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Die Erfindung betrifft einen dreidimensionalen Körper aus einem edelmetallhaltigen Pulver, zu dessen Herstellung mittels eines additiven Fertigungsverfahrens die einzelnen Partikeln dieses Metallpulvers durch einen Laserstrahl verschmolzen werden, sowie die Verwendung eines edelmetallhaltigen Pulvers in einem additiven Fertigungsverfahren zur Herstellung eines derartigen dreidimensionalen Körpers.
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Additive Fertigungsverfahren sind bekannt. Die
DE 10 2017 212 182 A1 beschreibt z. B. ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem Edelmetall durch ein selektives Laserschmelzen, bei dem eine Pulverschicht auf einer Substratplatte aufgetragen und anschließend derjenige Bereich der aufgetragenen Pulverschicht, die der jeweiligen Schichtgeometrie des herzustellenden Körpers entspricht, selektiv mittels eines Lasers geschmolzen wird. Dann wird eine weitere Pulverschicht des Edelmetalls aufgetragen und wiederum derjenige Bereich der aufgetragenen Pulverschicht, die nun der Schichtgeometrie des herzustellenden Körpers entspricht, aufgeschmolzen. Der vorgenannte Schritt wird solange wiederholt, bis der herzustellende dreidimensionale Körper derart additiv hergestellt ist.
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Additive Herstellungsverfahren werden unter anderem zur Herstellung von Luxusgütern wie aus Edelmetall oder Edelmetall-Legierungen bestehenden Schmuckstücken, Uhrengehäusen, Schreibgeräten oder Teilen davon, um nur einige Beispiele zu nennen, eingesetzt, da sie in einfacher Art und Weise die Herstellung von Edelmetallprodukten mit einer komplexen Geometrie erlauben, indem in an und für sich bekannter Art und Weise das entsprechende Bauteil durch einen schichtweisen Auftrag von edelmetallhaltigen Partikeln hergestellt wird. Z. B. beschreibt die
EP 1 677 930 B1 ein Verfahren zur Herstellung von Schmuck und anderen Edelmetallprodukten mit komplexen Geometrien aus einem edelmetallhaltigen Pulvermaterial, wobei das Pulvermetall durch die Beaufschlagung mit einem Laserstrahl mindestens einer Teilschmelze unterzogen wird, welche zu einem Binden der Schicht mit der unmittelbar vorangehenden Schicht führt. Die Wellenlänge des hierbei verwendeten Lasers beträgt 1070 nm. Das Pulvermaterial ist eine 18-karatige Goldlegierung, die 60-80 Gew.-% Gold, 0-15 Gew.-% Silber, 5-15 Gew.-% Kupfer, 5-25 Gew.-% Zinn und 0,0-2 Gew.-% Phosphor enthält. Die Porosität des damit hergestellten dreidimensionalen Körpers ist geringer als 10 Vol.-%.
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Nachteilig an den bekannten dreidimensionalen Körpern, die mittels des vorgenannten Verfahrens schichtweise hergestellt werden, ist, dass sie einer mechanischen Oberflächenbehandlung wie Abstrahlen oder Polieren unterzogen werden müssen, um diese Körper an das gewünschte ästhetische Erscheinungsbild anzupassen.
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Die
EP 3 142 814 B1 beschreibt die Verwendung von Goldpulver-Legierungen zur Herstellung von Schmuckstücken durch ein selektives Laserschmelzen. In der vorgenannten Druckschrift wird eine Vielzahl von Gelb- oder Rot- oder Weißgoldpulver-Legierungen vorgestellt, die 18 Karat, 14 Karat, 10 Karat oder 9 Karat Gold enthalten. Die Leistung des hierbei eingesetzten Lasers beträgt mindestens 70 Watt und die Wellenlänge beträgt 1070 nm. Die aus den vorgenannten Pulvern hergestellten Schmuckstücke weisen eine Porosität von kleiner gleich 2 Vol.-% auf.
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Ein entscheidendes Qualitätskriterium bei Schmuckstücken wie Schmuck, Uhrengehäusen, Schreibgeräten oder Teilen davon ist eine weitgehend defektfreie Oberfläche und ein makelloser Glanz der polierten Bereiche der vorgenannten Artikel. Eine wesentliche Voraussetzung, dies zu erreichen, ist, dass die Dichte des durch ein selektives Laserschmelzen hergestellten Körpers größer gleich 99,9 Vol.-% ist und dass die maximale Defektgröße kleiner gleich 30 µm ist. Diese Voraussetzungen sind mit Standard-Edelmetall-Legierungen und den bekannten Verfahren zur additiven Fertigung, bei denen ein Laser mit einer Wellenlänge von 1070 nm eingesetzt wird, nur schwer oder nicht zu erreichen.
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Es wurde daher z. B. in der
EP 3 216 545 B1 vorgeschlagen, den bei der additiven Fertigung eines dreidimensionalen Körpers verwendeten Metallpulvern Additive zuzugeben, um die Energieabsorption der im Pulverbett zu verschmelzenden Edelmetallpartikel zu verbessern. Eine derartige Maßnahme führt zwar dazu, dass die einzelnen Pulverpartikel besser verschmelzen, wodurch eine höhere Dichte des aus den edelmetallhaltigen Pulverpartikeln hergestellten dreidimensionalen Körpers folgt. Nachteilig daran ist aber, dass die Verbesserung bei der Materialqualität zu Farbänderungen führt.
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Die Farbe eines aus Edelmetall-Partikeln hergestellten dreidimensionalen Körpers ist aber insbesondere in der Schmuck- und Uhrenindustrie von großer Bedeutung. Die Hersteller derartiger Luxusartikel verlangen von den Produzenten der bei der additiven Fertigung derartiger Luxusartikel eingesetzten Edelmetall-Pulver, dass der daraus hergestellte dreidimensionale Körper eine definierte Farbe gemäß der ISO-Norm 8654 (2018) besitzt. Die vorstehend angesprochene Zugabe von Additiven kann in nachteiliger Art und Weise dazu führen, dass das dementsprechend mit Additiven aufbereiteten Edelmetallpulver durch ein Laserverschmelzen hergestellte dreidimensionale Körper dann nicht mehr die gewünschte Norm-Farbe aufweist, sondern nur eine hierzu ähnliche. Eine derartige Farbabweichung wird in der Regel insbesondere im Luxusgüter-Bereich nicht akzeptiert.
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Ein weiterer Nachteil bei der Verwendung von Additiven zur Erhöhung der Effizienz der additiven Fertigung eines dreidimensionalen Körpers besteht darin, dass das mit einem Additiv versehene Edelmetallpulver unter Umständen nicht mehr punzierfähig ist, d. h. nicht den Standards entspricht, die z. B. eine 14-karätige, eine 18-karätige, eine 24-karätige Goldlegierung oder z. B. eine mindestens 95 Gew.-% Platin aufweisende Platinlegierung (Pt950) erfüllen. Es ist daher für jede mit einem derartigen Additiv versehene Legierung ein Validierungsverfahren erforderlich, damit eine Punzierfähigkeit wiedergegeben ist.
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Es ist auch bekannt, die durch eine additive Fertigung hergestellten dreidimensionalen Körper einem sog. heißisostatischen Pressen zu unterwerfen. Ein derartiger Vorgang kann zwar zu einer Dichte von nahezu 100 Vol.-% führen. Ein derartiges Pressen ist aber ein aufwendiger Vorgang, welcher die Effizienz des additiven Fertigungsverfahrens nachteilig beeinflusst. Die vorgenannte Wärmebehandlung hat aber auch den Nachteil, dass eine Vergröberung des Metallgefüges auftritt, mit der eine Reduktion der Materialhärte und der Polierbarkeit des durch ein Laserschmelzen aus Edelmetall-Partikeln hergestellten dreidimensionalen Körpers einhergeht.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen dreidimensionalen Körper, der mittels eines additiven Fertigungsverfahren aus einem edelmetallhaltigen Pulver hergestellt ist, derart zu verbessern, dass eine verbesserte Dichte und eine verringerte Defektgröße des dreidimensionalen Körpers erzielt wird, sowie die Verwendung eines derartigen Pulvers in diesem additiven Fertigungsverfahren.
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Der erfindungsgemäße dreidimensionale Körper, insbesondere ein Schmuckgegenstand wie ein Schmuckstück, eine Uhr oder ein Schreibgerät oder Teile davon, zeichnet sich dadurch aus, dass zu seiner Herstellung aus einem edelmetallhaltigen Pulver ein additives Fertigungsverfahren eingesetzt wird, welches einen Laser mit einer Wellenlänge von kleiner gleich 600 nm und insbesondere von 535 nm verwendet.
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Die erfindungsgemäßen Maßnahmen besitzen den Vorteil, dass mit Standard-Edelmetallpulvern, also mit Edelmetallpulvern, die keine die Absorption des Laserstrahls verbessernden Additive aufweisen, dreidimensionale Körper durch ein selektives Laserschmelzen hergestellt werden können, welche sich dadurch auszeichnen, dass sie eine Dichte von größer gleich 99,9 Vol.-% besitzen. Eine derartige hohe Dichte des erfindungsgemäßen dreidimensionalen Körpers bringt in vorteilhafter Art und Weise mit sich, dass auch hohe Anforderungen, wie sie - wie eingangs erläutert - von Herstellern von Luxusartikeln wie Uhren, Schmuck und Schreibgeräten gefordert werden, erfüllt werden. In vorteilhafter Weise ist daher bei einem derartig hergestellten Körper in der Regel keine Nachbearbeitung wie ein heißisostatisches Pressen erforderlich. Da, wie schon ausgeführt, es die erfindungsgemäßen Maßnahmen erlauben, hierzu edelmetallhaltige Pulver einzusetzen, denen keine Additive zur Erhöhung der Energieabsorption beigemischt sind, weisen die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten dreidimensionalen Körper nicht nur eine hohe Oberflächenqualität auf, es wird auch eine Farbveränderung, die bei den bekannten Verfahren durch den Zusatz von Additiven auftritt oder auftreten kann, vermieden. Ein zusätzlicher Validierungsaufwand, der - wie bereits ebenfalls vorstehend erläutert - auftritt, wenn Standard-Legierungen durch das Hinzufügen von Additiven verändert werden, ist ebenfalls nicht erforderlich. Die erfindungsgemäßen Maßnahmen erlauben daher in vorteilhafter Art und Weise eine effiziente Herstellung von dreidimensionalen Körpern aus Standard-Edelmetallpulver mittels eines additiven Fertigungsverfahrens.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind den Ausführungsbeispielen zu entnehmen, die im Folgenden beschrieben werden. Der Gehalt der Edelmetalle in den nachstehend beschriebenen Legierungen entspricht der Norm ISO 9202.
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Das erste Ausführungsbeispiel eines mittels eines additiven Verfahrens hergestellten dreidimensionalen Körpers, nämlich mittels eines selektiven Laserschmelzens eines edelmetallhaltigen Pulvers, basiert auf einer Goldlegierung. Diese weist im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel 75 Gew.-% Gold und Kupfer und Silber in einem Anteil von zusammen 25 Gew.-% auf. Es handelt sich also hierbei um eine 18-karätige Goldlegierung. Bei einer derartigen Goldlegierung ist, um punzierfähig zu sein, ein Goldgehalt von 75 Gew.-% vorgeschrieben. Der Anteil von Kupfer und Silber wird in Abhängigkeit von der gewünschten Farbe des Materials gewählt. Ein Repräsentant einer derartigen Goldlegierung ist z. B. eine Goldlegierung, die 75 Gew.-%, 20 Gew.-% Kupfer und 5 Gew.-% Silber aufweist. Eine derartige Legierung entspricht einer 5N-Legierung gemäß der vorgenannten ISO 8654.
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Die bei dem additiven Fertigungsverfahren eingesetzte Goldlegierung des ersten Ausführungsbeispiels weist eine Größenverteilung der Pulverpartikel auf, die zwischen d10=10 µm und d90=50 µm liegt. Das additive Verfahren wurde auf einer Maschine des Herstellers Trumpf des Typs TruPrint 1000 durchgeführt.
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Ein Testkörper, der in bekannter Art und Weise durch das additive Laserverschmelzen der Pulverpartikel der beschriebenen Goldlegierung unter Verwendung eines Lasers mit einer Wellenlänge von 1070 mn hergestellt wurde, weist eine Materialdichte von 99,50-99,90 Vol.-% auf, wobei die Fertigung bei einer maximalen Laserenergie von 150 W und einer daraus resultierenden Volumenenergie von 325 J/mm3 durchgeführt wurde.
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Ein Testkörper, der bei vergleichbaren Prozessbedingungen, aber mit einem Laser, der eine Wellenlänge von 535 nm verwendet, hergestellt wurde, weist eine Materialdichte von 99,97 +/- 0,02 Vol.-% auf. Die Verwendung einer Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von 535 nm führt also zu einer signifikanten Steigerung der Dichte des durch das additive Fertigungsverfahren hergestellten Testkörpers, wobei die maximale Defektgröße kleiner gleich 30 µm ist.
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Vergleichbare Werte ergeben sich bei einer Goldlegierung, die 75 Gew.-% Gold, 5-12,5 Gew.-% Silber und 12,5-20 Gew.-% Kupfer aufweist, sowie bei einer Goldlegierung, die 75 Gew.-% Gold, 13-15 Gew.-% Palladium und 10-12 Gew.-% anderer Metalle aufweist. Auch bei einer 14-karätigen Goldlegierung, die 58,5 Gew.-% Gold, 10-34,5 Gew.-% Silber und 7-40,5 Gew.-% Kupfer aufweist, ist eine deutlich verbesserte Dichte des aus den vorgenannten Legierungen gefertigten massiven Körpers gegeben.
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Die beschriebene Vorgehensweise ist nicht nur bei 14- oder 18-karätigen Goldlegierungen, sondern auch beispielsweise bei 8- bis 22-karätigen Goldlegierungen anwendbar. Auch bei Goldlegierungen anderer Zusammensetzung ist eine erhöhte Dichte des aus der entsprechenden Legierung mittels eines additiven Laserschmelzverfahrens gefertigten Körpers gegeben.
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Das zweite Ausführungsbeispiel eines dreidimensionalen Körpers, der mittels eines additiven Fertigungsverfahrens hergestellt ist, geht von einem Pulver einer Platinlegierung aus, die 95 Gew.-% Platin und 5 Gew.-% Kupfer aufweist. Es wurde ein konventionelles Laserschmelzverfahren mit der vorgenannten Maschine durchgeführt. Körper, die mit einer Wellenlänge des verwendeten Laserstrahls von 1070 nm hergestellt wurden, wiesen Materialdichten von 99,7-99,95 Vol.-% auf. Dahingegen wiesen Testkörper, die bei ansonsten gleichen Verfahrensbedingungen mit einer Laser-Wellenlänge von 535 nm hergestellt wurden, Materialdichten von 99,94 +/- 0,03 Vol.-% auf, wobei die maximal genutzte Laserleistung bzw. Scangeschwindigkeit bis zu 450 W bzw. 600 mm/s betrugen, was in einer eingebrachten Volumenenergie von bis zu 170 J/mm3 resultiert.
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Ähnliche Werte ergeben sich bei einer Verwendung von Pulverpartikeln aus einer Legierung, die 95 Gew.-% Platin und 5 Gew.-% Ruthenium oder 95 Gew.-% Platin und 5 Gew.-% Kobalt oder 95 Gew.-% Platin, 3 Gew.-% Gallium und 2 Gew.-% Kupfer oder 95 Gew.-% Platin, 2 Gew.-% Gold und der Rest bestehend aus anderen Metallen sowie 95 Gew.-% Platin, 1,5 Gew.-% Gold, 1 Gew.-% Ruthenium und als Rest andere Metalle enthält.
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Die beschriebene Vorgehensweise ist aber nicht auf eine Legierung mit 95 Gew.-% Platin beschränkt, vielmehr sind auch andere Platinlegierungen z. B. eine Legierung mit 85 Gew.-% Platin, bei dem beschriebenen additiven Fertigungsverfahren einsetzbar.
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Gleiches gilt für die weiteren Platingruppenmetalle, insbesondere für Palladium, Rhodium, Ruthenium oder Iridium sowie für eine Mischung aus den vorgenannten Metallen der Platingruppe.
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Ein drittes Ausführungsbeispiel eines dreidimensionalen Körpers, der mittels eines additiven Fertigungsverfahrens hergestellt ist, basiert auf einem Pulver einer Silberlegierung. Im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wird eine Silberlegierung verwendet, die zwischen 92,5-93,5 Gew.-% Silber und als Rest Kupfer enthält. Die bei den vorstehenden Ausführungsbeispielen beschriebenen Vorteile ergeben sich auch hier. Das beschriebene Verfahren eignet sich daher auch zur additiven Fertigung eines dreidimensionalen Körpers aus silberhaltigen Pulvern.
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Den drei vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen ist gemeinsam, dass jeweils ein Laser mit einer Wellenlänge von 535 nm verwendet wurde. Das beschriebene Verfahren ist aber nicht auf diese Wellenlänge beschränkt. Diese ist zwar vorteilhaft, aber nicht zwingend. Mögliche bei dem beschriebenen Verfahren zur additiven Fertigung verwendbare Wellenlängen des Lasers liegen in einem Bereich von kleiner gleich 600 nm, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 300 nm und 600 nm, weiter vorzugsweise in einem Bereich zwischen 500 nm und 600 nm, weiter vorzugsweise in einem Bereich zwischen 520 nm und 550 nm.
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Zusammenfassend ist festzuhalten, dass die beschriebenen dreidimensionalen Körper, welche unter Verwendung von gold- oder silberhaltigen Pulvern oder Pulvern, die eines oder mehrere Platingruppenmetalle enthalten, hergestellt sind, sich durch eine hohe Dichte von größer gleich 99,9 Vol.-% des massiven Körpers auszeichnen, wobei vorzugsweise die maximale Defektgröße kleiner gleich 30 µm ist. Da es die erfindungsgemäßen Maßnahmen erlauben, auf den Einsatz von Additiven zur Verbesserung der Energieabsorption bei der Herstellung der dreidimensionalen Körper zu verzichten, treten keine Farbabweichungen gegenüber der zugrundeliegenden Standardlegierung auf und eine Validierung der verwendeten Pulver ist ebenfalls nicht erforderlich. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Maßnahmen ist, dass keine aufwendige Nachbearbeitung des wie beschrieben hergestellten dreidimensionalen Körpers erforderlich ist. Eine effiziente Fertigung von dreidimensionalen Körpern aus edelmetallhaltigen Pulvern ist somit möglich. Dies ist insbesondere in der Schmuck- und Uhrenindustrie sowie bei der Herstellung von hochwertigen Schreibgeräten von Vorteil.
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Der beschriebene dreidimensionale Körper ist aber nicht nur in der Schmuck- und Uhrenindustrie und allgemein in der Luxusgüterindustrie verwendbar, sondern eignet sich auch für technische Anwendungen, insbesondere im Bereich der Dentaltechnik, der Messtechnik oder der Medizin, um nur einige Beispiele für derartige technische Anwendungsbereiche zu nennen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017212182 A1 [0002]
- EP 1677930 B1 [0003]
- EP 3142814 B1 [0005]
- EP 3216545 B1 [0007]