vorbekannt, wobei das Teil in Stufen in Form eines Querschnittsbereichs durch Auftragen einer
ersten Schicht und weiterer Schichten aus Pulver erfolgt und jede Schicht durch Abtastung mittels
eines Lasers und des Sinterns dieser Schicht verbunden wird. In einer Ausführung des Gegenstandes
der DE 90 18 138 U1 wird ein Pulver verwendet, das eine Vielzahl von Materialien mit mehr als einer
Dissoziationstemperatur aufweist. Darüberhinaus kann ein Pulver verwendet werden, das aus einer
Vielzahl von Materialien besteht, die mehr als eine Bindetemperatur aufweisen. Das Pulver kann
dabei aus einer Mischung aus einem ersten und aus einem zweiten Metall oder auch aus einer
Mischung aus einem Metall und aus einem Kunststoff bestehen, wobei das jeweils hergestellte
Produkt Porosität aufweist. Mit einem anderen Pulver nach der DE 90 18 138 U1 fassen sich auch
extrem harte Materialien herstellen. Dazu können beispielsweise Mischungen aus Wolframkarbid
und Kobalt zu einem Pulver hergestellt werden, die dann schichtweise zu einem dreidimensionalen
Körper aufgetragen werden und mittels des Lasersinterverfahrens zur schichtweisen Herstellung von
Werkzeugen dienen.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Material zur schichtweisen Herstellung von
dreidimensionalen Körpern nach dem Lasersinterverfahren zu schaffen, das insbesondere eine
Ausweitung des Lasersinterverfahrens auf Bereiche des Werkzeug- und Formenbaus mit hohen
Anforderungen an die Härte, den Druck, die Festigkeit und die Verschleißbeständigkeit für den
direkten Einsatz der gesinterten Körper für die spanende Bearbeitung und die spanlose Formgebung
unter Benutzung der Prototypen aus seriennahen Werkstoffen ermöglicht, wie sie in der
Serienfertigung Verwendung finden und damit den Einsatz bzw. den Fertigungsschritt eines
gießtechnischen Folgeverfahrens zur Erzielung eines bezüglich Härte, Verschleiß, Temperatur usw.
entsprechend den Praxisanforderungen belastbaren Prototyps vermeidet, ferner der aus mehreren
Bahnen aufgebaute Schichtkörper während des Herstellungsprozesses keinen Veränderungen der
Maß- und Formgenauigkeit unterliegt und ferner Spannungen in dem gesinterten Schichtkörper
vermieden werden, der darüber hinaus eine große Härte und Verschleißfestigkeit aufweist und
hohe Betriebstemperaturen verträgt sowie eine große Druckfestigkeit aufweist und bei dem
schließlich keine zeitintensiven Wärmebehandlungsprozesse, wie das Ausschmelzen des Bindemittels
aus dem Körper nach der Sinterung erforderlich sind.
Die Vorteile der Erfindung sind insbesondere in der erfindungsgemäßen Kombination der
nachfolgenden Merkmale zu sehen, nämlich metallische oder nichtmetallische Hartstoffe in
Pulverform als Basismaterial zu verwenden, wobei die Materialien den bei den spanenden
Werkzeugen und bei den Formen und Bauteilen der spanlosen Formgebung auftretenden
Belastungen standhalten können. Ein weiteres Kombinationsmerkmal ist die
Bindemittelzusammensetzung aus einem ersten Bindemittel, dem ein weiteres zweites Bindemittel
zugeordnet ist, wobei das zweite Bindemittel die besondere Eigenschaft einer selbstfließenden
Legierung besitzt, die durch entsprechende Bestandteile des zweiten Bindemittels erzeugt wird.
Dabei wird als Material für die Bindemittelzusammensetzung nicht irgendein beliebiges Metall
verwendet, sondern es wird für das erste Bindemittel und als Basis auch für das zweite, dritte und
eventuelle weitere Bindemittel vorwiegend ein Metall aus der Eisengruppe, wie Eisen, Kobalt,
Nickel, verwendet, die für sich betrachtet eine hohe Härte und Festigkeit, beispielsweise gegenüber
bisher verwendeten Bindemitteln wie Polymeren, aufweisen. Als drittes Merkmal der
erfindungsgemäßen Kombination tritt nun die Infiltrierung mit einem flüssigen Infiltrationsmittel
hinzu. Damit wird die poröse Struktur des aus den Hartstoffen und der
Bindemittelzusammensetzung entstandenen dreidimensionalen Körpers gefüllt, und zwar mit einem
metallischen Hartlot, wobei das Hartlot ebenfalls einen hohen Schmelzpunkt und entsprechende
Härte aufweist. Da das flüssige Infiltrationsmittel aufgrund der Kapillarwirkung der Poren bzw. der
Porosität des durch Sintern hergestellten Körpers sowohl die Oberfläche wie
auch über den gesamten Querschnitt des dreidimensionalen Körpers diesen durchdringt, ist kein
Ausbrennen bzw. Ausschmelzen von Bindemitteln nach der Herstellung des dreidimensionalen
Körpers erforderlich und damit entfallen auch Wärmebehandlungsprozesse nach der Sinterung des
Körpers und somit wird die Maß- und Formbeständigkeit des Körpers ohne Schwund
aufrechterhalten. Zu der für einen Test des schichtweise geschaffenen Prototyps in der
Serienfertigung erforderlichen Härte trägt die Kombination aus den Einzelbestandteilen des
Materials dadurch bei, daß jede einzelne der eingesetzten Einzelkomponenten eine hohe Härte und
Festigkeit aufweist und auch bezüglich ihres Schmelzpunktes und ihrer chemischen
Zusammensetzung für hohe Belastungen, wie sie während der Serienfertigung auftreten, geeignet
sind, d. h. konkret, daß sowohl für das Basismaterial in Form von metallischen oder
nichtmetallischen Hartstoffen wie auch bei den Materialbestandteilen der
Bindemittelzusammensetzung und schließlich bei dem Material des Hartlots jeweils nur
Einzelmaterialien eingesetzt werden, die jeweils bezüglich der Härte, dem Verschleiß, der
Temperatur, die entsprechend den Praxisanforderungen in der spanenden Bearbeitung und in der
spanlosen Formgebung erforderlichen Härtegrade und anderen Materialeigenschaften aufweisen.
Durch die geschilderte Kombination von Merkmalen wird erreicht, daß die geschaffenen
dreidimensionalen Körper, wie beispielsweise ein Prototyp, Formen oder andere Bauteile,
seriennahe Eigenschaften aufweisen, und so deren Erprobung in den Serienfertigungsverfahren zu
ermöglichen, da diese Körper den entsprechenden Belastungen der Erprobung standhalten können.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Materials zum Aufbau von dreidimensionalen Körpern
besteht darin, daß die Schmelztemperaturen der Hartstoffe, der Materialkomponenten, der
Bindemittelzusammensetzung und des Hartlots in ihrer Höhe unterschiedlich und gestaffelt
ausgebildet sind, d. h. daß der höchste Schmelztemperaturbereich den Hartstoffen zugeordnet ist,
der mittlere Schmelztemperaturbereich den Materialkomponenten der
Bindemittelzusammensetzung und der niedrigste Schmelztemperaturbereich dem Hartlot
vorbehalten ist. Die Staffelung der Schmelztemperaturbereiche der Hartstoffe, der
Materialkomponenten der Bindemittel-Zusammensetzung und des Hartlots sind jeweils so gewählt,
daß sich diese Schmelztemperaturbereiche nicht überlappen. Durch diese Staffelung der
Temperaturen der Schmelzbereiche der Hartstoffe, der Bindemittelzusammensetzung und des
Infiltrationsmittels wird erreicht, daß sich beim Sintern von Hartstoffen und den Bestandteilen der
Bindemittelzusammensetzung die Eigenschaften der Hartstoffe nicht verändern, und bei der
Infiltrierung mit dem flüssigen Infiltrationsmittel des Hartlots läßt sich durch den sowohl gegenüber
den Hartstoffen wie auch gegenüber den Materialbestandteilen der Bindemittelzusammensetzung
niedrigeren Schmelzbereich des Infiltrationsmittels erreichen, daß die Eigenschaften des vorher
durch den Laserstrahl und den Sinterprozeß erreichten dreidimensionalen Körpers nicht durch die
Infiltrierung des niedriger schmelzenden
Infiltrationsmittels negativ verändert werden. Bei dem erreichten Endprodukt in Form eines
Prototypen, von Formen oder von Bauteilen für die spanende Bearbeitung oder spanlose
Formgebung sind dann für den fertiggestellten dreidimensionalen Körper, die in ihm enthaltenen
Eigenschaften der Hartstoffe maßgeblich für die Eigenschaften des geschaffenen Körpers, ohne daß
es zu Maß- oder Formveränderungen des Körpers während der Fertigung gekommen ist.
Nachstehend soll das mit dem Praxiseinsatz nahekommenden Eigenschaften versehene Material zur
schichtweisen und schnellen Herstellung von Werkzeugen, Formen und/oder Bauteilen durch das
Lasersinterverfahren noch näher beschrieben werden. Ein herzustellendes Bauteil, eine zu fertigende
Form oder ein zu erstellender Prototyp werden bei dem Lasersinterverfahren mit Hilfe einer
Datenverarbeitung in einzelne Schichten unterteilt, wozu beispielsweise die CAD/CAM-Technologie
geeignet ist, und dann werden die Daten der einzelnen Schichten einer Fertigungsanordnung
zugeführt. In einem ersten Schritt wird bei der Herstellung durch ein Nivelliersystem eine erste
definierte Ebene der Pulverlage des Materials auf einer Trägerplattform aufgebracht. In einem
zweiten Schritt wird die aufgebrachte pulverförmige Materialschicht durch einen Laserstrahl auf den
zu der Baustruktur gehörenden Flächen aufgeschmolzen. Das umliegende pulvrige Material
übernimmt dabei die Funktion der Bauteilabstützung. Anschließend wird die Trägerplattform um
die vorher aufgebrachte Schichthöhe des Materials abgesenkt. Es wird erneut eine Schicht von
pulverförmigem Material auf der ersten Schicht aufgebracht, und es erfolgt dann ein Überstreichen
mit dem Laserstrahl entsprechend den gespeichterten Konturen und Feldern des herzustellenden
Körpers, wodurch das Lasersintern zwischen den Materialbestandteilen stattfindet. In dem
geschilderten Lasersinterverfahren lassen sich komplexe Bauteile mit filigraner Struktur erstellen.
Begründet durch die Abstützfunktion des Pulverbettes neben den gesinterten Bahnen bzw.
Flächenteilen können Hinterschnitte und in begrenztem Umfang auch Überhänge ohne
Unterstützungen hergestellt werden. Die zum Lasersintern erforderliche Energie kann beispielsweise
durch CO2-Laserstrahl oder jeden anderen für eine derartige Sinterung geeigneten Laserstrahl
erzeugt werden. Mit den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren lassen sich mittels
Lasersintern metallische Prototypen, Formen und Bauteile herstellen, die dazu polymerummanteltes
Stahlpulver, wobei das Polymer als Bindemittel dient, oder Metallpulvermaterial auf Kupferbasis
mit Zusätzen verwenden und wobei eine Infiltration mit Epoxydharz stattfindet, so daß nur Bauteile
und Prototypen entstehen können, die starken Belastungen nicht gewachsen sind und daher nur in
begrenztem Umfang als Prototyp zum Testen eingesetzt werden können. Mit dem vorliegenden
Erfindungsgegenstand wird im Gegensau zum Stand der Technik ein Materialaufbau beschrieben,
mit dem erfindungsgemäß durch das kombinatorische Zusammenwirken der Merkmale bzw.
Einzelbestandteile der Ausgangsstoffe des Materials Prototypen von Werkzeugen für die spanende
Bearbeitung und von Formen zur spanlosen Formgebung sowie von Bauteilen hergestellt werden
können d. h., daß die mit der Erfindung hergestellten dreidimensionalen Körper den Belastungen
bezüglich Härte, Druck, Verschleißfestigkeit, der Bewältigung hoher Arbeitstemperaturen und der
Einhaltung der geplanten und vorgegebenen Maß- und Formbeständigkeit gewachsen sind, die bei
den Praxisanforderungen bei der Ausführung von spanender Bearbeitung und spanloser
Formgebung erforderlich sind. Als Basismaterial in Pulverform werden deshalb metallische
und/oder nichtmetallische Hartstoffe für den schichtweisen Aufbau von Werkstoffbahnen des
dreidimensionalen Körpers verwendet. Jeder dieser Hartstoffe ist aufgrund seiner Eigenschaften den
bei den spanenden Werkzeugen und bei den Formen und Bauteilen der spanlosen Formgebung
auftretenden Belastungen für sich gewachsen. Das definitionsgemäß als Hartstoffe ausgebildete
Basismaterial für die zu sinternden Körper besteht bei den metallischen Hartstoffen beispielsweise
aus TiC, ZrC, NbC, WC usw. Das als nichtmetallische Hartstoffe ausgebildete Basismaterial für den
Aufbau der Schichten des dreidimensionalen Körpers kann beispielsweise aus SiC, Al2O3, B4C usw.
wobei auch andere Hartstoffe in Pulverform verwendet werden können, die Eigenschaften
aufweisen, die sie für die hohen Belastungen der spanenden Bearbeitung und der spanlosen Formen
prädestinieren.
Die vorstehend geschilderten Hartstoffe kommen alle in Pulverform zur Verarbeitung. Diese in
Pulverform vorliegenden Hartstoffe werden nun mit einer Bindemittelzusammensetzung entweder
vermischt oder mit einer Bindemittelzusammensetzung in Form einer Legierung überzogen. Wenn
das als Hartstoff ausgebildete Basismaterial mit der Bindemittelzusammensetzung vermischt ist, kann
eine Aufbringung als Schicht bzw. Bahn für den zu erstellenden dreidimensionalen Körper erfolgen
und danach die Erwärmung durch den Laserstrahl entsprechend den vorgegebenen und
vorprogrammierten Formen des zu erstellenden Teils. Die Bindemittelzusammensetzung in Form
eines pulvrigen Gemisches oder einer Legierung besteht dabei aus einem ersten metallischen
Bindemittel. Das erste als Metall ausgebildete Bindemittel wird dabei bevorzugt aus der
Eisengruppe, wie Eisen, Kobalt, Nickel und dergleichen gewählt, wobei das erste Bindemittel
sowohl aus einer Materialkomponente bestehen kann als auch aus einer Kombination mehrerer
Materialkomponenten gemischt sein oder als Legierung vorliegen kann. Wesentlich für die
Entstehung des hochfesten Materials zum Lasersintern gemäß der Erfindung ist nun, daß zu dem
ersten metallischen Bindemittel wenigstens ein weiteres zweites Bindemittel zugegeben wird und
daß dabei das zweite Bindemittel als selbstfließende Legierung ausgebildet ist, die während des
Lasersinterns der Schicht eine intensive Verbindung zwischen dem als Hartstoff ausgebildeten
Basismaterial und der Bindemittelzusammensetzung herstellt. Das zweite Bindemittel ist dabei mit
ein oder mehreren Materialkomponenten zur Erzeugung einer hohen Fließfähigkeit der
Bindemittelzusammensetzung versetzt. Als Ausgangsmaterial für das erste Bindemittel wird
beispielsweise Nickel beschichtetes Wolfram Karbid verwendet. Das zweite Bindemittel wird dann
auf der Basis des Werkstoffes des ersten Bindemittels, also des Nickels aufgebaut und enthält somit
Anteile des ersten Bindemittelwerkstoffes Nickel. Dazu kommen bei dem zweiten Bindemittel ein
oder mehrere Materialkomponenten wie beispielsweise Chrom, Bor und Silizium als weitere
Legierungselemente.
Darüber hinaus kann die Bindemittelzusammensetzung noch ein weiteres drittes Bindemittel mit ein
oder mehreren Materialkomponenten zur Schaffung einer hohen Benetzungsfähigkeit der
Bindemittelzusammensetzung aufweisen. Auch das dritte Bindemittel wird dabei jeweils auf der
Basis des Werkstoffes des ersten Bindemittels wie in dem angegebenen Beispiel, also Nickel,
aufgebaut und enthält damit entsprechende Anteile von Nickel. Die zweite, dritte und eventuelle
weitere Bindemittelzusammensetzungen sind jeweils auf der Basis des Werkstoffes des ersten
Bindemittels aufgebaut. Das dritte Bindemittel kann beispielsweise zur Förderung des
Sinterverhaltens des Materials mit einer Materialkomponente aus Nickel-Phosphor-Pulver gebildet
sein.
Aus der Sinterung der Werkstoffbahnen aus den Hartstoffen des Basismaterials zusammen mit der
Bindemittelzusammensetzung in mehreren übereinanderliegenden Schichten bzw. Bahnen mittels
einer vorprogrammierten Führung durch einen Laserstrahl entsteht ein dreidimensionaler Körper,
der aufgrund der pulverförmigen Ausgangsstoffe des Basismaterials eine Porosität aufweist, d. h. von
Poren durchzogen ist. Der nach Aufbau aller Schichten mittels Lasersintern fertiggestellte
dreidimensionale Körper besitzt aufgrund der pulverförmigen Ausgangsstoffe eine Porosität, deren
Poren direkt von der Oberfläche über den gesamten Querschnitt des entstandenen Körpers
nunmehr mit einem flüssigen Infiltrationsmittel durchdrungen und gefüllt werden. Die Infiltration
erfolgt aufgrund der Kapillarwirkung bei Kontakt oder bei Eintauchen des porösen Körpers in das
flüssigen Infiltrationsmittel. Als flüssiges Infiltrationsmittel wird ein metallisches Hartlot verwendet.
Dieses metallische Hartlot ist als hochschmelzendes Hartlot beispielsweise gemäß dem bereits
gegebenen Beispiel für die Hartstoffe und für die Bindemittelzusammensetzung auf einer Silber-
Kupfer-Basis gebildet. Bei der Füllung der Poren des dreidimensionalen Körpers mit einem Hartlot
auf Silber-Kupfer-Basis liegen die erzielten mechanischen Eigenschaften deutlich über den Werten,
die bisher nach dem Stand der Technik mit kommerziell verfügbaren Pulversystemen sich erreichen
ließen. Im Gegensatz zu den vorher ausgeführten Lasersinterprozessen zur Herstellung des
dreidimensionalen Körpers kommt es bei der Verdichtung mittels Infiltration zu keiner
Volumenschrumpfung, d. h. die Form- und Maßgenauigkeit des hergestellten dreidimensionalen
Körpers ist identisch in seinen Abmessungen mit den geplanten und einprogrammierten Werten.
Gegenüber den im Stand der Technik verwendeten Infiltrationsmitteln wie Kupfer und Epoxydharz
weisen die mit dem erfindungsgemäßen Material und dem metallischen Hartlot infiltrierten Körper
eine erhöhte Härte, Zug- und Biegefestigkeit auf. Außerdem führen die erfindungsgemäß
angewandten Materialien zusätzlich zu einer Verdichtung der Oberfläche, wie sie beispielsweise bei
der Anwendung der Bauteile bei einem Werkzeugeinsatz für Kunststoffspritzguß bis hin zum
Druckguß, als Elektrode für funkenerosive Bearbeitung oder als Formschleifkörper von
wirtschaftlichem Nutzen ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Material lassen die eingesetzten Ausgangsstoffe in Form der
Einzelkomponenten aus Hartstoffen und den Komponenten der Bindemittelzusammensetzung
hinsichtlich des Schmelzpunktes und ihrer chemischen Zusammensetzung eine einwandfreie und
rasche Infiltration des porösen Körpers mit dem metallischen und ebenfalls hochschmelzenden
Hartlot zu. Für den Gegenstand wesentlich ist das Zusammenwirken in einer erfindungsgemäßen
Kombination der Hartstoffe mit den metallischen Materialkomponenten der
Bindemittelzusammensetzung und schließlich mit dem flüssigen, metallischen und ebenfalls
hochschmelzenden Hartlot. Dadurch läßt sich bei der Herstellung des dreidimensionalen Körpers
durch das Lasersintern eine hohe Härte, Festigkeit und Verschleißbeständigkeit erzielen,
insbesondere auch dadurch, daß die Schmelztemperaturbereiche der einzelnen Komponenten
voneinander getrennt und gestaffelt sind. So liegen die Schmelztemperaturbereiche der
Materialkomponenten der Hartstoffe etwa bei 2400 bis 1800°, während die
Schmelztemperaturbereiche der Materialkomponenten der Bindemittelzusammensetzung in dem
Temperaturbereich von 1500 bis 1100° liegen. Der niedrigste Schmelztemperaturbereich ist dem
metallischen Hartlot mit einem Temperaturbereich um 700° vorbehalten. Da sich die
Schmelztemperaturbereiche der Hartstoffe, der Materialkomponenten der
Bindemittelzusammensetzung und des Hartlots jeweils nicht überlappen, bleiben die Härte,
Festigkeit und anderen Eigenschaften der in Pulverform oder als Legierung vorliegenden
Ausgangsstoffe jeweils während des Fertigungsprozesses des dreidimensionalen Körpers erhalten
und unterstützen sich gegenseitig, so daß für das Endprodukt in der Form des dreidimensionalen
Körpers nach der Sinterung und Infiltrierung mit dem Hartlot die Eigenschaften der Hartstoffe
bestimmend für das erzeugte Bauteil wirken, so daß mit dem erfindungsgemäßen Material durch
Lasersintern hergestellte Werkzeuge und/oder Bauteile den Belastungen der spanenden
Bearbeitung, beispielsweise bei Schleif-, Hon-, Läpp- und Abrichtwerkzeugen, gewachsen sind und
ebenso den Beanspruchungen der spanlosen Formgebung z. B. als Umformwerkzeuge,
Produktionsformen und dergleichen standhalten.
Claims (15)
1. Material zur schichtweisen Herstellung eines dreidimensionalen Körpers durch das Lasersinter
verfahren, wobei der mittels einer vorprogrammierten Führung und durch bahnweises
Auftragen in mehreren Schichten und jeweils pro Schicht durch Laserstrahl gesinterte Körper
porös ausgebildet wird,
das aus in Pulverform vorliegenden, ein Basismaterial und gegenüber dem Basismaterial niedriger schmelzende Bindemittel umfassenden Ausgangsstoffen, die durch Sintern verbindbar sind, und einem die Poren verschließenden Infiltrationsmittel besteht,
wobei das Basismaterial, das zum Sintern der Werkstoffbahnen zusammen mit einer Bindemittelzusammensetzung vorgesehen ist, aus metallischen und/oder nicht metallischen Hartstoffen gebildet ist, die für die bei spanenden Werkzeugen und bei Formen und Bauteilen der spanlosen Formgebung auftretenden Belastungen geeignet sind,
wobei die Bindemittelzusammensetzung aus einem ersten metallischen Bindemittel aus einer Pulvermischung oder einer Legierung und wenigstens einem zweiten Bindemittel aus einer selbstfließenden Legierung gebildet ist,
und wobei das flüssige Infiltrationsmittel ein metallisches Hartlot ist, das die nach der Lasersinterung vorhandenen Poren im erzeugten Körper direkt von der Oberfläche her über den gesamten Querschnitt des entstandenen Körpers zu durchdringen und zu füllen vermag.
das aus in Pulverform vorliegenden, ein Basismaterial und gegenüber dem Basismaterial niedriger schmelzende Bindemittel umfassenden Ausgangsstoffen, die durch Sintern verbindbar sind, und einem die Poren verschließenden Infiltrationsmittel besteht,
wobei das Basismaterial, das zum Sintern der Werkstoffbahnen zusammen mit einer Bindemittelzusammensetzung vorgesehen ist, aus metallischen und/oder nicht metallischen Hartstoffen gebildet ist, die für die bei spanenden Werkzeugen und bei Formen und Bauteilen der spanlosen Formgebung auftretenden Belastungen geeignet sind,
wobei die Bindemittelzusammensetzung aus einem ersten metallischen Bindemittel aus einer Pulvermischung oder einer Legierung und wenigstens einem zweiten Bindemittel aus einer selbstfließenden Legierung gebildet ist,
und wobei das flüssige Infiltrationsmittel ein metallisches Hartlot ist, das die nach der Lasersinterung vorhandenen Poren im erzeugten Körper direkt von der Oberfläche her über den gesamten Querschnitt des entstandenen Körpers zu durchdringen und zu füllen vermag.
2. Material nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das als selbstfließende Legierung
ausgebildete zweite Bindemittel mit einer oder mehreren Materialkomponenten zur Erzeugung
einer hohen Fließfähigkeit der Bindemittelzusammensetzung ausgebildet ist.
3. Material nach einem oder mehreren Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein
weiteres drittes Bindemittel eine oder mehrere Materialkomponente(n) zur Schaffung einer hohen
Benetzungsfähigkeit der Bindemittelzusammensetzung aufweist.
4. Material nach einem oder mehreren Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das
zweite, dritte und eventuell weitere Bindemittel als Bestandteile der
Bindemittelzusammensetzung jeweils auf der Basis des Werkstoffes des ersten Bindemittels
aufgebaut sind und somit Anteile des ersten Bindemittelwerkstoffes enthalten.
5. Material nach einem oder mehreren Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei
den Hartstoffen, den Materialkomponenten der Bindemittelzusammensetzung und dem Hartlot
jeder Werkstoff für sich eine hohe Härte und Schmelztemperatur aufweist.
6. Material nach einem oder mehreren Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die
Schmelztemperaturen der Hartstoffe, der Materialkomponenten der
Bindemittelzusammensetzung und des Hartlots in ihrer Höhe unterschiedlich und gestaffelt
ausgebildet sind, daß der höchste Schmelztemperaturbereich den Hartstoffen, der mittlere
Schmelztemperaturbereich den Materialkomponenten der Bindemittelzusammensetzung und
der niedrigste Schmelztemperaturbereich dem Hartlot vorbehalten ist, und daß sich die
Schmelztemperaturbereiche der Hartstoffe, der Materialkomponenten der
Bindemittelzusammensetzung und des Hartlots jeweils nicht überlappen.
7. Material nach einem oder mehreren Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das als
Hartstoff ausgebildete Basismaterial mit der Bindemittelzusammensetzung beschichtet ist.
8. Material nach einem oder mehreren Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das
als Hartstoff ausgebildete Basismaterial mit der Bindemittelzusammensetzung gemischt ist.
9. Material nach einem oder mehreren Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das
als metallischer Hartstoff ausgebildete Basismaterial aus TiC, ZrC, NbC, WC ausgebildet ist.
10. Material nach einem oder mehreren Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das
als nichtmetallischer Hartstoff ausgebildete Basismaterial aus SiC, Al2O3, B4C ausgebildet ist.
11. Material nach einem oder mehreren Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das
erste Bindemittel der Bindemittelzusammensetzung aus einem Werkstoff oder einer
Kombination von Werkstoffen der Eisengruppe, wie z. B. Eisen, Kobalt, Nickel besteht.
12. Material nach einem oder mehreren Ansprüchen 1, 2, 5, 6 und 11, dadurch
gekennzeichnet, daß das erste Bindemittel der Bindemittelzusammensetzung aus Nickel
besteht.
13. Material nach einem oder mehreren Ansprüchen 1, 4, 5, 6 und 11, dadurch
gekennzeichnet, daß das zweite Bindemittel der Bindemittelzusammensetzung aus Nickel mit
den Materialkomponenten Chrom, Bor und Silizium besteht.
14. Material nach einem oder mehreren Ansprüchen 1, 3, 4, 5, 6 und 11, dadurch
gekennzeichnet, daß das dritte Bindemittel der Materialzusammensetzung aus Nickel mit der
Materialkomponente Phosphor besteht.
15. Material nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß
das Material zur schichtweisen Herstellung von lasergesinterten Körpern für den Bau von
Werkzeugen, Formen und Bauteilen des Werkzeugbaus und des Formenbaus verwendet wird.
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