WO2009030194A1 - Verfahren zum herstellen eines formkörpers mit schaumartiger struktur - Google Patents

Verfahren zum herstellen eines formkörpers mit schaumartiger struktur Download PDF

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WO2009030194A1
WO2009030194A1 PCT/DE2008/001386 DE2008001386W WO2009030194A1 WO 2009030194 A1 WO2009030194 A1 WO 2009030194A1 DE 2008001386 W DE2008001386 W DE 2008001386W WO 2009030194 A1 WO2009030194 A1 WO 2009030194A1
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foam
gas
scandium
aluminum
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PCT/DE2008/001386
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Frank Palm
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Eads Deutschland Gmbh
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/08—Alloys with open or closed pores
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/08—Alloys with open or closed pores
    • C22C1/083—Foaming process in molten metal other than by powder metallurgy
    • C22C1/086—Gas foaming process
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • 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
    • B22F2998/00—Supplementary information concerning processes or compositions relating to powder metallurgy
    • 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
    • B22F2999/00—Aspects linked to processes or compositions used in powder metallurgy

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a shaped body, in particular a component with a foam-like structure.
  • foam-like refers to three-dimensional structures with closed pores and interconnected pores.
  • a foam-like structure is suitable for low density components that are advantageously used in automotive and aircraft applications.
  • Metals having a foam-like structure can be produced by various methods. For example, it is known from US 6,250,362 to produce a metal foam by a spray casting process, in other methods a foam is produced in a molten metal bath, the metal foam being continuously discharged, as is known, for example, from US 5,334,236 ,
  • the object of the present invention is therefore to provide a simpler process for the production of a shaped article having a spongy or foam-like structure.
  • this object is achieved by the following method.
  • a metallic molded body having a foam-like structure a metallic molded body having a surface to be built up is provided.
  • a metallic source material is provided on the surface to be built up.
  • An energy beam is directed to the surface to be built, whereby a molten area of the metallic base material is produced on the surface of the molded body to be built up.
  • a foaming agent is introduced into the molten area so that a foam-like structure is produced in this molten area, which is retained in the re-solidified starting material.
  • the energy beam and the foaming agent are guided in a defined manner over the surface to be built up in order to produce a layer of the shaped body which has a foam-like structure.
  • the energy beam thus melts a locally limited area of the metallic starting material.
  • the foaming agent is deliberately introduced into this molten area of the starting material to create pores in the melt which are "frozen” upon re-solidification of the melt within the material, this re-solidified material forming part of the formed body
  • the energy beam is typically guided in lines and / or columns across the surface to be built to form, in layers, the molded body having a foamy or spongy structure from the source material and the foaming agent controlled by a suitably programmed computer.
  • porosity By “foamy” or “spongios” is meant a structure that has a porosity. This porosity can be the form of closed pores that way called “closed cell structure”, and interconnected pores, the so-called “interconnected pore structure” have.
  • the inventive method has the advantage that the foaming agent is introduced directly into the molten region of the starting material.
  • a starting material in the form of a wire can be used.
  • the foaming agent is then introduced into the molten area of the wire to produce pores with a diameter smaller than the diameter of the wire. Consequently, a molded article having a very fine porosity can be produced by the method of the present invention.
  • the wire can also act as a carrier of the foaming agent.
  • the type and amount of foaming agent controls the size, position and distribution of the pores.
  • Metallic powders have the disadvantage that they are often flammable and / or toxic so that they can only be used under strictly controlled conditions.
  • the use of a wire as a starting material has the advantage that the difficulties associated with the use of metallic powders can be avoided.
  • a wire-form metal is not only easier to handle, but also often less expensive, since its manufacture is also easier.
  • RP rapid prototyping
  • Rapid prototyping processes are processes in which components without” detours ", ie without further thermo-mechanical process steps, are produced directly and with the desired final contour and so resilient are that they can take over the mechanical-technological functions of "normally” produced components.
  • This direct component generation is known in the art under a variety of names or designations - "direct metal sintering” (DMS), "powder metal sintering", “Laser assisted metal sintering,” fusing "or” near net shaping ",” solid free form fabrication (SF 3 ) "etc. - which is generally referred to below as” rapid prototyping " Time also often uses the term “rapid manufacturing”. In the following, however, only the term “rapid prototyping” is to be used, but this is not meant to be limiting, for example to a small number of items.
  • the above-mentioned RP method has in common that the component or RP material is locally melted by a heat source (e.g., a laser or electron beam) typically controlled by a CNC program and solidifies immediately thereafter.
  • a heat source e.g., a laser or electron beam
  • the 3-dimensional component geometry is built up more or less point by point or step by step in layers or in layers.
  • the RP component has a cast structure which, however, is much finer-grained than conventional cast structures due to the high locally acting cooling speed.
  • the method according to the invention thus provides a simple method for producing a component with a foam-like structure and with a desired final contour.
  • the foam-like structure may have closed cavities or pores and / or interconnected pores.
  • the shape of the pores and consequently the structure of the shaped body can be adjusted by the type of foaming agent and the melting and the cooling rate.
  • a gas is provided as foaming agent.
  • the gas may be hydrogen, carbon dioxide, oxygen, air, nitrogen or an inert gas or a mixture thereof.
  • the gas does not or only to a limited extent react with the starting material and also with the molten starting material, so that a metallic molding having a high purity can be produced.
  • a gas is selected which is chemically compatible with the starting material used.
  • a gas developer is provided as foaming agent.
  • the gas developer after the introduction into the starting material, the gas developer is decomposed and generates gas.
  • the formed gas generates pores and thus the desired spongiosa or foam-like structure in the molten material.
  • the generated gas has hydrogen.
  • Hydrogen has the advantage that it does not cause oxidation of the starting material.
  • the gas generator can be used in various forms such as gaseous, liquid or solid. It is also possible to use a gas developer in two or more forms, for example, for pores of different sizes. lickix in the molding to produce. Such a structure can lead to improved strength properties.
  • the structure of the produced molded article can be arbitrarily determined spatially.
  • a foam-free region is produced in at least one peripheral edge of the molded body. This is achieved by not using the foaming agent while directing the energy beam at this area. Since the energy source as well as the foaming agent are usually controlled by a computer program, the desired location of the non-porous area is taken into account in generating the program for producing the molded body.
  • the uppermost layer is built up on the surface of the molded article to be built up without foam or without pores. No foaming agent is used during the construction of the uppermost layer to produce a foam-free layer there.
  • two or more closed non-porous layers are built on each other to increase the thickness of the closed outer layer.
  • the foaming agent is guided so that a molded body is produced with a closed outer skin and / or that non-porous areas are produced within the shaped body.
  • Non-porous inner regions may serve as additional reinforcing elements to impart a laminate structure or fiber structure, for example, or to serve as additional load introduction regions.
  • the starting material may consist of one or more metals and / or alloys.
  • different layers made with different compositions.
  • the lowest layer may have a different composition.
  • the uppermost layer or layers may have a different composition compared to the inner part of the molded article. This can be advantageous if a closed outer layer is to be produced. This closed layer may have a composition better suited for soldering or welding.
  • aluminum or an aluminum alloy is used as the starting material.
  • Aluminum and aluminum alloys have a low density and are thus suitable for applications in aircraft construction and motor vehicle construction, where the weight of the components used plays a role.
  • the starting material used is an aluminum scandium alloy whose scandium (Sc) content is at least 0.4% by weight.
  • the scandium (Sc) content is preferably between 0.41% by weight and 2.0% by weight, more preferably between 0.8% by weight and 1.4% by weight.
  • the starting material ie the aluminum scandium alloy
  • the magnesium (Mg) alloy is particularly preferably between 3.0% by weight and 6.0% by weight or between 4.0% by weight and 5.0% by weight.
  • Structural components produced from aluminum scandium starting materials or aluminum-magnesium scandium starting materials of the above-specified composition produced according to the invention have outstanding material properties which permit direct use of the generated structural components. allow components.
  • the inherently high cooling rates of the RP process make it possible to achieve high strength, high yield strength, excellent corrosion behavior and excellent weldability.
  • Aluminum material systems with scandium or magnesium, aluminum scandium material systems or aluminum-magnesium-scandium material systems are known, for example, from DE 100 248 594 A1, US Pat. No. 6,258,318 B1, EP 0 918 095 A1 or also US Pat. No. 6,139,653.
  • the decisive advantage that results from the use according to the invention of such known material systems arises from the combination of these material systems with the RP method and thus makes possible the direct metal sintering of foam-like heavy-duty structural components made of aluminum alloys.
  • the starting material is accompanied by such additional alloying elements which behave complementary or substitutively to scandium, in particular Zr, Ti, Ta, Hf, Y, Er.
  • additional alloying elements which behave complementary or substitutively to scandium, in particular Zr, Ti, Ta, Hf, Y, Er.
  • the metallurgist knows all of these elements as so-called dispersoid-forming elements (usually in the stoichiometric form Al 3 X), which are used for microstructure fertilization, thermo-mechanical microstructure stabilization and strength enhancement.
  • the proportion of these dispersoid-forming elements per element is at most 2.0 wt .-% and a total of at most 3.0% by weight.
  • the proportion of scandium-complementary or substituted elements in total is not more than 0.8 wt .-%.
  • aluminum-magnesium-scandium are suitable as further alloying components, depending on the desired mechanical technological properties, the elements Zn, Mn, Ag, Li, Cu, Si, Fe, wherein the proportion of these additional alloying elements per element 0.05 wt .-% may be up to 2.0 wt .-%.
  • the aluminum scandium alloys or aluminum-magnesium-scandium alloys used are known to have contaminants of other elements whose content individually amounts to a maximum of 0.5% by weight and in total not more than 1.0% by weight. is.
  • additional admixtures of metallic or non-metallic (e.g., ceramic) materials may be added to the feedstock prior to or during the RP process.
  • the starting material in the form of powder or wire is provided in the process according to the invention.
  • the combination of the material system AIMgSc with the direct metal sintering also shows very good results of the structural component produced when the starting material before melting, which is proposed in a further embodiment of the invention as a sintered, cast or extruded molding.
  • the starting material For melting the starting material a variety of possibilities is given. Usually this is done by one or more laser beams, electron beams or an arc. However, it is also possible to use a chemical, exothermic reaction, or the starting material is heated capacitively or inductively. Any combination of these different heat sources is possible. With respect to the recoverable material properties is carried out in a preferred embodiment of the method according to the invention the cooling of the molten starting material at a cooling rate in the temperature range TII quidus - T350 0 C, the / sec is greater than 100 K. Although such cooling rates inherently are inherent in the RP process, additional cooling may be used to achieve higher cooling rates.
  • the solidification and cooling of the molten starting material takes place under protective gas or in vacuo, with the protective gas used being preferably one or mixtures of such gases which are known in the prior art for welding aluminum materials.
  • a heat treatment downstream of the RP process can still improve the material properties of the structural component produced and, in particular, increase the strength and toughness.
  • the subsequent heat treatment can typically be carried out at temperatures between 100 0 C and 400 0 C for a period of 10 min to 100 h (eg 250 0 C - 400 0 C / 10 min - 100 h or 300 0 C - 350 0 C / 1 h - 10 h).
  • the subsequent heat treatment takes place in the temperature interval of 250 0 C to 400 0 C, for a duration which causes the formation of coherent Al 3 Sc phases.
  • the subsequent heat treatment provides an additional Significant solidification of the Al (Mg) Sc material (in the RP component) by a so-called precipitation hardening on the formation of coherent Al 3 Sc phases possible.
  • the strengths that can be achieved are then still sufficient for the tensile strength and the yield strength above 400 MPa, for a direct application, sufficient elongation (A5> 5%).
  • the already good strength of the directly generated structural component can be significantly increased by the subsequent heat treatment, without the toughness and the corrosion behavior being degraded in a way that endangers the application.
  • the heat treatment can also be carried out in several stages and / or steps.
  • the structural component can be subjected to rapid cooling (eg quenching in water) to room temperature with subsequent heat aging in the temperature range 100 ° C.-250 ° C. for a duration of 10 minutes to 100 hours.
  • rapid cooling eg quenching in water
  • the inventive method according to one of the preceding embodiments can be used for producing a structural component of an aircraft or a structural component of a motor vehicle.
  • the weight of the structural components is important to reduce fuel consumption while maintaining the strength of the aircraft or motor vehicle.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a method according to a first embodiment of the invention
  • Figure 2 shows a schematic representation of a method according to a second embodiment of the invention
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a method according to a third embodiment of the invention.
  • FIG. 1 shows a step of a production method of a metallic shaped body or component 1 according to a first exemplary embodiment of the invention. Only a portion of the not yet finished component 1 is shown in FIG.
  • the component 1 is constructed in layers in the direction of arrow A by means of a so-called rapid prototyping method.
  • a starting material 2 is applied to the uppermost surface 3 of the as yet unfinished component 1 and locally melted by the use of a focused laser beam 4 as an energy source.
  • the molten area is designated by the reference numeral 5.
  • the regions 6 of the component 1 which are located outside this melted region 5 remain unmelted since the laser beam 4 is not directed to these regions 6, so that in these regions 6 the temperature remains below the melting temperature of the starting material 2.
  • a starting material 2 is used in the form of a wire 7, which consists of AIMg4,6Sc1, 4 and has a diameter of 1, 0 mm.
  • FIG. 1 shows the end 8 of a wire spool. This end 8 is brought to the surface 3 of the component and melted with the laser beam 4.
  • the laser beam 4 and the wire 7 are guided over the surface 3 of the component 1, the end 8 of the wire 7 being guided into the molten region 5 becomes.
  • This movement of the laser beam 4 and the wire 7 is shown by the arrow B in FIG.
  • the molten region 5 is thus guided together with the laser beam 4 and wire 7 laterally over the surface 3 in the direction of arrow B, wherein the wire 7 provides the starting material 2 for the new layer 9.
  • the molten material quickly solidifies again when the laser beam 4 is controlled away from this molten region 5 in the direction of arrow B.
  • a fixed region 6 of the layer 9 of the component 1 grows in the direction of the arrow B.
  • the outer contour of the component 1 is determined by the spatial guidance of the laser beam 4 and of the wire 7.
  • a foaming agent 11 is introduced into the molten region 5 of the starting material 2 during the melting process.
  • a focused gas flow 12 is provided which consists of nitrogen. The gas stream 12 is guided in the direction of arrow C in FIG.
  • the gas flow 12 is brought under pressure into the molten area 5 of the starting material 2, so that within the molten area 5 pores 13 are generated.
  • the region 5 freezes from left to right again, since the temperature drops below the melting temperature of the wire 7.
  • the pores 13 are frozen within the region 5 and it forms a foam-like or spongy structure, as shown in the solid region 6 on the left side of the layer 9.
  • a partial region of the layer 9 is built up on the surface 3.
  • the laser 4 and the gas flow 12 are continued next to this constructed subregion and from right to left in order to broaden the layer 9.
  • a gas developer is used in a further embodiment.
  • the gas developer is decomposed to generate hydrogen. This hydrogen generates pores 13 within the melt, which are frozen due to the re-solidification within the area 5, so that a solid foam-like structure 6 is formed.
  • the gas developer can also be used in the form of a liquid or a solid. It is fed separately to the process or applied to the wire by means of a device.
  • the laser 4 and the wire 7 are guided so that they impinge on the surface 10 of the partially produced layer 9 shown in FIG.
  • Another layer is then applied to this surface 10 and the component 1 in the direction of arrow A layer by layer or layered.
  • the component 1 is constructed in this way with a cancellous or foam-like structure in layers with the desired final contour. Due to this cancellous structure, the component 1 is lighter than a component which is produced without additional pore images.
  • the porosity of the component 1, the size and shape of the pores 13 and consequently the internal structure of the component 1 can be adjusted by the adjustment of the laser beam 4, the speed of reflow, the rate of re-solidification of the starting material 2 and the selection of the foaming agent and / or the Pressure under which the foaming agent 11 is introduced into the molten region 5 can be adjusted. It is possible by the adjustment of the production parameters to produce a component with individual spherical pores and a component having a structure in which pores 13 adjoin one another and are interconnected, so that irregular or tubular pores be generated. Also a skeletal structure can be made.
  • the pores 13 according to the invention are characterized in all cases by round-edged cavities, which lead to an improved fatigue strength of the component 1.
  • a foaming agent 11 in the form of a gas stream 12, which is introduced into the molten starting material 5, allows the production of a fine spongy structure.
  • the pores 13 are generated inside the molten wire 7 and may have a diameter smaller than the diameter of the wire 7.
  • the porosity is not produced by selective connections between different wires, but by pores 13 introduced inside the molten wire 7 itself. Consequently, a fine porosity and a fine foam-like structure can be achieved.
  • a wire having a larger diameter and a laser beam having a larger diameter may be used, whereby a fine porous structure can still be produced. This has the advantage that the production speed of the component 1 can be increased.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a manufacturing process step according to a second embodiment of the invention.
  • the same components are shown with the same reference numerals and will not be explained further.
  • the second embodiment of Figure 2 differs from the first embodiment in the shape of the starting material 2.
  • the starting material 2 is provided in the form of a powder 15 consisting of AIMg4,6Sc1, 4.
  • An initial powder layer 16 is applied to the surface 3 of the uppermost layer of the not yet finished component 14.
  • the focused laser beam 4 and serving as a foaming agent 11 gas stream 12 are simultaneously on the Layer 9 is guided in the direction of arrow B according to a defined program.
  • a local region 5 of the starting powder layer 16 is melted and solidified again, so that a solid layer 9 grows in the direction of arrow B.
  • a foaming agent 11 is introduced under pressure into the molten area 5, so that a gas flow 12 in the molten area 5 produces pores 13 which are frozen in the re-solidified material and produce a cancellous structure 6 in the component 14.
  • the peripheral edge of the component 14 is shown in FIG. 2 by the reference numeral 17.
  • the peripheral edge 17 has no pores and the component 14 is provided with a closed dense outer layer. This is achieved by interrupting the gas flow 12 while the laser beam 4 melts the region 17. Consequently, no gas is introduced into the molten region 17, so that there arises a dense pore-free region.
  • the pore-forming agent 11 in the form of a gas stream 12 is only switched on when the laser beam 4 is directed onto the inner region 6. In a similar manner, an uppermost layer of the component 14 can be produced without pores. This embodiment is shown in FIG.
  • the component 18 is produced with a closed pore-free outer skin 19 and with inner structural elements 20 which are likewise free of pores.
  • Three layers 9 ', 9 "and 9'” are shown schematically in FIG.
  • the lower layers 9 'and 9 have a pore-free edge region 17 and a second non-porous inner region 20 which is surrounded by a foam-like structure 22, 25.
  • the second non-porous regions 20 of the layers 9' and 9" are arranged on top of one another the regions 20 together result in an inner reinforcing element of the component 18.
  • the laser beam 4 and wire 7, which provides the starting material 2 are controlled to the peripheral edge 17.
  • the gas flow 12 is not switched on, so that the peripheral edge 17 is produced without pores
  • the laser 4, the wire 7 and the gas flow 12 are controlled from left to right
  • the gas flow 12 is turned on and the area 22 is made with a spongy structure
  • the gas flow 12 is turned on again to produce the cancellous portion 25.
  • the gas flow 12 remains switched off, so that the uppermost layer 9'" grows non-porous over the entire surface, so that a closed outer skin 19 is created.
  • the thickness of the outer, closed layer can be increased as desired by producing further closed layers on the layer 9 '".
  • the method according to the invention is therefore very flexible and can be used to produce a foam-like or spongy structure, in particular a spongiosa structure with a closed outer layer and a spongy structure with inner non-porous reinforcing elements.
  • the structure of the component is achieved by the corresponding settings of the laser beam 4 and foaming agent 11.

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Abstract

Ein Verfahren zum Herstellen eines metallischen Formkörpers (1, 14, 18) mit einer schaumartigen Struktur weist folgende Schritte auf. Ein Energiestrahl (4) wird auf eine aufzubauende Oberfläche (3) eines metallischen Formkörpers (1, 14, 18) gerichtet, auf der ein metallischer Ausgangswerkstoff (2) bereitgestellt wird, wobei ein geschmolzener Bereich (5) aus dem metallischen Ausgangswerkstoff (2) auf der aufzubauenden Oberfläche (3) des Formkörpers (1, 14, 18) mit dem Energiestrahl (4) erzeugt wird. Ein Schaumbildner (11) wird in den geschmolzenen Bereich (5) eingebracht, so dass eine schaumartige Struktur (13) in diesem geschmolzenen Bereich (5) erzeugt wird, die im wieder erstarrten festen Bereich (6) beibehalten wird. Der Energiestrahl (4) und der Schaumbildner (11) werden über der aufzubauenden Oberfläche (3) definiert geführt, um eine Schicht (9) des Formkörpers (1, 14, 18) herzustellen, die eine schaumartige Struktur (13) aufweist.

Description

Verfahren zum Herstellen eines Formkörpers mit schaumartiger Struktur
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Formkörpers, insbesondere eines Bauteils mit einer schaumartigen Struktur.
Bauteile aus einem Metall oder einer Legierung mit einer spongiosen oder schaumartigen Struktur sind bekannt. Unter schaumartig sind drei-dimensionale Strukturen mit geschlossenen Poren sowie untereinander verbundenen Poren zu verstehen. Eine schaumartige Struktur ist für Bauteile mit einer niedrigen Dichte geeignet, die vorteilhaft bei Anwendungen in Automobilen und Luftfahrzeugen eingesetzt werden. Durch die Einstellung der Porosität und damit der Dichte des Bauteils können weitere Eigenschaften, wie die Festigkeit, Steifigkeit, elektrische und thermische Leitfähigkeit des Bauteils eingestellt werden.
Metalle mit einer schaumartigen Struktur können mittels verschiedener Verfahren hergestellt werden. Aus der US 6,250,362 ist es beispielsweise bekannt, einen Metallschaum mit einem Sprühverfahren („Spray casting") herzustellen. Bei anderen Verfahren wird ein Schaum in einem geschmolzenen Metallbad erzeugt, wobei der Metallschaum kontinuierlich abgelassen wird, was zum Beispiel aus der US 5,334,236 bekannt ist.
Bei all diesen Verfahren wird ein schaumartiger Werkstoff hergestellt, der dann zu einem Bauteil mit einer gewünschten Endform weiterbearbeitet wird. Abhängig von der Festigkeit des Metallschaums kann dies komplizierter sein als bei konventio- nellen dichten Metallen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht demnach darin, ein einfacheres Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers mit einer spongiosen bzw. schaumartigen Struktur anzugeben. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das folgende Verfahren gelöst. Zum Herstellen eines metallischen Formkörpers mit einer schaumartigen Struktur wird ein metallischer Formkörper mit einer aufzubauenden Oberfläche bereitgestellt. Ein metallischer Ausgangswerkstoff wird auf der aufzubauenden Oberfläche bereitgestellt. Ein Energiestrahl wird auf die aufzubauende Oberfläche gerichtet, wobei ein geschmolzener Bereich aus dem metallischen Ausgangswerkstoff auf der aufzubauenden Oberfläche des Formkörpers erzeugt wird. Ein Schaumbildner wird in den geschmolzenen Bereich eingebracht, so dass eine schaumartige Struktur in diesem geschmolzenen Bereich erzeugt wird, die im wieder erstarrten Ausgangswerkstoff beibehalten wird. Der Energiestrahl und der Schaumbildner werden über der aufzubauenden Oberfläche definiert geführt, um eine Schicht des Formkörpers herzustellen, die eine schaumartige Struktur aufweist.
Der Energiestrahl schmilzt somit einen lokal begrenzten Bereich des metallischen Ausgangswerkstoffs auf. Der Schaumbildner wird gezielt in diesen geschmolzenen Bereich des Ausgangswerkstoffs eingebracht, um Poren in der Schmelze zu erzeugen, die beim Wiedererstarren der Schmelze innerhalb des Materials „eingefroren" werden. Dieses wiedererstarrte Material bildet einen Teil des Formkörpers. Die Wiedererstarrung des Ausgangswerkstoffs wird durch definiertes Führen des Energiestrahls von dem geschmolzenen Bereich hinweg erreicht. Der Energiestrahl wird typischerweise in Zeilen und/oder Spalten über die aufzubauende O- berfläche definiert geführt, um schichtweise den Formkörper mit einer schaumartigen oder spongiosen Struktur aus dem Ausgangswerkstoff zu bilden. Typischer- weise wird der Energiestrahl sowie der Schaumbildner von einem entsprechend programmierten Computer gesteuert.
Unter „schaumartig" bzw. „spongios" ist eine Struktur zu verstehen, die eine Porosität aufweist. Diese Porosität kann die Form von geschlossenen Poren, die so genannte „closed cell structure", sowie untereinander verbundenen Poren, die so genannte „interconnected pore structure" aufweisen.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass der Schaumbildner direkt in den geschmolzenen Bereich des Ausgangswerkstoffs eingebracht wird. Dabei kann ein Ausgangswerkstoff in Form von einem Draht verwendet werden. Der Schaumbildner wird dann in den geschmolzenen Bereich des Drahts eingebracht, um Poren mit einem Durchmesser zu erzeugen, der kleiner als der Durchmesser des Drahts ist. Folglich kann ein Formkörper mit einer sehr feinen Porosität mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt werden. Der Draht kann auch als Träger des Schaumbildners fungieren. Über den Typ und die Menge des Schaumbildners wird die Größe, Lage und Verteilung der Poren gesteuert.
Metallische Pulver haben den Nachteil, dass sie häufig brennbar und/oder giftig sind, so dass sie nur unter streng kontrollierten Bedingungen verwendet werden können. Die Verwendung eines Drahts als Ausgangswerkstoff hat den Vorteil, dass die Schwierigkeiten, die mit der Verwendung metallischer Pulver verbunden sind, vermieden werden können. Ein Metall in Drahtform ist nicht nur einfacher zu handhaben, sondern auch häufig kostengünstiger, da seine Herstellung ebenfalls einfacher ist.
Erfindungsgemäß wird ein sogenanntes „Rapid-Prototyping (RP)"-Verfahren bzw. Direct-Manufacturing- Verfahren verwendet, um einen metallischen Formkörper an einer definierten Stelle mit einer schaumartigen bzw. spongiosen Struktur herzu- stellen.
Unter Rapid-Prototyping (RP)"-Verfahren sind Verfahren zu verstehen, bei denen Bauteile ohne „Umwege", d.h. ohne weitere thermo-mechanische Prozessschritte, direkt und mit der gewünschten Endkontur hergestellt werden und derart belastbar sind, dass sie die mechanisch-technologischen Funktionen „normal" hergestellter Bauteile übernehmen können. Diese direkte Bauteilgenerierung ist in der Fachwelt unter einer Vielzahl von Namen oder Bezeichnungen bekannt - „direct metal sinte- ring" (DMS), „powder metal sintering", „laser assisted metal sintering, „fusing" oder „near net shaping", „solid free form fabrication (SF3)" etc. - was nachstehend ganz allgemein als „Rapid-Prototyping" bezeichnet wird. Bei der Herstellung höherer Stückzahlen wird in jüngster Zeit auch oft der Begriff „Rapid Manufacturing" verwendet. Im Folgenden soll jedoch lediglich der Begriff „Rapid-Prototyping" verwendet werden, was jedoch keinerlei einschränkend, beispielsweise auf eine nur geringe Stückzahl, zu verstehen ist.
Den oben genannten RP-Verfahren ist gemein, dass der Bauteil- bzw. RP- Werkstoff durch eine, in der Regel von einem CNC-Programm gesteuerte Wärmequelle (z.B. einem Laser oder einem Elektronenstrahl) lokal aufgeschmolzen wird und sofort danach wieder erstarrt. So wird inkrementell, dem CNC-Programm folgend, die 3-dimensionale Bauteilgeometrie mehr oder minder Punkt für Punkt bzw. Schritt für Schritt schichtweise bzw. lagenweise aufgebaut. Durch das Aufschmelzen und Erstarren besitzt das RP-Bauteil eine Gussstruktur, welche jedoch durch die hohe örtlich wirkende Abkühlgeschwindigkeit viel feinkörniger ist als konventi- onelle Gussstrukturen.
Überall, wo sehr schnell oder unter hohem Zeitdruck Unikate bzw. hoch belastbare Bauteile für eine (Neu)Konstruktion gebraucht werden, sind solche direkten Pro- duktgenerierungsverfahren von sehr großer Bedeutung. Aber auch bei Reparatu- ren oftmals sehr alter Bauteile, für welche keinerlei Fertigungs- und Vorrichtungsmittel mehr existieren, sind die RP-Methoden ausgesprochen wichtig, da sonst schnelle und kostengünstige Reparaturen solcher Bauteile oder Komponenten nicht möglich wären. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht somit ein einfaches Verfahren zum Herstellen eines Bauteils mit einer schaumartigen Struktur sowie mit einer gewünschten Endkontur vor.
Die schaumartige Struktur kann geschlossene Hohlräume bzw. Poren und/oder untereinander verbundene Poren aufweisen. Die Form der Poren und folglich die Struktur des Formkörpers kann durch die Art des Schaumbildners sowie das Aufschmelzen und die Abkühlrate eingestellt werden.
In einer Ausführungsform ist als Schaumbildner ein Gas vorgesehen. Das Gas kann Wasserstoff, Kohlendioxid, Sauerstoff, Luft, Stickstoff oder ein inertes Gas oder ein Gemisch davon sein. Vorzugsweise reagiert das Gas mit dem Ausgangswerkstoff und auch mit dem geschmolzenen Ausgangswerkstoff nicht oder nur begrenzt, so dass ein metallischer Formkörper mit einer hohen Reinheit her- gestellt werden kann. Dazu wird ein Gas ausgewählt, das mit dem verwendeten Ausgangswerkstoff chemisch verträglich ist.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist als Schaumbildner ein Gasentwickler vorgesehen. Bei einem Gasentwickler wird nach dem Einbringen in den Ausgangs- Werkstoff der Gasentwickler zersetzt und Gas erzeugt. Das gebildete Gas erzeugt Poren und damit die gewünschte spongiose bzw. schaumartige Struktur im geschmolzenen Werkstoff.
Bei einem ersten Ausführungsbeispiel weist das erzeugte Gas Wasserstoff auf. Wasserstoff hat den Vorteil, dass es keine Oxidation des Ausgangswerkstoffs verursacht. Der Gasentwickler kann in verschiedenen Formen wie gasförmig, flüssig oder fest verwendet werden. Es ist auch möglich, einen Gasentwickler in zwei o- der mehreren Formen zu verwenden, um zum Beispiel Poren verschiedener Grö- ßenordnungen im Formkörper zu erzeugen. Solch eine Struktur kann zu verbesserten Festigkeitseigenschaften führen.
Auf Grund der Verwendung eines direkten Bauteilgenerierungsverfahrens kann die Struktur des hergestellten Formköpers beliebig räumlich bestimmt werden. In einer ersten Ausführungsform wird in zumindest einer Randkante des Formkörpers ein schaumfreier Bereich erzeugt. Dies wird dadurch erreicht, dass der Schaumbildner nicht eingesetzt wird, während der Energiestrahl auf diesen Bereich gerichtet wird. Da die Energiequelle sowie der Schaumbildner in der Regel von einem Computerprogramm gesteuert werden, wird der gewünschte Ort des porenfreien Bereichs beim Erzeugen des Programms zum Herstellen des Formköpers berücksichtigt.
In einer weiteren Ausführungsform wird die oberste Schicht auf der aufzubauen- den Oberfläche des Formkörpers schaumfrei bzw. porenfrei aufgebaut. Dabei wird kein Schaumbildner während des Aufbaus der obersten Schicht verwendet, um dort eine schaumfreie Schicht zu erzeugen. In einer weiteren Ausführungsform werden zwei oder mehrere geschlossene porenfreie Lagen aufeinander aufgebaut, um die Dicke der geschlossenen Außenschicht zu erhöhen.
In weiteren Ausführungsformen wird der Schaumbildner so geführt, dass ein Formkörper mit einer geschlossenen Außenhaut hergestellt wird und/oder dass porenfreie Bereiche innerhalb des Formkörpers hergestellt werden. Porenfreie, innere Bereiche können als zusätzliche Verstärkungselemente dienen, um eine Laminatstruktur oder Faserstruktur zum Beispiel vorzugeben oder als zusätzliche Lasteinleitungsbereiche zu dienen.
Der Ausgangswerkstoff kann aus einem oder mehreren Metallen und/oder Legierungen bestehen. In einer weiteren Ausführungsform werden verschiedene Lagen mit unterschiedlichen Zusammensetzungen hergestellt. Zum Beispiel kann die unterste Lage eine unterschiedliche Zusammensetzung aufweisen. Ebenso kann die oberste Lage oder Lagen eine unterschiedliche Zusammensetzung im Vergleich zu dem inneren Teil des Formkörpers aufweisen. Dies kann vorteilhaft sein, wenn eine geschlossene Außenschicht erzeugt werden soll. Diese geschlossene Schicht kann eine Zusammensetzung aufweisen, die sich besser zum Löten oder Schweißen eignet.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird als Ausgangswerkstoff Aluminium oder eine Aluminiumlegierung verwendet. Aluminium und Aluminiumlegierungen weisen eine niedrige Dichte auf und sind somit geeignet für Anwendungen im Flugzeugbau und Kraftfahrzeugbau, wo das Gewicht der verwendeten Bauteile eine Rolle spielt.
In einer weiteren Ausführungsform wird als Ausgangswerkstoff eine Aluminium- Scandium-Legierung verwendet, deren Scandium (Sc)- Gehalt bei mindestes 0,4 Gew.-% liegt. Vorzugsweise liegt der Scandium (Sc)- Gehalt zwischen 0,41 Gew.- % und 2,0 Gew.-%, besonders bevorzugt zwischen 0,8 Gew.-% und 1 ,4 Gew.-%.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weist der Ausgangswerkstoff, also die Aluminium-Scandium-Legierung, zusätzlich das Element Magnesium auf und zwar im Bereich von 2,0 Gew.-% bis 10 Gew.-%. Die Magnesium (Mg)- Zulegierung liegt besonders bevorzugt zwischen 3,0 Gew.-% und 6,0 Gew.-% bzw. zwischen 4,0 Gew.-% und 5,0 Gew.-%.
Erfindungsgemäß hergestellte Strukturbauteile aus Aluminium-Scandium- Ausgangswerkstoffen oder Aluminium-Magnesium-Scandium-Ausgangswerk- stoffen der voranstehend spezifizierten Zusammensetzung weisen hervorragende Materialeigenschaften auf, die ein direktes Verwenden des generierten Struktur- bauteils zulassen. Die inhärent hohen Abkühlgeschwindigkeiten des RP-Ver- fahrens ermöglichen es, hohe Festigkeiten, hohe Streckgrenzen, hervorragendes Korrosionsverhalten sowie eine sehr gute Schweißbarkeit zu erzielen.
Aluminiumwerkstoffsysteme mit Scandium bzw. Magnesium, Aluminium- Scandium-Werkstoffsysteme oder Aluminium-Magnesium-Scandium- Werkstoffsysteme sind zum Beispiel aus der DE 100 248 594 A1 , US 6 258 318 B1 , EP 0 918 095 A1 oder auch US 6 139 653 bekannt. Der entscheidende Vorteil, der durch die erfindungsgemäße Anwendung solcher an sich bekannter Werkstoffsysteme entsteht, ergibt sich durch die Kombination dieser Werkstoffsysteme mit dem RP-Verfahren und macht auf diese Weise das direkte Metallsintern von schaumartigen hochbelastbaren Strukturbauteilen aus Aluminiumlegierungen möglich. Dabei wird auch der Umstand genutzt, dass dem Aufschmelzen des Ausgangswerkstoffs eine Erstarrung mit nachfolgender schneller Abkühlung auf Temperaturen < 350 0C folgt, da die freiwerdende Schmelzwärme problemlos in den Bauteilhalter (auf dem das Strukturbauteil aufgebaut wird) oder in das aufwachsende Strukturbauteil selbst abfließen kann.
Die Attraktivität des erfindungsgemäßen Verfahrens kann dadurch gesteigert wer- den, dass gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung, dem Ausgangswerkstoff solche zusätzliche Legierungselemente beigefügt sind, die sich komplementär oder substitutiv zu Scandium verhalten, insbesondere Zr, Ti, Ta, Hf, Y, Er. Der Metallurge kennt alle diese Elemente als so genannte Dispersoide bildende Elemente (in der Regel in der stöchiometrischen Form AI3X), die zur Gefügeausbil- düng, thermo-mechanischen Gefügestabilisierung und Festigkeitssteigerung verwendet werden. Typischerweise liegt der Anteil dieser Dispersoide bildenden Elemente pro Element bei maximal 2,0 Gew.-% und in Summe bei maximal 3,0 Gew.- %. Besonders bevorzugt liegt der Anteil der zu Skandium komplementären oder substituiven Elemente in Summe nicht über 0,8 Gew.-%. Für das Werkstoffsystem Aluminium-Magnesium-Scandium eignen sich als weitere Legierungsbestandteile, je nach den gewünschten mechanisch technologischen Eigenschaften, die Elemente Zn, Mn, Ag, Li, Cu, Si, Fe, wobei der Anteil dieser zusätzlichen Legierungselemente pro Element 0,05 Gew.-% bis 2,0 Gew.-% betragen kann.
Herstellungsbedingt weisen die verwendeten Aluminium-Scandium-Legierungen bzw. Aluminium-Magnesium-Scandium-Legierungen bekanntlich Verunreinigun- gen anderer Elemente auf, deren Gehalt einzeln maximal 0,5 Gew.-% und in Summe nicht mehr als 1 ,0 Gew.-% beträgt.
Zudem können dem Ausgangswerkstoff vor oder während des RP-Pozesses weitere Beimischungen aus metallischen oder nicht metallischen (z.B. keramische) Materialien (z.B. als Pulver) zugesetzt werden.
Im Regelfall wird beim erfindungsgemäßen Verfahren der Ausgangswerkstoff in Form von Pulver oder Draht bereitgestellt. Die Kombination des Werkstoffsystems AIMgSc mit dem direkten Metallsintern zeigt jedoch auch sehr gute Ergebnisse des erzeugten Strukturbauteils, wenn der Ausgangswerkstoff vor dem Aufschmelzen, was in einer weiteren Ausbildung der Erfindung vorgeschlagen wird, als gesintertes, gegossenes oder extrudiertes Formteil vorliegt.
Zum Aufschmelzen des Ausgangswerkstoffes ist eine Vielzahl von Möglichkeiten gegeben. Üblicherweise erfolgt dies durch einen oder mehrere Laserstrahlen, Elektronenstrahlen oder einen Lichtbogen. Es kann aber auch eine chemische, exotherme Reaktion verwendet werden, oder der Ausgangswerkstoff wird kapazitiv oder induktiv erwärmt. Auch eine beliebige Kombination dieser verschiedenen Wärmequellen ist möglich. Bezüglich der erzielbaren Werkstoffeigenschaften erfolgt bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens die Abkühlung des aufgeschmolzenen Ausgangswerkstoffs mit einer Abkühlrate im Temperaturintervall TIi- quidus - T350 0C, die größer als 100 K/sec ist. Obwohl solche Abkühlraten im RP- Verfahren an sich inhärent sind, kann zur Erzielung höherer Abkühlraten eine zusätzliche Kühlung verwendet werden. Der große Vorteil dieser hohen Abkühlgeschwindigkeit liegt bezogen auf das AI(Mg)Sc-Werkstoffsystem in der Möglichkeit, gewisse Mengen von Scandium im übersättigten Mischkristall zwangsgelöst zu halten. Besitzt der verwendete RP-Prozess deutlich höhere Abkühlgeschwindigkeiten, dann ist sogar eine Anhebung des erforderlichen Scandium-Gehalts auf über 0,8 Gew.-% möglich.
Zudem ist es vorteilhaft, wenn die Erstarrung und Abkühlung des aufgeschmolze- nen Ausgangswerkstoffes unter Schutzgas oder im Vakuum stattfindet, wobei als Schutzgas bevorzugt ein solches oder Gemische solcher Gase zur Anwendung kommen, die im Stand der Technik zum Schweißen von Aluminiumwerkstoffen bekannt sind.
Obwohl im Regelfall nicht erforderlich, kann eine dem RP-Verfahren nachgeschaltete Wärmebehandlung die Materialeigenschaften des hergestellten Strukturbauteils noch verbessern und insbesondere die Festigkeit und Zähigkeit erhöhen. Die nachträgliche Wärmebehandlung kann typischerweise bei Temperaturen zwischen 100 0C und 400 0C für eine Dauer von 10 min bis 100 h erfolgen (z.B. 250 0C - 400 0C / 10 min - 100 h oder 300 0C - 3500C / 1 h - 10 h).
Besonders bevorzugt erfolgt die nachträgliche Wärmebehandlung im Temperaturintervall von 250 0C bis 400 0C, für eine Dauer, die die Bildung kohärenter AI3Sc- Phasen bewirkt. D.h., durch die nachträgliche Wärmebehandlung ist eine zusätzli- che, signifikante Verfestigung des AI(Mg)Sc-Materials (im RP-Bauteil) durch eine so genannte Ausscheidungshärtung über die Bildung kohärenter AI3Sc-Phasen möglich. Die so erzielbaren Festigkeiten liegen dann für die Zugfestigkeit als auch die Streckgrenze über 400 MPa bei immer noch, für eine direkte Anwendung, ausreichender Dehnung (A5 > 5 %). In Folge dessen lässt sich die schon gute Festigkeit des direkt generierten Strukturbauteils durch die nachfolgende Wärmebehandlung deutlich steigern, ohne dass das Zähigkeits- und das Korrosionsverhalten anwendungsgefährdend verschlechtert wird. Selbstverständlich kann die Wärmebehandlung auch in mehreren Stufen und/oder Schritten ausgeführt wer- den.
Des Weiteren kann das Strukturbauteil nach der nachträglichen Wärmebehandlung einer Schnellabkühlung (z.B. Abschrecken in Wasser) auf Raumtemperatur mit einer anschließenden Warmauslagerung im Temperaturbereich 100 0C - 250 0C für eine Dauer von 10 min bis 100 h unterzogen werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren nach einem der vorhergehenden Ausführungsformen kann zum Herstellen eines Strukturbauteils eines Luftfahrzeuges oder eines Strukturbauteils eines Kraftfahrzeugs verwendet werden. Bei diesen Anwen- düngen ist das Gewicht der Strukturbauteile wichtig, um den Kraftstoffverbrauch zu verringern und gleichzeitig die Stärke des Luftfahrzeugs bzw. Kraftfahrzeugs beizubehalten.
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung, Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, und
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
Die Figur 1 zeigt einen Schritt eines Herstellungsverfahrens eines metallischen Formkörpers bzw. Bauteils 1 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Nur ein Abschnitt des noch nicht fertigen Bauteils 1 ist in der Figur 1 darge- stellt.
Das Bauteil 1 wird mittels eines so genannten Rapid Prototyping Verfahrens lagenweise in Pfeilrichtung A aufgebaut. Ein Ausgangswerkstoff 2 wird auf die o- berste Oberfläche 3 des noch nicht fertigen Bauteils 1 aufgebracht und durch die Verwendung eines fokussierten Laserstrahls 4 als Energiequelle lokal aufgeschmolzen. Der geschmolzene Bereich ist mit dem Bezugszeichen 5 bezeichnet. Die Bereiche 6 des Bauteils 1 , die sich außerhalb dieses geschmolzen Bereichs 5 befinden, bleiben ungeschmolzen, da der Laserstrahl 4 nicht auf diese Bereiche 6 gerichtet ist, so dass in diesen Bereichen 6 die Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Ausgangswerkstoffs 2 bleibt.
Bei der ersten Ausführungsform der Erfindung wird ein Ausgangswerkstoff 2 in Form eines Drahts 7 verwendet, der aus AIMg4,6Sc1 ,4 besteht und einen Durchmesser von 1 ,0 mm aufweist. Die Figur 1 zeigt das Ende 8 einer Drahtspule. Die- ses Ende 8 wird auf die Oberfläche 3 des Bauteils gebracht und mit dem Laserstrahl 4 aufgeschmolzen.
Der Laserstrahl 4 sowie der Draht 7 werden über die Oberfläche 3 des Bauteils 1 geführt, wobei das Ende 8 des Drahts 7 in den geschmolzenen Bereich 5 geführt wird. Diese Bewegung des Laserstrahls 4 und des Drahts 7 ist mit dem Pfeil B in Figur 1 dargestellt. Der geschmolzene Bereich 5 wird somit zusammen mit dem Laserstrahl 4 und Draht 7 lateral über die Oberfläche 3 in Pfeilrichtung B geführt, wobei der Draht 7 den Ausgangswerkstoff 2 für die neue Schicht 9 liefert. Das ge- schmolzene Material erstarrt schnell wieder, wenn der Laserstrahl 4 von diesem geschmolzenen Bereich 5 in Pfeilrichtung B weg gesteuert wird. Dadurch wächst ein fester Bereich 6 der Schicht 9 des Bauteils 1 in Pfeilrichtung B. Die Außenkontur des Bauteils 1 wird durch das räumliche Führen des Laserstrahls 4 sowie des Drahts 7 bestimmt.
Erfindungsgemäß wird während des Aufschmelzens ein Schaumbildner 11 in den geschmolzenen Bereich 5 des Ausgangswerkstoffs 2 eingebracht. In diesem Ausführungsbeispiel ist als Schaumbildner 11 ein fokussierter Gasstrom 12 vorgesehen, der aus Stickstoff besteht. Der Gasstrom 12 wird in Pfeilrichtung C in der Fi- gur 1 geführt.
Der Gasstrom 12 wird unter Druck in den geschmolzenen Bereich 5 des Ausgangswerkstoffs 2 gebracht, so dass innerhalb des geschmolzenen Bereiches 5 Poren 13 erzeugt werden. Wenn der Laserstrahl 4 in Pfeilrichtung B, d.h. von links nach rechts in der Darstellung der Figur 1 , geführt wird, erstarrt der Bereich 5 von links nach rechts wieder, da die Temperatur unter die Schmelztemperatur des Drahts 7 fällt. Folglich werden die Poren 13 innerhalb des Bereichs 5 eingefroren und es entseht eine schaumartige oder spongiose Struktur, wie im festen Bereich 6 an der linken Seite der Schicht 9 dargestellt ist. Durch dieses Verfahren wird ein Teilbereich der Schicht 9 auf der Oberfläche 3 aufgebaut. Im nächsten Schritt wird der Laser 4 und der Gasstrom 12 neben diesem aufgebauten Teilbereich und von rechts nach links weitergeführt, um die Schicht 9 zu verbreitern. Als Schaumbildner 11 wird in einer weiteren Ausführungsform ein Gasentwickler verwendet. Innerhalb des geschmolzenen Bereiches 5 wird der Gasentwickler zersetzt, so dass Wasserstoff erzeugt wird. Dieser Wasserstoff erzeugt Poren 13 innerhalb der Schmelze, die auf Grund der Wiedererstarrung innerhalb des Be- reichs 5 eingefroren werden, so dass eine feste schaumartige Struktur 6 entsteht. Der Gasentwickler kann auch in Form einer Flüssigkeit oder eines Festkörpers verwendet werden. Er wird dem Prozess gesondert zugeführt oder mittels einer Vorrichtung auf den Draht aufgebracht.
Zum Herstellen der nächsten Schicht an dem Bauteils 1 wird der Laser 4 sowie der Draht 7 so geführt, dass sie auf die Oberfläche 10 der in Figur 1 dargestellten teilweise hergestellten Schicht 9 auftreffen. Eine weitere Schicht wird dann auf dieser Oberfläche 10 aufgebracht und das Bauteil 1 in Pfeilrichtung A lagenweise bzw. schichtweise aufgebaut.
Das Bauteil 1 wird in dieser Weise mit einer spongiosen oder schaumartigen Struktur lagenweise mit der gewünschten Endkontur aufgebaut. Auf Grund dieser spongiosen Struktur ist das Bauteil 1 leichter als ein Bauteil, das ohne zusätzliche Porenbilder hergestellt ist.
Die Porosität des Bauteils 1 , die Größe und Form der Poren 13 und folglich der inneren Struktur des Bauteils 1 können durch die Einstellung des Laserstrahls 4, die Geschwindigkeit des Aufschmelzens, die Geschwindigkeit der Wiedererstarrung des Ausgangswerkstoffs 2 sowie die Auswahl des Schaumbildners und/oder des Drucks, unter dem der Schaumbildner 11 in den geschmolzenen Bereich 5 eingebracht wird, eingestellt werden. Es ist durch die Einstellung der Herstellungsparameter möglich, ein Bauteil mit einzelnen kugelförmigen Poren herzustellen sowie ein Bauteil mit einer Struktur, bei der Poren 13 aneinander grenzen und untereinander verbunden sind, so dass unregelmäßige oder rohrförmige Poren erzeugt werden. Auch eine skelettartige Struktur kann hergestellt werden. Die erfindungsgemäßen Poren 13 sind in allen Fällen durch rundkantige Hohlräume gekennzeichnet, die zu einer verbesserten Dauerfestigkeit des Bauteils 1 führen.
Ein Schaumbildner 11 in Form eines Gasstroms 12, der in den geschmolzenen Ausgangswerkstoff 5 eingebracht wird, ermöglicht die Herstellung einer feinen spongiosen Struktur. Die Poren 13 werden innerhalb des geschmolzenen Drahts 7 erzeugt und können einen Durchmesser aufweisen, der kleiner als der Durchmesser des Drahts 7 ist. Die Porosität wird nicht durch punktuelle Verbindungen zwi- sehen verschiedenen Drähten hergestellt, sondern durch Poren 13, die innerhalb des geschmolzenen Drahts 7 selbst eingebracht werden. Folglich kann eine feine Porosität und eine feine schaumartige Struktur erzielt werden. Ferner können ein Draht mit einem größeren Durchmesser sowie ein Laserstrahl mit einem größeren Durchmesser verwendet werden, wobei immer noch eine feine poröse Struktur hergestellt werden kann. Dies hat den Vorteil, dass die Herstellungsgeschwindigkeit des Bauteils 1 erhöht werden kann.
Die Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Herstellungsverfahrensschritts nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Gleiche Komponenten sind mit gleichen Bezugsziffern gezeigt und werden nicht weiter erläutert.
Die zweite Ausführungsform der Figur 2 unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform durch die Form des Ausgangswerkstoffs 2. In der zweiten Ausführungsform wird der Ausgangswerkstoff 2 in Form von einem Pulver 15 bereitgestellt, das aus AIMg4,6Sc1 ,4 besteht.
Eine Ausgangspulverschicht 16 wird auf der Oberfläche 3 der oberste Lage des noch nicht fertigen Bauteils 14 aufgebracht. Der fokussierte Laserstrahl 4 sowie der als Schaumbildner 11 dienende Gasstrom 12 werden gleichzeitig über die Schicht 9 in Pfeilrichtung B nach einem definierten Programm geführt. Ein lokaler Bereich 5 der Ausgangspulverschicht 16 wird dabei aufgeschmolzen und wieder erstarrt, so dass eine feste Schicht 9 in Pfeilrichtung B wächst.
Wie bei der ersten Ausführungsform wird ein Schaumbildner 11 unter Druck in den geschmolzenen Bereich 5 eingeführt, so dass ein Gasstrom 12 in dem geschmolzenen Bereich 5 Poren 13 erzeugt, die in dem wieder erstarrten Werkstoff eingefroren werden und eine spongiose Struktur 6 im Bauteil 14 erzeugen.
Die Randkante des Bauteils 14 wird in der Figur 2 mit der Bezugsziffer 17 gezeigt. Die Randkante 17 weist keine Poren auf und das Bauteil 14 ist mit einer geschlossenen dichten Außenschicht versehen. Dies wird dadurch erreicht, dass der Gasstrom 12 unterbrochen wird, während der Laserstrahl 4 den Bereich 17 aufschmilzt. Folglich wird kein Gas in den geschmolzenen Bereich 17 eingebracht, so dass dort ein dichter porenfreier Bereich entsteht. Der Porenbildner 11 in Form eines Gasstroms 12 wird nur eingeschaltet, wenn der Laserstrahl 4 auf den inneren Bereich 6 gerichtet wird. In einer ähnlichen Weise kann eine oberste Lage des Bauteils 14 porenfrei hergestellt werden. Diese Ausführungsform ist in der Figur 3 dargestellt.
In der in der Figur 3 gezeigten Ausführungsform wird das Bauteil 18 mit einer geschlossenen porenfreien Außenhaut 19 sowie mit inneren Strukturelementen 20 hergestellt, die ebenfalls porenfrei sind. Drei Schichten 9', 9" und 9'" sind in der Figur 3 schematisch dargestellt. Die unteren Schichten 9' und 9" weisen einen porenfreien Randbereich 17 und einen zweiten porenfreien inneren Bereich 20 auf, der von einer schaumartigen Struktur 22, 25 umgeben ist. Die zweiten porenfreien Bereiche 20 der Schichten 9' und 9" sind aufeinander angeordnet, so dass die Bereiche 20 zusammen ein inneres Verstärkungselement des Bauteils 18 ergeben. Die Schichten 9' und 9" werden in folgender Weise hergestellt. Der Laserstrahl 4 und Draht 7, der den Ausgangswerkstoff 2 bereitstellt, wird an die Randkante 17 gesteuert. In diesem Randbereich wird der Gasstrom 12 nicht eingeschaltet, so dass die Randkante 17 porenfrei hergestellt wird. Der Laser 4, der Draht 7 und der Gasstrom 12 werden von links nach rechts gesteuert. Wenn der Laser 4 die Linie 21 erreicht, wird der Gasstrom 12 eingeschaltet und der Bereich 22 wird mit einer spongiosen Struktur hergestellt. Wenn der Laserstrahl 4 die Linie 23 erreicht, wird der Schaumbildner 12 abgestellt, um den Bereich 20 des Verstärkungselements herzustellen. Wenn der Laserstrahl 4 die Linie 24 erreicht, wird der Gasstrom 12 nochmals eingeschaltet, um den spongiosen Bereich 25 herzustellen.
Beim Herstellen der obersten Schicht 9'" bleibt der Gasstrom 12 ausgeschaltet, so dass die oberste Schicht 9'" über die gesamte Fläche porenfrei wächst, so dass eine geschlossene Außenhaut 19 entsteht. Die Dicke der äußeren, geschlossenen Schicht kann durch das Herstellen weiterer geschlossener Lagen auf der Schicht 9'" beliebig erhöht werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit sehr flexibel und kann dazu verwendet werden, um eine schaumartige bzw. spongiose Struktur, insbesondere eine spon- giose Struktur mit einer geschlossenen Außenschicht sowie eine spongiose Struktur mit inneren porenfreien Verstärkungselementen, herzustellen. Die Struktur des Bauteils wird durch die entsprechenden Einstellungen des Laserstrahls 4 und Schaumbildners 11 erreicht.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Herstellen eines metallischen Formkörpers (1 , 14, 18) mit einer schaumartigen Struktur, das folgende Schritte aufweist, - Richten eines Energiestrahls (4) auf eine aufzubauende Oberfläche
(3) eines metallischen Formkörpers (1 , 14, 18), auf der ein metallischer Ausgangswerkstoff (2) bereitgestellt wird, wobei ein geschmolzener Bereich (5) aus dem metallischen Ausgangswerkstoff (2) auf der aufzubauenden Oberfläche (3) des Formkörpers (1 , 14, 18) mit dem Energiestrahl (4) erzeugt wird,
Einbringen eines Schaumbildners (11) in den geschmolzenen Bereich (5), so dass eine schaumartige Struktur (13) in diesem geschmolzenen Bereich (5) erzeugt wird, die im wieder erstarrten festen Bereich (6) beibehalten wird, - Definiertes Führen des Energiestrahls (4) und des Schaumbildners
(11) über der aufzubauenden Oberfläche (3), um zumindest eine Schicht (9) des Formkörpers (1 , 14, 18) mit schaumartiger Struktur (13) herzustellen.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine schaumartige Struktur mit geschlossenen Hohlräumen hergestellt wird, wobei die schaumartige Struktur untereinander verbundene Poren aufweist.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Schaumbildner (11) ein Gasstrom (12) vorgesehen ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Gas Kohlendioxid, Sauerstoff, Wasserstoff, Luft, Stickstoff oder ein inertes Gas vorgesehen ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Schaumbildner (11) ein Gasentwickler vorgesehen ist, wobei nach dem Einbringen des Gasentwicklers in den Ausgangswerkstoff der Gasentwickler zersetzt wird und ein Gas erzeugt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erzeugte
Gas Wasserstoff aufweist.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein gasförmiger Gasentwickler verwendet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein flüssiger Gasentwickler verwendet wird .
9. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Gasentwickler ein Festkörper eingesetzt wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass beim Herstellen des Formkörpers (14, 18) in zumindest einer
Randkante (17) des Formkörpers (14, 18) kein Schaumbildner (11) verwendet wird und dort ein schaumfreier Bereich (17) erzeugt wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass beim Herstellen der obersten Oberfläche des Formkörpers
(18) kein Schaumbildner (11 ) verwendet wird und dort eine schaumfreie Schicht (9'") erzeugt wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Formkörper (18) mit einer geschlossenen Außenhaut (19) hergestellt wird.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass porenfreie Bereiche (20) innerhalb des Formkörpers (18) hergestellt werden.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass als Energiestrahl (4) ein oder mehrere Laserstrahlen oder
Elektronenstrahlen oder ein Lichtbogen verwendet werden.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein drahtförmiger Ausgangswerkstoff (7) verwendet wird.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein pulverförmiger Ausgangswerkstoff (15) verwendet wird.
17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass als Ausgangswerkstoff (2) Aluminium oder eine Aluminiumlegierung verwendet wird.
18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Ausgangswerkstoff eine Aluminium-Scandium-Legierung verwendet wird, deren Scandiumgehalt bei mindestens 0,4 Gew.-% liegt.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aluminium-Scandium-Legierung verwendet wird, die einen Scandiumgehalt von 0,41 Gew.-% bis 2,0 Gew.-% enthält.
20. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine Alumini- um-Scandium-Legierung verwendete wird, die einen Scandiumgehalt von 0,8 Gew.-% bis 1 ,4 Gew.-% enthält.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 - 20, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aluminium-Scandium-Legierung verwendet wird, der ein Magnesium (Mg)- Anteil von 2,0 Gew.-% bis 10,0 Gew.-% zulegiert ist.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 - 20, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aluminium-Scandium-Legierung verwendet wird, der ein Magnesium (Mg)- Anteil von 3,0 Gew.-% bis 6,0 Gew.-% zulegiert ist.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 - 20, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aluminium-Scandium-Legierung verwendet wird, der ein Magnesium (Mg)- Anteil von 4,0 Gew.-% bis 5,0 Gew.-% zulegiert ist.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche Anspruch 21 - 23, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aluminium-Magnesium-Scandium Legierung verwendet wird, die mindestens ein weiteres Legierungselemente der Gruppe bestehend aus Zn, Cu, Mn, Si, Li, Ag und Fe enthält, mit einem Anteil von 0,05 Gew-% bis 2,0 Gew.-% pro Element.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 - 24, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgangswerkstoff (2) verwendet wird, dem zusätzlich solche Legierungselemente zugefügt sind, die sich zu Scandium (Sc) komplementär oder substitutiv verhalten, insbesondere Zr, Ti, Ta, Hf, Y, Er, wobei ihr Anteil in dem Ausgangswerkstoff einzeln 2,0 Gew.-% und in Summe 3,0 Gew.- % nicht überschreitet.
26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgangswerkstoff (2) verwendet wird, bei dem der Anteil der zu Scandium (Sc) kompatiblen Elemente in Summe einen Gehalt von 0,8 Gew.-% nicht über- schreitet.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 26, dadurch gekennzeichnet, dass dem Ausgangswerkstoff (2) vor oder während des Verfahrens weitere Beimengungen aus metallischen oder nichtmetallischen Materialien zugesetzt werden.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 27, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufschmelzen des Ausgangswerkstoffes (2) eine chemische exotherme Reaktion verwendet wird.
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 28, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangswerkstoff (2) kapazitiv, konduktiv oder induktiv erwärmt wird.
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlung des aufgeschmolzenen Ausgangswerkstoffs (5) im Temperaturintervall Tliquidus - T350 0C mit einer Abkühlrate größer als 100 K/sec erfolgt.
31. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlrate des aufgeschmolzenen Ausgangswerkstoffes (5) durch eine zusätzliche Kühlung erhöht wird.
32. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 31 , dadurch gekennzeichnet, dass die Erstarrung und Abkühlung des aufgeschmolzenen Ausgangswerkstoffes (5) unter Schutzgas oder im Vakuum stattfindet.
33. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 32, dadurch gekennzeichnet, dass der aus dem Ausgangswerkstoff hergestellte Formkörper einer nachträglichen Wärmebehandlung bei Temperaturen zwischen 100 0C und 400 0C für eine Dauer von 10 min bis 100 h unterzogen wird.
34. Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass die nachträglich Wärmebehandlung im Temperaturintervall von 250 °C - 400 0C erfolgt, für eine Dauer, die die Bildung kohärenter AI3Sc-Phasen bewirkt.
35. Verfahren nach Anspruch 33 oder 34, dadurch gekennzeichnet, dass die nachträgliche Wärmebehandlung in mehreren Stufen und/oder Schritten ausgeführt wird.
36. Verfahren nach einem der Ansprüche 33 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturbauteil nach der nachträglichen Wärmebehandlung einer Schnellabkühlung auf Raumtemperatur unterzogen wird.
37. Verfahren nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, dass nach der
Schnellabkühlung eine weitere Warmauslagerung im Temperaturbereich 100 0C - 250 0C für eine Dauer von 10 min bis 100 h erfolgt.
38. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 37, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangswerkstoff (2) auf ein blockförmiges Basissubstrat aufgebracht wird.
39. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 38 zum Herstellen eines Strukturbauteils eines Luftfahrzeuges.
40. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 38 zum Herstellen eines Strukturbauteils eines Kraftfahrzeugs.
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