HINTERGRUND DER ERFINDUNG GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft ein generatives Herstellverfahren eines Bauteils durch mehrfaches, aufeinanderfolgendes selektives Schmelzen und/oder Sintern eines Pulvers mittels einer durch Strahlenergie eingebrachten Wärmemenge, sodass die Pulverpartikel lageweise ver- schmelzen und/oder sintern. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein entsprechendes Pulver sowie ein daraus hergestelltes Bauteil.

STAND DER TECHNIK Zur schnellen Herstellung eines Bauteils sind aus dem Stand der Technik unterschiedlichste Verfahren bekannt. Neben dem sogenannten dreidimensionalen Drucken (3D Printing) gibt es Strafverfahren, wie Elektronenstrahlschmelzen, selektives Laserschmelzen, selektives Lasersintern und viele andere Verfahren, wie beispielsweise Stereolithographie oder Gussverfahren und dergleichen. Obwohl damit vorallem Prototypen auf sehr schnelle Weise erzeugt werden können, unterscheiden sich die Verfahren doch grundsätzlich.

Aus der DE 11 2005 002 040 T5 ist beispielsweise ein Rapid-Prototyping- Verfahren für Alumi- nium-/Magnesiumlegierungen mittels eines 3 D -Druckverfahrens bekannt. Bei diesem Verfahren werden die Aluminium-/Magnesium-Partikel zunächst mittels eines Bindemittels zur Bildung des Prototypen im Druckverfahren miteinander verbunden und anschließend gesintert, sodass der Prototyp entsteht. Da die Aluminium- und/oder Magnesium-Legierungen sehr oxidationsanfällig sind, werden die entsprechenden Pulverpartikel durch eine Metallschicht aus beispielsweise Kupfer geschützt. Ein derartiges Verfahren ist aber auf niedrigschmelzende Werkstoffe beschränkt, da bei hochschmelzenden Werkstoffen der gesamte Prototyp sehr hohen Temperaturen über einen langen Zeitraum ausgesetzt werden muss, um eine ausreichende Sinterverbindung zu erreichen.

Aus der US 2006/0251535 AI ist ein weiteres Verfahren bekannt, bei dem aus beschichteten Pulverpartikeln dreidimensionale Prototypen durch bindergestütztes Drucken geformt werden. Die Beschichtung der Partikel aus Bindemitteln und sinterbaren Werkstoffen dient dazu, ein gegenseitiges Verbinden der Pulverpartikel zu ermöglichen, indem die Beschichtungen oder Teile davon miteinander verschmelzen, verschweißen oder sintern, um so entsprechende Brücken zwischen den Pulverpartikeln zu bilden.

Der Nachteil diese Verfahren besteht jedoch darin, dass die Eigenschaften des Prototypen von dem eigentlichen Werkstück stark abweichen, da die Partikel nicht direkt selbst verbunden sind, sondern über die Bindemittel und/oder Sinterstoffe miteinander„verklebt" sind. Obwohl dieser Verfahren für hochschmelzende Werkstoffe, also insbesondere Hochtemperarurwerkstoffe die Möglichkeit bieten würde mit geringerem Wärme- und Energieeinsatz einen Prototypen herzustellen, ist das Ergebnis unbefriedigend, da die Eigenschaften, insbesondere die mechanischen Eigenschaften des Prototypen stark von denjenigen des späteren Werkstücks abweichen.

Beim Einsatz von strahlgestützten Verfahren, also beispielsweise Laserstrahlverfanren oder Elektronenstrahlverfahren, für die Herstellung von Prototypen aus hochschmelzenden Materialien bzw. Werkstoffen besteht darüber hinaus die Problematik, dass so viel Wärmemenge in das Pulver bzw. in die Oberfläche des bereits aufgebauten Prototypen eingebracht werden muss, um ein Verschmelzen bzw. Sintern zu ermöglichen, dass hohe Temperaturgradienten entstehen, die zur Rissbildung führen können. Werden jedoch Risse in den Prototypen eingebracht, so sind auch in einem derartigen Fall die mechanischen Eigenschaften deutlich unterschiedlich zu dem eigentlichen Werkstück, sodass auch dies nachteilig ist. OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

AUFGABE DER ERFINDUNG

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein generatives Herstell verfahren bereitzustellen, mit welchem Bauteile aus hochschmelzehden Materialien bzw. Werkstoffen gebildet werden können, die in ihrem Eigenschaftsproftl möglichst nahe den Werkstücken kommen, die beispielsweise durch Guss hergestellt wurden. Außerdem sollen mit der vorliegenden Erfindung entsprechende Mittel zur Durchführung des Verfahrens bereitgestellt werden. Das generative Herstellverfahren soll aber gleichzeitig einfach und zuverlässig durchführbar sein. TECHNISCHE LÖSUNG

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Pulver mit den Merkmalen des Anspruchs 9 und einem Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 10.

Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass Bauteile aus hochschmelzenden Werkstoffen durch selektives Schmelzen und/oder Sintern von Pulvern mittels Strahlverfahren hergestellt werden können, da die entsprechenden energiereichen Strahlen wie Laser- oder Elektronenstrah- len die erforderliche Energie zum Verschmelzen oder zum Sintern der Pulverpartikel bereitstellen können. Bei derartigen generativen Her stell verfahren wird somit ein Laser- oder Elektronenstrahl entsprechend der zu erzeugenden Form über eine Pulverschicht bewegt, wobei durch die lokal eingebrachte Energie selektiv an dieser Stelle das Pulver aufschmilzt oder sintert, sodass lagenweise bei wiederholtem Aufbringen von Pulver und entsprechendem Bestrahlen mit einem energiereichen Strahl eine dreidimensionale Form aufgebaut werden kann. Erfmdungsgemäß wird dem Problem einer Rissbildung aufgrund eines hohen Temperaturgradienten, der durch das Sintern oder Aufschmelzen in dem Bauteil bzw. den gerade verbundenen Partikeln entsteht, dadurch entgegengewirkt, dass Pulverpartikel verwendet werden, die aus einem ersten Werkstoff gebildet sind, aus welchem der Prototyp an sich gebildet werden soll, und weiterhin einen zwei- ten Werkstoff umfassen, der die Pulverpartikel teilweise oder vollflächig umgibt, wobei der zweite Werkstoff einer niedrigeren Schmelzpunkt als der erste Werkstoff aufweist und/oder eine den Schmelzpunkt des ersten Werkstoffs erniedrigende Eigenschaft bei Kontakt und/oder Mischung mit dem ersten Werkstoff aufweist. Damit wird beispielsweise bei hochschmelzenden Werkstoffen erreicht, dass die eingebrachte Wärmeenergie erniedrigt werden kann, sodass klei- nere Temperaturgradienten in dem Bauteil bzw. der letzten Lage des hergestellten Bauteils entstehen, was Rissbildung vermeidet.

Der erste Werkstoff kann beispielsweise ein hochschmelzender Werkstoff sein, der insbesondere einen Schmelzpunkt über 1.000°C vorzugsweise über 1.250°C oder höchst vorzugsweise über 1.500°C aufweist. Beispielsweise kann der erste Werkstoff eine Nickelbasislegierung, eine Eisenbasislegierung, eine Kobaltbasislegierung, eine MCr AI -Legierungen mit M gleich Nickel und/oder Kobalt oder Wolfram oder eine Wolframlegierung sein. Der zweite Werkstoff kann ein sogenanntes Sinterhilfsmittel oder ein Hochtemperaturlot sein, welches die oben erwähnten Eigenschaften bezüglich des ersten Werkstoffs aufweist. Insbesondere kann der zweite Werkstoff durch Bor, Germanium oder Silizium oder entsprechende Werkstoffe gebildet sein, die eine oder mehrere der vorgenannten Elemente umfassen.

Der zweite Werkstoff kann in Form einer Hülle um einen Kern aus dem ersten Werkstoff in einem Pulverpartikel des erfindungs gemäßen Rapid-Prototyping-Pulvers angeordnet sein.

Der zweite Werkstoff kann insbesondere auch in Form von feinst verteilten Partikelchen auf der Oberfläche des ersten Werkstoffs angeordnet sein, so dass der erste Werkstoff in Form eines

Pulverpartikelkerns nicht vollständig von dem zweiten Werkstoff umgeben ist. Dadurch kann der Anteil des zweiten Werkstoffs im fertiggestellten Bauteil insbesondere soweit verringert werden, dass der Einfluss des zweiten Werkstoffs auf das Eigenschaftsprofil des Bauteil vernachlässigbar ist.

Grundsätzlich kann, unabhängig von der Art der Anordnung von erstem und zweitem Werkstoff in den Pulverpartikeln, die Menge des zweiten Werkstoffs derart eingestellt werden, dass über die eingebrachte Strahlenergie eine ausreichende Vernetzung der Pulverpartikel erfolgen kann, wobei der Schmelzpunkt des ersten Werkstoffs entsprechend lokal um mindestens 5 %, vor- zugsweise mindestens 10 % abgesenkt wird, während im fertig gestellten Bauteil der Anteil des zweiten Werkstoffs so gering ist, dass der Schmelzpunkt des Bauteils mindestens bei 90 % vorzugsweise mehr als 95 % der Schmelztemperatur des ersten Werkstoffes liegt. Gleichzeitig oder alternativ kann die Menge des zweiten Werkstoffs derart eingestellt werden, dass im fertiggestellten Bauteil die zu erwartende Phasen- bzw. Gefügeausbildung des ersten Werkstoffs nicht beeinflusst wird, also der zweite Werkstoff keine separaten Phasen- oder Gefügebestandteile oder Ausscheidungen ausbildet.

Somit kann also durch die gewählte Verteilung von erstem und zweitem Werkstoff im Ausgangsmaterial im Kern und am Rand des Pulverpartikels die unmittelbare Verbindung der Parti- kel des ersten Werkstoffs untereinander bei niedrigerem Energieeinsatz erreicht werden, während im Bauteil der zweite Werkstoff so gelöst ist, dass das Eigenschaftsprofil des Bauteils durch den ersten Werkstoff bestimmt wird. Dies kann insbesondere dadurch noch verbessert werden, dass das Bauteil einer Wärmebehandlung mit und ohne Druck unterzogen wird, so dass der zweite Werkstoff sich im ersten Werkstoff leichmäßig auflösen bzw. über entsprechende Diffusionsvorgänge verteilen kann. Um eine Erniedrigung des Temperaturgradienten bei der Herstellung des Bauteils, insbesondere in den gerade verschweißten oder/und gesinterten Lagen zu erzielen, kann der Prototyp und oder das Pulver entsprechend auch vorgewärmt und oder zusätzlich zur lokal aufgebrachten Strahlenergie auf eine entsprechend höhere Temperatur erwärmt werden, um den Temperaturgradienten niedrig zu halten. Beispielsweise kann dies durch Widerstandsheizung erfolgen, indem eine entsprechende Strom- bzw. Spannungsquelle an das Pulver und/oder dem teilweise fertig gestellten Bauteil angelegt wird. Dies kann auch durch Induktionsheizung erfolgen, so dass damit auch die Abkühlrate steuerbar ist.

Ein entsprechend der Erfindung hergestelltes Bauteil zeichnet sich dadurch aus, dass es ohne Rissbildung aus einem ersten, hochschmelzenden Werkstoff besteht, welcher in geringen Anteilen ohne Einfluss auf die Phasen- und/oder Gefügeausbildung des ersten Werkstoffs einen zweiten, schmelzpunkterniedrigenden Werkstoff aufweist. Die Partikel des ursprünglichen Pulvers aus dem ersten Werkstoff sind im Bauteil unmittelbar miteinander verbunden, ohne dass zusätzlicher Binder oder Bindephasen oder dergleichen erforderlich wären.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

Weitere Vorteile, Kennzeichen und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden bei der nachfolgenden detaillierten Beschreibung eines Ausfuhrungsbeispiels anhand der beigefügten Zeich- nung deutlich. Die Zeichnung zeigt hierbei in rein schematischer Weise in

Fig. 1 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Pulverpartikels;

Fig. 2 eine Schnittansicht eines zweiten Ausfiihrungsbeispiels eines erfindungsgemäßen

Pulverpartikels; und in

Fig. 3 eine Schnittansicht durch einen Teil eines Gefüges des erfindungsgemäß hergestellten Prototypen. AUSFÜHRUNGSBEISPIEL

Die Fig. 1 zeigt ein erstes Ausfuhrungsbeispiel eines Pulverpartikel s, welches gemäß der Erfin- dung ausgebildet ist. Das Pulverpartikel 1 weist einen Kern 2 auf, der durch eine vollflächig den Kern 2 umgebende Hülle 3 umgeben ist. Der Kern 2 ist durch einen hochschmelzenden Werkstoff, wie beispielsweise ein hochschmelzendes Metall oder eine Metalllegierung, wie beispielsweise eine Eisenbasis- , Nickelbasis- , Kobaltbasislegierung, MCrAL Y-Legierungen mit M gleich Nickel und/oder Kobalt oder dergleichen gebildet. Die umgebende Hülle 3 ist aus einem zweiten Werkstoff gebildet, der unterschiedlich zu dem ersten Werkstoff des Kerns 2 ist und eine niedrigere Schmelztemperatur als der Kern 2 aufweist und/oder in Kombination mit dem ersten Werkstoff des Kerns 2 den Schmelzpunkt des ersten Werkstoffs erniedrigt.

Wird beispielsweise ein Pulver mit den Pulverpartikeln 1 aus Fig. 1 in einem generativen Her- stellverfahren mit selektivem Aufschmelzen oder Sintern mittels Strahlenergie, wie beispielsweise Elektronenstrahlschmelzen, selektives Laser schmelzen, selektives Lasersintern oder einem ähnlichem Verfahren, bei dem mit einem Strahl Energie auf die Pulver aufgebracht wird, eingesetzt und ein Pulverpartikel 1 am Rand aufgeschmolzen oder soweit erwärmt, dass der zweite Werkstoff der Hülle 3 in den ersten Werkstoff des Kerns 2 diffundiert, so wird eine Mischung aus den beiden Werkstoffen verursacht, die zu einer Schmelzpunkterniedrigung des ersten Werkstoffs des Kerns 2 führt. Entsprechend ist es möglich mit einem geringeren Wärmeeinsatz die nebeneinander liegenden Pulverpartikel 1 bzw. Pulverpartikel 1 mit der in einem bereits vorangegangenen Schritt entstandenen Lage des Bauteils zu verbinden, indem die Pulverpartikel 1 gegenseitig oder mit einer vorher gebildeten Lage des Bauteils verschweißen, flüssig sintern oder in fester Phase durch Diffusion sintern. Entsprechend kann die Schmelzpunkter iedrigende Eigenschaft des zweiten Werkstoffs der Hülle 3 auch dahin gehend genutzt werden, dass eine bessere gegenseitige Diffusion der Bestandteile des ersten Werkstoffs mit benachbarten Partikeln ermöglicht wird. Die Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Pulverpartikels 1 ', welches wiederum einen Kern 2 aus einem ersten, hochschmelzenden Werkstoff aufweist, an dessen Oberfläche jedoch keine vollflächig umgebende Hülle vorgesehen ist, sondern der zweite Werkstoff in Form von feinsten Partikelchen 3 ^' verteilt über der Oberfläche vorgesehen ist, sodass der Kern 2 nur teilweise bedeckt ist. Die Funktionsweise ist ähnlich dem Pulver, wie es bei den Pul- verpartikeln 1 in der Fig. 1 beschrieben worden ist. Durch die Anordnung der feinsten Partikelchen 3 ' an der Oberfläche des Kerns 2 kommt es bei der Einwirkung von Strahlenergie beispielsweise zu einem lokalen Aufschmelzen an der Stelle der Partikelchen 3', da dort der Schmelzpunkt des ersten Werkstoffs erniedrigt ist, sodass an diesen Stellen mit benachbarten Pulverpartikeln 1 ^' ein Verschweißen oder Sintern des ersten Werkstoffs möglich ist ohne nachgeschaltete Wärmebehandlung.

Die Fig. 3 zeigt einen Teil eines erfindungsgemäß hergestellten Bauteils 10 in Form eines schematisch dargestellten Gefügeausschnitts. Die Fig. 3 zeigt mehrer zusammen gesinterte Pulverpartikel 1 , die an ihren Grenzflächen 4 durch entsprechendes Aufschmelzen miteinander verschweißt sind. Der zweite Werkstoff 3 der ursprünglich in Form einer Hülle oder feinst verteilter Partikelchen an der Oberfläche vorgelegen hat, ist nunmehr in den Gefügekörnern gelöst, was durch die Punktdarstellung ausgedrückt werden soll. Entsprechend ist der Anteil des zweiten Werkstoffs im Prototypen 10 derart niedrig, dass sich keine zusätzlichen Phasen ausbilden, die zusätzlich zu den Phasen des ersten Werkstoffs vorhanden sind.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es somit möglich, hochschmelzende Werkstoffe durch ein generatives Herstellverfahren zu einem Bauteil zu verarbeiten, welcher dem Eigenschaftsprofil des späteren Werkstücks sehr nahe kommt, da die Sinter hilfsmittel in Form des zweiten Werkstoffs in einem derart geringen Anteil vorkommen, dass sie auf den Bauteil nur einen äußerst geringen vernachlässigbaren Einfluss haben. Des Weiteren sind derartige Prototypen aus hochschmelzenden Werkstoffen rissfrei herstellbar, da die eingebrachte Wärmemenge aufgrund des zweiten Werkstoff, der als Sinter- oder Schmelzhilfsstoff dient, reduziert werden kann und deshalb ein geringerer Temperaturgradient an den Stellen erzeugt wird, an denen der Energiestrahl auf das Pulver bzw. den Prototypen eingewirkt hat. Aufgrund des geringeren Temperaturgradienten ist die Gefahr der Rissbildung verringert.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand der Ausfuhrungsbeispiele detailliert beschrieben worden ist, ist die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern die Er- findung kann innerhalb des Schutzbereichs der beigefügten Ansprüche durch unterschiedliche Kombination einzelner vorgestellter Merkmale und Weglassen einzelner Merkmale variiert werden. Insbesondere beansprucht die vorliegende Erfindung sämtliche Kombinationen aller vorgestellten Merkmale.