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Title:
METHOD FOR PRODUCING AN OBJECT BY MEANS OF LASER MELTING
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2018/069411
Kind Code:
A1
Abstract:
The present invention relates to a method for producing an object (6) by means of laser melting. It is essential to the invention that at least two different powdery starting materials (4, 5) are used, which have different strength properties and heat conduction properties, that the at least two different starting materials (4, 5) are arranged in the object (6) that is to be built up by laser melting in such a manner that said object has predefined local strength properties and heat conduction properties.

Inventors:
ABELE, Marcus (Rötestraße 58, Stuttgart, 70197, DE)
REHL, Andreas (Berta-von-Suttner-Str. 26, Kirchheim, 74366, DE)
Application Number:
EP2017/075970
Publication Date:
April 19, 2018
Filing Date:
October 11, 2017
Export Citation:
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Assignee:
MAHLE INTERNATIONAL GMBH (Pragstraße 26-46, Stuttgart, 70376, DE)
International Classes:
B22F3/105; B21J13/02; B22C9/06; B22F5/00; B22F7/06; B33Y10/00; B33Y80/00; F02F3/00; F16J1/00; F16J1/01
Domestic Patent References:
WO2016126455A12016-08-11
Foreign References:
DE102012000694A12013-07-18
DE102007029052A12009-01-02
DE102015209702A12015-12-03
DE102015209702A12015-12-03
Attorney, Agent or Firm:
BRP RENAUD UND PARTNER MBB (Königstraße 28, Stuttgart, 70173, DE)
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Claims:
Ansprüche

1 . Verfahren zum Herstellen eines Gegenstandes (6) mittels Laserschmelzen, dadurch gekennzeichnet,

- dass zumindest zwei unterschiedliche pulverförmige

Ausgangswerkstoffe (4,5) verwendet werden, die unterschiedliche Festigkeitseigenschaften und Wärmeleiteigenschaften aufweisen,

- dass die zumindest zwei unterschiedlichen Ausgangswerkstoffe (4,5) in dem mittels Laserschmelzen aufzubauenden Gegenstand (6) derart angeordnet werden, dass dieser vordefinierte lokale

Festigkeitseigenschaften und Wärmeleiteigenschaften aufweist.

2. Verfahren nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet,

dass als Ausgangswerksoff (5) ein eisenbasiertes Pulver, insbesondere pulverförmiges X3NiCoMoTi 18-9-5, verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet,

dass als Ausgangswerksoff (4) ein kupferbasiertes Pulver verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

dadurch gekennzeichnet,

dass mittels dem Verfahren ein Kolben (3), eine Gießform (2) für einen Kolben oder ein Gesenk hergestellt wird.

5. Kolben (3), hergestellt nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3.

6. Kolben nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet,

dass der Kolben (3) im Bereich eines Kolbenkopfes (7), einer

Brennraummulde (8), einer Ringpartie (9) und/oder eines Kühlkanals (10) einen kupferbasierten Ausgangswerkstoff (4) aufweist.

7. Kolben nach Anspruch 5 oder 6,

dadurch gekennzeichnet,

dass der Kolben (3) im Bereich eines Kolbenschaftes, einer Kastenwand oder einer Nabe (1 1 ) einen eisenbasierten Ausgangswerkstoff (5) aufweist, insbesondere X3NiCoMoTi18-9-5.

8. Kolben nach einem der Ansprüche 5 bis 7,

dadurch gekennzeichnet,

dass der Kolben (3) einen Bereich aus einem kupferbasierten

Ausgangswerkstoff (4) aufweist, der von einem eisenbasierten

Ausgangswerkstoff (5), insbesondere X3NiCoMoTi 18-9-5, überdeckt ist.

9. Gießform (2) oder Gesenk für einen Kolben, hergestellt nach dem

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3.

Description:
Verfahren zum Herstellen eines Gegenstandes mittels Laserschmelzen

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines

Gegenstandes mittels Selektivem Laserschmelzen (SLM für Selective Laser Melting) gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 . Die Erfindung betrifft außerdem einen nach diesem Verfahren hergestellten Kolben sowie eine nach diesem Verfahren hergestellte Gießform oder ein Gesenk.

Aus der DE 10 2015 209 702 A1 ist ein gattungsgemäßes Verfahren zur

Herstellung eines Gegenstandes mittels direktem Metall-Lasersintern (DMLS) bekannt, hier zur Herstellung eines Gießwerkzeugs, wobei zumindest ein Bereich des herzustellenden Gießwerkzeuges mehrere kleinere Öffnungen, insbesondere Mikrobohrungen, zur Luftabführung aufweist, um Lufteinschlüsse von im

Schwerkraft-Kokillenguss hergestellten Kolben für Brennkraftmaschinen zu vermeiden. Die mittels des bekannten Verfahrens hergestellten Gegenstände besitzen dabei ein homogenes Gefüge.

Selektives Lasersintern (SLS) ist ein Verfahren, um räumliche Strukturen durch Sintern aus einem pulverförmigen Ausgangswerkstoff herzustellen. Lasersintern ist dabei ein generatives Schichtbauverfahren, bei welchem der herzustellende Gegenstand Schicht für Schicht aufgebaut wird. Durch die Schmelzwirkung der eingesetzten Laserstrahlen können so beliebige dreidimensionale Geometrien auch mit Hinterschneidungen erzeugt werden, das heißt Gegenstände und Werkstücke, die sich in konventioneller mechanischer oder gießtechnischer Fertigung nicht herstellen lassen. Das Lasersintern wird dabei insbesondere zum Fertigen von Prototypen und kleinen Stückzahlen komplizierter Bauteile verwendet. Bei den bekannten Lasersinterverfahren wird dabei ein pulverformiger Ausgangswerkstoff eingesetzt, der anschließend den Werkstoff des hergestellten Gegenstandes bildet. Dies kann beispielsweise ein Kunststoff, aber auch ein Metall sein. Während das Lasersintern unterhalb der Schmelztemperatur des Pulvers bzw. seiner Hauptkomponente durchgeführt wird und die Verbindungen durch Diffusion unter Ausbildung von Sinterhälsen hergestellt werden, wird die Pulvermischung beim Laserschmelzen lokal verflüssigt, wodurch sich ein einem Gussteil ähnliches Werkstück herstellen lässt. Sein Werkstoff besitzt dabei homogene Eigenschaften, was jedoch insbesondere bei ungleichmäßig

belasteten Gegenständen bzw. Bauteilen nicht unbedingt von Vorteil ist

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für ein

Verfahren der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die insbesondere die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwindet.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, erstmals bei einem Laserschmelzen zum Herstellen eines Gegenstandes zumindest zwei unterschiedliche pulverförmige Ausgangswerkstoffe zu verwenden, die

unterschiedliche Festigkeitseigenschaften und Wärmeleiteigenschaften aufweisen und damit einen Gegenstand herzustellen, der insbesondere lokal vordefinierte Festigkeitseigenschaften und Wärmeleiteigenschaften aufweist. Dies ist beispielsweise dadurch möglich, dass die zumindest zwei unterschiedlichen Ausgangswerkstoffe in dem mittels Laserschmelzen aufzubauenden Gegenstand an definierter Stelle angeordnet und dort eingeschmolzen werden, so dass beispielsweise Gegenstände mit lokal erhöhten Wärmeleitfähigkeiten bzw. auch lokal erhöhten Festigkeiten vergleichsweise einfach herzustellen sind. Im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, welche ausschließlich einen einzigen pulverförmigen Ausgangswerkstoff verwendeten, kann somit auch ein inhomogener Aufbau eines Gegenstandes problemlos erreicht werden, der insbesondere individuelle lokale Wärmeleitanforderungen bzw. Festigkeitsanforderungen berücksichtigt. Durch die Verwendung zweier oder mehrerer unterschiedlicher Pulverlegierungen wird es somit erstmals ermöglicht, den Gegenstand, beispielsweise einen Kolben, ein Gesenk oder eine Gießform für einen Kolben, mit lokal unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeiten und

Wärmekapazitäten auszustatten, wodurch der Gegenstand beispielsweise beim Gießen oder Schmieden gerichtet abgekühlt werden kann und dadurch sowohl höhere Ausbringungsraten, höhere Qualitäten und gegebenenfalls auch dünnere Wandstärken erzielt werden können. Insbesondere bei einem als Kolben ausgebildeten Gegenstand kann dieser hinsichtlich seines Anspruchsprofils in Bezug auf Temperatur, Verformung und Dauerfestigkeit optimiert werden.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung wird als Ausgangswerkstoff ein eisenbasiertes Pulver bzw. eine eisenbasierte

Pulverlegierung, insbesondere pulverförmiges X3NiCoMoTi 18-9-5, verwendet. Die zuletzt erwähnte Legierung ist dabei ein hochfester und hochzäher, martensitisch aushärtender Nickelstahl mit einfacher Wärmebehandlung, der insbesondere für Gießformen eingesetzt werden kann. Durch die hohe Festigkeit kann er selbstverständlich auch für Gegenstände, die eine solche hohe Festigkeit erfordern, eingesetzt werden.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung wird als Ausgangswerkstoff ein Kupfer-basiertes Pulver verwendet. Durch die Verwendung eines Kupfer-basierten Pulvers als Ausgangswerkstoff kann ein Ausgangswerkstoff mit einer deutlich erhöhten Wärmeleitfähigkeit erreicht werden, was insbesondere dann von Vorteil ist, wenn bei einem mittels des erfindungsgemäßen Laserschmelzverfahrens herzustellenden Gegenstandes lokal erhöhte Wärmeleitfähigkeiten gewünscht sind, um beispielsweise eine schnellere Wärmeabfuhr erzielen zu können.

Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, einen Kolben mit dem in den vorherigen Absätzen beschriebenen Verfahren

herzustellen und dadurch einen hinsichtlich seiner Festigkeitseigenschaften und einen hinsichtlich seiner Wärmeleiteigenschaften inhomogenen Kolben herstellen zu können. Beispielsweise kann dabei vorgesehen sein, dass der Kolben im Bereich eines Kolbenkopfes, einer Kolbenmulde, einer Ringpartie und/oder eines Kühlkanals einen Kupfer-basierten Ausgangswerkstoff aufweist bzw. in diesen genannten Bereichen aus den Kupfer-basierten Ausgangswerkstoff mittels

Laserschmelzen hergestellt ist und deshalb dort eine erhöhte Wärmeleitfähigkeit besitzt. Über diese erhöhte Wärmeleitfähigkeit kann insbesondere eine schnellere Wärmeabfuhr und damit eine bessere Kühlung des Kolbens erreicht werden, wodurch sowohl dessen Lebensdauer als auch dessen Leistungsfähigkeit gesteigert werden können.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist der Kolben im Bereich eines Kolbenschaftes, einer Kastenwand und/oder einer Nabe aus einem Eisen-basierten Ausgangswerkstoff mittels Laserschmelzen hergestellt und besitzt dort somit erhöhte Festigkeitseigenschaften. Ein hierfür verwendeter Eisen-basierter Ausgangswerkstoff kann beispielsweise X3NiCoMoTi 18-9-5 sein. Hierdurch ist es beispielsweise möglich, einen mechanisch im Betrieb stark belasteten Bereich des Kolbens, wie beispielsweise den Kolbenschaft oder die Nabe, aus einem höherfesten Werkstoff auszubilden, während im Bereich des Kühlkanals beispielsweise ein die Wärmeabfuhr verbessernder Kupfer-basierter Ausgangswerkstoff eingesetzt wird. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es somit möglich, einen Kolben bezüglich seiner jeweils lokal auftretenden Belastungen, und zwar sowohl in mechanischer als auch in thermischer Hinsicht zu berechnen und diesen individuellen Belastungssituationen mit Einbringen unterschiedlicher Ausgangswerkstoffe Rechnung zu tragen. Dabei ist

selbstverständlich klar, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht nur zwei unterschiedliche pulverförmige Ausgangswerkstoffe verwendet werden können, sondern auch drei oder mehr, um dadurch in noch deutlich vielfältigerer Art und Weise Einfluss auf individuelle und insbesondere lokal begrenzte

Eigenschaften zu nehmen.

Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, eine Gießform oder ein Gesenk für einen Kolben mittels des zuvor beschriebenen Verfahrens herzustellen, wodurch erstmals nicht mehr nur ein einstoffiges Werkzeug aus Stahl in einem zerspanenden Verfahren gefertigt werden muss, sondern additiv aus unterschiedlichen, pulverförmigen Ausgangswerkstoffen aufgebaut werden kann. Hierdurch ist es insbesondere möglich, einen Kupferbasierten Ausgangswerkstoff in denjenigen Bereichen des Gesenks bzw. der Gießform mittels Laserschmelzen einzubinden, in welchem später eine gerichtete und verbesserte Wärmeabfuhr, das heißt Abkühlung des Gesenks bzw. der Gießform erreicht werden soll. Durch diese individuelle Möglichkeit der lokal verbesserten Kühlung der Gießform bzw. des Gesenks können höhere

Ausbringungsraten, eine höhere Qualität und gegebenenfalls auch dünnere Wandstärken erzielt werden, wodurch eine sowohl kostengünstige als auch qualitativ hochwertige Fertigung von Kolben möglich ist. Die Gießform bzw. das Gesenk können selbstverständlich auch mehrteilig ausgebildet sein, wobei zumindest eine Komponente in der Gießform bzw. des Gesenks aus additiv generierten und mittels Laserschmelzen miteinander verbundenen

Pulvermischungen bestehen kann, welche geometrisch definiert, das heißt an exakt vordefiniertem Ort und Stelle in der Gießform im Gesenk angeordnet werden können. Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen

Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.

Es versteht sich, dass die vorstehend 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.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.

Dabei zeigen, jeweils schematisch

Fig. 1 ein mittels eines erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes

Gusswerkzeug bzw. Gießform und/oder Kolben,

Fig. 2 eine teilweise geschnittene Ansicht eines mittels des

erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Kolbens.

Entsprechend der Figur 1 ist ein Gusswerkzeug 1 gezeigt, dessen Gießformen 2 mittels eines erfindungsgemäßen Laserschmelzverfahrens hergestellt sind.

Ebenfalls gezeigt ist in der Figur 1 und zusätzlich in der Figur 2 ein Kolben 3, der ebenfalls mittels des erfindungsgemäßen Laserschmelzverfahrens hergestellt wurde. Der Kolben 3 ist dabei gemäß der Figur 1 lediglich der Übersichtlichkeit halber in dem Gusswerkzeug 1 dargestellt, wobei selbstverständlich klar ist, dass der erfindungsgemäße mittels Laserschmelzverfahren hergestellte Kolben 3 nicht in dem Gusswerkzeug 1 gegossen wird.

Erfindungsgemäß weisen nun die Gießformen 2 bzw. der mittels des

erfindungsgemäßen Laserschmelzverfahren hergestellte Kolben 3 zumindest zwei unterschiedliche Ausgangswerkstoffe 4, 5 auf, die unterschiedliche

Festigkeitseigenschaften und Wärmeleiteigenschaften aufweisen. Die zumindest zwei unterschiedlichen Ausgangswerkstoffe 4, 5 sind dabei in dem mittels

Laserschmelzen aufzubauenden Gegenstand 6, der beispielsweise als Gießform 2, als Kolben 3 oder aber auch als Gesenk zum Schmieden von Kolben

ausgebildet sein kann, derart angeordnet, dass der Gegenstand 6 vordefinierte lokale Festigkeitseigenschaften und Wärmeleiteigenschaften aufweist.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen des Gegenstandes 6 mittels Laserschmelzen werden somit erstmals zumindest zwei, vorzugsweise auch mehr, unterschiedliche pulverförmige Ausgangswerkstoffe 4, 5 verwendet, die unterschiedliche Festigkeitseigenschaften und Wärmeleiteigenschaften aufweisen und die darüber hinaus in dem mittels Laserschmelzen aufzubauenden Gegenstand 6 derart angeordnet sind, dass dieser in lokal begrenzten Bereichen vordefinierte lokale Festigkeitseigenschaften und Wärmeleiteigenschaften, insbesondere höhere Festigkeiten bzw. höhere Wärmeleitfähigkeiten, aufweist.

Generell werden dabei in den Figuren die unterschiedlichen Ausgangswerkstoffe 4, 5 bezeichnet, wobei selbstverständlich auch klar ist, dass diese nach dem Laserschmelzen unterschiedliche Werkstoffe 4, 5 mit unterschiedlichen

Festigkeitseigenschaften und unterschiedlichen Wärmeleiteigenschaften ergeben. Mit den Bezugszeichen 4, 5 sind somit sowohl die Ausgangswerkstoffe als auch die Werkstoffe in dem später mittels des erfindungsgemäßen

Laserschmelzverfahrens hergestellten Gegenstandes 6 bezeichnet. Als Ausgangswerkstoff 5 kann beispielsweise ein Eisen-basiertes Pulver, insbesondere pulverförmiges X3NiCoMoTi 18-9-5, verwendet werden, also eine Stahllegierung mit vergleichsweise hoher Zähigkeit und vergleichsweise hoher Festigkeit. Bei dem erfindungsgemäßen Gegenstand 6 wird dieser

Ausgangswerkstoff 5 in Bereichen angeordnet bzw. eingesetzt, in welchen eine erhöhte Festigkeit gewünscht ist. Demgegenüber wird der Ausgangswerkstoff 4, der beispielsweise als Kupfer-basiertes Pulver ausgebildet ist, in Bereichen eingesetzt, in welchen eine erhöhte Wärmeleitfähigkeit gefordert ist.

Betrachtet man beispielsweise die Figuren 1 und 2, so kann man erkennen, dass mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Kolben 3 hergestellt wurde, der im Bereich eines Kolbenkopfes 7 einer Brennraummulde 8, einer Ringpartie 9 und/oder eines Kühlkanals 10 aus einem Kupfer-basierten Ausgangswerkstoff 4 ausgebildet ist und deshalb dort verbesserte Wärmeleiteigenschaften aufweist, die insbesondere eine bessere Kühlung des erfindungsgemäßen Kolbens 3 ermöglichen. Demgegenüber weist der Kolben 3 im Bereich eines Kolbenschafts, einer Nabe 1 1 oder einer Kastenwand einen Eisen-basierten Ausgangswerkstoff 5 auf, beispielsweise X3NiCoMoTi 18-9-5, wodurch der Kolben 3 in denjenigen Bereichen, in welchen eine erhöhte Festigkeit erforderlich ist, mit dem

Ausgangswerkstoff 5 bzw. dem Werkstoff 5 ausgebildet ist, der diese erhöhte Festigkeitsanforderungen erfüllt.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich somit nahezu beliebige dreidimensionale Gegenstände 6 mittels Laserschmelzen aufbauen, wobei im Vergleich zu bisherigen, lediglich einen einzigen pulverförmigen

Ausgangswerkstoff nutzenden Laserschmelzverfahrens nunmehr in dem

Gegenstand lokal begrenzte Bereiche mit unterschiedlichen Festigkeitseigenschaften und unterschiedlichen Wärmeleiteigenschaften hergestellt werden können.

In gleicher Weise können selbstverständlich auch Gießformen 2 oder Gesenke zum Schmieden von Kolben entsprechend dem erfindungsgemäßen

Laserschmelzverfahren aus mehreren Ausgangswerkstoffen 4, 5, zumindest aus zwei unterschiedlichen Ausgangswerkstoffen 4, 5 hergestellt und dadurch optimal an individuelle und ortsspezifische Festigkeits- bzw. thermische Anforderungen angepasst werden. Dabei ist selbstverständlich klar, dass der Kupfer-basierte Ausgangswerkstoff 4 nicht unbedingt bis an die Oberfläche des Gegenstandes 6 geführt sein muss, sondern auch von einer Schicht aus dem Eisen-basierten Ausgangswerkstoff 5 überdeckt und dadurch geschützt angeordnet werden kann.