WO2017125243A1 - Substanz zum herstellen eines bauteils - Google Patents

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WO2017125243A1
WO2017125243A1 PCT/EP2017/000035 EP2017000035W WO2017125243A1 WO 2017125243 A1 WO2017125243 A1 WO 2017125243A1 EP 2017000035 W EP2017000035 W EP 2017000035W WO 2017125243 A1 WO2017125243 A1 WO 2017125243A1
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metal powder
flow aid
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Ruben Heid
Christopher Thoma
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    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the invention relates to a substance for producing a component, to an arrangement for producing a substance and to a method for producing a component.
  • a component is built up in layers.
  • a respective layer on a plane powdered material is applied, heated with a laser beam and melted. After curing of the molten material, the respective layer to be produced is completed.
  • the substance according to the invention is for producing a component
  • the substance is to be applied to a carrier and, after application, to be melted on the carrier by laser beams and the metal powder to be solidified into the component.
  • the flow aid comprises metal oxide particles which comprise an oxide of an elemental metal or a transition metal.
  • the flow aid comprises metal oxide molecular compounds having an oxide of an elemental metal or a transition metal.
  • Flow aids are therefore metal oxide particles or metal oxide molecular compounds, not only of elemental metals but also of transition metals such.
  • B. silicon can exist.
  • the flow aid is partially melted when the substance is heated by the laser beams, and sometimes not, if the energy introduced is insufficient for this purpose.
  • the flow aid remains as particles in the molten metal powder or metal or enters new phases with a molten bath. This can lead to an increase in
  • the flow aid is equipped in a design with hydrophobic properties.
  • Molecular compounds with metals or transition metals for example.
  • a proportion of the flow aid to the entire substance is, for example. 0.1% to a maximum of 1%.
  • the stated proportion usually corresponds to mass percent.
  • the metal powder is formed, for example, from aluminum, steel, nickel or titanium, with particles of the metal powder in a design having a size of 10 pm to 200 pm.
  • the presented substance is applied to a carrier and, after application on the carrier, melted with laser beams and metal powder, which is formed in addition to a flow aid as part of the substance, solidifies or cures to the component.
  • the inventive arrangement for producing a substance comprises a mixing device, which is designed to be a metal powder and a
  • the Measuring device In this case, in the first container, the metal powder and in the second container, the flow aid stored.
  • the first measuring device is designed to meter from the first container a first amount of metal powder and the mixing device
  • the second measuring device is designed to meter a second quantity of flow aid from the second container and to provide it to the mixing device.
  • Flow aid is admixed, for example, melted by a laser source.
  • the metal powder usually has a particle size in the range between 10 to 200 pm.
  • Achievable mechanical characteristics for example a yield strength, a tensile strength and / or an elongation at break of the metallic component to be produced from the substance are distributed homogeneously over the component produced.
  • at least one process parameter of the laser for example a power of the laser and / or a speed with which a beam of the laser is moved, different requirement profiles of mechanical properties of the component over the entire component are set.
  • the Substance comprising metal powder based on aluminum, steel or iron, nickel or titanium, due to the admixed flow aid compared to pure metal powder improved flowability, thereby ensuring a homogeneous application of the substance with the metal powder when applied to the carrier is. Due to the fact that within the substance the flow aid is admixed with the metal powder, due to the fluidity, suction and thus sieving of the metal powder with the admixed flow aid are favored. A proportion of the flow aid to the substance is, for example, depending on a size of particles of the metal powder, a size distribution of the particles, but also of a temperature and a humidity of the environment.
  • the flow aid of the metal powder as a constituent of the substance is subject to only slight fluctuations. An inclination to
  • the substance is the metal powder based on aluminum, steel, nickel or titanium the
  • Flow aids mixed in small amounts for example, a siloxane or an aluminum oxide is used.
  • the amount or a proportion of the flow aid to a mass of the substance is in a low single-digit percentage range up to a maximum of 5% or at most only 1%, for example. 0.1%.
  • Mechanical characteristics of the processed, ie the metal powder to be melted are not affected due to the small amount of flow aid.
  • the flow aid adheres to the metal powder and has hydrophobic properties.
  • the flow aid or a corresponding flow aid which is mixed with the metal powder, the flowability of the metal powder is significantly increased.
  • the method for producing the component wherein the component is usually produced in layers, when applying the substance on the support and thus when applying the metal powder with the admixed flow aid to the support a stable processing process in
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an embodiment of the arrangement according to the invention.
  • Inventive arrangement 2 for producing a substance 4 comprises a mixing device 6, a first container 8 and a second container 10.
  • the first container 8 is a first measuring device 12
  • the second container 10 is associated with a second measuring device 14.
  • the two measuring devices 12, 14 are also called
  • a metal powder 16 is stored in the first container 8.
  • a flow aid 18 is stored in the second container 10.
  • a first quantity of metal powder 16 is to be metered off with the first measuring device 12 and the
  • FIG. 1 shows a production device 20, which is to be provided and / or supplied with the substance 4.
  • the manufacturing device 20 is designed here to apply the substance 4 in at least one layer on a carrier in an additive manufacturing process. After a layer of the substance 4 has been applied to the carrier, the
  • Substance 4 for example, heated with a laser, wherein both the metal powder 16 and the flow aid 18 are melted. Thereafter, the metal powder 16 is cured and provided for a component to be manufactured, a layer of metal.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Substanz zum Herstellen eines Bauteils, die ein Gemisch aus einem Metallpulver (16) und einem Fließhilfsmittel (18) umfasst, wobei die Substanz (4) auf einen Träger aufzutragen und nach Auftrag auf den Träger durch Laserstrahlen zu schmelzen und das Metallpulver (16) zu dem Bauteil zu erstarren ist.

Description

Substanz zum Herstellen eines Bauteils
Die Erfindung betrifft eine Substanz zum Herstellen eines Bauteils, eine Anordnung zum Herstellen einer Substanz und ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils.
Bei einem additiven Fertigungsverfahren, bspw. bei einem dreidimensionalen Laserdruckverfahren, wird ein Bauteil schichtweise aufgebaut. Hierzu wird zum Herstellen einer jeweiligen Schicht auf einer Ebene pulverförmiges Material aufgetragen, mit einem Laserstrahl erhitzt und geschmolzen. Nach Aushärten des geschmolzenen Materials ist die jeweils herzustellende Schicht fertiggestellt.
Hierzu wird auf die Druckschrift DE 199 05 067 A1 verwiesen, aus der eine Vorrichtung zum Herstellen eines Formkörpers durch schichtweises
Aufbauen aus pulverförmigem, metallischem Werkstoff bekannt ist.
Weiterhin ist aus der Druckschrift DE 601 14453 T2 ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Metallteils unter Verwendung von
Hochtemperatur-Direktlaserschmelzen bekannt.
Ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts mittels Lasertechnik und Auftragen eines Absorbers mit einem Inkjet-Verfahren ist in der Druckschrift DE 10 2004 012 682 A1 beschrieben.
Außerdem ist ein Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten mittels Mikrowellenstrahlung aus der Druckschrift EP 1 459 871 A2 bekannt.
Vor diesem Hintergrund werden eine Substanz, eine Anordnung und ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche
BESTÄTIGUNGSKOPIE vorgestellt. Ausgestaltungen der Substanz, der Anordnung und des
Verfahrens gehen aus den abhängigen Patentansprüchen und der
Beschreibung hervor. Die erfindungsgemäße Substanz ist zum Herstellen eines Bauteils
vorgesehen und umfasst ein Gemisch aus einem Metallpulver und einem Fließhilfsmittel. Zum Herstellen des Bauteils ist die Substanz auf einem Träger aufzutragen und nach Auftrag auf dem Träger durch Laserstrahlen zu schmelzen und das Metallpulver zu dem Bauteil zu erstarren.
Das Fließhilfsmittel umfasst metalloxidische Partikel, die ein Oxid eines elementaren Metalls oder eines Übergangsmetalls aufweisen. Alternativ oder ergänzend umfasst das Fließhilfsmittel metalloxidische Molekülverbindungen, die ein Oxid eines elementaren Metalls oder eines Übergangsmetalls aufweisen.
Fließhilfsmittel sind demnach metalloxidische Partikel oder metalloxidische Molekülverbindungen, die nicht nur aus elementaren Metallen sondern auch aus Übergangsmetallen wie z. B. Silizium bestehen können.
Das Fließhilfsmittel wird beim Erhitzen der Substanz durch die Laserstrahlen zum Teil mit aufgeschmolzen, zum Teil auch nicht, falls die eingebrachte Energie hierfür nicht ausreicht. Das Fließhilfsmittel verbliebt als Partikel im aufgeschmolzenen Metallpulver bzw. Metall oder geht neue Phasen mit einem Schmelzbad ein. Hierbei kann es zu einer Steigerung der
mechanischen Eigenschaften des aufgeschmolzenen Materials, d. h. der aufgeschmolzenen Substanz und/oder des aufgeschmolzenen Metallpulvers kommen, wie es bspw. bei ODS-Legierungen (oxide dispersed
strengthening) der Fall ist. Bei der vorgestellten Substanz ist das Fließhilfsmittel in Ausgestaltung mit hydrophoben Eigenschaften ausgestattet.
Als Fließhilfsmittel sind bspw. oxidische Verbindungen oder
Molekülverbindungen mit Metallen oder Übergangsmetallen, bspw. ein Siloxan oder ein Aluminiumoxid, zu verwenden.
Ein Anteil des Fließhilfsmittels an der gesamten Substanz beträgt bspw. 0,1 % bis maximal bei 1 %. Der angegebene Anteil entspricht üblicherweise Masseprozent. Somit besteht eine Masse der Substanz zu x %, bspw. 0,1 %, aus dem Fließhilfsmittel und zu 100-x %, bspw. 99,9 %, aus dem
Metallpulver.
Das Metallpulver ist bspw. aus Aluminium, Stahl, Nickel oder Titan gebildet, wobei Partikel des Metallpulvers in Ausgestaltung eine Größe von 10 pm bis 200 pm aufweisen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines Bauteils wird die vorgestellte Substanz auf einen Träger aufgetragen und nach Auftrag auf dem Träger mit Laserstrahlen geschmolzen und Metallpulver, das neben einem Fließhilfsmittel als Bestandteil der Substanz ausgebildet ist, zu dem Bauteil erstarrt bzw. aushärtet.
Die erfindungsgemäße Anordnung zum Herstellen einer Substanz umfasst eine Mischvorrichtung, die dazu ausgebildet ist, ein Metallpulver und ein
Fließhilfsmittel miteinander zu mischen und dabei die Substanz herzustellen.
Die Anordnung umfasst in Ausgestaltung einen ersten Behälter mit einer ersten Messvorrichtung und einen zweiten Behälter mit einer zweiten
Messvorrichtung. Dabei ist in dem ersten Behälter das Metallpulver und in dem zweiten Behälter das Fließhilfsmittel bevorratet. Die erste Messvorrichtung ist dazu ausgebildet, aus dem ersten Behälter eine erste Menge an Metallpulver abzumessen und der Mischvorrichtung
bereitzustellen. Die zweite Messvorrichtung ist dazu ausgebildet, aus dem zweiten Behälter eine zweite Menge an Fließhilfsmittel abzumessen und der Mischvorrichtung bereitzustellen.
Durch Vorsehen des Fließhilfsmittels, das zum Bereitstellen der Substanz dem Metallpulver beigemischt wird, ist u. a. möglich, eine Fließfähigkeit des Metallpulvers bei einem generativen Fertigungsverfahren, bspw. bei einem dreidimensionalen Druckverfahren, zu steigern.
Bei dem Verfahren zum Herstellen des Bauteils, wobei ein additives
Fertigungsverfahren umgesetzt wird, wird das Metallpulver, dem das
Fließhilfsmittel beigemischt ist, bspw. von einer Laserquelle geschmolzen. Das Metallpulver weist üblicherweise eine Korngröße im Bereich zwischen 10 bis 200 pm auf. Durch ein immer wiederkehrendes Aufschmelzen einer Schicht aus Metallpulver auf dem Träger ist möglich, ein Bauteil mit einer komplexen Geometrie zu fertigen. Dabei erzielbare mechanische Kennwerte, bspw. eine Streckgrenze, eine Zugfestigkeit und/oder eine Bruchdehnung des aus der Substanz herzustellenden metallischen Bauteils sind über das erzeugte Bauteil homogen verteilt. Weiterhin sind durch Variation mindestens eines Prozessparameters des Lasers, bspw. einer Leistung des Lasers und/oder einer Geschwindigkeit, mit der ein Strahl des Lasers bewegt wird, unterschiedliche Anforderungsprofile an mechanische Eigenschaften des Bauteils über das gesamte Bauteil einzustellen.
Durch Vorsehen der Substanz, die neben dem Metallpulver das
Fließhilfsmittel umfasst, ist eine Prozessstabilität beim Verarbeiten der Substanz und somit beim Verarbeiten des Metallpulvers gewährleistet. Die Substanz, die Metallpulver auf Basis von Aluminium, Stahl oder von Eisen, Nickel oder Titan umfasst, weist aufgrund des beigemischten Fließhilfsmittels im Vergleich zu reinem Metallpulver eine verbesserte Fließfähigkeit auf, wodurch ein homogener Auftrag der Substanz mit dem Metallpulver beim Auftragen auf dem Träger zu gewährleisten ist. Durch den Umstand, dass innerhalb der Substanz dem Metallpulver das Fließhilfsmittel beigemischt ist, wird aufgrund der Fließfähigkeit auch ein Absaugen und somit ein Sieben des Metallpulvers mit dem beigemischten Fließhilfsmittel begünstigt. Ein Anteil des Fließhilfsmittels an der Substanz ist bspw. abhängig von einer Größe von Partikeln des Metallpulvers, einer Größenverteilung der Partikel, aber auch von einer Temperatur und einer Luftfeuchtigkeit der Umgebung.
Das Fließhilfsmittel des Metallpulvers als Bestandteil der Substanz ist nur geringen Schwankungen unterworfen. Eine Neigung zur
Feuchtigkeitsaufnahme der Substanz wird durch das Fließhilfsmittel reduziert.
Beim Herstellen, in Ausgestaltung beim Mischen, der Substanz wird dem Metallpulver auf Basis von Aluminium, Stahl, Nickel oder Titan das
Fließhilfsmittel in geringen Mengen beigemischt. Als Fließhilfsmittel ist beispielsweise ein Siloxan oder ein Aluminiumoxid einzusetzen. Die Menge bzw. ein Anteil des Fließhilfsmittels an einer Masse der Substanz liegt in einem geringen einstelligen Prozentbereich bis maximal 5 % oder maximal nur 1 %, bspw. 0,1 %. Mechanische Kennwerte des zu verarbeitenden, d. h. des zu schmelzenden Metallpulvers werden aufgrund der geringen Menge an Fließhilfsmittel nicht beeinflusst. Üblicherweise haftet das Fließhilfsmittel an dem Metallpulver an und weist hydrophobe Eigenschaften auf. Durch das Fließhilfsmittel bzw. einem entsprechenden Fließhilfsstoff, das bzw. der dem Metallpulver beigemischt ist, ist die Fließfähigkeit des Metallpulvers signifikant zu steigern. Bei dem Verfahren zum Herstellen des Bauteils, wobei das Bauteil in der Regel schichtweise hergestellt wird, ist beim Auftragen der Substanz auf dem Träger und somit beim Auftragen des Metallpulvers mit dem beigemischten Fließhilfsmittel auf den Träger ein stabiler Verarbeitungsprozess beim
Auftragen der Substanz zu gewährleisten. Da das Fließhilfsmittel lediglich in geringen Mengen genutzt wird, werden mechanische Kennwerte des
Metallpulvers nicht beeinflusst. Da das Fließhilfsmittel hydrophob ist, wird weiterhin vermieden, dass das Metallpulver aus der Umgebung Feuchtigkeit aufnimmt.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung. Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand einer Ausführungsform in der Zeichnung
schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung schematisch und ausführlich beschrieben. Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung.
Die in Figur 1 schematisch dargestellte Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Anordnung 2 zum Herstellen einer Substanz 4 umfasst eine Mischvorrichtung 6, einen ersten Behälter 8 und einen zweiten Behälter 10. Dabei ist dem ersten Behälter 8 eine erste Messvorrichtung 12
zugeordnet. Dem zweiten Behälter 10 ist eine zweite Messvorrichtung 14 zugeordnet. Die beiden Messvorrichtungen 12, 14 sind auch als
Dosiervorrichtungen zu bezeichnen oder ausgebildet.
Weiterhin ist vorgesehen, dass in dem ersten Behälter 8 ein Metallpulver 16 bevorratet ist. In dem zweiten Behälter 10 ist ein Fließhilfsmittel 18
bevorratet. Zum Herstellen der Substanz 4 ist mit der ersten Messvorrichtung 12 eine erste Menge an Metallpulver 16 abzumessen und der
Mischvorrichtung 6 bereitzustellen. Weiterhin ist mit der zweiten
Messvorrichtung 14 aus dem zweiten Behälter 10 eine zweite Menge an Fließhilfsmitteln 18 abzumessen und der Mischvorrichtung 6 bereitzustellen. Hierbei ist möglich, der Misch Vorrichtung 6 entweder zuerst das Metallpulver 16 und danach das Fließhilfsmittel oder zuerst das Fließhilfsmittel 18 und danach das Metallpulver 16 bereitzustellen. Weiterhin ist auch möglich, der Mischvorrichtung 6 das Metallpulver 16 und das Fließhilfsmittel 18 simultan bereitzustellen. Die Mischvorrichtung 6 ist dazu ausgebildet, das Metallpulver 16 und das Fließhilfsmittel 18 zu der hier homogenen Substanz 4 zu mischen.
Weiterhin zeigt Figur 1 eine Fertigungsvorrichtung 20, der die Substanz 4 bereitzustellen und/oder zuzuführen ist. Die Fertigungseinrichtung 20 ist dazu ausgebildet, hier bei einem additiven Fertigungsverfahren die Substanz 4 in mindestens einer Schicht auf einem Träger aufzutragen. Nachdem eine Schicht der Substanz 4 auf dem Träger aufgetragen worden ist, wird die
Substanz 4 bspw. mit einem Laser erhitzt, wobei sowohl das Metallpulver 16 als auch das Fließhilfsmittel 18 geschmolzen werden. Danach wird das Metallpulver 16 ausgehärtet und für ein herzustellendes Bauteil eine Schicht aus Metall bereitgestellt.

Claims

Patentansprüche
1. Substanz zum Herstellen eines Bauteils, die ein Gemisch aus einem Metallpulver (16) und einem Fließhilfsmittel (18) umfasst, wobei die Substanz (4) auf einen Träger aufzutragen und nach Auftrag auf den Träger durch Laserstrahlen zu schmelzen und das Metallpulver (16) zu dem Bauteil zu erstarren ist.
2. Substanz nach Anspruch 1 , bei der das Fließhilfsmittel (18)
metalloxidische Partikel umfasst, die ein Oxid eines elementaren Metalls oder eines Übergangsmetalls aufweisen.
3. Substanz nach Anspruch 1 oder 2, bei der das Fließhilfsmittel (18) metalloxidische Molekülverbindungen umfasst, die ein Oxid eines
elementaren Metalls oder eines Übergangsmetalls aufweisen.
4. Substanz nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei der das Fließhilfsmittel (18) hydrophob ist.
5. Substanz nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei der das Fließhilfsmittel (18) ein Siloxan umfasst.
6. Substanz nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei der das Fließhilfsmittel (18) ein Aluminiumoxid umfasst.
7. Substanz nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei der ein Anteil des Fließhilfsmittels (18) bspw. ca. 0,1 % maximal 5 % beträgt.
8. Substanz nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei
Metallpulver (16) aus Aluminium, Stahl, Nickel oder Titan besteht.
9. Substanz nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei der Partikel des Metallpulvers (16) eine Größe von 10 μιτι bis 200 μιτι aufweisen.
10. Anordnung zum Herstellen einer Substanz (4) nach einem der
Ansprüche 1 bis 9, die eine Mischvorrichtung (6) umfasst, bei der die
Mischvorrichtung (6) dazu ausgebildet ist, ein Metallpulver (16) und ein Fließhilfsmittel (18) miteinander zu mischen und dabei die Substanz (4) herzustellen.
11. Anordnung nach Anspruch 10, die einen ersten Behälter (8) mit einer ersten Messvorrichtung (12) und einen zweiten Behälter (10) mit einer zweiten Messvorrichtung (14) umfasst, wobei in dem ersten Behälter (8) das Metallpulver (16) und in dem zweiten Behälter (10) das Fließhilfsmittel (18) bevorratet ist, wobei die erste Messvorrichtung (12) dazu ausgebildet ist, aus dem ersten Behälter (8) eine erste Menge an Metallpulver (16) abzumessen und der Mischvorrichtung (4) bereitzustellen, wobei die zweite
Messvorrichtung (14) dazu ausgebildet ist, aus dem zweiten Behälter (10) eine zweite Menge an Fließhilfsmittel (18) abzumessen und der
Mischvorrichtung (6) bereitzustellen.
12. Verfahren zum Herstellen eines Bauteils, bei dem eine Substanz (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 auf einem Träger aufgetragen und nach Auftrag auf dem Träger mit Laserstrahlen geschmolzen und Metallpulver (16), das neben einem Fließhilfsmittel (18) als Bestandteil der Substanz (4) ausgebildet ist, zu dem Bauteil erstarrt wird.
PCT/EP2017/000035 2016-01-18 2017-01-13 Substanz zum herstellen eines bauteils WO2017125243A1 (de)

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