Die Erfindung betrifft ein Pulver zum Lasersintern sowie die Verwendung des Pulvers.

Lasersintern im Pulverbett bezeichnet einen Prozess, bei dem das Pulver, beispielweise aus Metall oder Kunststoff, gesintert oder vollständig und ohne Verwendung von Bindern aufgeschmolzen wird und nach der Erstarrung der Schmelze ein homogener Werkstoff hoher Dichte entsteht. Beim Lasersintern im Pulverbett wird die Energie, die von einem Laser zugeführt wird, von dem Pulver absorbiert und führt zu einem lokal begrenzten Sintern von Partikeln unter Verkleinerung der Gesamtoberfläche oder zum Aufschmelzen .

Das selektive Lasersintern (SLS) ist ein additives

Fertigungsverfahren, um räumliche Strukturen, wie

beispielweise ein Bauteil, durch Lasersintern mit einem Laser aus einem Pulver herzustellen. Die geometrischen Daten des herzustellenden Bauteils müssen als Schichtdaten vorliegen. Das Pulver, beispielsweise ein Metall- oder

Keramikpulver wird auf eine Bauplattform vollflächig in einer Schichtdicke von 1 bis 200 pm aufgebracht. Die Schichten werden nach den Schichtdaten computergesteuert entsprechend der Schichtkontur des Bauteils in das Pulverbett gesintert. Die Bauplattform wird vor jedem Schritt geringfügig

abgesenkt, um anschließend die nächste Schicht aufzuziehen. Durch die schichtweise Herstellung des Bauteils lassen sich auch hinterschnittene Konturen erzeugen. Ein großer Vorteil beim SLS ist, dass Stützstrukturen nicht erforderlich sind. Das Bauteil wird während seiner Herstellung von dem umgebenden Pulver gestützt. Am Ende des Herstellungsprozesses kann das verbleibende Pulver abgeklopft werden.

Für das Lasersintern kommen insbesondere Faserlaser oder Nd:YAG-Laser zum Einsatz, die Laserstrahlung im nahen

Infrarotbereich von 780 nm - 3000 nm erzeugen. Die beim Lasersintern verwendeten Pulver weisen abhängig von der

Materialzusammensetzung einen unterschiedlichen

Absorptionsgrad für die Laserstrahlung mit definierter

Wellenlänge auf. Von dem Absorptionsgrad, auch als spektraler Absorptionskoeffizient bezeichnet, hängt ab, welcher

Bruchteil der auftreffenden Laserstrahlung von dem Pulver absorbiert wird.

Pulver mit einem geringen Absorptionsgrad bei einer üblichen Laserwellenlänge im nahen Infrarotbereich verursachen

Probleme beim Lasersintern. Das Absorptionsverhalten von Kupfer beträgt bei einer üblichen Laserwellenlänge von beispielsweise 1064 nm weniger als 5 %. Aufgrund des geringen Absorptionsgrades kann Kupferpulver nicht mit gängigen Lasern bei der üblichen Laserwellenlänge gesintert werden. Durch das Reflektionsverhalten des Kupferpulvers bei dieser

Laserwellenlänge wird die Strahlungsenergie vorwiegend in die Auflagefläche des Pulvers eingekoppelt und kann zu einer thermischen Überlastung oder sogar Zerstörung der

Auflagefläche führen.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Pulver zum Lasersintern

vorzuschlagen, das eine verbesserte Einkopplung der

Strahlungsenergie des Lasers erlaubt, insbesondere soll ein Pulver vorgeschlagen werden, das Probleme beim Lasersintern von Materialien mit einem niedrigen Absorptionsgrad für die Laserstrahlung vermeidet oder deutlich reduziert.

Außerdem soll ein Verfahren zur Herstellung von Schichten und räumlichen Strukturen vorgeschlagen werden.

Die Lösung beruht auf dem Gedanken ein

oberflächenmodifiziertes Pulver mit verbesserten

Absorptionseigenschaften im Bereich der Wellenlänge der Laserstrahlung für das Lasersintern bereitzustellen.

Im einzelnen wird die Aufgabe durch ein

oberflächenmodifiziertes Pulver zum Lasersintern gelöst, welches Partikel mit einem Partikelkern und an der

Oberfläche jedes Partikelkerns angebundene Laserabsorber aufweist, wobei die Laserabsorber die Oberfläche jedes

Partikelkerns zu mindestens 25%, vorzugsweise zu mindestens 30 % belegen und gegenüber dem Partikelkern einen höheren Absorptionsgrad für eine Laserstrahlung zum Lasersintern aufweisen. Die Partikel des Pulvers bestehen sämtlich aus demselben Material. Hinsichtlich der Größe und Form können die Partikel des Pulvers jedoch variieren. Vorzugsweise weisen die Partikel eine Partikelgröße mit einem

Äquivalentdurchmesser D50 im Bereich von 10-100 pm auf.

Die Laserabsorber sind an die Oberfläche des Partikelkerns angebundene Moleküle aus einem Material, welches die auf die Teilchen auftreffende Laserstrahlung stärker absorbiert als das Material des Partikelkerns. Die absorbierte

Laserstrahlung wird in den Laserabsorbern effektiv in Wärme umgewandelt. Aufgrund der Anbindung der Laserabsorber an die Oberfläche wird die Wärme im Wege der Wärmeleitung auf den Partikelkern übertragen. Der für die Wärmeleitung erforderliche Temperaturunterschied zwischen Partikelkern und Laserabsorbern beruht auf der geringeren Erwärmung des

Partikelkerns gegenüber den Laserabsorbern aufgrund des niedrigeren Absorptionsgrades des Partikelkerns für die

LaserStrahlung .

Um eine Einkopplung der Strahlungsenergie mit definierter Wellenlänge des Lasers bei einem für das Lasersintern

grundsätzlich geeigneten Pulver zu verbessern, beträgt der Unterschied zwischen dem Absorptionsgrad der Laserabsorber und dem Absorptionsgrad des Partikelkerns mindestens 10 % des Absorptionsgrades des Partikelkerns. Bei einem

Absorptionsgrad des Partikelkerns von beispielsweise 50 % beträgt der Unterschied mindestens 5 %, d.h. Absorber mit einem Absorptionsgrad von mindestens 55 % würden die

benötigte Zeit für das Lasersintern im Pulverbett bereits messbar verkürzen.

Um das Lasersintern bei einem für das Lasersintern

grundsätzlich nicht geeigneten Pulver, beispielsweise einem Pulver aus reinem Kupfer zu ermöglichen, muss der Unterschied zwischen dem Absorptionsgrad der Laserabsorber und dem

Absorptionsgrad des Partikelkerns deutlich größer sein. Bei einer typischen Wellenlänge eines Faserlasers von 1064 nm beträgt der Absorptionsgrad von reinem Kupfer etwa 5 %. Um einen Partikelkern aus reinem Kupfer sintern zu können, beträgt der Absorptionsgrad der angebundenen Absorber

mindestens 20 %, vorzugsweise 30 %. Die Laserabsorber, d.h. die die Laserstrahlung absorbierenden Moleküle, sind vorzugsweise durch Adsorption an die

Oberfläche jedes Partikelkerns angebunden. Die Anbindung erfolgt insbesondere im Wege der Physisorption, die eine Form der Adsorption ist, bei der die Moleküle durch Van-der- Waals-Kräfte an die Oberfläche jedes Partikelkerns gebunden werden. Die bei Physisorption wirkenden elektrostatischen Kräfte sind zwar schwächer als die elektrostatischen Kräfte bei einer ebenfalls in Betracht kommenden chemischen

Anbindung, reichen jedoch aus, um die Moleküle hinreichend stabil an der Oberfläche des Partikelkerns für den

Sinterprozess zu stabilisieren. Ein Vorteil der Anbindung durch Physisorption bzw. Van-der-Waals-Kräfte besteht in der geringen Veränderung des Partikelkerns und der Laserabsorber.

Das Absorptionsverhalten der Materialien für den Partikelkern und die Laserabsorber wird vorzugsweise für eine

Laserstrahlung mit einer Wellenlänge im nahen

Infrarotbereich, insbesondere mit 1064 nm bestimmt. Der nahe Infrarotbereich erstreckt sich von 780 nm bis 3 pm und umfasst die typischen Wellenlängen der Laserstrahlung, die von Festkörperlasern für das Lasersintern emittiert werden. Ein Nd : YAG-Festkörperlaser emittiert beispielsweise

Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von 1064 nm.

Das Pulver umfasst vorzugsweise Partikelkerne, die einen relativ geringen Absorptionsgrad von weniger als 30% für die auftreffende Laserstrahlung im nahen Infrarotbereich,

insbesondere bei 1064 nm, aufweisen. Es handelt sich um

Metalle oder deren Legierungen, wie beispielsweise Kupfer, Kupferlegierungen, Aluminium, Aluminiumlegierungen, Eisen, Eisenlegierungen, Edelstahle mit hohen Nickel-, Chrom-, Vanadium- oder Molybdän-Anteilen und Titan sowie

Titanlegierungen . Die Partikelkerne können jedoch auch aus Glas und Keramik bestehen.

Von einigen Metalloxiden bzw. Metallhydroxiden, wie

beispielsweise Titandioxid, Eisenoxid, Zinn-Antimonoxid, Zinnoxid, Antimonoxid, Bismutoxid, Dikupferhydroxidphosphat ist bekannt, dass sie im üblichen Wellenlängenbereich der zum Lasersintern verwendeten Laser, d.h. im Bereich des nahen Infrarots, ein ausgezeichnetes Absorptionsvermögen besitzen. Bei Bestrahlung der Materialien mit Laserstrahlung im nahen Infrarotbereich erhitzen sich diese Metalloxide bzw.

Metallhydroxide sehr stark und können teilweise Temperaturen von deutlich über 1000°C entwickeln. Diese Materialien sind daher besonders geeignet als an die Oberfläche jedes

Partikelkerns angebundene Laserabsorber.

Im Falle vom Metallpulvern, die im Lasersinterprozess

eingesetzt werden, lässt sich die unter der Laserstrahlung im nahen Infrarotbereich starke Erwärmung dieser gut

strahlungsabsorbierenden Metalloxide bzw. Metallhydroxide zum Sintern der Metall-Partikelkerne verwenden.

Sofern die Partikel mit weiteren Materialien, beispielsweise zur Verbesserung des Pulverfließverhaltens teilweise belegt werden sollen, ist bei der Herstellung darauf zu achten, dass zunächst die laserabsorbierenden Moleküle unmittelbar am metallischen Partikelkern angebunden werden, bevor weitere Materialien aufgebracht werden. Sehr feine Metallpulver zeichnen sich häufig durch ein schlechtes Pulvertließverhalten aus, was das Einbringen des Pulvers in das Pulverbett zum Lasersintern beeinträchtigen kann. Um das Pulvertließverhalten günstig zu beeinflussen und zugleich ein effektives Lasersintern zu ermöglichen, weist die Partikelgröße einen Äquivalentdurchmesser D 50 im Bereich von 10-100 pm auf.

Das erfindungsgemäße oberflächenmodifizierte Pulver ist insbesondere für die Verwendung zum Lasersintern in einem Pulverbett des oberflächenmodifizierten Pulvers geeignet, beispielsweise um eine Beschichtung auf einem Substrat herzustellen. Bestehen die Partikelkerne des Pulvers aus reinem Kupfer, lassen sich im Wege des Lasersinterns

Leiterbahnstrukturen und/oder Kontaktbereiche auf Oberflächen hersteilen, die sich durch eine hohe Leitfähigkeit

auszeichnen .

Im Wege des selektiven Lasersinterns lassen sich jedoch nicht nur Beschichtungen, sondern auch räumliche Strukturen aus dem erfindungsgemäßen Pulver hersteilen. Insbesondere kann mit dem Pulver das selektive Lasersintern nunmehr auch für solche Materialien eingesetzt werden, die aufgrund ihres geringen Äbsorptionsgrad für die Laserstrahlung im nahen

Infrarotbereich der üblicherweise verwendeten Festkörperlaser bisher nicht in Betracht kamen, wie beispielsweise reines Kupfer .

Das erfindungsgemäße oberflächenmodifizierte Pulver lässt sich vorteilhaft auch beim Laserauftragsschweißen mit Pulver verwenden . Laserauftragschweißen ist ein Verfahren bei dem auf ein

Werkstück ein Oberflächenauftrag mittels Aufschmelzen und gleichzeitigem Aufbringen eines Materials, insbesondere auch in Pulverform, erfolgt. Beim Laserauftragschweißen dient als Wärmequelle ein Laser hoher Leistung, vornehmlich ein

Diodenlaser oder ein Faserlaser. Das Verfahren kann sowohl zur Erzeugung von Schichten als auch von freigeformtem 2,5D- Strukturen verwendet werden. Beim Laserauftragschweißen mit Pulver erhitzt der Laser das Werkstück und schmilzt es lokal auf. Gleichzeitig wird ein inertes Gas gemischt mit dem

Pulver zugeführt. Die Versorgung des Wirkbereichs mit dem Pulver-/Gasgemisch erfolgt über Koaxialdüsen. An der

erhitzten Stelle schmilzt das Pulver auf und verbindet sich mit dem Werkstück. Durch Verwenden des

oberflächenmodifizierten Pulvers lassen sich im Wege des Laserauftragsschweißens nun auch Pulver verarbeiten, die andernfalls aufgrund eines zu geringen Absorptionsgrads nicht ohne weiteres von dem Laser aufgeschmolzen werden können.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen

Figur 1 eine schematische Darstellung einzelner Partikel des oberflächenmodifizierten Pulvers zum

Lasersintern sowie

Figur 2 eine schematische Darstellung zur

Veranschaulichung der Verwendung des Pulvers nach Figur 1 beim selektiven Lasersintern. Figur 1 zeigt in stark vergrößerter, schematischer Darstellung lediglich wenige Partikel 2 des

oberflächenmodifizierten Pulvers 1. Die einzelnen Partikel 2 weisen eine unregelmäßige Form mit einem

Äquivalentdurchmesser D 50 von etwa 30 gm auf.

Jeder Partikel 2 des Pulvers 1 besteht aus einem Partikelkern 3, an dessen Oberfläche 4 Laserabsorber 5 in molekularer Form angebunden sind. Die Laserabsorber 5 bedecken mindestens 30 % der Oberfläche 4 jedes Partikelkerns 3.

Die Partikelkerne 3 bestehen insbesondere aus reinem Kupfer mit einem geringem Äbsorptionsgrad von etwa 5 % für eine auftreffende Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von 1064 nm. Bei den Laserabsorbern 5 handelt es sich um Teilchen aus einem Metallhydroxid, beispielsweise

Dikupferhydroxidphosphat, welches einen sehr hohen

Äbsorptionsgrad für die auftreffende Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von 1064 nm aufweist.

Die Laserabsorber 5 sind an die Oberfläche 4 der

Partikelkerne 3 durch Physisorption angebunden. Die Anbindung kann beispielsweise durch einen Mischprozess der

Partikelkerne 3 aus Kupfer und den Laserabsorbern 5 bewirkt werden .

Das derart oberflächenmodifizierte Pulver 1 wird zum

Lasersintern, insbesondere zum selektiven Lasersintern verwendet. Der Prozess des selektiven Lasersinterns wird nachfolgend anhand der Figur 2 näher erläutert: Das selektive Lasersintern ist ein additives

Fertigungsverfahren, um ein Bauteil 6, durch Lasersintern mit einem Laser 7 aus dem Pulver 1 herzustellen. Die

geometrischen Daten des herzustellenden Bauteils 6 müssen als Schichtdaten vorliegen. Mittels der Schichtdaten des Bauteils 6 wird ein Laserscanner 10 gesteuert, mit dem zeilenweise die Laserstrahlung 11 des Lasers 7 intensitätsgesteuert auf das Pulver 1 übertragen wird. Das Pulver 1 wird zunächst aus einem Pulvervorrat 13 mit einem das Pulver nachführenden Kolben 12 und einer Walze 9 auf eine Bauplattform 8 vollflächig als Schicht in einer Schichtdicke von 20 bis 40 gm aufgebracht (Pulverbett) . Die Schichtendaten des Bauteils 6 werden sodann computergesteuert schichtweise entsprechend der Schichtkontur des Bauteils 6 in das Pulverbett gesintert. Die Bauplattform 8 wird vor jedem Schritt geringfügig abgesenkt, um anschließend die nächste Schicht aus Pulver 1 aus dem Pulvervorrat 13 mit der Walze 9 aufzuziehen. Alternativ kann ein Rakel verwendet werden.

Durch die schichtweise Herstellung des Bauteils 6 lassen sich auch hinterschnittene Konturen erzeugen. Stützstrukturen sind nicht erforderlich, weil das Bauteil 6 während seiner

Herstellung von dem umgebenden Pulver 1 gestützt wird.

Bezugszeichenliste

1 Pulver

2 Partikel

3 Partikelkern

4 Oberfläche

5 Laserabsorber

6 Bauteil

7 Laser

8 Bauplattform

9 Walze

10 Laserscanner

11 Laserstrahlung

12 Kolben

13 Pulvervorrat