WO2000053359A2

WO2000053359A2 - Material zur schichtweisen herstellung von werkzeugen, formen oder bauteilen durch das lasersintern verfahren

Info

Publication number: WO2000053359A2
Application number: PCT/DE2000/000479
Authority: WO
Inventors: Mathias Greul; Michael Greulich; Theo Pintat
Original assignee: Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Priority date: 1999-03-06
Filing date: 2000-02-16
Publication date: 2000-09-14
Also published as: AU3550300A; WO2000053359A3; DE19909882A1; DE19909882C2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Material zur schichtweisen Herstellung von dreidimensionalen Körpern durch das Lasersinterverfahren mittels einer Bindemittelzusammensetzung. Dabei ist der mittels einer vorprogrammierten Führung durch bahnenweises Auftragen in mehreren Schichten und jeweils pro Schicht durch einen Laserstrahl gesinterte Körper porös ausgebildet, die Poren des Körpers werden mit einem Infiltrationsmittel geschlossen. Die Ausgangsstoffe des Materials bestehen aus Pulverbestandteilen, und zwar einem Hartstoff als Basismaterial, ferner eine Bindemittelzusammensetzung aus wenigstens zwei Bindemittelkomponenten, wobei eine der Bindemittelkomponenten als selbstfließende Legierung ausgebildet ist. Die in dem fertigestellten dreidimensionalen Körper vorhandenen Poren werden mit einem hochschmelzenden Hartlot infiltriert.

Description

Material zur schichtweisen Herstellung von Werkzeugen, Formen oder Bauteilen durch das Lasersintern Verfahren

Die Erfindung betrifft ein Material zur schichtweisen Herstellung von dreidimensionalen Körpern durch das Lasersintern Verfahren, wobei die Ausgangsstoffe des Materials aus Pulverbestandteilen bestehen, mit den Merkmalen der in dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen Gattung.

Unter Lasersintern versteht man ein Verfahren, bei dem eine lokale Verschmelzung von Pulverwerkstoffen infolge der Bestrahlung und damit der Wärmeeinwirkung durch einen Laserstrahl erfolgt. Die Pulverpartikel werden dabei unter Wärmeeinwirkung ohne äußeren Druck mit-einander verbunden. Für den Erfolg eines industriell hergestellten Produktes ist der Zeitpunkt seiner Vorstellung auf dem Markt zunehmend von großer Bedeutung, da sich die Produktlebenszeit ständig verkürzt und den Einsatz neuer Verfahren zur Herstellung der Produkte erzwingt, um Zeit und Kosten einzusparen. In vielen Produktbereichen ist es nötig, vor einer Serienfertigung Prototypen herzustellen, damit sie bereits vor Beginn der Serienfertigung funktionsmäßig in Versuchsanordnungen getestet werden können. Derartige Prototypen sollen sich aliein in der Form dem zukünftigen Produkt entsprechen, sondern sie sollen bezüglich ihres Materials dem Serienprodukt möglichst nahekommen, um einen sinnvollen Test dieser Prototypen durchführen zu können.

Zur Zeit gibt es mehrere unterschiedliche Fertigungsverfahren, die auch mit „Rapid Prototyping" bezeichnet werden. Diese neue Technik macht sich die Möglichkeiten zunutze, die mit Hilfe einer CAD/CAM-Technik erzielt werden können. Das Rapid Prototyping ermöglicht die Herstellung von Modellen, Formen und Musterteilen direkt auf Basis der Konstruktionsdaten ohne Zwischenschaltung und ohne vorherige Herstellung von Formen und Werkzeugen. Der kommerzielle Nutzen der derzeit verfügbaren Verfahren ist jedoch durch die in der Praxis verwendbaren Werkstoffe noch einer erheblichen Einschränkung unterworfen. So werden in der Regel Polymere, Wachse, Papier und nur wenige metallische Werkstoffe zur Erstellung von Prototypen mittels Prototyping verwendet. Die mit den vorgenannten Werkstoffen erzeugten Werkzeuge, Formen und Bauteile halten einer betriebsmäßigen Funktionsprüfung unter besonders hohen Temperaturen und großen Belastungen nicht stand. Deshalb ist zur Erzeugung belastbarer Prototypen bisher üblich, gießtechnische Folgeverfahren anzuwenden wie das Wachsausschmelzverfahren, das Sandgußverfahren, Kunststoffvakuumgießen, Gipsformverfahren und dergleichen. Durch den zusätzlichen Verfahrensschritt eines gießtechnischen Folgeverfahrens geht ein Teil der erzielten Zeitvorteils einer direkten Herstellung des Prototypen wieder verloren.

Eine Alternative ist die direkte Herstellung metallischer Prototypen gemäß dem Rapid Prototyping Verfahren. Der Bau von Prototypen im Werkzeug- und Formenbau ist bisher nur eingeschränkt möglich, da es bisher keine Verarbeitung von Metallen für den Werkzeug- und Formenbau gibt, die die Anforderungen an Maß- und Formgenauigkeit, Härte, Verschleißwiderstand und dergleichen erfüllen können. Bei den mit den bisher bekannten Verfahren erzeugten Prototpyen und Bauteilen steht ihre Eignung als Funktionsprototyp im Vordergrund, jedoch sind diese herkömmlichen Prototypen nicht den Belastungen gewachsen, die in einer Serienfertigung zu erfüllen sind. Zur Zeit sind zur Herstellung metallischer Prototypen zwei Verfahren bekannt, nämlich das indirekte und das direkte Metallsintern. Von indirekten Sintern wird das metallische Werkstoffpulver mit einem Polymer umhüllt oder mit einem anderen sinterfähigen Hüllmaterial. Beim Sintervorgang des Materialpulvers wird nur das Polymermaterial oder das Hüllmaterial aufgeschmolzen oder gesintert und bindet dadurch die Metallpartikel des Basismaterials zu einem sogenannten Grünling zusammen. Um ein stufenweises Entfernen des Binders zu ermöglichen, wird das Bauteil bzw. der Prototyp anschließend mit einem weiteren Polymer infiltriert, danach entbindert und anschließend wiederum konventionell gesintert. Zur Erhöhung seiner Festigkeit und Härte erfolgt in der Regel eine Infiltration des porösen Grünlings mit Kupfer. Durch die Herstellungsmethoden beim Einsatz von Polymeren und dem konventionellen Sintern entstehen Schwund sowie andere erhebliche Mängel bezüglich der Maß- und Formgenauigkeit des Prototypen, so daß die Bauteile in der Regel nachbearbeitet werden müssen.

Die Wärmebehandlungsprozesse während der Herstellung des Prototyps kommt es außerdem zum Verzug der derart hergestellten Prototypen, Formen und Bauteile. Selbstverständlich weist ein auf diese Weise hergestellter Prototyp nicht die Verschleißfestigkeit, die Härte und die Temperaturfestigkeit auf, die beim Bau von Werkzeugen für die spanende Bearbeitung und von Formen und Bauteilen zur spanlosen Formgebung erforderlich sind.

Ein weiteres Verfahren zur direkten Herstellung metallischer Prototypen mittels dem Rapid Prototyping-Verfahren ist als direkte Sinterung bekannt geworden. Bei einer direkten Sinterung besteht die Materialpulvermischung aus niedrigschmelzenden und hochschmelzenden Material. Diese Werkstoffmischung wird aus miteinander vermischten Komponenten mittels eines Lasers unter Umgebungsbedingungen verarbeitet. Bei der Verarbeitung wird nur die niedrigschmelzende Komponente der Mischung aufgeschmolzen und funktioniert dann als Binder für die höherschmelzenden Pulverbestandteile der Mischung. Diese, mit dem direkten Sintern hergestellten Prototypen und Bauteile, weisen im unbehandelten Zustand eine Restporosität auf, die in der Regel durch anschließende Infiltration mit Epoxydharz gefüllt wird und damit die Bauteile verdichtet werden können und sich so beispielsweise die Biegefestigkeit steigern läßt. Durch die Verwendung von Epoxydharz als Infiltrationsmittel bei der direkten Sinterung um den aus Kupfer als Basismaterial aufgebauten Prototypen zu infiltrieren, läßt sich aufgrund der Eigenschaften der eingesetzten Materialien aus Kupfer und Epoxydharz selbstverständlich eine direkte Erprobung des Prototypen unter betriebsmäßigen Bedingungen bei der Serienfertigung im Bereich der hochbelasteten Werkzeuge bei der .spanenden Bearbeitung und bei den Formen zur spanlosen Formgebung nicht verwenden, da die nötige Verschleißfestigkeit, Härte, Temperaturbelastbarkeit und dergleichen nicht erreicht werden kann.

Aus der DE 196 49 865 C1 ist ferner einer Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers, insbesondere eines Prototyps eines Produkts oder eines Bauteils, eines Werkzeugprototyps oder eines Ersatzteils vorbekannt. Bei diesem Verfahren werden mit den dreidimensionalen CAD-Daten eines Modells des Formkörpers durch schichtweises Aufbauen aus pulveförmigen Werkstoff, bei dem nacheinander mehrere Pulverschichten übereinander aufgebracht werden, wobei jede Pulverschicht vor dem Aufbringen der nächstfolgenden Pulverschicht mit einem fokussierten Laserstrahl in einem vorgegebenen Bereich, der einen ausgewählten Querschnittsbereich des Formkörpers entspricht, auf eine vorgegebene Temperatur erhitzt. Dabei wird ein metallisches Werkstoffpulver verwendet, das bindemittel- und flußmittelfrei ist. Durch den Laserstrahl wird es auf Schmelztemperatur erhitzt, wobei die Energie des Laserstrahls so ausgewählt wird, daß das metallische Werkstoffpulver im Focus des Laserstrahls über die gesamte Schichtdicke aufgeschmolzen wird. Der Laserstrahl wird in mehreren Spuren über den vorgegebenen Bereich der Werkstoffpulverschicht so geführt, daß jede folgende Spur des Laserstrahls die vorherige Spur teilweise überlappt, wobei dieses Aufschmelzen unter einer Schutzgasatmosphäre erfolgt. Da gemäß der DE 196 49 865 das metallische Werkstoffpulver bindemittel- und flußmittelfrei ist und dieses Werkstoffpulver jeweils auf seine Schmelztemperatur erhitzt wird, wird das metallische Werkstoffpulver über die gesamte Schichtdicke vollständig aufgeschmolzen, so daß ein dichter Formkörper mit hoher Festigkeit hergestellt wird.

Nachteil des Verfahrens gemäß der DE 196 49 865 entstehen durch die Tatsache, daß das Schmelzbad die metallischen Werkstoff pulver komplett aufschmilzt, so daß schmelzmetallurgische Verbindungen entstehen. Dieses Herstellverfahren ohne Bindemittel führt zu Schwund und Aufwölbung des Materials auf den Bahnen des Bauteils bzw. Prototyps. Durch die bei dem Herstellverfahren nach der DE 196 49 865 entstehende große Dichte des Prototyps bzw. der Formen und Bauteile entstehen hohe Spannungen in den Prototypen bzw. Bauteilen, wodurch die Prototypen und Bauteile sehr spröde werden. Die Sprödigkeit der Bauteile führt bei Belastungen häufig zum Bruch und damit zur Zerstörung der Prototypen und Bauteile. Deshalb läßt sich auch mit dem Verfahren nach der DE 196 49 865 nicht die für den Bau von Werkzeugen zur spanenden Bearbeitung und von Formen und Teilen zur spanlosen Formgebung erforderliche Formbeständigkeit und Verschleißfestigkeit erreichen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Material zur schichtweisen Herstellung von dreidimensionalen Körpern nach dem Lasersinterverfahren zu schaffen, das insbesondere eine Ausweitung des Lasersinterverfahrens auf Bereiche des Werkzeug- und Formenbaus mit hohen Anforderungen an die Härte, den Druck, die Festigkeit und die Verschleißbeständigkeit für den direkten Einsatz der gesinterten Körper für die spanende Bearbeitung und die spanlose Formgebung unter Benutzung der Prototypen aus seriennahen Werkstoffen ermöglicht, wie sie in der Serienfertigiung Verwendung finden und damit den Einsatz bzw. den Fertigungsschritt eines gießtechnischen Folgeverfahrens zur Erzielung eines bezüglich Härte, Verschleiß, Temperatur usw. entsprechend den Praxisanforderungen belastbaren Prototyps vermeidet, ferner der aus mehreren Bahnen aufgebaute Schichtkörper während des Herstellungsprozesses keinen Veränderungen der Maß- und Formgenauigkeit unterliegt und femer Spannungen in den gesinterten Schichtkörper vermieden werden, der darüber hinaus eine große Härte und Verschleißfestigkeit aufweist und eine hohe Betriebstemperaturen verträgt sowie eine große Druckfestigkeit aufweist und bei dem schließlich keine zeitintensiven Wärmebehandlungsprozesse, wie das Ausschmelzen des Bindemittels aus dem Körper nach der Sinterung erforderlich sind.

Die Vorteile der Erfindung sind insbesondere in der erfindungsgemäßen Kombination der nachfolgenden Merkmale zu sehen, nämlich metallische oder nichtmetallische Hartstoffe in Pulverform als Basismaterial zu verwenden, wobei die Materialien den bei den spanenden Werkzeugen und bei den Formen und Bauteilen der spanlosen Formgebung auftretenden Belastungen standhalten können. Ein weiteres Kombinationsmerkmal ist die Bindemittelzusammensetzung aus einem ersten Bindemittel, dem ein weiteres zweites Bindemittel zugeordnet ist, wobei das zweite Bindemittel die besondere Eigenschaft einer selbstfließenden Legierung besitzt, die durch entsprechende Bestandteile des zweiten Bindemittels erzeugt wird. Dabei wird als Material für die Bindemittelzusammensetzung in irgendein beliebiges Metall verwendet, sondern es wird für das erste Bindemittel und als Basis auch für das zweite, dritte und eventuelle weitere Bindemittel vorwiegend ein Metall aus der Eisengruppe, wie Eisen, Kobalt, Nickel, verwendet, die für sich betrachtet eine hohe Härte und Festigkeit, beispielsweise gegenüber bisher verwendeten Bindemitteln wie Polymeren, aufweisen. Als drittes Merkmal der erfindungsgemäßen Kombination tritt nun die Infiltrierung mit einem flüssigen Infiltrationsmittel hinzu. Damit wird die poröse Struktur des aus den Hartstoffen und der Bindemittelzusammensetzung entstandenen dreidimensionalen Körpers gefüllt, und zwar mit einem metallischen Hartlot, wobei das Hartlot ebenfalls einen hohen Schmelzpunkt und entsprechende Härte aufweist. Da das flüssige Infiltrationsmittel aufgrund der Kapillarwirkung der Poren bzw. der Porosität des durch Sintern hergestellten Körpers sowohl die Oberfläche wie auch über den gesamen Querschnitt des dreidimensionalen Körpers diesen durchdringt, ist kein Ausbrennen bzw. Ausschmelzen von Bindemitteln nach der Herstellung des dreidimensionalen Körpers erforderlich und damit entfallen auch Wärmebehandlungsprozesse nach der Sinterung des Körpers und somit wird die Maß- und Formbeständigkeit des Körpers ohne Schwund aufrechterhalten. Zu der für einen Test des schichtweise geschaffenen Prototyps in der Serienfertigung erforderlichen Härte trägt die Kombination aus den Einzelbestandteilen des Materials dadurch bei, daß jede einzelne der eingesetzten Einzelkomponenten eine hohe Härte und Festigkeit aufweist und auch bezüglich ihres Schmelzpunktes und ihrer chemischen Zusammensetzung für hohe Belastungen, wie sie während der Serienfertigung auftreten, geeignet sind, d.h. konkret, daß wohl für das Basismaterial in Form von metallischen oder nichtmetallischen Hartstoffen wie auch bei den Materialbestandteilen der Bindemittelzusammensetzung und schließlich bei dem Material des Hartlots jeweils nur Einzelmaterialien eingesetzt werden, die jeweils bezüglich der Härte, dem Verschleiß, der Temperatur die entsprechend den Praxisanforderungen in der spanenden Bearbeitung und in der spanlosen Formgebung erforderlichen Härtegrade und anderen Materialeigenschaften aufweisen. Durch die geschilderte Kombination von Merkmalen wird erreicht, daß die geschaffenen dreidimensionalen Körper, wie beispielsweise ein Prototyp, Formen oder andere Bauteile, seriennahe Eigenschaften aufweisen, und so deren Erprobung in den Serienfertigungsverfahren zu ermöglichen, da diese Körper den entsprechenden Belastungen der Erprobung standhalten können.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Materials zum Aufbau von dreidimensionalen Körpern besteht darin, daß die Schmelztemperaturen der Hartstoffe, der Materialkomponenten, der Bindemittelzusammensetzung und des Hartlots in ihrer Höhe unterschiedlich und gestaffelt ausgebildet sind, d.h. daß der höchste Schmelztemperaturbereich den Hartstoffen zugeordnet ist, der mittlere Schmelztemperaturbereich den Materialkomponenten der Bindemittelzusammensetzung und der niedrigste Schmelztemperaturbereich dem Hartlot vorbehalten ist. Die Staffelung der Schmelztemperaturbereiche der Hartstoffe, der Materialkomponenten der Bindemittelzusammensetzung und des Hartlots sind jeweils so gewählt, daß sich diese Schmelztemperaturbereiche nicht überlappen. Durch diese Staffelung der Temperaturen der Schmelzbereiche der Hartstoffe, der Bindemittelzusammensetzung und des Infiltrationsmittels wird erreicht, daß sich beim Sintern von Hartstoffen und den Bestandteilen der Bindemittellzusammensetzung die Eigenschaften der Hartstoffe nicht verändern und bei der Infiltrierung mit dem flüssigen Infiltrationsmittel des Hartlots läßt sich durch den sowohl gegenüber den Hartstoffen wie auch gegenüber den Materialbestandteilen der Bindemittelzusammensetzung niedrigeren Schmelzbereich des Infiltrationsmittels erreichen, daß die Eigenschaften des vorher durch den Laserstrahl und den Sinterprozeß erreichten dreidimensionalen Körpers nicht durch die Infiltrierung des niedriger schmelzenden Infiltrationsmittels negativ verändert werden. Bei dem erreichten Endprodukt in Form eines Prototypen, von Formen oder von Bauteilen für die spanende Bearbeitung oder spanlose Formgebung sind dann für den fertiggestellten dreidimensionalen Körper, die in ihm enthaltenen Eigenschaften der Hartstoffe maßgeblich für die Eigenschaften des geschaffenen Körpers, ohne daß es zu Maß- oder Formveränderungen des Körpers während der Fertigung gekommen ist.

Nachstehend soll das mit dem Praxiseinsatz nahekommende Eigenschaften versehene Material zur schichtweisen und schnellen Herstellung von Werkzeugen, Formen und/oder Bauteilen durch das Lasersinterverfahren noch näher beschrieben werden. Ein herzustellendes Bauteil, eine zu fertigende Form oder ein zu erstellender Prototyp werden bei dem Lasersinterverfahren mit Hilfe einer Datenverarbeitung in einzelne Schichten unterteilt, wozu beispielsweise die CAD CAM-Technologie geeignet ist, und dann werden die Daten der einzelnen Schichten einer Fertigungsanordnung zugeführt. In einem ersten Schritt wird bei der Herstellung durch ein Nivelliersystem eine erste definierte Ebene der Pulverlage des Materials auf einer Trägerplattform aufgebracht. In einem zweiten Schritt wird die aufgebrachte pulverförmige Materialschicht durch einen Laserstrahl auf den zu der Baustruktur gehörenden Flächen aufgeschmolzen. Das umliegende pulvrige Material übernimmt dabei die Funktion der Bauteilabstützung. Anschließend wird die Trägerplattform um die vorher aufgebrachte Schichthöhe des Materials abgesenkt. Es wird erneut eine Schicht von pulverförmigem Material auf der ersten Schicht aufgebracht und es erfolgt dann ein Überstreichen mit dem Laserstrahl entsprechend den gespeichterten Konturen und Feldern des herzustellenden Körpers, wodurch das Lasersintern zwischen den Materialbestandteilen stattfindet. In dem beschilderten Lasersinter Verfahren lassen sich dabei komplexe Bauteile mit filigraner Struktur erstellen. Begründet durch die Abstützfunktion des Pulverbettes neben den gesinterten Bahnen bzw. Flächenteilen können Hinterschnitte und in begrenztem Umfang auch Überhänge ohne Unterstützungen hergestellt werden. Die zum Lasersintern erforderliche Energie kann beispielsweise durch CO₂-Laserstrahl oder jedem anderen für eine derartige Sinterung geeigneten Laserstrahl erzeugt werden.

Mit den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren lassen sich mittels Lasersintern metallische Prototypen, Formen und Bauteile herstellen, die dazu polymerumanteltes Stahlpulver, wobei der Polymer als Bindemittel dient, oder Metallpulvermaterial auf Kupferbasis mit Zusätzen verwenden und dabei eine Infiltration mit Epoxydharz stattfindet, so daß nur Bauteile und Prototypen entstehen können, die starken Belastungen nicht gewachsen sind und daher nur in begrenztem Umfang als Prototyp zum Testen eingesetzt werden können. Mit dem vorliegenden Erfindungsgegenstand wird im Gegensatz zum Stand der Technik ein Materialaufbau beschrieben, der erfindungsgemäß durch das kombinatorische Zusammenwirken der Merkmale bzw. Einzelbestandteile der Ausgangsstoffe des Materials Prototypen von Werkzeugen für die spanende Bearbeitung und von Formen zur spanlosen Formgebung sowie von Bauteilen dazu hergestellt werden können d.h., daß die mit der Erfindung hergestellten dreidimensionalen Körper den Belastungen bezüglich Härte, Druck, Verschleißfestigkeit, der Bewältigung hoher Arbeitstemperaturen und der Einhaltung der geplanten und vorgegebenen Maß- und Formbeständigkeit gewachsen sind, die bei den Praxisanforderungen bei der Ausführung von spanender Bearbeitung und spanloser Formgebung erforderlich sind. Als Basismaterial in Pulverform werden deshalb metallische und/oder nichtmetallische Hartstoffe für den schichtweisen Aufbau von Werkstoffbahnen des dreidimensionalen Körpers verwendet. Jeder dieser Hartstoffe ist aufgrund seiner Eigenschaften den bei den spanenden Werkzeugen und bei den Formen und Bauteilen der spanlosen Formgebung auftretenden Belastungen für sich gewachsen. Das difinitionsgemäß als Hartstoffe ausgebildete Basismaterial für die zu sinternden Körper besteht bei den metallischen Hartstoffen beispielsweise aus TiC, ZrC, NbC, WC usw. Das als nichtmetallische Hartstoffe ausgebildete Basismaterial für den Aufbau der Schichten des dreidimensionalen Körpers kann beispielsweise aus SiC, Al₂0₃, B₄C usw. wobei auch andere Hartstoffe in Pulverform verwendet werden können, die Eigenschaften aufweisen, die sie für die hohen Belastungen der spanenden Bearbeitung und der spanlosen Formen prädestinieren.

Die vorstehend geschilderten Hartstoffe kommen alle in Pulverform zur Verarbeitung. Diese in Pulverform vorliegenden Hartstoffe werden nun mit einer Bindemittelzusammensetzung entweder vermischt oder mit einer Bindemittelzusammensetzung in Form einer Legierung überzogen. Wenn das als Hartstoff ausgebildete Basismaterial mit der Bindemittelzusammensestzung vermischt ist, kann eine Aufbringung als Schicht bzw. Bahn für den zu erstellenden dreidimensionalen Körper erfolgen und danach die Erwärmung durch den Laserstrahl entsprechend den vorgegebenen und vorprogrammierten Formen des zu erstellenden Teils. Die Bindemittelzusammensetzung in Form eines pulvrigen Gemisches oder einer Legierung besteht dabei aus einem ersten metallischen Bindemittel. Das erste als Metall ausgebildete Bindemittel wird dabei bevorzugt aus der Eisengruppe, wie Eisen, Kobalt, Nickel und dergleichen gewählt, wobei das erste Bindemittel sowohl aus einer Materialkomponente bestehen kann als auch aus einer Kombination mehrerer Materialkomponenten gemischt sein oder als Legierung vorliegen kann. Wesentlich für die Entstehung des hochfesten Materials zum Lasersintern gemäß der Erfindung ist nun, daß zu dem ersten metallischen Bindemittel wenigstens ein weiteres zweites Bindemittel zugegeben wird und daß dabei das zweite Bindemittel als selbstfließende Legierung ausgebildet ist, die während des Lasersinters der Schicht eine intensive Verbindung zwischen dem als Hartstoff ausgebildeten Basismaterial und der Bindemittelszusammensetzung herstellt. Das zweite Bindemittel ist dabei mit ein oder mehreren Materialkomponenten zur Erzeugung einer hohen Fließfähigkeit der Bindemittelzusammensetzung versetzt. Als Ausgangsmaterial für das erste Bindemittel wird beispielsweise Nickel beschichtetes Wolfram Karbid. Das zweite Bindemittel wird dann auf der Basis des Werkstoffes des ersten Bindemittels, also des Nickels aufgebaut und enthält somit Anteile des ersten Bindemittelwerkstoffes Nickel. Dazu kommen bei dem zweiten Bindemittel ein oder mehrere Materialkomponenten wie beispielsweise Chrom, Bor und Silizium als weitere Legierungselemente.

Darüber hinaus kann die Bindemittelzusammensetzung noch ein weiteres drittes Bindemittel mit ein oder mehreren Materialkomponenten zur Schaffung einer hohen Benetzungsfähigkeit der Bindemittelzusammensetzung aufweisen. Auch das dritte Bindemittel wird dabei jeweils auf der Basis des Werkstoffes des ersten Bindemittels wie in dem angegebenen Beispiel, also Nickel, aufgebaut und enthält damit entsprechende Anteile von Nickel. Die zweite, dritte und eventuelle weitere Bindemittelzusammensetzungen sind jeweils auf der Basis des Werkstoffes des ersten Bindemittels aufgebaut. Das dritte Bindemittel kann beispielsweise zur Förderung des Sinterverhaltens des Materials mit einer Materialkomponente aus Nickel-Phosphor-Pulver gebildet sein.

Aus der Sinterung der Werkstoffbahnen aus den Hartstoffen des Basismaterials zusammen mit der Bindemittelzusammensetzung in mehreren übereinanderliegenden Schichten bzw. Bahnen mittels einer vorprogrammierten Führung durch einen Laserstrahl entsteht ein dreidimensionaler Körper, der aufgrund der pulverförmigen Ausgangsstoffe des Basismaterials eine Porosität aufweist, d.h. von Poren durchzogen ist. Der nach Aufbau aller Schichten mittels Lasersintern fertiggestellte dreidimensionale Körper besitzt aufgrund der pulverförmigen Ausgangsstoffe eine Porosität, deren Poren direkt von der Oberfläche über den gesamten Querschnitt des entstandenen Körpers nunmehr mit einem flüssigen Infiltrationsmittel durchdrungen und gefüllt werden. Die Infiltration erfolgt aufgrund der Kapillarwirkung bei Kontakt oder bei Eintauchen des porösen Körpers in das flüssigen Infiltrationsmittel. Als flüssiges Infiltrationsmittel wird ein metallischen Hartlot verwendet. Dieses metallische Hartlot ist als hochschmeizendes Hartlot beispielsweise gemäß dem bereits gegebenen Beispiel für die Hartstoffe und für die Bindemittelzusammensetzung auf einer Silber- Kupfer-Basis gebildet wird. Bei der Füllung der Poren des dreidimensionalen Körpers mit einem Hartlot auf Silber-Kupfer-Basis liegen die erzielten mechanischen Eigenschaften deutlich über den Werten, die bisher nach dem Stand der Technik mit kommerziell verfügbaren Pulversystemen sich erreichen ließen. Im Gegensatz zu den vorher ausgeführten Lasersinterprozessen zur Herstellung des dreidimensionalen Körpers kommt es bei der Verdichtung mittels Infiltration zu keiner Volulmenschrumpfung, d.h. die Form- und Maßgenauigkeit des hergestellten dreidimensionalen Körpers ist identisch in seinen Abmessungen mit den geplanten und einprogrammierten Werten. Gegenüber den im Stand der Technik verwendeten Infiltrationsmitteln wie Kuper und Epoxydharz weisen die mit dem erfindungsgemäßen Material und dem metallischen Hartlot infiltrierten Körper eine erhöhte Härte, Zug- und Biegefestigkeit auf. Außerdem führen die erfindungsgemäß angewandten Materialien zusätzlich zu einer Verdichtung der Oberfläche, wie sie beispielsweise bei der Anwendung der Bauteile bei einem Werkzeugeinsatz für Kunststoffspritzguß bis hin zum Druckguß, als Elektrode für funkenerosive Bearbeitung oder als Formschleifkörper von wirtschaftlichem Nutzen ist. Bei dem erfindungsgemäßen Material lassen die eingesetzten Ausgangsstoffe in Form der Einzelkomponenten aus Hartstoffen und den Komponenten der Bindemittelzusammensetzung hinsichtlich des Schmelzpunktes und ihrer chemischen Zusammensetzung eine einwandfreie und rasche Infiltration des porösen Körpers mit dem metallischen und ebenfalls hochschmelzenden Hartlot zu. Für den Gegenstand wesentlich ist das Zusammenwirken in einer erfindungsgemäßen Kombination der Hartstoffe mit den metallischen Materialkomponenten der Bindemittelzusammensetzung und schließlich mit dem flüssigen, metallischen und ebenfalls hochschmelzenden Hartlot. Dadurch läßt sich bei der Herstellung des dreidimensionalen Körpers durch das Lasersintern eine hohe Härte, Festigkeit und Verschleißbeständigkeit erzielen, insbesondere auch dadurch, daß die Schmelztemperaturbereiche der einzelnen Komponenten voneinander getrennt und gestaffelt sind. So liegen die Schmelztemperaturbereiche der Materialkomponenten der Hartstoffe etwa bei 2400 bis 1800°, während die Schmelztemperaturbereiche der Materialkomponenten der Bindemittelzusammensetzung in dem Temperaturbereich von 1500 bis 1 100° liegen. Der niedrigste Schmelztemperaturbereich ist dem metallischen Hartlot mit einem Temperaturbereich um 700° vorbehalten. Da sich die Schmelztemperaturbereiche der Hartstoffe, der Materialkomponenten der Bindemittelzusammensetzung und des Hartlots jeweils nicht überlappen, bleiben die Härte, Festigkeit und anderen Eigenschaften der in Pulverform oder als Legierung vorliegenden Ausgangsstoffe jeweils während des Fertigungsprozesses des dreidimensionalen Körpers erhalten und unterstützen sich gegenseitig, so daß das Endprodukt in die Form des dreidimensionalen Körpers nach der Sinterung und Infiltrierung mit dem Hartlot die Eigenschaften der Hartstoffe bestimmend für das erzeugte Bauteil wirken, so daß mit dem erfindungsgemäßen Material durch Lasersintern hergestellte Werkzeuge und/oder Bauteile den Belastungen der spanenden Bearbeitung, beispielsweise bei Schleif-, Hon-, Läpp- und Abrichtwerkzeugen, gewachsen sind und ebenso den Beanspruchungen der spanlosen Formgebung z.B. als Umformwerkzeuge, Produktionsformen und dergleichen standhalten.

Claims

Patentansprüche

1. Material zur schichtweisen Herstellung von dreidimensionalen Körpern durch das Lasersinterverfahren, wobei die Ausgangsstoffe des Materials aus Pulverbestandteilen bestehen und ein Basismaterial mit einem gegenüber dem Basismaterial niedriger schmelzender Bindemittel durch Sintern verbunden wird, ferner ist dabei der mittels einer vorprogrammierten Führung durch bahnweises Auftragen in mehreren Schichten und jeweils pro Schicht durch einen Laserstrahl gesinterte Körper porös ausgebildet und es werden die Poren des Körpers mit einem Infiltrationsmittel geschlossen dadurch gekennzeichnet, daß für die bei spanenden Werkzeugen und bei den Formen und Bauteilen der spanlosen Formgebung auftretenden Belastungen in ihren Eigenschaften geeignete metallische und/oder nichtmetallische Hartstoffe in Pulverform als Basismaterial für den schichtweisen Aufbau von Werkstoffbahnen vorgesehen sind, daß die Sinterung der Werkstoffbahnen aus den Hartstoffen des Basismaterials zusammen mit einer Bindemittelzusammensetzung stattfindet, daß die Bindemittelzusammensetzung in Form eines pulverförmigen Gemisches oder einer Legierung aus einem ersten metallischen Bindemittel vorgesehen ist, daß eine Bindemittelzusammensetzung ferner aus wenigstens einem weiteren, zweiten Bindemittel besteht, daß dabei das zweite Bindemittel als selbstfließende Legierung ausgebildet ist, und daß die nach der Lasersinterung vorhandenen Poren direkt von der Oberfläche über den gesamten Querschnitt des entstandenen Körpers mit einem flüssigen Infiltrationsmittel durchdrungen und gefüllt werden, und daß das Infiltrationsmittel als metallisches Hartlot ausgebildet ist.

2. Material nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das als selbstfließende Legierung ausgebildete zweite Bindemittel mit einer oder mehreren Materialkomponenten zur Erzeugung einer hohen Fließfähigkeit der Bindemittelzusammensetzung ausgebildet ist.

3. Material nach einem oder mehreren Ansprüchen 1 bis 2 dadurch gekennzeichnet, daß ein weiteres drittes Bindemittel ein oder mehrere Materialkomponenten zur Schaffung einer hohen Benetzungsfähigkeit der Bindemittelzusammensetzung aufweist.

4. Material nach einem oder mehreren Ansprüchen 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß das zweite, dritte und eventuell weitere Bindemittel als Bestandteile der Bindemittelzusammensetzung jeweils auf der Basis des Werkstoffes des ersten Bindemittels aufgebaut sind und somit Anteile des ersten Bindemittelwerkstoffes enthalten.

5. Material nach einem oder mehreren Ansprüchen 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß bei den Hartstoffen, den Materialkomponenten der Bindemittelzusammensetzung und dem Hartlot jeder Werkstoff für sich eine hohe Härte und Schmelztemperatur aufweist.

6. Material nach einem oder mehreren Ansprüchen 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelztemperaturen der Hartstoffe, der Materialkomponenten der Bindemittelzusammensetzung und des Hartlots in ihrer Höhe unterschiedlich und gestaffelt ausgebildet sind, daß der höchste Schmelztemperaturbereich den Hartstoffen, der mittlere Schmelztemperaturbereich den Materialkomponenten der Bindemittelzusammensetzung und der niedrigste Schmelztemperaturbereich dem Hartlot vorbehalten ist, und daß sich die Schmelztemperaturbereiche der Hartstoffe, der Materialkomponenten der Bindemittelzusammensetzung und des Hartlots jeweils nicht überlappen.

7. Material nach einem oder mehreren Ansprüchen 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß als Hartstoffe ausgebildete Basismaterial mit der Bindemittelzusammensetzung beschichtet ist.

8. Material nach einem oder mehreren Ansprüchen 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, daß das als Hartstoffe ausgebildete Basismaterial mit der Bindemittelzusammensetzung gemischt ist.

9. Material nach einem oder mehreren Ansprüchen 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß das als metallischer Hartstoff ausgebildete Basismaterial aus TiC, ZrC, NbC, WC und dergleichen ausgebildet ist.

10. Material nach einem oder mehreren Ansprüchen 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß das als nichtmetallischer Hartstoff ausgebildete Basismaterial aus SiC, Al₂0₃, B₄C und dergleichen ausgebildet ist.

11. Material nach einem oder mehreren Ansprüchen 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß das erste Bindemittel der Bindemittelzusammensetzung aus einem Werkstoff oder einer Kombination von Werkstoffen der Eisengruppe, wie z.B. Eisen, Kobalt, Nickel besteht.

12. Material nach einem oder mehreren Ansprüchen 1 , 2, 5, 6 und 11 dadurch gekennzeichnet, daß das erste Bindemittel der Bindemittelzusammensetzung aus Nickel besteht.

13. Material nach einem oder mehreren Ansprüchen 1 , 4, 5, 6 und 11 dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Bindemittel der Bindemittelzusammensetzung aus Nickel mit den Materialkomponenten Chrom, Bor und Silizium besteht.

14. Material nach einem oder mehreren Ansprüchen 1 , 3, 4, 5, 6 und 11 dadurch gekennzeichnet, daß das dritte Bindemittel der Materialzusammensetzung aus Nickel mit der Materialkomponente Phosphor besteht.

15. Material nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14 dadurch gekennzeichnet, daß das Materiall zur schichtweisen Herstellung von lasergesinterten Körpern für den Bau von Werkzeugen, Formen und Bauteilen des Werkzeugbaus und des Formenbaus verwendet wird.