EP1307311A1 - Verfahren zur herstellung präziser bauteile mittels lasersintern - Google Patents

Verfahren zur herstellung präziser bauteile mittels lasersintern

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EP1307311A1
EP1307311A1 EP01956414A EP01956414A EP1307311A1 EP 1307311 A1 EP1307311 A1 EP 1307311A1 EP 01956414 A EP01956414 A EP 01956414A EP 01956414 A EP01956414 A EP 01956414A EP 1307311 A1 EP1307311 A1 EP 1307311A1
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EP
European Patent Office
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powder
mass
sintering
laser
elements
Prior art date
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Ceased
Application number
EP01956414A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Abdolreza Simchi
Frank Petzoldt
Haiko Pohl
Holger LÖFFLER
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Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Filing date
Publication date
Family has litigation
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Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP1307311A1 publication Critical patent/EP1307311A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/20—Direct sintering or melting
    • B22F10/28—Powder bed fusion, e.g. selective laser melting [SLM] or electron beam melting [EBM]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/30—Process control
    • B22F10/38—Process control to achieve specific product aspects, e.g. surface smoothness, density, porosity or hollow structures
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the invention relates to a method for producing precise components according to the preamble of the main claim.
  • a component is then produced using the laser sintering method by sintering metal powder mixtures with three components.
  • the most important aim of the invention is to increase the melting temperature of the finished component.
  • the problem with the production of metallic components from conventional powder mixtures is that the porosity of the components produced is relatively high. If the components are made with a steel powder, a density of approx. 90% of the theoretical density can be achieved. A residual porosity of approx. 30% remains in the laser-sintered bronze parts. When increasing the density of the finished components e.g. infiltration reduces the operating temperature to approx. 180 ° C. Further disadvantages of conventional powder mixtures are the achievable mechanical properties of the component. The thermal stresses that arise in the component during the laser sintering process are retained as residual stresses and lead to the formation of cracks at certain points, e.g. B. strong cross-section transitions.
  • the invention has for its object to produce metallic components in the laser sintering process inexpensively with very good mechanical properties and in high quality.
  • the powder mixture with which components are to be produced in the laser sintering process consists of the main component iron and further powder components, which can be in elementary, pre-alloyed or partially pre-alloyed form.
  • these powder alloy elements form a powder alloy from which the component is made within milliseconds.
  • the powder mixture / alloy is heated to a temperature range close to / above the melting point, sintered and converted into a metastable state by subsequent very rapid cooling.
  • This metastable condition is essential for carrying out a subsequent post-treatment, which decisively improves the properties of both the material and the components made from it.
  • the aftertreatment consists of the following steps, which can be carried out individually or in combination: compression, homogenization, stress relieving, heat treatment, reduction of internal defects, improvement of the surface quality.
  • the following additional powder elements are added individually or in any combination to the main component iron of the powder mixture: carbon C, silicon Si, copper Cu, tin Sn, - nickel Ni, molybdenum Mo, manganese Mn, chromium Cr , Cobalt Co, tungsten W, vanadium V, titanium Ti, phosphorus P, boron B.
  • These powder components can be added individually or in any combination, depending on the requirements for the properties of the prefabricated component or the manufacturing process, in the following quantities: carbon C: 0.01-2% by mass, silicon Si: up to 1% by mass , Copper Cu: up to 10% by mass, tin Sn: up to 2% by mass, nickel Ni: up to 10% by mass, molybdenum Mo: up to ⁇ % by mass, manganese Mn: up to 2% by mass or 10-13% by mass, chromium Cr: up to 5% by mass or 12-18% by mass, cobalt Co: up to 2% by mass, tungsten W up to 5% .-%, vanadium V: up to 1% by mass, titanium Ti: up to 0.5% by mass, phosphorus P: up to 1% by mass, boron B: up to 1% by mass.
  • the individual powder components are in elementary, alloyed or partially alloyed form. These can be powder particles that are alloyed with the main component iron. In this case, they are present as, for example, ferroboron, ferrochromium, ferrophosphorus, or iron silicide. It can also be added other elements in powder alloyed ⁇ ter or alloyed form such as Kuofer- phosphide, which, however, are not listed individually here. It is also provided that the powder mixture formed from the above-mentioned powder components is pre-alloyed in a separate process step.
  • the powder mixture consists of water or gas atomized powders, carbonyl powders, ground powders or a combination of these.
  • the powder particles of the powder mixture have a size of ⁇ 50 ⁇ m, preferably between 20-30 ⁇ m.
  • the powder particle size can be between 50 and max. 100 ⁇ m. This particle size is particularly advantageous if the components are to be manufactured quickly, i.e. if the powder layers in the laser sintering process have a layer thickness of ax. 100 ⁇ m, at which layer thickness the process can be rotated relatively quickly.
  • the iron powder has a proportion between 5 and 20% of particles of size ⁇ 10 ⁇ m and the remaining amount of the powder particles has a size between 50 and 60 ⁇ m.
  • the density of the components after laser sintering can be adjusted so that either short construction times with a lower component density or high property requirements (high densities with longer construction times) are taken into account.
  • the residual porosity can now be eliminated by targeted post-treatment (sintering, infiltration, HIP).
  • sintering infiltration, HIP
  • the temperature range remains unchanged or is improved.
  • the internal stresses can be removed by the heat treatment / sintering and the component quality be increased.
  • the minimum density is determined by the necessary part strength. It must be high enough that the part remains fixed on the construction platform and that post-treatment is possible.
  • the upper limit of the density is determined by the material and the ge ⁇ desired properties.
  • economic concerns are taken into account. For example, it has already been shown that by suitable selection of the powder characteristics and the chemical composition of the material system, laser- sintered parts with densities of 92% of the theoretical density could be produced. It is amélegier ⁇ th steel, in which the construction rate of 5.4 cm / hr. Higher Baura ⁇ rates can be set if economic concerns play a greater role than the component properties. To save costs, so a part Gerer laser sintered density can be manufactured with higher construction rate At low ⁇ . The notwen ⁇ ended density can be obtained by a post-treatment.
  • V fiction Laser-sintered components can be made directly to retired union under ⁇ densities. However, internal pores have a negative influence on the mechanical properties ⁇ properties of a component. Therefore, reducing the residual porosity is one way of expanding the field of application of laser sintered parts. This goal can be achieved by post-treatment with different steps.
  • the steps include a ) conventional sintering, b) infiltration, or c ) isostatic compression. During sintering various Me ⁇ mechanisms can be activated, for example.
  • Laser sintered structures made of steel can be particularly well compacted tern by a combination of solid state and remplissigphasensin ⁇ .
  • Directly laser-sintered components can have an inhomogeneous structure.
  • inhomogeneous structure For example, even in stem Sy ⁇ iron-carbon ferrite, pearlite and martensite and tempered the martensite are the same.
  • alloying elements such as e.g. B. molybdenum and boron, result in the formation of intermediate structures.
  • the microhardness thus varies between values from 150 to 900 HV and the inhomogeneity increases if elemental and / or partially pre-alloyed powder is used.
  • the formation and segregation of hard phases such as B. carbides, borides and nitrides reduce the mechanical properties, especially the toughness.
  • Homogenization which can be carried out together with sintering to increase the density, improves the component properties of laser-sintered structures.
  • the homogenization of alloy elements can also be achieved at high temperatures by the formation of a liquid phase.
  • the system Fe-0.8 C-0.3 B or Fe-1.2 C-0.4 P with copper, molybdenum and nickel (up to 2%) can be produced at approx. 1150 "C by the formation of diffusing eutectic, liquid phases from iron-carbon-boron or iron-carbon-phosphorus result in a densification and at the same time very rapid homogenization.
  • the structure then consists of fine, homogeneous bainite with a low proportion of solidified eutectic phase.
  • the surface quality can be positively influenced by heat treatment. Different methods have been used primarily, such as. B. blasting with different abrasives or Infiltra ⁇ tion. However, if an optimized sintering cycle applied to the density increase, thereby at the same time the surfaces ⁇ be improved quality.
  • the formation of a diffusive liquid phase near the surface plays an important role. This leads to a closing of the pores and at the same time to a leveling of the surface structures. This feature is advantageous for all complex components (mold inserts for plastic injection molding) in which other processes do not lead to the desired result.
  • the technical applications of the invention are to produce metal prototypes (rapid prototyping) of individual parts (Direct Parts) or tools (eg Formein ⁇ rates for the plastic injection molding or die-cast metal - Rapid Tooling) Direct sinter me the generative process Metal laser ⁇ . Due to the very good mechanical properties, such parts. be used in mold and tool construction as well as in machine, plant and vehicle construction.
  • the role of the additives can be to increase the absorbency of the iron powder from laser beams, to lower the melting point of the powder system, to use low-melting elements / alloys, to reduce the surface tension and viscosity, and to reduce deoxidation to improve the sintering activity in order to achieve high densities .
  • carbon as a fine elemental graphite increases the absorption capacity of iron / steel powder and reduces the melting point of the powder mixture through eutectic reaction and deoxidation.
  • Copper or bronze powder with a powder size of less than 45 ⁇ m acts as a low-melting element or compound and improves the sintering activity.
  • Phosphorus and boron reduce the surface tension and the viscosity of the melt, which arises during the laser sintering process, in order to achieve a good surface quality by avoiding the formation of spheres.
  • the role of the other powder alloy elements can lie both in the setting of the desired mechanical properties and in the reaction with other elements for increased melt formation (Fe-C-Mo).
  • the powder elements Carbon, molybdenum, chromium, manganese, nickel bring about the high mechanical properties of the finished component.
  • Phosphorus, boron, copper and tin have a high sintering activity.
  • the density can be varied between 70 and 95% of the theoretical density. A further increase in density to almost 100% is achieved by sintering in the solid-liquid transition temperature range.
  • a powder mixture consisting of iron, 0.8 M .-% C, 0.3 M .-% B is with the laser sintering parameters 215 W CO 2 laser, 100 mm / s laser scanning speed, 0.3 mm laser track width with a layer height of 100 microns.
  • the component hardness after laser sintering is approx. 200 HV30.
  • resintering in the temperature range 1200 - 1260 ° C (sintering time 10 min - 1 h) the density is increased to 98% of the theoretical density.
  • the hardness remains constant at 200 HV30.
  • a powder mixture consisting of iron, 0.7 - 1% by mass C, 2 - 4% by mass Cu, 1.5% by mass Mo, 0.15% by mass B is made with the laser sintering parameters 215 W C0 2 lasers, 100 mm / s laser scanning speed, 0.3 mm laser track width with a layer height of 50 ⁇ m to a density of 92 +/- 1% of the theoretical density.
  • the component hardness after laser sintering is approx. 370 ' HV30. Resintering in the temperature range 1200 - 1260 ° C (sintering time 10 min - 1 h) increases the density to 98% of the theoretical density. The hardness is reduced to 320 HV30 by slow furnace cooling.
  • a powder mixture consisting of iron, 1 - 1.2 M .-% C, 2 - 4 M .-% Cu, 0.4 M .-% P is with the laser sintering parameters 215 W CO 2 laser, 100 mm / s laser scanning speed , 0.3 mm laser track width with a, compared to the first example, reduced layer height of 50 ⁇ m to a density of 90 +/- 1% of the theoretical density.
  • the component hardness after laser sintering is approx. 450 HV3 Q. Resintering in the temperature range 1200 - 1260 ° C (sintering time 10 min - 1 h) increases the density to 98% of the theoretical density. The hardness drops to 370 HV30 due to a relatively slow furnace cooling and thus guarantees very good toughness properties.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung präziser Bauteile durch Lasersintern eines Pulvermaterials, das aus einer Mischung von mindestens zwei Pulverelementen besteht und ist dadurch gekennzeichnet, dass die Pulvermischung durch den Hauptbstandteil Eisenpulver und weitere Pulverlegierungselemente gebildet ist, die in elementarer, vorlegierter oder teilweise vorlegierter Form vorliegen, und dass im Verlaufe des Lasersinterprozesses aus diesen Pulverelementen eine Pulverlegierung entsteht. Es werden folgende Pulverlegierungselemente, jedes für sich oder in beliebiger Kombination dem Eisenpulver zugegeben: Kohlenstoff, Silizium, Kupfer, Zinn, Nickel, Molybdän, Mangan, Chrom, Kobalt, Wolfram, Vanadium, Titan, Phosphor, Bor. Die hergestellten Bauteile werden folgenden Nachbehandlungsschritten, die einzeln oder in beliebiger Kombination eingesetzt werden, unterzogen: Homogenisierung, Spannungsarmglühen, Wärmebehandlung, Abbau innerer Fehlstellen und Verbesserung der Oberflächengüte.

Description

Verfahren zur Herstellung präziser Bauteile mittels Lasersintern
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung präziser Bauteile gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Ein derartiges Verfahren ist aus der EP 0 782 487 bekannt. Danach wird ein Bauteil nach dem Verfahren des Lasersinterns durch Sintern von Metallpulvermischungen mit drei Kompomenten hergestellt. Dabei ist das wichtigste Ziel der Erfindung die Erhöhung der Schmelztemperatur des fertigen Bauteiles.
Bei der Herstellung von metallischen Bauteilen aus konventionellen Pulvermischungen besteht das Problem, dass die Porosität der hergestellten Bauteile relativ hoch ist. Werden die Bauteile mit einem Stahlpulver hergestellt, kann eine Dichte von ca.90% der theoretischen Dichte erreicht werden. In den lasergesinterten Teilen aus Bronze verbleibt eine Restporosität von ca. 30 %. Bei Erhöhung der Dichte der fertigen Bauteile z.B. durch Infiltration sinkt die Einsatztemperatur auf ca.l80°C. Weitere Nachteile der konventionellen Pulvermischungen bestehen in den erreichbaren mechanischen Eigenschaften des Bauteiles. Die thermischen Spannungen, die während des Lasersinterprozesses im Bauteil entstehen, bleiben als Eigenspannungen erhalten und führen zu einer Rissbildung an bestimmten Stellen, wie z. B. starken Querschnittübergängen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, metallische Bauteile im Verfahren des Lasersinterns kostengünstig mit sehr guten mechanischen Eigenschaften und in hoher Qualität herzustellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die CJnteransprüche stellen vorteilhafte Weiterbildungen dar. Danach besteht die Pulvermischung mit der im Verfahren des Lasersinterns Bauteile hergestellt werden sollen, aus dem Hauptbestandteil Eisen und weiteren Pulverbestandteilen, die in elementarer, vorlegierter oder in teilweise vorlegierter Form vorliegen können. Aus diesen Pulverlegierungselementen entsteht im Verlaufe des Lasersinterprozesses innerhalb von Millisekunden eine Pulverlegierung aus der das Bauteil besteht. Dabei wird die Pulvermischung/Legierung in einen Temperaturbereich nahe/oberhalb des Schmelzpunktes erwärmt, versintert und durch anschließendes sehr schnelles Abkühlen in einen metastabilen Zustand überführt. Dieser metastabile Zustand ist wesentlich für die Durchführung einer darauffolgenden Nachbehandlung, welche die Eigenschaften sowohl des Werkstoffes als auch der daraus hergestellten Bauteile entscheidend verbessert. Die Nachbehandlung besteht aus folgenden Schritten, die einzeln oder in Kombination durchgeführt werden können: Verdichtung, Homogenisierung, Spannungsarmglühung, Wärmebehandlung, Abbau innerer Fehlstellen, Verbesserung der Oberflächengüte.
Dem Hauptbestandteil Eisen der Pulvermischung werden je nach Anforderungen an das Fertigbauteil oder das Herstellungsverfahren folgende weitere Pulverelemente einzeln oder in beliebiger Kombination zugegeben: Kohlenstoff C, Silizium Si, Kupfer Cu, Zinn Sn,-- Nickel Ni, Molybdän Mo, Mangan Mn, Chrom Cr, Kobalt Co, Wolfram W, Vanadium V, Titan Ti, Phosphor P, Bor B.
Diese Pulverbestandteile können einzeln oder in beliebiger Kombination, je nach Anforderungen an die Eigenschaften des Fertigbauteils oder des Herstellungsverfahrens, in folgenden Mengen zugegeben werden: Kohlenstoff C: 0,01-2 M.-%, Silizium Si: bis zu 1 M.-%, Kupfer Cu:bis zu 10 M.-%, Zinn Sn: bis zu 2 M.-%, Nickel Ni: bis zu 10 M.-%, Molybdän Mo: bis zu β M.-%, Mangan Mn: bis zu 2 M.-% oder 10 - 13 M.-%, Chrom Cr: bis zu 5 M.-% oder 12 - 18 M.-%, Kobalt Co: bis zu 2 M.-%, Wolfram W bis zu 5 M.-%, Vanadium V: bis zu 1 M.-%, Titan Ti: bis zu 0,5 M.-%, Phosphor P: bis zu 1 M.-%, Bor B: bis zu 1 M.-%.
Die Erfindung sieht vor, dass die einzelnen Pulverbestandteile in elementarer, legierter oder teilweise legierter Form vorliegen. Dabei kann es sich um Pulverteilchen handeln, die mit dem Hauptbestandteil Eisen legiert sind. In diesem Fall liegen sie als z.B. Ferrobor, Ferrochrom, Ferrophosphor, oder Eisen- siiizid vor. Es können auch weitere Pulverelemente in legier¬ ter oder vorlegierter Form zugegeben werden, wie z.B. Kuofer- phosphid, die aber im übrigen hier nicht einzeln aufgezählt werden. Es ist auch vorgesehen, dass die aus den o.g. Pulverbestandteilen gebildete Pulvermischung in einem separaten Verfahrensschritt vorlegiert wird.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht die Pulvermischung aus wasser - oder gasverdüsten Pulvern, Karbonylpulvern, gemahlenen Pulvern oder einer Kombination aus diesen.
Es ist vorgesehen, dass die Pulverpartikel der Pulvermischung eine Größe <50 μm, bevorzugt zwischen 20-30 μm aufweisen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist auch vorgesehen, dass die Pulverpartikelgröße zwischen 50 und max.lOO μm liegen kann. Diese Partikelgröße ist dann besonderes vorteilhaft, wenn die Bauteile schnell hergestellt werden sollen, d.h. wenn die Pulverschichten im Lasersinterverfahren eine Schichtdicke von ax. lOOμm aufweisen, bei welcher Schichtdicke das Verfahren relativ schnell drehgeführt werden kann.
Es hat sich herausgestellt, dass eine Partikelverteilung von 30% <20 μm und einer Restmenge aus Partikeln der Größe zwi-. sehen 20 und βOμm zu besonderes guten Verfahrensergebnissen führt, da dadurch hohe Schüttdichte bei gleichzeitig guter Fliessfähigkeit erreicht wird.
Gemäß der vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 9 ist vorgesehen, dass der Hauptbestandteil der Pulvermischung, das Eisenpulver einen Anteil zwischen 5 und 20% von Partikeln der Größe <10μm und die Restmenge der Pulverpartikel eine Größe zwischen 50 und 60 μm aufweist.
Durch die optimierte Wahl der Belichtungsparameter kann die Dichte der Bauteile nach dem Lasersintern so eingestellt werden, dass entweder kurze Bauzeiten mit niedrigerer Bauteildichte oder hohe Eigenschaf sanforderungen (hohe Dichten bei längeren Bauzeiten) berücksichtigt werden. Bei sehr hohen Anforderungen hinsichtlich Temperatur und Verschleiß kann nun durch eine gezielte Nachbehandlung (Sintern, Infiltration, HIP) die Restporosität beseitigt werden. Dabei bleibt der Temperatureinsatzbereich unverändert oder wird verbessert. Gleichzeitig können durch die Wärmebehandlung/Sinterung die Eigenspannungen beseitigt und dadurch die Bauteilqualität ge- steigert werden. Bei der Her Stellung der Bauteile im Lasersinterverfahren wird die minimale Dichte durch die notwendige Teilefestigkeit bestimmt. Sie muss so hoch sein, dass einerseits das Teil auf der Bauplattform fixiert bleibt und andererseits die Durchführung einer Nachbehandlung möglich ist. Die obere Grenze der Dichte wird von dem Werkstoff und den ge¬ wünschten Eigenschaften bestimmt. Außerdem werden ökonomische Belange berücksichtigt. Z. B. konnte bereits gezeigt werden, dass durch geeignete Wahl der Pulvercharakteristik und der chemischen Zusammensetzung des Werkstoffsystems lasergesinter¬ te Teile mit Dichten 92 % der theoretischen Dichte hergestellt werden konnten. Dabei handelt es sich um einen niedriglegier¬ ten Stahl, bei dem die Baurate 5,4 cm /h betrug. Höhere Baura¬ ten können eingestellt werden, wenn ökonomische Belange eine größere Rolle als die Bauteileigenschaften spielen. Um Kosten zu sparen, kann daher ein Teil mit höherer Baurate bei niedri¬ gerer lasergesinterter Dichte hergestellt werden. Die notwen¬ dige Dichte kann durch eine Nachbehandlung erzielt werden.
Die einzelnen Verfahrensschritte der Nachbehandlung werden im Folgenden näher erläutert:
Verdichtung: Lasergesinterte Bauteile können direkt mit unter¬ schiedlichen Dichten hergestellt werden. Jedoch haben innere Poren einen negativen Einfluss auf die mechanischen Eigen¬ schaften eines Bauteils. Daher ist die Reduzierung der Restporosität, eine Möglichkeit, das Einsatzfeld lasergesinterter Teile zu erweitern. Dieses Ziel kann durch eine Nachbehandlung mit unterschiedlichen Schritten erreicht werden. Die Schritte beinhalten a) konventionelles Sintern, b) Infiltration oder c) isostatisches Verdichten. Beim Sintern können verschiedene Me¬ chanismen aktiviert werden, z. B. Festkörpersintern und/oder Flüssigphasensintern. Ein Drucksintern ist ebenso anwendbar. Lasergesinterte Strukturen aus Stahl können besonders gut durch eine Kombination aus Festkörper- und Flüssigphasensin¬ tern verdichtet werden. Lasergesinterte Stahlpulvergemische weisen eine hohe Inhomogenität auf. Starke Mii_ö - und Makrose- gregationen entstehen während der Belichtung mit dem Laser¬ strahl als Folge von Schockerwärmung und -abkühlung. Dadurch werden manche Legierungselemente, wie z. B. Kupfer, nicht vollständig im Stahlgefüge gelöst. Weiterhin entstehen nied¬ rigschmelzende Phasen, wie z. B. die Eutektika von Fe-C, Fe-B Fe-P. Wird nun ein lasergesintertes Bauteil aus Stahl in einem αazu geeigneten Ofen mit einer typischen Heizrate von 10 K/min erwärmt, kann sich eine flüssige Phase zwischen festen laser-
(Epoxydharzen) oder Metallinfiltration mit Kupfer, Bronze oder Hartloten kann zum Verschließen von Poren genutzt werden. Jedoch können solche Methoden nur offene Poren verschließen. Mechanische Methoden, die z. B. ein Heissisostatisches Pressen beinhalten, können auch auf geschlossene Poren angewendet werden.
Homogenisierung: Direkt lasergesinterte Bauteile können ein inhomogenes Gefüge aufweisen. Zum Beispiel liegen sogar im Sy¬ stem Eisen-Kohlenstoff Ferrit, Perlit und Martensit und angelassener Martenit gleichzeitig vor. Die Existenz von Legierungselementen, wie z. B. Molybdän und Bor, resultieren in der Bildung von Zwischenstufengefüge. Die Mikrohärte variiert dadurch zwischen Werten von 150 bis 900 HV.Die Inhomogenität steigt, wenn elementares und/oder teilweise vorlegiertes Pulver verwendet wird. Die Bildung und die Segregation von harten Phasen wie z. B. Karbiden, Boriden und Nitriden verringern die mechanischen Eigenschaften, insbesondere die Zähigkeit. Durch eine Homogenisierung, die zusammen mit der Sinterung zur Erhöhung der Dichte durchgeführt werden kann, verbessern sich die Bauteileigenschaften lasergesinterter Strukturen. Die Homogenisierung von Legierungselementen kann ebenfalls bei hohen Temperaturen durch die Bildung einer flüssigen Phase erzielt werden. Das System Fe-0,8 C-0,3 B oder Fe-1,2 C-0,4 P mit Anteilen von Kupfer, Molybdän und Nickel (bis zu 2 %) kann bei ca. 1150 "C durch die Bildung von diffundierenden eutekti- schen, flüssigen Phasen aus Eisen-Kohlenstoff-Bor bzw. Eisen- Kohlenstoff-Phosphor in einer Verdichtung und gleichzeitig sehr schnell ablaufenden Homogenisierung resultieren. Das Gefüge besteht danach aus feinem, homogenen Bainit mit einem geringen Anteil an erstarrter eutektischer Phase.
Spannungsarmglühen: Erwärmung und Abkühlen der Pulverteilchen im Lasersinterprozess finden in einem sehr kurzen Zeitfenster statt (<50 ms) . Dadurch kommt es zur Ansammlung von thermischen Spannungen in bestimmten Bereichen des Bauteils. Wenn der Werkstoff zusätzlich eine Phasenumwandlung erlebt, werden den thermischen Spannungen weitere Eigenspannungen überlagert. Z. B. kann für einen lasergesinterten Stahl mit 1 % C ein βOminütiges Halten bei einer Temperatur von 200 °C die Erhöhung der Biegefestigkeit um 20 % bewirken. Spannungsarmglühen verbessert die Bauteileigenschaften also in erheblichen Maße. Diese Methode kann mit den Schritten a) und b) verbunden wer¬ den . Wärmebehandlung: Diese Nachbehandlung setzt sich zusammen aus der Homogenisierung und dem Spannungsarmglühen.
Abbau innerer. Fehlstellen: Thermische Spannungen, die während des Bauprozesses entstehen, verbleiben nach dem Lasersinter- prozess als Eigenspannungen im Bauteil. Akkumulierte Eigenspannungen bewirken oftmals eine Rissbildung senkrecht zur Baurichtung. Diese Eigenspannungen müssen besonders in hochbe¬ anspruchten Teilen, wie z. B. Werkzeugen, beseitigt werden. Eine Wärmebehandlung des zuvor genannten Stahls bei einer Tem¬ peratur von 1220 °C (20 min) bewirkte eine Verbesserung der Biegefestigkeit um 40 % ohne Änderung der Dichte.
Verbesserung der Oberflächengüte: Die Oberflächengüte kann durch eine Wärmebehandlung positiv beeinflusst werden. Unterschiedliche Methoden werden bisher vorrangig eingesetzt, wie z. B. Strahlen mit verschiedenen Strahlmitteln oder Infiltra¬ tion. Wird jedoch ein optimierter Sinterzyklus zur Dichtesteigerung angewendet, kann dadurch gleichzeitig die Oberflächen¬ güte verbessert werden. Dabei spielt die Bildung einer diffu- siven flüssigen Phase nahe der Oberfläche eine große Rolle. Diese führt zu einem Verschließen der Poren und gleichzeitig zu einer Einebnung der Oberflächenstrukturen. Dieses Merkmal ist bei allen komplexen Bauteilen (Formeinsätze für den Kunst- stoffspritzguss) vorteilhaft, bei denen andere Verfahren nicht zum gewünschten Resultat führen.
Die technischen Anwendungsgebiete der Erfindung bestehen in der Herstellung metallischer Prototypen (Rapid Prototyping) , von Einzelteilen (Direct Parts) oder Werkzeugen (z.B. Formein¬ sätze für den Kunstoffspritzguss oder Metalldruckguss - Rapid Tooling) mir dem generativen Verfahren Direktes Metall Laser^ sintern. Aufgrund der sehr guten mechanischen Eigenschaften können solche Teile . im Formen- und Werkzeugbau sowie im Maschinen-, Anlagen- und Fahrzeugbau verwendet werden.
Das er'findungsgemäße Verfahren wird anhand der folgenden bei- spiele näher beschrieben:
Beispiel 1:
Konventionelle Pulver werden in der gewünschten Legierungszu¬ sammensetzung miteinander gemischt, wobei die Pulvereigen¬ schaften • so eingestellt werden, dass sie den Anforderun¬ gen an das Fertigbauteil oder das Verfahren entsprechen. Es ist wesentlich, dass ein gutes Fliessverhalten bei gleichzeitig hoher Schüttdichte erreicht wird. Die Rolle der Zusatzstoffe besteht in der Einstellung bestimmter mechanischer, physikalischer und chemischer Eigenschaften des fertigen Bauteils. Weiterhin kann die Rolle der Zusatzstoffe in der Erhöhung des Absorptionsvermögens des Eisenpulvers von Laserstrahlen, der Verringerung des Schmelzpunktes des Pulversystems, dem Einsatz niedrigschmelzender Elemente/Legierungen, der Verringerung der Oberflächenspannung und Viskosität sowie der De- soxidation zur Verbesserung der Sinteraktivität zum Erzielen hoher Dichten bestehen. Z. B. bewirkt Kohlenstoff als feiner elementarer Graphit (Pulvergröße 1 - 2 μm) die Erhöhung des Absorptionsvermögens von Eisen-/Stahlpulver und die Verringerung des Schmelzpunktes der Pulvermischung durch eutektische Reaktion und Desoxidation. Kupfer- oder Bronzepulver mit einer Pulvergröße von kleiner 45 um fungiert als ein niedrigschmelzendes Element bzw. eine niedrigschmelzende Verbindung und verbessert die Sinteraktivität. Phosphor und Bor verringern die Oberflächenspannung und die Viskosität der Schmelze, die während des Lasersinterprozesses entsteht, um durch das Vermeiden der Kugelbildung eine gute Oberflächenqualität zu erzielen. Die Rolle der weiteren Pulverlegierungselemente kann sowohl in der Einstellung gewünschter mechanischer Eigenschaften als auch in der Reaktion mit anderen Elementen zur verstärkten Schmelzebildung (Fe-C-Mo) liegen. Die Pulverelemente. Kohlenstoff, Molybdän, Chrom, Mangan, Nickel bewirken die hohen mechanischen Eigenschaften des fertigen Bauteils. Phosphor, Bor, Kupfer und Zinn bewirken eine hohe Sinteraktivität. Durch die Wahl geeigneter Lasersinterparameter kann die Dichte zwischen 70 und 95 % der theoretischen Dichte variiert werden. Eine weitere Dichtesteigerung auf nahezu 100 % wird durch eine Sinterung im Übergangstemperaturbereich Fest-Flüssig erreicht.
Beim direkten Lasersintern der beschriebenen Pulvermischung werden Dichten von 70 - 95 % der theoretischen Dichte erzielt. Die maximale Dichte hängt von der Belichtungsstrategie und der chemischen Zusammensetzung, der Legierungsweise sowie den Eigenschaften (Pulverform, Partikelverteilung, Pulvergröße) der verwendeten Pulvermischung ab: z.B. kann mit den Lasersinterparametern 215 W cw C02-Laser mit der Baugeschwindigkeit von
5.4 cmJ /h eine Dichte von 92 ± 1 % der theoretischen Dichte für Pulver, bestehend aus (in M.-%): 0,7 - 1 c, 2 - 4 Cu, bis zu
1.5 Mo, bis zu 2 Ni, bis zu 0,4 Sn, 0,15 B, erreicht werden. Beispiel 2 :
Eine Pulvermischung bestehend aus Eisen, 0,8 M.-% C, 0,3 M.-% B wird mit den Lasersinterparametern 215 W C02-Laser, 100 mm/s Laserscangeschwindigkeit, 0,3 mm Laserspurbreite bei einer Schichthöhe von 100 μm. zu einer Dichte von 80 - 85 % der theoretischen Dichte lasergesintert. Die Bauteilhärte nach dem Lasersintern beträgt ca. 200 HV30. Durch ein'e Nachsinterung im Temperaturbereich 1200 - 1260 °C (Sinterdauer 10 min - 1 h) wird die Dichte auf 98 % der theoretischen Dichte erhöht. Die Härte bleibt konstant bei 200 HV30. Beispiel 3:
Eine Pulvermischung bestehend aus Eisen, 0, 7 - 1 M.-% C, 2 - 4 M.-% Cu, 1,5 M.-% Mo, 0,15 M.-% B wird mit den Lasersinterparametern 215 W C02-Laser, 100 mm/s Laserscangeschwindigkeit, 0,3 mm Laserspurbreite bei einer Schichthöhe von 50 μm zu einer Dichte von 92 +/- l % der theoretischen Dichte lasergesintert. Die Bauteilhärte nach dem Lasersintern beträgt ca. 370' HV30. Durch eine Nachsinterung im Temperaturbereich 1200 - 1260 °C (Sinterdauer 10 min - 1 h) wird die Dichte auf 98 % der theoretischen Dichte erhöht. Die Härte verringert sich auf 320 HV30 durch eine langsame Ofenabkühlung.
Beispiel 4:
Eine Pulvermischung bestehend aus Eisen, 1 - 1,2 M.-% C, 2 - 4 M.-% Cu, 0,4 M.-% P wird mit den Lasersinterparametern 215 W C02-Laser, 100 mm/s Laserscangeschwindigkeit, 0,3 mm Laserspurbreite bei einer, im Vergleich zum ersten Beispiel, verringerten Schichthöhe von 50 μm zu einer Dichte von 90 +/-1 % der theoretischen Dichte lasergesintert. Die Bauteilhärte nach dem Lasersintern beträgt ca. 450 HV3Q. Durch eine Nachsinterung im Temperaturbereich 1200 - 1260 °C (Sinterdauer 10 min - 1 h) wird die Dichte auf 98 % der theoretischen Dichte erhöht. Die Härte sinkt durch eine relativ langsame Ofenabkühlung auf 370 HV30 und garantiert somit sehr gute Zähigkeitseigenschaften.
Beispiel 5:
Eine Eisenpulvermischung mit 0,8 M.-% Kohlenstoff ergibt nach dem Lasersintern Rauheitswerte von Rz 150 μm un(_ Ra 29 μm. Wird der Kohlenstoffanteil auf 1,6 M.-% erhöht, verbessern sich die Rauheitswerte auf RΣ 60 μm und Ra 19 μm. Pulvermischungen mit sehr guten mechanischen Eigenschaften nach dem Lasersintern (siehe Pulvermischung aus dem Bespiel 3) weisen Rauheitswerte von Rz 75 μm und Ra 11 μm auf. Durch eine dem Lasersintern nachfolgende Sinterung kann die Oberflächenqualität weiter verbessert werden. Sie sinken die Rauheitswerte der Pulvermischung Eisen, 0,8 M.-% C und 0,3 M.-% B nach einer Sinterung bei 1260 - 1280 °C, 30 Minuten - 1 Stunde Sinterdauer im Vorvakuum, auf Rz 19,6 μm und Ra 2,6 μm.

Claims

Patentansprüche
I.Verfahren zur Herstellung präziser Bauteile durch Lasersintern eines Pulvermaterials, das aus einer Mischung von mindestens zwei Pulverelementen besteht dadurch gekennzeichnet, dass die Pulvermischung durch den Hauptbestandteil Eisenpulver und weitere Pulverlegierungselemente gebildet ist, die in elementarer, vorlegierter oder teilweise vorlegierter Form vorliegen, und dass im Verlaufe des Lasersinterprozesses aus diesen Pulverelementen eine Pulverlegierung entsteht, und wobei die hergestellten Bauteile folgenden Nachbehandlungsschritten, die einzeln oder in beliebiger Kombination eingesetzt werden, unterzogen werden: Homogenisierung, Spannungsarmglühen, Wärmebehandlung, Abbau innerer Fehlstellen und Verbesserung der Oberflächengüte.
2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass folgende, in elementarer, legierter oder vorlegierter Form vorliegende, Pulverelemente jedes für sich oder in beliebiger Kombination dem Eisenpulver zugegeben werden: Kohlenstoff, Silizium, Kupfer, Zinn, Nickel, Molybdän, Mangan, Chrom, Kobalt, Wolfram, Vanadium, Titan, Phosphor, Bor.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulverelemente jedes für sich oder in beliebiger Kombination in folgenden Mengen zugegeben werden: Kohlenstoff: 0,01-2 M.- %, Silizium: bis zu 1 M.-%, Kupfer:bis zu 10 M.-%, Zinn: bis zu 2 M.-%, Nickel: bis zu 10 M.-%, Molybdän: bis zu 6 M.-%, Mangan: bis zu 2 M.-% oder 10 - 13 M.-%, Chrom: bis zu 5 M.-% oder 12 - 18 M.-%, Kobalt: bis zu 2 M.-%, Wolfram bis zu 5 M.- %, Vanadium: bis zu 1 M.-%, Titan: bis zu 0,5 M.-%, Phosphor: bis zu 1 M.-%, Bor: bis zu 1 M.-%. . Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Pulverelemente in legierter oder vorlegierter Form als Ferrochrom, Ferrobor, Ferrophosphor, Kup- ferphosphid oder Eisensilizid vorliegen.
5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Pulvermischung aus gasverdüsten Pulvern, Karbonylpulvern, gemalenen Pulvern oder einer Kombination davon besteht.
6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Pulvermischung aus einer Menge von Pulverpartikeln mit einer Größe kleiner 50μm, bevorzugt zwischen 20 - 30μm besteht.
7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Pulvermischung aus Partikeln mit einer Größe 50 - max.lOOμm besteht.
8. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Pulvermischung zu 30% aus Partikeln besteht, die kleiner sind als 20μm und dass die Restmenge aus Partikeln mit der Größe zwischen 20 und 60 μm besteht.
9. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptbestandteil der Pulvermischung, das Eisenpulver zwischen 5 und 20% der Partikel der Größe kleiner 10 μm aufweist und dass die Restmenge aus Partikeln der Größe 50 - 60 μm besteht.
10. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter des Lasersintervorganges wie Laserenergie, Lasergeschwindigkeit, Spurbreite und Belichtung, in Abhängigkeit von den gewünschten Eigenschaften des • Fertigteiles eingestellt werden.
11. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt der Verdichtung als konventionelles Sintern, Infiltration oder isostatisches Verdichten durchgeführt wird.
12. Verfahren nach Ansprch 11 dadurch gekennzeichnet, dass das Sintern als Festkörpersintern oder als Drucksintern durchgeführt wird.
13. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass Spannungsarmglühung in Verbindung mit dem Schritt der Verdichtung und der Homogenisierung durchgeführt wird.
14. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt der Wärmebehandlung aus den Schritten Homogenisierung und Spannungsarmglühung besteht.
15. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt der Verbesserung der Oberflächengüte durch Strahlen mit verschiedenen Strahlmitteln durch Infiltration oder durch einen optimierten Sinterzyklus durchgeführt wird.
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