WO2017178194A1 - VORPRODUKT FÜR DIE HERSTELLUNG DREIDIMENSIONALER WERKSTÜCKE, DIE MITTELS HEIßISOSTATISCHEM PRESSEN HERSTELLBAR SIND, UND EIN HERSTELLUNGSVERFAHREN - Google Patents

VORPRODUKT FÜR DIE HERSTELLUNG DREIDIMENSIONALER WERKSTÜCKE, DIE MITTELS HEIßISOSTATISCHEM PRESSEN HERSTELLBAR SIND, UND EIN HERSTELLUNGSVERFAHREN Download PDF

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porous core
energy beam
isostatic pressing
hot isostatic
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Bernd Kieback
Thomas Weissgaerber
Burghardt KLÖDEN
Alexander Kirchner
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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Definitions

  • the invention relates to precursors for the production of three-dimensional workpieces which can be produced by means of hot isostatic pressing, and to a production process.
  • metallic workpieces can be produced by powder metallurgy using the precursor.
  • Powder metallurgical processes can be used to produce components with a three-dimensionally shaped geometry in different ways.
  • powders can be pressed into dies and then sintered, but the variety of shapes is limited and a residual porosity remaining during mechanical pressing is not completely eliminated by the sintering process.
  • the hot isostatic pressing (HIP) of metal powders in use has long been the hot isostatic pressing (HIP) of metal powders in use.
  • the powders are filled in a gas-tight envelope (capsule) and the capsule is then freed by evacuation of gases and sealed gas-tight.
  • the encapsulated powder is then compressed at high temperatures by acting on the capsule high gas pressures, which in practice usually a complete compression to the non-porous material is achieved.
  • the design of the capsule it is possible to specify a three-dimensional geometry, for example by welded sheet metal constructions or a three-dimensionally shaped glass capsule. Since a capsule must be produced again for each component, this technique is very cumbersome, very economical and very limited in the design of the three-dimensional geometry.
  • due to the large change in volume when compacting the metal powder there is the risk of undesired changes in the component geometry, since the powder and the capsule material have very different high-temperature deformation properties.
  • New methods of producing three-dimensional metal powder components include Laser Beam Melting (LBM) and Electron Beam Melting (EBM). Both methods have in common that a powder layer having a predetermined thickness is spread on a substrate and then by laser beams or an electron beam, a surface which corresponds to a slice of the component to be produced in a plane, is melted. The non-irradiated powder in the environment remains unaffected or is only very weakly connected and can therefore be easily removed later. The process is continued with the renewed application of the powder layer, the melting of the surface, which may have changed according to the workpiece geometry, and repeated until the entire three-dimensional component has been built up in layers.
  • the laser radiation based method is usually performed in a suitable inert gas atmosphere while the electron beam method requires a vacuum atmosphere. Since the vacuum is required below for the processing in the hot isostatic pressing, only the electron beam method will be discussed below.
  • the particle shape should be as spherical as possible in order to ensure good flowability and a high packing density for the powder bed, as small as possible
  • Powder bed introduced beam energy has too low values, ie beam current and / or exposure time were chosen too low.
  • too high a selected beam energy is harmful because the local overheating of the resulting molten metal can easily lead to the evaporation of individual alloying elements.
  • the desired material composition is then no longer given.
  • this results in a process window with regard to the feed rate of the energy beam and the beam current given the focus, in which the desired alloy compositions and non-porous states can be set reliably. It is apparent from the descriptions of the process that a certain build rate can be achieved by the electron beam method.
  • Any remaining pores in the aforementioned type of material may be eliminated by a subsequent step of hot isostatic pressing when the porosity is closed, that is not bonded to the surface.
  • EP 2551040 A1 describes how, by means of a beam source, not the entire component volume is built up in layers by melting processes, but only a dense envelope of a specific thickness is formed on the outer surfaces of the powder body. This dense shell is built up so far in the process that finally the entire volume of the blank for the later component has been sealed gas-tight.
  • the advantage of the electron beam technique is obvious as there are no gases in the trapped volume because of the vacuum atmosphere.
  • the metal powder applied layer by layer in the process remains uncompacted.
  • the invention then provides, in a second step, for the densification of this loosely packed powder by hot isostatic pressing (HIP), the sealed envelope, as described above, acting as a capsule for the pressure transfer.
  • HIP hot isostatic pressing
  • the precursor according to the invention is formed with an outer gas-tight wall-forming walls which are plastically deformable during the hot isostatic pressing and form at least one space enclosed on all sides by gas-tight walls in the interior of the precursor product.
  • the at least one space is filled with powdery material, preferably metallic material, which forms a porous core.
  • the density of the porous core is greater than the bulk density of the powdery material under at least approximately vacuum conditions.
  • the porous core formed with the powdery material has a density in the range 50% to 95%, preferably 60% to 90%.
  • the increased density compared to a loose bed of powdered material is achieved by means of at least partially fused together by particles of the powdered material.
  • particles in different planes can be fused together at different positions within the porous core.
  • processing marks formed with the focal spot of a deflectable energy beam for forming the porous core may be formed in adjacent layers in an offset adjacent to one another or at an angle, preferably perpendicular to each other.
  • successive layers of the porous core may have different porosity.
  • layers with a lower bulk density can be arranged alternately with completely dense layers.
  • porous core should have a porosity in the range of 10% to 40%, whereas the walls forming the wall are nonporous.
  • EP 2551040 A1 In the production of a precursor for the production of three-dimensional workpieces that can be produced by hot isostatic pressing, the technical teaching known from EP 2551040 A1 can be used to build up a powdered material layer by layer and the individual layers are irradiated with an energy beam. locally defined in particular a deflectable electron or laser beam are processed so that a wall forming walls are formed by completely fused together powder particles that completely surround at least one space filled with powdery material. Subsequently, the space with a porous core is formed by EP 2551040 AI deviating, which is formed with not completely fused together powder particles by
  • the porous core has a density in the range 50% to 95%.
  • the feed rate should correspond at least approximately to the feed rate, which is selected in the formation of the dense walls.
  • the parameters feed rate, power, focal spot area size, pulse length, size of the area in the particle can be fused, each alone or in combination of at least two of these parameters in the formation of the porous core can be adjusted.
  • the feed rate at which the focal spot is moved during the formation of the porous core is maintained at least twice and at most thirty times, preferably at most ten times greater than the feed rate during the formation of the walls, and / or
  • the energy beam power is increased by at least 20% over the power used in the formation of the walls and / or
  • the focal spot area is increased by at least 20% with respect to the focal spot area used in the formation of the walls, and / or
  • the energy beam power is reduced by at least 20% compared to the power used in the construction of the walls.
  • the walls of the wall should be formed with the energy beam so that they are plastically deformable and gas-tight in the hot isostatic pressing of the precursor.
  • Invention can thus be three-dimensionally designed workpieces or Components made of metals and metal alloys can be produced more economically.
  • additive additive manufacturing and hot isostatic pressing techniques can be combined to fully, or at least greatly eliminate, the disadvantages of the approach described in the prior art.
  • the invention achieves a considerable increase in the productivity of the production by additively additive production, and the disadvantageous distortion of the component due to the volume change can be reduced in the subsequent hot isostatic pressing.
  • the proposed approach is based on the fact that the low packing density of the metal powder within the capsule enclosing the at least one space was eliminated as the cause for the strong component distortion in the already described combination LBM or EBM-HIP.
  • the method proposed in the invention thus provides, as described initially in EP 2551040 A1, for example with process parameters of an electron beam or another energy beam in the above-described process window layers a gas-tight envelope with the fused together from powder particles and then in layers as a loose powder in the interior, so at least one space (cavity) present powdered material to be treated with process parameters that are outside the process window, in particular by significantly higher beam currents and feed rates of the focal spot, possibly used in combination with a larger focal spot.
  • the result is that no complete compaction takes place within the wall (capsule) formed by the walls, but the powdery material is locally melted only partially and / or only in some areas of the individual layers formed with the powder application, and therefore also only partially condensed.
  • this may be the larger part of the particles that form the powder bed in the / space / spaces, can not be fused together.
  • the parameters can be varied so that the density of the actual powder layer being applied and then processed with the energy beam is increased considerably
  • the simultaneous HIP treatment of many of the components produced in this way can be considered very productive and cost-effective.
  • the compaction of the powder system in the interior which can be set via the beam and scan parameters of the energy beam used, there is a certain possibility of variation depending on the application of the method in the direction of higher accuracy or higher productivity. This is at the im
  • Ti-6AI-4V cuboidal samples consist of an approximately 500 ⁇ thick, fully compressed shell that forms a wall with the walls, and a porous core. It was processed gas-atomized powder with particle sizes in the range of 45 ⁇ - 105 ⁇ . The following process parameters were chosen in the EBM process both for the formation of the shell forming the outer wall, as well as for the compression of the porous core forming powder in the space enclosed by the wall:
  • Layer thickness 50 ⁇ , the individual superimposed trained and processed with the electron beam single layers
  • Beam current 15 mA
  • 100% of the area of the respective individual superimposed layers was influenced by the focal spot of the electron beam.
  • Pre-product compared to the feed rate, which is used in the formation of an outer wall, leads to the achievement of the desired advantageous effect.
  • the quality of the final powder metallurgical production can be improved with a slightly increased processing time for the production of the precursor.
  • an increase of the power in combination with a defocusing and / or a further increase of the feed speed can lead to even higher building rates, ie to increase the productivity in the cavity within the wall completely enclosing the porous core. This can also be done by influencing only a partial area of the respective individual layers can be achieved.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Vorprodukt für die Herstellung dreidimensionaler Werkstücke, die mittels heißisostatischem Pressen herstellbar sind, sowie ein Herstellungsverfahren dazu. Das Vorprodukt ist mit eine äußere Wandung bildenden Wänden gebildet, die während des heißisostatischen Pressens plastisch verformbar sind. Im Inneren des Vorprodukts ist mindestens ein allseitig von gasdichten Wänden umschlossener Raum ausgebildet. Der mindestens eine Raum ist mit pulverförmigem Werkstoff gefüllt, der einen porösen Kern bildet, dessen Dichte größer ist, als die Schüttdichte des pulverförmigen Werkstoffs unter zumindest annähernd Vakuumbedingungen. Der poröse Kern kann durch teilweises Schmelzen und damit verbinden von Pulverpartikeln erhalten werden.

Description

Vorprodukt für die Herstellung dreidimensionaler Werkstücke, die mittels heißisostatischem Pressen herstellbar sind, und ein Herstellungsverfahren
Die Erfindung betrifft Vorprodukte für die Herstellung dreidimensionaler Werkstücke, die mittels heißisostatischem Pressen herstellbar sind, und ein Herstellungsverfahren. Es können insbesondere metallische Werkstücke mit dem Vorprodukt pulvermetallurgisch hergestellt werden.
Über pulvermetallurgische Verfahren können Bauteile mit einer dreidimensional gestalteten Geometrie auf unterschiedliche Weise hergestellt werden So können Pulver in Matrizen verpresst und anschließend gesintert werden, wobei jedoch die Formenvielfalt begrenzt ist und eine beim mechanischen Verpressen verbleibende Restporosität durch den Sintervorgang auch nicht vollständig beseitigt wird.
Um dichte Werkstoffe und Bauteile herzustellen, ist seit langem das heißisostatische Pressen (HIP) von Metallpulvern im Einsatz. Hierbei werden die Pulver in eine gasdichte Hülle (Kapsel) gefüllt und die Kapsel anschließend durch Evakuieren von Gasen befreit und gasdicht verschlossen. Das gekapselte Pulver wird anschließend bei hohen Temperaturen durch auf die Kapsel einwirkende hohe Gasdrücke verdichtet, wobei in der Praxis meist eine vollständige Verdichtung zum porenfreien Werkstoff erreicht wird. In der Gestaltung der Kapsel besteht die Möglichkeit, eine dreidimensionale Geometrie vorzugeben, z.B. durch geschweißte Blechkonstruktionen oder eine dreidimensional geformte Glaskapsel. Da für jedes Bauteil erneut eine Kapsel gefertigt werden muss, ist diese Technik sehr umständlich, wenig wirtschaftlich und in der Gestaltung der dreidimensionalen Geometrie sehr eingeschränkt. Außerdem entsteht durch die große Volumenänderung beim Verdichten des Metallpulvers die Gefahr von unerwünschten Änderungen der Bauteilgeometrie, da das Pulver und das Kapselmaterial sehr verschiedene Hochtemperatur- verformungseigenschaften aufweisen.
Neue Methoden der Herstellung von dreidimensional gestalteten Bauteilen aus Metallpulver sind die Verfahren des Laser Beam Melting (LBM) und das Electron Beam Melting (EBM). Beiden Verfahren gemeinsam ist, dass eine Pulverschicht mit einer vorbestimmten Dicke auf eine Unterlage aufgestrichen wird und durch Laserstrahlen bzw. einen Elektronenstrahl anschließend eine Fläche, die einer Scheibe des herzustellenden Bauteils in einer Ebene entspricht, aufgeschmolzen wird. Das nicht bestrahlte Pulver in der Umgebung bleibt dabei unbeeinträchtigt bzw. wird nur sehr schwach verbunden und kann deshalb später leicht entfernt werden. Der Prozess wird mit dem erneuten Aufbringen der Pulverschicht, dem Aufschmelzen der entsprechend der Werkstückgeometrie ggf. veränderten Fläche fortgesetzt und so oft wiederholt, bis das gesamte dreidimensionale Bauteil schichtweise fertig aufgebaut ist. Das auf der Laserstrahlung beruhende Verfahren wird üblicherweise in einer geeigneten Schutzgasatmosphäre durchgeführt, während das Elektronenstrahl-Verfahren eine Vakuumatmosphäre erfordert. Da das Vakuum im Folgenden für die Bearbeitung beim heißisostatischen Pressen erforderlich ist, soll im Weiteren nur auf das Elektronenstrahl-Verfahren eingegangen werden.
Zum Verständnis der ablaufenden Vorgänge und zur besseren Einordnung der Erfindung sollen einige Verfahrensdetails des EBM kurz erläutert werden. Ins- besondere werden an das zu verwendende Pulver bestimmte Anforderungen gestellt:
Die Partikelform sollte möglichst sphärisch sein, um eine gute Fließfähigkeit und eine hohe Packungsdichte für das Pulverbett, einen möglichst geringen
Volumenschwund beim Aufschmelzen und einen gleichmäßigen Werkstückaufbau zu erzielen. Aus dem gleichen Grunde sollte die Partikelgröße auch nicht zu klein gewählt werden, da die genannten Pulvereigenschaften dann verloren gehen. Beim Elektronenstrahlschmelzen werden deshalb üblicher- weise Pulverpartikelgrößen zwischen 40 μιη und 200 μιη eingesetzt. Obwohl für die Legierungsherstellung prinzipiell bereits auch geeignet gemischte Pulver verwendet werden können, ist es doch vorteilhaft bereits entsprechend legierte Pulverpartikel einzusetzen. Diese fertig legierten Pulver gewährleisten eine sehr gute Homogenität in der Zusammensetzung im späteren Bauteil, was noch dadurch unterstützt wird, dass eine Entmischung durch Seigerung, wie sie bei Gießprozessen typisch ist, infolge des mikrolokalen Schmelzens und Erstarrens zuverlässig vermieden werden kann. Für die Erzeugung einer dichten Werkstückwand ist ein vollständiges Aufschmelzen des pulverförmig aufgebrachten Materials durch den Elektronenstrahl erforderlich. Die Verdich- tung an dem entsprechenden Ort ist an sich unkompliziert und erfolgt freiwillig unter Wirkung der Kapillarkräfte der Metallschmelze. An dieser Stelle ergeben sich aber begrenzende Randbedingungen des Verfahrens, die darin bestehen, dass eine unvollständige Aufschmelzung zu einer unvollständigen Verdichtung führt und im Werkstoff/Bauteil eine die Eigenschaften ver- schlechternde Porosität verbleibt. Diese Erscheinung tritt auf, wenn die in das
Pulverbett eingebrachte Strahlenergie zu geringe Werte aufweist, d.h. Strahlstrom oder/und Einwirkungsdauer zu gering gewählt wurden. Auf der anderen Seite ist auch eine zu hoch gewählte Strahlenergie schädlich, da die lokale Überhitzung der entstehenden Metallschmelze leicht zum Abdampfen einzel- ner Legierungselemente führen kann. Die gewünschte Werkstoffzusammensetzung ist dann nicht mehr gegeben. Damit ergibt sich für ein strahlbasiertes Verfahren ein Prozessfenster hinsichtlich der Vorschubgeschwindigkeit des Energiestrahls und des Strahlstromes bei gegebener Fokussierung, in dem die gewünschten Legierungszusammensetzungen und porenfreie Zustände zuver- lässig eingestellt werden können. Aus den Beschreibungen des Prozesses wird offensichtlich, dass durch das Elektronenstrahl-Verfahren eine bestimmte Baurate erreicht werden kann. Z.B. liegt diese für Titanlegierungen bei einer Anlage, die unter der Bezeichnung A2X kommerziell erhältlich ist, bei ca. 55 cm3/Stunde - 80 cm3/Stunde Baurate. Dem Vorteil der sehr freien Gestaltungsmöglichkeit der Bauteilgeometrie beim additiv generativen Fertigen steht damit ein Nachteil gegenüber, der in der begrenzten Produktivität des Materialaufbaus besteht. Wie weiter unten ausgeführt, besteht ein Ziel der Erfindung eben darin, die Produktivität der Bauteilherstellung erheblich zu erhöhen.
Eventuell noch vorhandene Poren in dem auf genannte Art aufgebauten Material können durch einen nachfolgenden Schritt des heißisostatischen Pressens eliminiert werden, wenn die Porosität geschlossen, das heißt nicht mit der Oberfläche verbunden ist.
In EP 2551040 AI wird beschrieben, wie mittels einer Strahlquelle nicht das gesamte Bauteilvolumen schichtweise durch Schmelzprozesse aufgebaut, sondern nur eine dichte Hülle einer bestimmten Dicke an den äußeren Oberflächen des Pulverkörpers ausgebildet wird. Diese dichte Hülle wird im Prozess so weit aufgebaut, dass schließlich das gesamte Volumen des Rohlings für das spätere Bauteil gasdicht umschlossen worden ist. Obwohl darin nicht ausdrücklich erwähnt, ist der Vorteil der Elektronenstrahltechnik offensichtlich, da sich in dem eingeschlossenen Volumen wegen der Vakuumatmosphäre keinerlei Gase befinden. Im Inneren der Hülle verbleibt das im Prozess schichtweise aufgebrachte Metallpulver unverdichtet. Die Erfindung sieht dann in einem zweiten Schritt die Verdichtung dieses lose gepackten Pulvers durch ein heißisostatisches Pressen (HIP) vor, wobei die dichte Hülle, wie weiter oben beschrieben, als Kapsel für die Druckübertragung fungiert. Auch wenn hier das Additive Manufacturing genutzt wird, ist es doch offensichtlich, dass die Geschwindigkeit der Bauteilherstellung für den Teilschritt des Additive Manufacturing beträchtlich gesteigert werden kann, da nur ein Bruchteil der Materialmenge aufzuschmelzen ist. Nur für diesen Teil gelten auch die Prozessbeschränkungen hinsichtlich Strahlleistung und Vorschubgeschwindigkeit, mit der der Brennfleck bewegt wird. Die endgültige Verdichtung beim heißisostatischen Pressen kann ebenfalls als hochproduktiv bewertet werden, da in üblichen großvolumigen HIP-Anlagen viele Bauteile gleichzeitig dieser Prozedur unterzogen werden können. Von großem Nachteil in der beschriebenen Bauteilherstellung ist jedoch, dass die Packungsdichte des von der so hergestellten Kapsel eingeschlossenen losen Pulvers relativ niedrig ist und deshalb in der späteren Verdichtung große Volumenänderungen auftreten. Dabei können, wie bereits oben für das HIP beschrieben, erhebliche Probleme mit der Maßhaltigkeit der herzustellenden Bauteile auftreten. Vollkommen analoge Probleme treten auf, wenn mit dem additiven Fertigungsverfahren lediglich das Ziel verfolgt wird, eine HIP-Kapsel herzustellen. Diese Kapsel muss später evakuiert und verschlossen werden und beinhaltet entweder das ursprünglich vorhandene Pulver oder ist nach Entfernung desselben mit einem anderen Pulver zu füllen. Ein wesentlicher Nachteil dieser Verfahrensweise besteht darin, dass die nachträglich oder im Prozess mit losem Pulver angefüllte Kapsel vor ihrem Verschließen erst von Gasen evakuiert werden muss. Dies ist deshalb schwierig und gelingt in der Regel nur unvollständig, weil die Gase durch das gesamte Labyrinth des Porenraumes ihren Weg an die
Evakuierungsstelle finden müssen und zudem eine hohe Temperatur, die das Ausgasen fördert, schwer zu verwirklichen ist. In dem Verfahrensablauf der vorliegenden Erfindung wird dieses Problem von vorherein vermieden, da jede einzelne dünne Pulverschicht bei hoher Temperatur eine vollständige Entgasung durchläuft. Dies stellt im Vergleich zu der üblichen, beim
heißisostatischen Pressen geübten Praxis einen erheblichen Vorteil für die Werkstoffeigenschaften dar.
Auch wenn das additive Herstellen eines dreidimensionalen Vorprodukts, das anschließend heißisostatisch gepresst wird, durchgeführt wird, können insbesondere an Kanten bestimmte minimale Radien oder Bereiche mit
Hinterschneidungen nicht, zumindest nicht ausreichend maßhaltig ausgebildet werden, so dass eine in der Regel mechanische spanende Nachbearbeitung erforderlich wird, die aber im Werkstückinneren nicht immer möglich ist.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung Vorprodukte für die Herstellung dreidimensionaler Werkstücke, die mittels heißisostatischem Pressen endkonturnah herstellbar sind, zur Verfügung zu stellen, mit denen die Produktivität erhöht und die Konturgenauigkeit der fertig hergestellten Werkstücke verbessert werden können. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Vorprodukt, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Es kann mit einem Verfahren nach Anspruch 6 hergestellt werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
Das erfindungsgemäße Vorprodukt ist mit eine äußere gasdichte Wandung bildenden Wänden gebildet, die während des heißisostatischen Pressens plastisch verformbar sind und im Inneren des Vorprodukts mindestens einen all- seitig von gasdichten Wänden umschlossenen Raum bilden. Der mindestens eine Raum ist mit pulverförmigem Werkstoff, bevorzugt metallischem Werkstoff gefüllt, der einen porösen Kern bildet. Die Dichte des porösen Kerns ist größer als die Schüttdichte des pulverförmigen Werkstoffs unter zumindest annähernd Vakuumbedingungen.
Der mit dem pulverförmigen Werkstoff gebildete poröse Kern weist eine Dichte im Bereich 50 % bis 95 %, bevorzugt 60 % bis 90 % auf. Die erhöhte Dichte gegenüber einer losen Schüttung des pulverförmigen Werkstoffs ist mittels zumindest teilweise durch miteinander verschmolzenen Partikeln des pulver- förmigen Werkstoffs erreicht.
Dabei können Partikel in unterschiedlichen Ebenen an verschiedenen Positionen innerhalb des porösen Kerns miteinander verschmolzen sein. So können beispielsweise Bearbeitungspuren, die mit dem Brennfleck eines auslenkbaren Energiestrahls zur Ausbildung des porösen Kerns ausgebildet werden, in benachbarten Schichten in einem Versatz nebeneinander oder in einem Winkel, bevorzugt senkrecht zueinander ausgebildet werden. Es besteht auch die Möglichkeit den Brennfleck über die jeweiligen einzelnen Schichten, mit denen der poröse Kern gebildet wird, entlang einer zufällig, beispielswiese mit- tels Fuzzy-Logik ausgewähltem Weg auszulenken. Darüber hinaus können auch aufeinanderfolgende Schichten des porösen Kerns unterschiedliche Porosität aufweisen. So können im Extremfall beispielsweise Schichten mit geringerer Schüttdichte mit völlig dichten Schichten alternierend angeordnet sein.
Es sollten minimal 20 % und maximal 100 % aller den porösen Kern bildenden Partikel miteinander zumindest teilweise verschmolzen sein. Es kann aber auch ausreichend sein, wenn maximal 80 % der den Kern bildenden Partikel miteinander verschmolzen werden. Der poröse Kern sollte eine Porosität im Bereich 10 % bis 40 % aufweisen, wohingegen die die Wandung bildenden Wände nichtporös sind.
Bei der Herstellung eines Vorprodukts für die Herstellung dreidimensionaler Werkstücke, die mittels heißisostatischem Pressen herstellbar sind, kann auf- bauend auf die aus EP 2551040 AI bekannte technische Lehre vorgegangen werden und dabei ein pulverförmiger Werkstoff schichtweise übereinander aufgebracht werden und die einzelnen Schichten mit einem Energiestrahl, insbesondere einem auslenkbaren Elektronen- oder Laserstrahl lokal definiert so bearbeitet werden, dass eine Wandung bildende Wände durch vollständig miteinander verschmolzene Pulverpartikel ausgebildet werden, die mindestens einen Raum vollständig umschließen, der mit pulverförmigem Werkstoff ausgefüllt. Anschließend wird von EP 2551040 AI abweichend der Raum mit einem porösen Kern gebildet, der mit nicht vollständig miteinander verschmolzenen Pulverpartikeln gebildet wird, indem
der Energiestrahl den pulverförmigen Werkstoff im Bereich des von den Wänden der Wandung umschlossenen Raums für die einzelnen Schichten mit einer höheren Vorschubgeschwindigkeit, mit der der Brennfleck des Energiestrahls bewegt wird, einer weiter erhöhten Vorschubgeschwindigkeit bei gleichzeitig erhöhter Leistung des Energiestrahls, und/oder erhöhten Vorschubgeschwin- digkeit bei erhöhter Leistung mit einer größeren Brennfleckfläche des Energiestrahls und/oder lediglich ein Teil der Fläche der einzelnen Schichten bestrahlt wird, als dies bei der Ausbildung der Wände der Fall ist; und dadurch der poröse Kern eine Dichte im Bereich 50 % bis 95 % aufweist. Bei der Ausbildung des porösen Kerns kann man die Leistung prinzipiell auch reduzieren. Dabei sollte die Vorschubgeschwindigkeit zumindest in etwa der Vorschubgeschwindigkeit entsprechen, die bei der Ausbildung der dichten Wände gewählt wird. Eine solche Vorgehensweise ist aber nicht so produktiv, wie dies mit erhöhter Vorschubgeschwindigkeit und erhöhter Leistung des Energiestrahls möglich ist, da sie mit einer geringeren Baurate verbunden ist. Es können also die Parameter Vorschubgeschwindigkeit, Leistung, Brennfleck- flächengröße, Pulslänge, Größe der Fläche in der Partikel verschmolzen sind, jeweils allein oder auch in Kombination von mindestens zwei dieser Parameter bei der Ausbildung des porösen Kerns angepasst werden.
Dementsprechend können folgende Parameter vorteilhaft so gewählt werden, dass
• die Vorschubgeschwindigkeit mit der der Brennfleck bei der Ausbildung des porösen Kerns bewegt wird, mindestens zweifach und maximal dreißigfach, bevorzugt maximal zehnfach größer als die Vorschubgeschwindigkeit bei der Ausbildung der Wände gehalten wird und/oder
• die Leistung des Energiestrahls mindestens um 20 % gegenüber der Leistung, die bei der Ausbildung der Wände eingesetzt wird, erhöht wird und/oder
• die Brennfleckfläche um mindestens 20 % gegenüber der Brennfleckfläche, die bei der Ausbildung der Wände eingesetzt wird, vergrößert wird und/oder
• mindestens 20 % und maximal 100 %, bevorzugt maximal 80 % der Flächen der einzelnen Schichten bestrahlt werden und/oder der Hatch- Abstand zwischen nebeneinander angeordneten Schmelzbahnen um mindestens 20 % gegenüber dem Hatch-Abstand, der bei der Ausbildung der Wände eingesetzt wird, erhöht wird und/oder
• die Leistung des Energiestrahls um mindestens 20 % gegenüber der Leistung, die bei der Ausbildung der Wände eingesetzt wird, verringert wird.
Die Wände der Wandung sollten mit dem Energiestrahl so ausgebildet werden, dass sie beim heißisostatischen Pressen des Vorprodukts plastisch verformbar und gasdicht sind.
Erfindung können also dreidimensional gestaltete Werkstücke bzw. Bauteile aus Metallen und Metall-Legierungen wirtschaftlicher hergestellt werden. In geeigneter Weise können die Verfahrenstechniken der additiv generativen Fertigung und des heißisostatischen Pressens so miteinander kombiniert werden, dass die Nachteile der im Stand der Technik beschriebenen Vorgehensweise vollständig, zumindest aber in hohem Maße beseitigt werden. Insbesondere wird mit der Erfindung eine erhebliche Steigerung der Produktivität der Herstellung durch additiv generative Fertigung erreicht und der nachteilige Bauteilverzug in Folge der Volumenänderung kann beim anschließenden heißisostatischen Pressen verringert werden. Der vorgeschlagene Lösungsweg beruht darauf, dass als Ursache für den starken Bauteilverzug in der bereits beschriebenen Kombination LBM- oder EBM-HIP die geringe Packungsdichte des Metallpulvers innerhalb der mit den additiv ausgebildeten Wänden den mindestens einen Raum umschließenden Kapsel beseitigt wurde. Übliche Packungsdichten lose geschütteter Metallpulver liegen im Bereich von 20 % bis 60 % der theoretischen Materialdichte. Der für ein konkretes Pulversystem erreichbare Wert hängt insbesondere von der Partikelform, der Partikelgröße, der Partikelgrößenverteilung und der Art der Ausbildung des Pulverbettes ab. Je nach Verfahrenstechnik liegen die real anzutreffenden Dichten des pulverförmigen Werkstoffs in der Kapsel, als Vorprodukt zwischen den Werten der Schütt- und Klopfdichte. Über die realistischen Werte für den
Prozess günstiger Metallpulver liegen in der Literatur umfangreiche Daten vor, die zeigen, dass eine Erhöhung dieser Packungsdichte ohne die Einwirkung äußerer Kräfte nicht möglich ist. Die Bauteilverdichtung durch HIP wird also im Falle des lose als Schüttung vorliegenden Pulvers eine Volumenänderung von 40 % bis 80 % bewirken müssen, um dichte Werkstücke/Bauteile herstellen zu können. Aus Gründen der Anlagentechnik, der Prozessführung, aber auch wegen der variablen Bauteilquerschnitte ist ein mechanisches Einwirken auf das Pulverbett, um eine Verdichtung zu erreichen, aber in herkömmlicher Weise nicht möglich.
Hier setzt die Lösungsidee der vorliegenden Erfindung an, in der die Verdichtung des losen Pulvers innerhalb der mit den Wänden den mindestens einen Raum umschließenden Kapsel dadurch erreicht wird, dass in einem Strahlregime gearbeitet wird, das üblicherweise nicht für die Herstellung von Werk- stücken/Bauteilen mittels eines additiven Herstellungsverfahrens unter Nutzung eines Energiestrahls, beispielsweise durch EBM oder LBM genutzt wird. Das in der Erfindung vorgeschlagene Verfahren sieht also vor, zunächst wie in EP 2551040 AI beschrieben, beispielsweise mit Prozessparametern eines Elektronenstrahls oder einem anderen Energiestrahl im oben beschriebenen Prozessfenster schichtweise eine gasdichte Hülle mit den aus miteinander verschmolzenen Pulverpartikeln auszubilden und im Weiteren schichtweise den als loses Pulver im Innenbereich, also mindestens einem Raum (Kavität) vorliegenden pulverförmigen Werkstoff mit Prozessparametern zu behandeln, die außerhalb des Prozessfensters liegen, indem insbesondere erheblich höhere Strahlströme und Vorschubgeschwindigkeiten des Brennflecks, ggf. in Kombination mit einem größeren Brennfleck genutzt werden. Die Wahl dieser
Parameter in entsprechender Weise hat zur Folge, dass innerhalb der mit den Wänden gebildeten Wandung (Kapsel) keine vollständige Verdichtung eintritt, sondern der pulverförmige Werkstoff nur teilweise und/oder lediglich in einigen Bereichen der einzelnen mit dem Pulverauftrag gebildeten Ebenen lokal angeschmolzen wird und deshalb auch nur partiell verdichtet worden ist. Ein
Teil, dies kann der größere Teil der Partikel, die das Pulverbett in dem/den Raum/Räumen bilden, kann nicht miteinander verschmolzen sein. Wie im Ausführungsbeispiel weiter unten beschrieben, können die Parameter so variiert werden, dass die Dichte der aktuellen Pulverschicht, die gerade aufgebracht und dann mit dem Energiestrahl bearbeitet wird, beträchtlich erhöht wird
(verglichen mit der Schütt- bzw. Klopfdichte), dabei aber eine bis zum Faktor 10 höhere Vorschubgeschwindigkeit des Brennflecks auf der Oberfläche der aktuellen Schicht im Vergleich zur Vorschubgeschwindigkeit bei der Ausbildung einer Wand erreicht wird. Verglichen mit der Bauteilherstellung aus- schließlich durch additiv generative Fertigung kann so die Produktivität deutlich gesteigert werden. Für das zuvor genannte Beispiel von Titanlegierungen auf einer Anlage Arcam A2X ergibt sich für eine erschmolzene Fläche von 400 cm2 bei gleichbleibender Dauer der Rakel- und Vorheizschritte eine Verringerung der pro Schicht benötigten Zeit von 110 s auf nur 23 s und damit eine Steigerung der effektiven Baurate von 65 cm3/h auf 313 cm3/h, beziehungsweise eine Erhöhung um den Faktor 5. Die erzielbare Steigerung der Baurate ist abhängig vom Werkstoffsystem, der Bauteilgeometrie und der Querschnittsfläche. Bei sehr filigranen Werkstücken/Bauteilen, die möglicherweise mehrere innere Hohlräume enthalten, wird die Erhöhung der Bau- rate geringer ausfallen. Die Erhöhung der Werkstoffdichte durch das partielle Aufschmelzen hat nun zur Folge, dass beim anschließend vorgesehenen heißisostatischen Pressen des Vorprodukts zwar auch noch Porosität zu eliminieren ist, dieses ist jedoch in einem erheblich geringerem Umfang als bei dem in EP 2551040A1 be- schriebenen Prozess erforderlich. Somit werden die Probleme der geometrischen Präzision bei der Bauteilherstellung erheblich verringert und ein beträchtlicher Vorteil gegenüber der EP 2551040A1 erreicht.
Für den nachgeschalteten HIP-Prozess gilt, wie bereits oben erwähnt, dass die gleichzeitige HIP-Behandlung vieler derart hergestellter Bauteile als sehr produktiv und kostengünstig eingeschätzt werden kann. Durch die über die Strahl- und Scanparameter des eingesetzten Energiestrahls einstellbaren Verdichtungen des Pulversystems im Innenraum besteht darüber hinaus eine gewisse Variationsmöglichkeit, je nach Anwendungsfall des Verfahrens in Richtung höherer Genauigkeit oder höherer Produktivität. Dies ist bei den im
Stand der Technik beschriebenen Verfahren in keiner Weise möglich.
Die Erfindung soll im Folgenden anhand eines Beispiels näher erläutert werden.
Ausführungsbeispiel
Es wurden aus dem Werkstoff Ti-6AI-4V quaderförmige Proben hergestellt. Diese bestehen aus einer ca. 500 μιη dicken, vollständig verdichteten Hülle, die eine Wandung mit den Wänden bildet, und einem porösen Kern. Es wurde gasverdüstes Pulver mit Partikelgrößen im Bereich 45 μιη - 105 μιη verarbeitet. Folgende Prozessparameter wurden im EBM-Prozess sowohl für die Ausbildung der die Hülle bildenden Außenwand, wie auch zur Verdichtung des den porösen Kern bildenden Pulvers im von der Wand umschlossenen Raum gewählt:
Schichtdicke: 50 μιη, der einzelnen übereinander ausgebildeten und mit dem Elektronenstrahl bearbeiteten Einzelschichten
Hatchabstand: 100 μιη (Abstand zwischen parallelen Scanlinien)
Strahlstrom: 15 mA Es wurden dabei 100 % der Fläche der jeweiligen einzelnen übereinander ausgebildeten Schichten mit dem Brennfleck des Elektronenstrahls beeinflusst.
Die Prozessparameter Vorschubgeschwindigkeit des bewegten Brennflecks vS und die im porösen Kern nach dem Verdichten des Pulvers innerhalb des
Raums gemessene Dichte im Zustand nach der Verdichtung mit dem Elektronenstrahl sind für die drei Varianten A - C in Tabelle 1 zusammengefasst. Dabei wurde die Dichte an metallographischen Schliffen bestimmt.
Figure imgf000013_0001
Tabelle 1: Prozessparameter für Ausführungsbeispiel
Die Proben wurden nachfolgend mittels HIP verdichtet. Dabei kamen folgende Parameter zur Anwendung:
Temperatur: 950°C
Druck: 1000 bar
Heizrate: 15 K/min
Haltezeit: lh
Alle Varianten konnten erfolgreich im HIP-Prozess verarbeitet werden. Nach den HIP-Behandlungen wurde die Dichte erneut bestimmt. Die Messungen ergaben, dass alle Proben nach dem HIP vollständig verdichtet waren. Es konnte nachgewiesen werden, dass eine Erhöhung der Vorschubgeschwindigkeit, mit der der Brennfleck des Elektronenstrahls über die Oberfläche der einzelnen Schichten innerhalb des mit der Wand gebildeten Raums um den Faktor von ca. 10 zur Ausbildung eines porösen Kerns des erfindungsgemäßen
Vorprodukts, im Vergleich zur Vorschubgeschwindigkeit, die bei der Ausbildung einer äußeren Wand eingesetzt wird, zur Erreichung des gewünschten vorteilhaften Effektes führt. Dadurch kann die Qualität der endformnahen pulvermetallurgischen Herstellung bei geringfügig erhöhter Bearbeitungszeit für die Herstellung des Vorprodukts verbessert werden. Zusätzlich kann/können auch eine Erhöhung der Leistung in Kombination mit einer Defokussierung und/oder weiteren Erhöhung der Vorschubgeschwindigkeit zu noch höheren Bauraten, also zur Erhöhung der Produktivität im Hohlraum innerhalb der den porösen Kern vollständig umschließenden Wand füh- ren. Dies kann auch durch Beeinflussung lediglich einer Teilfläche der jeweiligen einzelnen Schichten erreicht werden.

Claims

Patentansprüche
1. Vorprodukt für die Herstellung dreidimensionaler Werkstücke, die mittels heißisostatischem Pressen herstellbar sind, das mit eine äußere Wandung bildenden Wänden gebildet ist, die während des
heißisostatischen Pressens plastisch verformbar sind und im Inneren des Vorprodukts mindestens einen allseitig von gasdichten Wänden umschlossenen Raum bilden,
dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Raum mit pulver- förmigem Werkstoff gefüllt ist, der einen porösen Kern bildet, dessen Dichte größer als die Schüttdichte des pulverförmigen Werkstoffs unter zumindest annähernd Vakuumbedingungen ist.
2. Vorprodukt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mit dem pulverförmigen Werkstoff gebildete poröse Kern eine Dichte im Bereich 50 % bis 95 %, bevorzugt 60 % bis 90 % aufweist, und die erhöhte Dichte gegenüber einer losen Schüttung des pulverförmigen Werkstoffs mittels zumindest teilweise durch miteinander verschmolzenen Partikeln des pulverförmigen Werkstoffs erreicht ist.
3. Vorprodukt nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Partikel in unterschiedlichen Ebenen an verschiedenen Postionen innerhalb des porösen Kerns miteinander verschmolzen sind.
4. Vorprodukt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass minimal 20 % und maximal 100 % aller den porösen Kern bildenden Partikel miteinander verschmolzen sind.
5. Vorprodukt nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass der poröse Kern eine Porosität im Bereich 10 % bis 40 % aufweist.
6. Verfahren zur Herstellung eines Vorprodukts für die Herstellung dreidimensionaler Werkstücke, die mittels heißisostatischem Pressen herstellbar sind, bei dem ein pulverförmiger Werkstoff schichtweise übereinander aufgebracht wird und die einzelnen Schichten mit einem Energiestrahl, insbesondere einem auslenkbaren Elektronen- oder Laserstrahl lokal definiert so bearbeitet werden, dass eine gasdichte Wandung bildende Wände durch vollständig miteinander verschmolzene Pulverpartikel ausgebildet werden, die mindestens einen Raum vollständig umschließen, der mit pulverförmigem Werkstoff ausgefüllt ist.
dadurch gekennzeichnet, dass der Raum mit einem porösen Kern gebildet wird, der mit nicht vollständig miteinander verschmolzenen Pulverpartikeln gebildet wird, indem der Energiestrahl den pulverförmigen Werkstoff im Bereich des von den Wänden der Wandung umschlossenen Raums für die einzelnen Schichten mit einer höheren Vorschubgeschwindigkeit, mit der der Brennfleck des Energiestrahls bewegt wird, einer höheren Leistung des Energiestrahls, mit einer größeren Brennfleckfläche, lediglich ein Teil der Fläche der einzelnen Schichten und/oder mit erhöhten
Hatchabstand bestrahlt wird und/oder eine geringere Leistung des Energiestrahls eingesetzt wird, als dies bei der Ausbildung der Wände der Fall ist und
dadurch der poröse Kern eine Dichte im Bereich 50 % bis 95 % aufweist.
7. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorschubgeschwindigkeit mit der der Brennfleck bei der Ausbildung des porösen Kerns bewegt wird, mindestens zweifach und maximal dreißigfach, bevorzugt zehnfach größer als die Vorschubgeschwindigkeit bei der Ausbildung der Wände gehalten wird und/oder
die Leistung des Energiestrahls mindestens um 20 % gegenüber der Leistung, die bei der Ausbildung der Wände eingesetzt wird, erhöht wird
und/oder
die Brennfleckfläche um mindestens 20 % gegenüber der Brennfleckfläche, die bei der Ausbildung der Wände eingesetzt wird, vergrößert wird
und/oder
mindestens 20 % und maximal 100% der Flächen der einzelnen Schichten bestrahlt werden
und/oder
die Leistung des Energiestrahls um mindestens 20 % gegenüber der Leistung, die bei der Ausbildung der Wände eingesetzt wird, verringert wird.
8. Verfahren nach den beiden vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Wände der Wandung mit dem Energiestrahl so ausgebildet werden, dass sie beim heißisostatischen Pressen des Vorprodukts plastisch verformbar und gasdicht sind.
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