EP1807550A1 - Verfahren zum herstellen von metallbauteilen - Google Patents

Verfahren zum herstellen von metallbauteilen

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EP1807550A1
EP1807550A1 EP05792542A EP05792542A EP1807550A1 EP 1807550 A1 EP1807550 A1 EP 1807550A1 EP 05792542 A EP05792542 A EP 05792542A EP 05792542 A EP05792542 A EP 05792542A EP 1807550 A1 EP1807550 A1 EP 1807550A1
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EP
European Patent Office
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metal
supplement
energy input
metal hydride
takes place
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP05792542A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Norbert Hort
Karl Ulrich Kainer
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GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Original Assignee
GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH filed Critical GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Publication of EP1807550A1 publication Critical patent/EP1807550A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C26/00—Coating not provided for in groups C23C2/00 - C23C24/00
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • 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
    • B22F10/30—Process control
    • B22F10/32—Process control of the atmosphere, e.g. composition or pressure in a building chamber
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • 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
    • B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/10—Sintering only
    • B22F3/1039—Sintering only by reaction
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • 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
    • B22F10/25—Direct deposition of metal particles, e.g. direct metal deposition [DMD] or laser engineered net shaping [LENS]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • 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
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y80/00—Products made by additive manufacturing
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • 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 metal components.
  • melt metallurgy processes are known for producing metal components. It is problematic here for some metals which react particularly exothermically that the molten metal reacts with the molding materials. This applies in particular to molding sands and gypsum-based mold materials. In the case of these molding materials, surface reactions occur and are associated with rough surfaces. These strong reactions can destroy components, molds and casting machines. Polymeric molding materials can not be used because of their decomposition temperatures. One of the most problematic metals is magnesium.
  • the object is achieved according to the Ver ⁇ drive in that a metal of a metal of the first and / or second main group and / or a Ne ⁇ ben distr of the Periodic Table of the elements in a troll lying at a certain distance apart.
  • the metal hydride decomposes into pure metal and hydrogen, which escapes and can optionally be captured.
  • the resulting pure metal sinters through the energy input in the controlled atmosphere to a metal component.
  • the controlled atmosphere prevents the formation of metal oxide on the surface of the metal powder.
  • the controlled atmosphere is a vacuum or a protective gas atmosphere.
  • an inert gas is particularly preferred as protective gas.
  • the metal hydride is heated by the energy input.
  • the heating causes the decomposition. According to the invention, this takes place advantageously when the heating to or above the decomposition temperature of the metal hydride follows er ⁇ .
  • a particularly preferred metal is magnesium.
  • the heating is preferably at or above a temperature of 300 ° C.
  • An alternative preferred metal is titanium.
  • the heating is preferably at or above a temperature of 400 ° C.
  • the metal hydride is provided with a supplement. Due to the addition, specific properties of the metal part can be set and also influence the required amount of energy and energy input duration.
  • the addition is preferably metal powder, ceramic powder, powdered silicon, pulverulent carbon and / or fillers. Supplements of carbon, carbon and silicon and / or SiC have positive properties with regard to an increase in temperature within the material in certain types of energy input.
  • aluminum powder can be used as metal powder.
  • the mixing ratios and specific additives used or Kerami ⁇ ken depend on the selected application of the metal part from. Furthermore, the selection of which addition is made depends on the type of energy input.
  • the energy input takes place by high-energy radiation.
  • These are preferably electron beams and / or laser beams.
  • Another advantageous type of energy input is the energy input through microwaves. All these types of energy input effect a controlled metered, section-wise introduction of energy, so that the metal component can be constructed exactly as specified.
  • C, C + Si and SiC interact with the microwaves in such a way that there is an additional heat development, which supports the sintering.
  • Blends, especially of Al reduce the melting temperature by forming eutectic phases. This also supports the construction of sintered necks.
  • the method described above is suitable, as it seeks to produce prototypes of titanium or magnesium.
  • FIG. 1 shows a first arrangement for carrying out the method according to the invention
  • FIG. 2 shows a second arrangement for carrying out the method according to the invention.
  • a controlled atmosphere 2 is set by suitable means (not shown).
  • the controlled atmosphere can be This is a protective gas atmosphere, for example, from Intergas or a vacuum, act.
  • a metal component is to be produced.
  • a powdery raw material 4 is applied to the surface of the bottom of the chamber 1 and sintered by means of an energy source 5, 7.
  • Bautei1abêt 3 further powdered raw material 4 is applied. Die ⁇ ses is repeated until the component is finished.
  • the raw material 4 is sintered by a laser beam 9 generated by a laser 5.
  • the laser steel 9 is thereby deflected via a control element 6 via the raw material so that it is sintered in the desired manner and in the desired sequence.
  • Fig. 1 already sintered Bautei1abête 3a are shown.
  • Bautei1abête 3a By omitting raw material 4 it becomes clear that a selective arrangement of component sections 3a is readily possible.
  • the raw material 4 is sintered in its entirety by the introduction of microwaves 8, which are generated by a microwave source 7.
  • microwaves 8 which are generated by a microwave source 7.
  • section-wise sintering is possible, for example, through the use of covers such as shadow masks (not shown).
  • limit forms can be used.
  • the raw material 4 can be provided with an aggregate which alters the angle of repose. This can be achieved, for example, by adhesive properties of the aggregate with regard to the raw material particles.
  • the high-energy jet When Mg hydride is used, the high-energy jet must heat the powder to a temperature above 300 ° C. in order to decompose it. In the case of pure Mg hydride, the hydride is converted into Mg and H 2 in the effective range of the jet.
  • the Mg connects directly to a structure. For the formation of first sintered necks, only short reaction times of a few seconds are necessary. It forms compounds that are particularly stable --wenn temperatures are at least 80% of the melting temperature 'reached.
  • the pressure within the laser sintering unit is at least 370 Pa or more in order to prevent evaporation of the Mg when it is in liquid form.
  • compositions are within those of known Mg alloys.
  • a pressure of 0.5 Pa should not be undercut. Also in this case, a temperature of about 80% of the melting temperature of Ti should be achieved in order to give rise to approximately stable compounds.
  • Suitable additives are the already known alloy elements for titanium alloys.
  • the result is Ti 6 Al 4 V at a composition of 6 wt.%.
  • the method according to the invention can be used in various fields of the automotive industry, mechanical engineering, electronics and medical technology.
  • the aim is the production of components that allow a first assessment, for example, the handling of a component. It can be, for example, a 3-D component manufacture of an electronic device, the dabressen 'in the En ⁇ and corresponds to the weight of the future produzie ⁇ Governing unit. It can thus serve as a demonstrator at trade shows and demonstrations at customers.
  • the production of components, for example for an engine is comparable.
  • function models which can assume the future function for a certain period of time. In this way, first information regarding the performance can be collected.
  • the size of the component to be manufactured is essentially determined by the size of the device with which the production is carried out. With regard to the smallest dimensions, both the particle size of the powdery starting materials play a role, as does the focus, if the production of e.g. with the aid of a laser or other radiation source.
  • Which component or pattern is produced is essentially determined by the combination of costs and the available time, as well as by the number of pieces which is to be produced in advance. In any case, functional samples or components can be produced within half an hour or days using the method according to the invention. The costs are generally much lower than in model and mold making.

Abstract

Die Erfindung offenbart ein Verfahren zum Herstellen von Metallbauteilen. Um diese Bauteile durch Rapid Prototyping herstellen zu können, wird vorgeschlagen, dass ein Metallhydrid eines Metalls der ersten oder/und zweiten Hauptgruppe oder/und einer Nebengruppe des Periodensystems der Elemente in einer kontrollierten Atmosphäre durch Energieeintrag zersetzt wird.

Description

GKSS-Forschungszentrum Geesthacht GmbH, Max-Planck-Stra¬ ße 1, 21502 Geesthacht
Verfahren zum Herstellen von MetallbauteiTen
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ei,n Verfahren zum Herstellen von MetalIbautei1en.
Beispielsweise sind zur Herstellung von Bauteilen aus Metall schmelzmetallurgjsche Verfahren bekannt. Proble¬ matisch ist bei einigen Metallen hierbei, die besonders exotherm reagieren, daß die Metallschmelze mit den For¬ menwerkstoffen reagiert. Dieses gilt insbesondere für Formsande und gipsbasierte Formenwerkstoffe. Bei diesen Formenstoffen kommt es zu Oberflächenreaktionen und da¬ mit verbunden zu rauhen Oberflächen. Diese starken Reak¬ tionen können Bauteile, Formen und auch Gießanlagen zer¬ stören. Polymere Formenstoffe lassen sich wegen ihrer Zersetzungstemperaturen nicht einsetzen. Ein Metall, bei dem dies besonders problematisch ist, ist Magnesium.
Hingegen ist der Einsatz von Stahlformen meistens pro¬ blemlos möglich. Diese reagieren nicht mit der Metall- schmelze und zeichnen sich durch eine hohe Temperatur- Stabilität aus. Sie sind allerdings gänzlich ungeeignet, will man Einzelteile oder Kleinserien oder gar Prototy¬ pen herstellen. Bei Prototypen ist es erwünscht, die mit der Fertigung verbundenen Kosten gering zu halten. Auch erfordern die Formen einen hohen Zeitaufwand, der ein schnelles Herstellen unterschiedlichster Prototypen für Testzwecke verhindert.
Diese Kosten und den damit verbundenen Zeitaufwand ver¬ sucht man mit dem sogenannten Rapid Prototyping zu umge¬ hen. Hierbei handelt es sich um ein Verfahren zur schnellen Erstellung von Prototypen beispielsweise aus einem 3D-CAD-Datenmodell .
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzu¬ stellen, durch das sich Metallbauten"Ie aus besonders exotherm reagierenden Metallen durch Rapid Prototyping herstellen lassen.
Gelöst wird die Aufgabe gemäß dem erfindungsgemäßen Ver¬ fahren dadurch, daß ein Metallhydfid eines Metalls der ersten oder/und zweiten Hauptgruppe oder/und einer Ne¬ bengruppe des Periodensystems der Elemente in einer kon¬ trollierten Atmosphäre durch Energieeintrag zersetzt wird.
Durch das Zersetzen zerfällt das Metallhydrid in reines Metall und Wasserstoff, welcher entweicht und optional aufgefangen werden kann. Das so entstehende reine Metall sintert durch den Energieeintrag in der kontrollierten Atmosphäre zu einem Metallbauteil. Die kontrollierte At¬ mosphäre verhindert das Entstehen von Metalloxid an der Oberfläche des Metal1pulvers . Vorteilhafterweise handelt es sich bei der kontrollier¬ ten Atmosphäre um ein Vakuum oder eine Schutzgasatmo¬ sphäre. Als Schutzgas wird hierbei ein Inertgas beson¬ ders bevorzugt.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Er¬ findung ist vorgesehen, daß das Metallhydrid durch den Energieeintrag erwärmt wird. Durch die Erwärmung wird die Zersetzung herbeigeführt. Erfindungsgemäß geschieht dieses vorteilhafterweise, wenn die Erwärmung auf oder über die Zersetzungstemperatur des Metal 1hydrids er¬ folgt.
Bei einem besonders bevorzugten Metall handelt es sich um Magnesium. Bei diesem Metall erfolgt die Erwärmung bevorzugt auf oder über eine Temperatur von 300 °C.
Ein alternatives bevorzugtes Metall stellt Titan dar. Bei diesem Metall erfolgt die Erwärmung bevorzugt auf oder über eine Temperatur von 400 0C.
Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, daß das Me¬ tallhydrid mit einem Zuschlag versehen wird. Durch den Zuschlag lassen sich spezifische Eigenschaften des Me¬ tallteils einstellen und auch erforderliche Energiemenge und Energieeintragsdauer beeinflussen. Bei dem Zuschlag handelt es sich vorzugsweise um Metal 1pulver, Keramik¬ pulver, pϋlverförmiges Silizium, pulverförmiger Kohlen¬ stoff und/oder Füllstoffe. Zuschläge aus Kohlenstoff, Kohlenstoff und Silizium und/oder SiC weisen bei be¬ stimmten Arten des Energieeinträgs positive Eigenschaf¬ ten hinsichtlich einer Temperaturerhöhung innerhalb des Materials auf. Als Metallpulver läßt sich insbesondere Aluminiumpulver einsetzen. Die Mischungsverhältnisse und eingesetzten spezifischen Zuschlagselemente bzw. Kerami¬ ken hängen von der gewählten Anwendung des Metallteils ab. Weiterhin hängt die Auswahl, welcher Zuschlag zuge¬ geben wird, von der Art des Energieeintrags ab.
Bei einer noch anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt der Energieeintrag durch hochenergeti¬ sche Strahlen. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um Elektronenstrahlen und/oder Laserstrahlen. Eine weitere vorteilhafte Art des Energieeintrags ist der Energieein¬ trag durch Mikrowellen. Alle diese Arten des Energieein¬ trags bewirken einen gesteuerten dosierten abschnitts¬ weisen Energieeintrag, so daß das Metallbauteil exakt nach Vorgabe aufgebaut werden kann. C, C + Si und SiC interagieren dabei mit den Mikrowellen derart, daß es zu einer zusätzlichen Hitzeentwicklung kommt, welche das Sintern unterstützt. Zumischungen insbesondere von Al verringern die Schmelztemperatur durch Ausbilden von eu- tektischen Phasen. Dadurch wird zusätzlich der Aufbau von Sinterhälsen unterstützt.
Das zuvor beschriebene Verfahren ist geeignet, wie ange¬ strebt, Prototypen aus Titan oder Magnesium herzustel¬ len.
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die nachfol¬ genden sohematischen Zeichnungen anhand eines Ausfüh¬ rungsbeispiels im einzelnen beschrieben. Darin zeigen
Fig. 1 eine erste Anordnung zur Ausführung des erfin¬ dungsgemäßen Verfahrens und
Fig. 2 eine zweite Anordnung zur Ausführung des erfin- dungsgemäßen Verfahrens.
In einer Kammer 1 wird durch geeignete Mittel (nicht dargestellt) eine kontrollierte Atmosphäre 2 einge¬ stellt. Bei der kontrollierten Atmosphäre kann es sich dabei um eine Schutzgasatmosphäre, beispielsweise aus Intergas oder um ein Vakuum, handeln.
Auf dem Boden der Kammer 1 soll ein Metallbauteil herge¬ stellt werden. Dafür wird ein pulverförmiges Rohmaterial 4 auf die Oberfläche des Bodens der Kammer 1 aufgebracht und mittels einer Energiequelle 5, 7 gesintert. Auf die¬ sen bereits fertiggestellten Bautei1abschnitt 3 wird weiteres pulverförmiges Rohmaterial 4 aufgebracht. Die¬ ses wird wiederholt, bis das Bauteil fertig hergestellt ist.
In Fig. 1 wird das Rohmaterial 4 durch einen von einem Laser 5 erzeugten Laserstrahl 9 gesintert. Der Laser¬ stahl 9 wird dabei über ein Steuerelement 6 so über das Rohmaterial abgelenkt, daß es in gewünschter Art und Weise und in gewünschter Reihenfolge gesintert wird. In Fig. 1 sind dabei bereits gesinterte Bautei1abschnitte 3a dargestellt. Durch Weglassen von Rohmaterial 4 wird deutlich, daß ein selektives Anordnen von Bauteilab¬ schnitten 3a ohne weiteres möglich ist. Zwischen den Bauteilabschnitten 3a befindet sich ein Freiraum 3b. Wird in diesen Freiräum ein Material eingebracht, wel¬ ches durch den Energieeintrag nicht verändert wird und welches mit dem Rohmaterial während des Sinterns nicht reagiert, so ist es im nächsten Bauabschnitt möglich, den Freiraum 3 mit einem weiteren Bautei1abschnitt 3b zu überdecken.
Aus Fig. 2 ist erkennbar, daß eine freie Formgebung des Bauteils 3 ohne weiteres möglich ist. In Fig. 2 wird das Rohmaterial 4 durch den Eintrag von Mikrowellen 8, die von einer Mikrowellenquelle 7 erzeugt werden, vollflä¬ chig gesintert. Ein abschnittsweises Sintern ist aller¬ dings beispielsweise durch den Einsatz von Abdeckungen wie Lochmasken (nicht dargestellt) möglich. Sollen Bau- teile gesintert werden, bei denen die Schüttwinkel des Rohmaterials 4 ein Problem darstellen, so können Begren- zungsformen (nicht dargestellt) eingesetzt werden. Al¬ ternativ kann das Rohmaterial 4 mit einem Zuschlagsstoff versehen werden, welches den Schüttwinkel verändert. Dieses kann beispielsweise durch klebende Eigenschaften des Zuschlags hinsichtlich der Rohmaterialpartikel er¬ reicht werden.
Bei der Verwendung von Mg-Hydrid muß der hochenergeti¬ sche Strahl das Pulver auf eine Temperatur oberhalb von 300 °C aufheizen, um dieses zu zersetzen. Im Fall von reinem Mg-Hydrid wandelt sich das Hydrid im Wirkungsbe¬ reich des Strahls in Mg und H2 um. Das Mg verbindet sich unmittelbar zu einer Struktur. Zur Ausbildung von ersten Sinterhälsen sind nur geringe Reaktionszeiten von eini¬ gen Sekunden notwendig. Es bilden sich Verbindungen, die besonders stabil sind, --wenn Temperaturen mindestens von 80% der Schmelztemperatur' erreicht werden. Der Druck in¬ nerhalb der Lasersinteranlage liegt bei mindestens 370 Pa oder mehr, damit ein Abdampfen des Mg, wenn es in flüssiger Form vorliegt, vermieden wird.
Bei einer Mischung von AI-Pulver und Mg-Hydrid entsteht ebenfalls reines Mg und kann sich unter Strahleinwirkung mit dem Al mischen, wenn es in flüssiger Form vorliegt. Damit muß zunächst eine Temperatur von 1650 0C (Schmelz¬ temperatur von Mg) überschritten werden. Es entsteht an den' Reaktionsflächen die intermetallische Verbindung MgnAIi2 mit einem Schmelzpunkt von 437 0C. Damit ist zu¬ gleich eine Verdichtung unter Strahleinwirkung verbunden.' Die Zugabe von Al soll 15 Gew.-% nicht -über¬ steigen. 'Die Strahldauer liegt im Bereich einiger Sekun¬ den und kann nach Belieben verlängert werden. Auch in diesem Fall sollen 370 Pa Druck nicht unterschritten werden, um ein Abdampfen des Mg zu vermeiden, wenn es in flüssiger Form vorliegt.
Es können weitere Elemente verwendet werden, die eutek- tische Systeme zusammen mit Mg bilden oder auch interme¬ tallische Verbindungen, die ebenfalls zusammen mit Mg in eutektischen Systemen auftreten. Dazu gehören u.a. Sn, Ni, Zn.
Die Zugabe eines Elementes wie Si hat die Entstehung der intermetallischen Phase Mg2Si zur Folge, die jedoch erst entstehen kann, wenn Mg als flüssige Phase vorliegt. Dann wird durch die exotherme Bildungsreaktion Mg + 2 Si -> Mg2Si weitere Reaktionswärme zur Verfügung gestellt, um eine zusätzliche Verdichtung zu erreichen. Maximale Zugaben von Si sollen 25 Gew.-% (66,57 Vol.-%) nicht überschreiten .
Neben binären System kommen auch ternär'e, quaternäre Sy¬ steme wie auch Systeme höherer Ordnung in Frage. Die Zu¬ sammensetzungen bewegen sich innerhalb derer von bekann¬ ten Mg-Legierungen.
Beim Einsatz von Titanhydrid sollte ein Druck von 0,5 Pa sollte nicht unterschritten werden. Auch in diesem Fall sollte eine Temperatur von ca. 80% der Schmelztemperatur von Ti erreicht werden, um annähernd stabile Verbindun¬ gen entstehen zu lassen.
Als Zugaben eignen sich die schon bekannten Legierungse¬ lemente für Titanlegierungen.
Es entsteht Ti6Al4V bei einer Zusammensetzung von 6 Gew.%
Al, 4 Gew.% V und 90 Gew.% Ti. Auch hier tritt eine
Schmelzpunkterniedrigung durch Zugabe von Legierungs¬ elementen auf. Aufgrund des Anteils an Mg/Ti und der durch die Reaktion verursachten Volumenverringerung kommt es jedoch zu¬ nächst zur Entstehung einer porösen Struktur, die jedoch bereits die Abmessungen des zu fertigenden Bauteiles hat. Um eine dichte Struktur zu erhalten, sind unter¬ schiedliche Verfahrensweisen denkbar:
1. Tränken mit einem geeigneten Material, das im Fall von reinem Mg einen Schmelzpunkt von weniger als 650 0C aufweist bzw. bei Ti dessen Schmelztemperatur nicht überschreitet.
2. Dichtsintern in reduzierender Atmosphäre
3. Erhöhung der Strahlenergie, um festere Sinterhälse oder ein Dichtsintern bereits während der Herstellung der Bauteile zu gewährleisten.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann in verschiedenen Be¬ reichen der Automobi1industrie, des Maschinenbaus, der Elektronik und auch der Medizintechnik eingesetzt werden. Ziel ist die Herstellung von Bauteilen, die eine erste Einschätzung zum Beispiel der Handhabung eines Bauteiles erlauben. Es läßt sich bspw. ein 3-D-Bauteil eines elektronischen Gerätes herstellen, das' in den En¬ dabmessungen und dem Gewicht dem zukünftig zu produzie¬ renden Gerät entspricht. Es kann somit als Demonstrator auf Messen und bei Vorführung bei Kunden dienen. Ver¬ gleichbar ist die Herstel1ung von Bauteilen z.B. für ei¬ nen Motor. Neben dem reinen Anschauungsmodell lasen sich bei geeigneter Auswahl der Ausgangswerkstoffe auch Funk¬ tionsmodelle erzeugen, welche die zukünftige Funktion für einen gewissen Zeitraum übernehmen kann. Auf diese Weise lassen sich erste Informationen hinsichtlich der Performance sammeln. Im Bereich medizinischer Anwendun¬ gen ist es denkbar, Bauteile zu erzeugen, die spezifisch an die Physiologie eines bestimmten Menschen angepaßt sind. Dies gilt z.B. für Prothesen. Anders als bei Pro¬ totypen handelt es sich hier jedoch um die Endfertigung eines Bauteils für den langfristigen Einsatz.
Die Größe des zu fertigenden Bauteiles wird im wesentli¬ chen von der Größe des Gerätes bestimmt, mit dem die Fertigung durchgeführt wird. Hinsichtlich der kleinsten Abmessungen spielen sowohl die Korngröße der pulverför- migen Ausgangswerkstoffe eine Rolle, wie auch der Fokus, wenn die Fertigung z.B. unter Zuhilfenahme eines Lasers oder einer anderen Strahlenquelle erfolgt.
Welches Bauteil oder Muster erzeugt wird, wird im we¬ sentlichen durch die Kombination von Kosten und der zur Verfügung stehenden Zeit bestimmt, wie auch von der Stückzahl, die vorab produziert werden soll. In jedem Fall können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren inner¬ halb von Stunden bzw. Tagen funktionsfähige Muster oder Bauteile produziert werden. Die Kosten sind dabei in der Regel deutlich geringer als im Modell- und Formenbau.
Bezugszeicheniiste
1 Kammer
2 kontrollierte Atmosphäre
3 Bauteilabschnitt, gesintert 3a Bautei1abschnitt, gesintert 3b Freiräum
4 Rohmaterial, pulverförmig
5 Laser
6 Steuerelement
7 Mikrowellenquelle
8 Mikrowellen
9 Laserstrahl

Claims

GKSS-Forschungszentrum Geesthacht GmbH, Max-Planck-Stra¬ ße 1, 21502 GeesthachtVerfahren zum Herstellen von MetallbauteilenPatentansprüche
1. Verfahren zum Herstellen von MetallbauteiTen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Metallhydrid eines Metalls der ersten oder/und zweiten Hauptgruppe oder/und einer Ne¬ bengruppe des Periodensystems der Elemente in einer kon¬ trollierten Atmosphäre durch Energieeintrag zersetzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallhydrid durch den Energieeintrag erwärmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung auf oder über eine Zersetzungstempera¬ tur des Metal 1hydrids hinaus erfolgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei einem Metall der zweiten Hauptgruppe um Magnesium handelt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung auf im Bereich von 300°C erfolgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei einem Metall einer der Nebengruppen um Titan handelt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung auf im Bereich von 400°C erfolgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallhydrid mit einem Zuschlag versehen wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Zuschlag Metallpulver eingesetzt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Zuschlag Aluminiuifipulver eingesetzt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Zuschlag Keramikpulver einge¬ setzt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Zuschlag pulverförmiger Kohlen¬ stoff eingesetzt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis.12, dadurch gekennzeichnet, daß als Zuschlag pulverförmiges Silizium eingesetzt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß als Zuschlag ein Füllstoff einge¬ setzt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugabe eines Zuschlags in Abhän¬ gigkeit der Art des Energieeintrags erfolgt.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Energieeintrag durch hochenerge¬ tische Strahlen erfolgt.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Energieeintrag durch Elektronenstrahlen und/oder Laserstrahlen erfolgt.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Energieeintrag durch Mikrowellen, erfolgt.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Einsatz "von Mikrowellen dem Metallhydrid als Zuschlag Kohlenstoff^ Silizium und/oder SiC zuge¬ setzt wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß als kontrollierte Atmosphäre eine Schutzgasatmosphäre eingesetzt wird.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schutzgasatmosphäre aus Inertgas eingesetzt wird.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß als kontrollierte Atmosphäre ein Va¬ kuum eingesetzt wird.
23. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 22 zum Herstellen von Prototypen aus Magnesium.
24. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 22 zum Herstellen von' Prototypen aus Titan.
we/ba
EP05792542A 2004-11-04 2005-09-16 Verfahren zum herstellen von metallbauteilen Withdrawn EP1807550A1 (de)

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