WO2006048076A1 - Verfahren zum herstellen von metallbauteilen - Google Patents

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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
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