EP3645194A1 - Verfahren zum herstellen eines kupfer aufweisenden bauteils mittels selektivem lasersintern - Google Patents

Verfahren zum herstellen eines kupfer aufweisenden bauteils mittels selektivem lasersintern

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EP3645194A1
EP3645194A1 EP18731484.4A EP18731484A EP3645194A1 EP 3645194 A1 EP3645194 A1 EP 3645194A1 EP 18731484 A EP18731484 A EP 18731484A EP 3645194 A1 EP3645194 A1 EP 3645194A1
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EP
European Patent Office
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component
copper
metal powder
temperature
selective
Prior art date
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Pending
Application number
EP18731484.4A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Tobias ALF
Philipp JAKOBS
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Phoenix Contact GmbH and Co KG
Original Assignee
Phoenix Contact GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
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    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a copper-containing component by means of selective laser sintering. Furthermore, the present invention relates to a copper-containing component which has been produced by means of the method according to the invention. It is known from the prior art that selective laser sintering is used for producing a copper-containing component. Due to the high reflectivity of copper over a wide wavelength range of laser radiation, high power lasers must be used to cause reflow of a copper-containing metal powder. After production of the copper-containing component, this has a reduced electrical conductivity compared to a component which is milled out of a solid block, for example.
  • a high electrical conductivity is for a current-carrying and copper-containing component, such as a current bar for a conductor terminal or a Indukti ⁇ onsspule for generating a magnetic field, by means of which a Bau ⁇ part is heated inductively, essential.
  • Corresponding induction coils are also referred to as an inductor or copper inductor. Consequently, it is essential in prior art ⁇ known method for producing a copper-containing component by means of selective laser sintering that the component is heated to a predetermined temperature, for example 950 ° C, under a protective gas atmosphere.
  • the object underlying the present invention is to provide a method for producing a copper-containing component by means of laser sintering, which can be carried out in a simplified manner in comparison with methods known from the prior art.
  • the object underlying the present invention is achieved by a method for producing a copper-containing component by means of selective laser sintering with the features of claim 1.
  • Advantageous embodiments of the method are described in the dependent of claim 1 claims.
  • the object underlying the present invention is achieved by a method for producing a copper-containing component by means of selective laser sintering, the method according to the invention comprising the following method steps:
  • the copper-chromium alloy has a reduced reflectivity compared to pure copper, in particular in a wavelength range between 800 nm and 1200 nm, so that reduced laser powers can be used to melt the metal powder. Furthermore, the use of a copper-chromium alloy offers the advantage that when the component thus formed is heated to a temperature between 900 ° C. and 1000 ° C. in the presence of an oxygen-containing atmosphere, the chromium at the surface of the component is oxidized to a chromium oxide layer , This chrome oxide layer is easy to remove.
  • a copper-containing component which is produced by the method according to the invention, has an increased electrical conductivity, wherein the copper-containing component can be produced by means of a few process steps.
  • the method is designed such that a Me ⁇ tallpulver is provided for selective melting, comprising a copper-chromium-zirconium alloy.
  • a corresponding metal powder has a further reduced reflectivity in the wavelength range from 800 nm to 1200 nm.
  • the method is such that a metal powder for selective melting is provided that comprises a CuCrlZr alloy.
  • a CuCrlZr alloy has a mass fraction of chromium of 0.5% to 1.2%, preferably 0.85%, a mass fraction of zirconium of 0.03% to 0.3%, preferably 0.15%, a mass proportion of iron of less than 0,08%, a percentage by mass of Silicon of less than 0.1%, with copper remaining
  • Mass fraction of the alloy forms, so that the mass fraction of copper is preferably 99%.
  • the material designation / number of the CuCrlZr alloy in Europe is also CW106C. In the United States of America, the material designation / number is also C18150.
  • the method is designed such that the building ⁇ part is heated in the presence of ambient air to a temperature in the temperature range between 900 ° C and 1000 ° C.
  • the correspondingly designed method offers the advantage that no separate atmosphere has to be produced in the heating process of the component. Therefore, the correspondingly trained method is once again carried out in a simplified manner.
  • the component is heated to a temperature of 950 ° C. It has been found that the ent ⁇ speaking formed member having an increased electrical Leitfä ⁇ ability at a heating of the component to a temperature of 950 ° C.
  • the method is designed such that the removal of the chromium oxide layer by means of compressed air blasting with solid blasting agent. As a solid blasting abrasive slag jet, corundum, garnet sand, plastic, glass beads ⁇ , dry ice and / or chilled cast iron can be used. The correspondingly designed method is easy to carry out and gives excellent results in removing the chromium oxide layer from the device.
  • the method is designed such that the method comprises the following method steps:
  • the object underlying the present invention is further achieved by a copper-containing component which has been produced by one of the methods described above.
  • the component according to the invention has the advantage that it can be produced quickly by means of selective laser sintering and has a high electrical conductivity.
  • the component is designed as a current-carrying component, in particular ⁇ special as a current bar.
  • the component is designed as an induction coil.
  • Induction coils which are also referred to as an inductor or as a copper inductor, are used to generate a magnetic field by means of which a metallic component is inductively heated.
  • the geometries of the induction coils are dependent on the geometries of the components to be heated, so that the advantages of the method according to the invention, to generate complicated geometries of components to be molded, can be used very well.
  • the formed as an induction coil member is formed hollow.
  • the induction coil By a hollow configuration of the induction coil, it can be flowed through by a cooling fluid and thus cooled.
  • two end portions of the hollow-shaped In ⁇ tion coil are formed closed.
  • the induction coil ent ⁇ is in the step of heating the component to a temperature in the temperature range between 900 ° C and 1000 ° C in an oxygen-containing atmosphere no chromium oxide layer inside the hollow induction coil, so that the cavity of the induction coil not is closed by a chromium oxide layer and / or a subsequent passage of a cooling fluid through the induction coil is hindered.
  • Figure 1 A process flow diagram for producing a copper-containing component by means of selective laser sintering.
  • a copper-containing metal powder is provided.
  • the metal powder provided for selective melting preferably comprises a copper-chromium-zirconium alloy. More preferably, the metal powder provided for selective melting has a CuCrlZr alloy.
  • the metal powder is preferably provided on a substrate.
  • the metal powder is melted by means of laser radiation. During melting of the metal powder that is heated at least as far ⁇ by means of the laser radiation, that the surfaces of metal powder components are melted.
  • a cross-sectional contour of the component to be produced is preferably traveled by means of the laser radiation.
  • further metal powder is applied to the already formed cross-sectional contour of the component, which is then melted by the laser radiation again, so that the molten metal powder with the already produced component connects.
  • the component After the component has been produced by means of selective laser sintering, the component is heated to a temperature in the temperature range of 900 ° C to 1000 ° C, preferably to a temperature of 950 ° C in an oxygen-containing atmosphere in a process ⁇ step S3 heated. Ambient air or respiratory air is preferably used as the atmosphere. Thus, no special protective gas atmosphere when heating the component is necessary.
  • the chromium on the surface of the component oxidizes with the oxygen to a chromium oxide layer, which closes the component ⁇ .
  • the chromium oxide layer formed on the surface of the component is removed in a method step S4.
  • the removal S4 of the chromium oxide layer is preferably carried out by means of compressed air jets with solid abrasive.

Abstract

Die vorliegende Erfindung offenbart ein Verfahren zum Herstellen eines Kupfer aufweisenden Bauteils mittels selektivem Lasersintern, die folgenden Verfahrensschritte aufweisend: - Bereitstellen (S1) eines Metallpulvers, aufweisend eine Kupfer-Chrom-Legierung; - selektives Aufschmelzen (S2) des Metallpulvers mittels Laserstrahlung zur Erzeugung des Bauteils; - Aufheizen (S3) des Bauteils auf eine Temperatur im Temperaturbereich zwischen 900°C und 1000°C in einer Sauerstoff aufweisenden Atmosphäre; und - Entfernen (S4) einer sich auf der Oberfläche des Bauteils gebildeten Chromoxid-Schicht.

Description

Verfahren zum Herstellen eines Kupfer aufweisenden Bauteils mittels selektivem Lasersintern
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Kupfer aufweisenden Bauteils mittels selektivem Lasersintern. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Kupfer aufweisendes Bauteil, das mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugt wurde. Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, dass zum Herstellen eines Kupfer aufweisenden Bauteils selektives Lasersintern verwendet wird. Aufgrund der hohen Reflektivität von Kupfer über einen weiten Wellenlängenbereich von Laserstrahlung müssen Laser mit hoher Leistung verwendet werden, um ein Aufschmelzen eines Kupfer aufweisenden Metallpulvers zu bewirken. Nach Herstellung des Kupfer aufweisenden Bauteils weist dieses eine reduzierte elektrische Leitfähigkeit im Vergleich zu einem Bauteil auf, das beispielsweise aus einem Vollblock herausgefräst ist. Zum Erhöhen der elektrischen Leitfähigkeit ist es aus dem Stand der Technik bekannt, dass Kupfer aufweisende Bauteil auf eine Temperatur von ca. 950 °C über eine vorgegebene Zeit aufzuheizen. Dieser Aufheizungsprozess wird stets in einer Schutzgasat¬ mosphäre oder im Vakuum durchgeführt, so dass das Kupfermaterial an der Oberfläche des Bauteils nicht oxidiert. Denn eine ent¬ sprechende Kupferoxidschicht weist eine reduzierte elektrische Leitfähigkeit auf. Eine hohe elektrische Leitfähigkeit ist für ein stromführendes und Kupfer aufweisendes Bauteil, so wie beispielsweise ein Strombalken für eine Leiteranschlussklemme oder eine Indukti¬ onsspule zum Erzeugen eines Magnetfeldes, mittels dem ein Bau¬ teil induktiv erhitzt wird, essentiell. Entsprechende Induktionsspulen werden auch als Induktor bzw. Kupfer-Induktor bezeichnet. Folglich ist es bei aus dem Stand der Technik be¬ kannten Verfahren zum Herstellen eines Kupfer aufweisenden Bauteils mittels selektivem Lasersintern essentiell, dass das Bauteil auf eine vorgegebene Temperatur, beispielsweise 950°C, unter einer Schutzgasatmosphäre aufgeheizt wird.
Das Einbringen des stromführenden Bauteils in eine Schutzgasat¬ mosphäre und anschließendes Aufheizen ist ein relativ aufwendi¬ ger Prozess. Folglich ist die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe das Bereitstellen eines Verfahrens zum Herstellen eines Kupfer aufweisenden Bauteils mittels Lasersintern, das im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren vereinfacht ausführbar ist.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Herstellen eines Kupfer aufweisenden Bauteils mittels selektivem Lasersintern mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen des Verfahrens sind in den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Im Genaueren wird die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe durch ein Verfahren zum Herstellen eines Kupfer aufweisenden Bauteils mittels selektivem Lasersintern gelöst, wobei das erfindungsgemäße Verfahren die folgenden Verfahrens¬ schritte aufweist:
Bereitstellen eines Metallpulvers, aufweisend eine Kupfer- Chrom-Legierung,·
selektives Aufschmelzen des Metallpulvers mittels Laser¬ strahlung zur Erzeugung des Bauteils; Aufheizen des Bauteils auf eine Temperatur im Temperaturbereich zwischen 900°C und 1000°C in einer Sauerstoff auf¬ weisenden Atmosphäre; und
Entfernen einer sich auf der Oberfläche des Bauteils gebil- deten Chromoxid-Schicht.
Die Kupfer-Chrom-Legierung weist eine reduzierte Reflektivität im Vergleich zu reinem Kupfer insbesondere in einem Wellenlängenbereich zwischen 800nm und 1200nm auf, sodass reduzierte Le- serleistungen verwendet werden können, um das Metallpulver aufzuschmelzen. Ferner bietet das Verwenden einer Kupfer-Chrom- Legierung den Vorteil, dass bei einem Aufheizen des so gebildeten Bauteils auf eine Temperatur zwischen 900°C und 1000°C unter Anwesenheit einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre das Chrom an der Oberfläche des Bauteils zu einer Chromoxid-Schicht oxidiert. Diese Chromoxid-Schicht lässt sich einfach entfernen. Ein Kupfer aufweisendes Bauteil, das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird, weist eine erhöhte elektrische Leitfähigkeit auf, wobei das Kupfer aufweisende Bauteil mittels weniger Ver- fahrensschritte hergestellt werden kann.
Vorzugsweise ist das Verfahren derart ausgebildet, dass ein Me¬ tallpulver zum selektiven Aufschmelzen bereitgestellt wird, das eine Kupfer-Chrom-Zirkonium-Legierung aufweist. Ein entspre- chendes Metallpulver weist eine nochmals reduzierte Reflektivi- tät im Wellenlängenbereich von 800nm bis 1200nm auf.
Weiter vorzugsweise ist das Verfahren derart ausgebildet, dass ein Metallpulver zum selektiven Aufschmelzen bereitgestellt wird, dass eine CuCrlZr-Legierung aufweist.
Eine CuCrlZr-Legierung weist einen Massenanteil von Chrom von 0,5% bis 1,2%, vorzugsweise von 0,85%, einen Massenanteil von Zirkonium von 0,03% bis 0,3%, vorzugsweise 0,15%, einen Massen- anteil von Eisen von weniger als 0,08%, einen Massenanteil von Silizium von weniger als 0,1% auf, wobei Kupfer den restlichen
Massenanteil der Legierung bildet, so dass der Massenanteil von Kupfer vorzugsweise 99% beträgt. Die Werkstoffbezeichnung/ - nummer der CuCrlZr-Legierung lautet in Europa auch CW106C. In den Vereinigten Staaten von Amerika lautet die Werkstoffbezeichnung/ -nummer auch C18150.
Bei der Verwendung eines entsprechenden Metallpulvers können nochmals reduzierte Laserleistungen zum Aufschmelzen des Metall- pulvers verwendet werden. Auch bietet die Verwendung eines ent¬ sprechenden Metallpulvers den Vorteil, dass sich eine gut ablösbare Chromoxid-Schicht während des Aufheizens in einer sau¬ erstoffhaltigen Atmosphäre bildet, die besonders einfach von der Oberfläche des Bauteils entfernt werden kann.
Vorzugsweise ist das Verfahren derart ausgebildet, dass das Bau¬ teil unter Anwesenheit der Umgebungsluft auf eine Temperatur im Temperaturbereich zwischen 900°C und 1000°C aufgeheizt wird. Das entsprechend ausgebildete Verfahren bietet den Vorteil, dass keine gesonderte Atmosphäre bei dem Aufheizprozess des Bauteils hergestellt werden muss. Daher ist das entsprechend ausgebildete Verfahren nochmals vereinfacht durchführbar.
Weiter vorzugsweise wird das Bauteil auf eine Temperatur von 950 °C aufgeheizt. Es hat sich herausgestellt, dass bei einem Aufheizen des Bauteils auf eine Temperatur von 950°C das ent¬ sprechend ausgebildete Bauteil eine erhöhte elektrische Leitfä¬ higkeit aufweist. Weiter vorzugsweise ist das Verfahren derart ausgebildet, dass das Entfernen der Chromoxid-Schicht mittels Druckluftstrahlen mit festem Strahlmittel erfolgt. Als festes Strahlmittel kann ein Schlackestrahlmittel, Korund, Granatsand, Kunststoff, Glas¬ perlen, Trockeneis und/oder Hartguss verwendet werden. Das ent- sprechend ausgebildete Verfahren ist einfach durchführbar und führt zu hervorragenden Ergebnissen bei dem Entfernen der Chromoxid-Schicht von dem Bauteil.
Weiter vorzugsweise ist das Verfahren derart ausgebildet, dass das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist:
Bereitstellen des Metallpulvers auf einer Unterlage;
Abfahren einer Querschnittskontur des Bauteils mittels der LaserStrahlung,·
Aufbringen von weiterem Metallpulver auf der gebildeten Querschnittskontur des Bauteils; und
erneutes Abfahren einer Querschnittskontur des Bauteils mittels der Laserstrahlung.
Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird ferner durch ein Kupfer aufweisendes Bauteil gelöst, das nach einem der oben beschriebenen Verfahren erzeugt wurde.
Das erfindungsgemäße Bauteil weist den Vorteil auf, dass es schnell mittels selektivem Lasersintern herstellbar ist und eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist.
Vorzugsweise ist das Bauteil als stromführendes Bauteil, insbe¬ sondere als Strombalken ausgebildet. Vorzugsweise das Bauteil als Induktionsspule ausgebildet.
Induktionsspulen, die auch als Induktor bzw. als Kupfer-Induktor bezeichnet werden, werden zum Erzeugen eines Magnetfeldes verwendet, mittels dem ein metallisches Bauteil induktiv erhitzt wird. Die Geometrien der Induktionsspulen sind abhängig von den Geometrien der zu erhitzenden Bauteile, so dass die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens, komplizierte Geometrien von zu formenden Bauteilen zu generieren, sehr gut genutzt werden können . Weiter vorzugsweise ist das als Induktionsspule ausgebildete Bauteil hohlförmig ausgebildet ist.
Durch eine hohlförmige Ausgestaltung der Induktionsspule kann diese von einem Kühlfluid durchströmt und somit gekühlt werden.
Weiter vorzugsweise sind zwei Endbereiche der hohlförmigen In¬ duktionsspule geschlossen ausgebildet sind. Durch eine entsprechende Ausgestaltung der Induktionsspule ent¬ steht beim Verfahrensschritt des Aufheizens des Bauteils auf eine Temperatur im Temperaturbereich zwischen 900°C und 1000°C in einer Sauerstoff aufweisenden Atmosphäre keine Chromoxid- Schicht im Inneren der hohlförmigen Induktionsspule, so dass der Hohlraum der Induktionsspule nicht von einer Chromoxid-Schicht verschlossen ist und/oder ein späteres Hindurchtreten eines Kühlfluids durch die Induktionsspule behindert wird.
Weitere Vorteile, Einzelheiten und Merkmale der Erfindung erge- ben sich nachfolgend aus dem erläuterten Ausführungsbeispiele. Dabei zeigen im Einzelnen:
Figur 1: Ein Verfahrensablaufplan zum Herstellen eines Kupfer aufweisenden Bauteils mittels selektivem Lasersintern.
In einem ersten Verfahrensschritt Sl wird ein Kupfer aufweisendes Metallpulver bereitgestellt. Das zum selektiven Aufschmelzen bereitgestellte Metallpulver weist vorzugsweise eine Kupfer- Chrom-Zirkonium-Legierung auf. Weiter vorzugsweise weist das zum selektiven Aufschmelzen bereitgestellte Metallpulver eine CuCrlZr-Legierung auf. Das Metallpulver wird vorzugsweise auf einer Unterlage bereitgestellt. Anschließend wird in einem Verfahrensschritt S2 das Metallpulver mittels Laserstrahlung aufgeschmolzen. Beim Aufschmelzen des Metallpulvers wird dieses mittels der Laserstrahlung zumindest so¬ weit aufgeheizt, dass die Oberflächen der Metallpulver- bestandteile aufgeschmolzen werden. In dem Verfahrensschritt S2 wird vorzugsweise eine Querschnittskontur des zu erzeugenden Bauteils mittels der Laserstrahlung abgefahren. Anschließend wird weiteres Metallpulver auf der bereits gebildeten Querschnittskontur des Bauteils aufgebracht, das dann von der La- serstrahlung wieder aufgeschmolzen wird, so dass sich das aufgeschmolzene Metallpulver mit dem bereits erzeugten Bauteil verbindet .
Nachdem das Bauteil mittels selektivem Lasersintern erzeugt wurde, wird das Bauteil auf eine Temperatur im Temperaturbereich von 900°C bis 1000°C, vorzugsweise auf eine Temperatur von 950°C in einer Sauerstoff aufweisenden Atmosphäre in einem Verfahrens¬ schritt S3 aufgeheizt. Als Atmosphäre wird dabei vorzugsweise Umgebungsluft bzw. Atemluft verwendet. Somit ist keine besondere Schutzgasatmosphäre beim Aufheizen des Bauteils notwendig. Das Chrom an der Oberfläche des Bauteils oxidiert dabei mit dem Sauerstoff zu einer Chromoxid-Schicht, die das Bauteil um¬ schließt . Anschließend wird in einem Verfahrensschritt S4 die sich auf der Oberfläche des Bauteils gebildete Chromoxid-Schicht in einem Verfahrensschritt S4 entfernt. Das Entfernen S4 der Chromoxid- Schicht erfolgt dabei vorzugsweise mittels Druckluftstrahlen mit festem Strahlmittel.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Herstellen eines Kupfer aufweisenden Bauteils mittels selektivem Lasersintern, die folgenden Verfahrens- schritte aufweisend:
Bereitstellen (Sl) eines Metallpulvers, aufweisend eine Kupfer-Chrom-Legierung;
selektives Aufschmelzen (S2) des Metallpulvers mittels La¬ serstrahlung zur Erzeugung des Bauteils;
- Aufheizen (S3) des Bauteils auf eine Temperatur im Tempe¬ raturbereich zwischen 900°C und 1000°C in einer Sauerstoff aufweisenden Atmosphäre; und
Entfernen (S4) einer sich auf der Oberfläche des Bauteils gebildeten Chromoxid-Schicht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Metallpulver zum selektiven Aufschmelzen bereitgestellt (Sl) wird, das eine Kupfer-Chrom-Zirkonium-Legierung aufweist.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Metallpulver zum selektiven Aufschmel¬ zen bereitgestellt (Sl) wird, das eine CuCrlZr-Legierung auf¬ weist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil unter Anwesenheit der Umge¬ bungsluft auf eine Temperatur im Temperaturbereich zwischen 900°C und 1000°C aufgeheizt (S3) wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil auf eine Temperatur von 950 °C aufgeheizt (S3) wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Entfernen (S4) der Chromoxid-Schicht mittels Druckluftstrahlen mit festem Strahlmittel erfolgt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
Bereitstellen des Metallpulvers auf einer Unterlage;
Abfahren einer Querschnittskontur des Bauteils mittels der LaserStrahlung,·
- Aufbringen von weiterem Metallpulver auf der gebildeten Querschnittskontur des Bauteils; und
erneutes Abfahren einer Querschnittskontur des Bauteils mittels der Laserstrahlung.
8. Kupfer aufweisendes Bauteil, das mittels eines der Verfah¬ ren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 erzeugt wurde.
9. Bauteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil als stromführendes Bauteil ausgebildet ist.
10. Bauteil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil als Induktionsspule ausgebildet ist.
11. Bauteil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das als Induktionsspule ausgebildete Bauteil hohlförmig ausgebildet ist .
12. Bauteil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Endbereiche der hohlförmigen Induktionsspule geschlossen ausge- bildet sind.
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