Verfahren zum Herstellen eines Formkörpers mit schaumartiger Struktur

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Formkörpers, insbesondere eines Bauteils mit einer schaumartigen Struktur.

Bauteile aus einem Metall oder einer Legierung mit einer spongiosen oder schaumartigen Struktur sind bekannt. Unter schaumartig sind drei-dimensionale Strukturen mit geschlossenen Poren sowie untereinander verbundenen Poren zu verstehen. Eine schaumartige Struktur ist für Bauteile mit einer niedrigen Dichte geeignet, die vorteilhaft bei Anwendungen in Automobilen und Luftfahrzeugen eingesetzt werden. Durch die Einstellung der Porosität und damit der Dichte des Bauteils können weitere Eigenschaften, wie die Festigkeit, Steifigkeit, elektrische und thermische Leitfähigkeit des Bauteils eingestellt werden.

Metalle mit einer schaumartigen Struktur können mittels verschiedener Verfahren hergestellt werden. Aus der US 6,250,362 ist es beispielsweise bekannt, einen Metallschaum mit einem Sprühverfahren („Spray casting") herzustellen. Bei anderen Verfahren wird ein Schaum in einem geschmolzenen Metallbad erzeugt, wobei der Metallschaum kontinuierlich abgelassen wird, was zum Beispiel aus der US 5,334,236 bekannt ist.

Bei all diesen Verfahren wird ein schaumartiger Werkstoff hergestellt, der dann zu einem Bauteil mit einer gewünschten Endform weiterbearbeitet wird. Abhängig von der Festigkeit des Metallschaums kann dies komplizierter sein als bei konventio- nellen dichten Metallen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht demnach darin, ein einfacheres Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers mit einer spongiosen bzw. schaumartigen Struktur anzugeben.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das folgende Verfahren gelöst. Zum Herstellen eines metallischen Formkörpers mit einer schaumartigen Struktur wird ein metallischer Formkörper mit einer aufzubauenden Oberfläche bereitgestellt. Ein metallischer Ausgangswerkstoff wird auf der aufzubauenden Oberfläche bereitgestellt. Ein Energiestrahl wird auf die aufzubauende Oberfläche gerichtet, wobei ein geschmolzener Bereich aus dem metallischen Ausgangswerkstoff auf der aufzubauenden Oberfläche des Formkörpers erzeugt wird. Ein Schaumbildner wird in den geschmolzenen Bereich eingebracht, so dass eine schaumartige Struktur in diesem geschmolzenen Bereich erzeugt wird, die im wieder erstarrten Ausgangswerkstoff beibehalten wird. Der Energiestrahl und der Schaumbildner werden über der aufzubauenden Oberfläche definiert geführt, um eine Schicht des Formkörpers herzustellen, die eine schaumartige Struktur aufweist.

Der Energiestrahl schmilzt somit einen lokal begrenzten Bereich des metallischen Ausgangswerkstoffs auf. Der Schaumbildner wird gezielt in diesen geschmolzenen Bereich des Ausgangswerkstoffs eingebracht, um Poren in der Schmelze zu erzeugen, die beim Wiedererstarren der Schmelze innerhalb des Materials „eingefroren" werden. Dieses wiedererstarrte Material bildet einen Teil des Formkörpers. Die Wiedererstarrung des Ausgangswerkstoffs wird durch definiertes Führen des Energiestrahls von dem geschmolzenen Bereich hinweg erreicht. Der Energiestrahl wird typischerweise in Zeilen und/oder Spalten über die aufzubauende O- berfläche definiert geführt, um schichtweise den Formkörper mit einer schaumartigen oder spongiosen Struktur aus dem Ausgangswerkstoff zu bilden. Typischer- weise wird der Energiestrahl sowie der Schaumbildner von einem entsprechend programmierten Computer gesteuert.

Unter „schaumartig" bzw. „spongios" ist eine Struktur zu verstehen, die eine Porosität aufweist. Diese Porosität kann die Form von geschlossenen Poren, die so

genannte „closed cell structure", sowie untereinander verbundenen Poren, die so genannte „interconnected pore structure" aufweisen.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass der Schaumbildner direkt in den geschmolzenen Bereich des Ausgangswerkstoffs eingebracht wird. Dabei kann ein Ausgangswerkstoff in Form von einem Draht verwendet werden. Der Schaumbildner wird dann in den geschmolzenen Bereich des Drahts eingebracht, um Poren mit einem Durchmesser zu erzeugen, der kleiner als der Durchmesser des Drahts ist. Folglich kann ein Formkörper mit einer sehr feinen Porosität mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt werden. Der Draht kann auch als Träger des Schaumbildners fungieren. über den Typ und die Menge des Schaumbildners wird die Größe, Lage und Verteilung der Poren gesteuert.

Metallische Pulver haben den Nachteil, dass sie häufig brennbar und/oder giftig sind, so dass sie nur unter streng kontrollierten Bedingungen verwendet werden können. Die Verwendung eines Drahts als Ausgangswerkstoff hat den Vorteil, dass die Schwierigkeiten, die mit der Verwendung metallischer Pulver verbunden sind, vermieden werden können. Ein Metall in Drahtform ist nicht nur einfacher zu handhaben, sondern auch häufig kostengünstiger, da seine Herstellung ebenfalls einfacher ist.

Erfindungsgemäß wird ein sogenanntes „Rapid-Prototyping (RP)"-Verfahren bzw. Direct-Manufacturing- Verfahren verwendet, um einen metallischen Formkörper an einer definierten Stelle mit einer schaumartigen bzw. spongiosen Struktur herzu- stellen.

Unter Rapid-Prototyping (RP)"-Verfahren sind Verfahren zu verstehen, bei denen Bauteile ohne „Umwege", d.h. ohne weitere thermo-mechanische Prozessschritte, direkt und mit der gewünschten Endkontur hergestellt werden und derart belastbar

sind, dass sie die mechanisch-technologischen Funktionen „normal" hergestellter Bauteile übernehmen können. Diese direkte Bauteilgenerierung ist in der Fachwelt unter einer Vielzahl von Namen oder Bezeichnungen bekannt - „direct metal sinte- ring" (DMS), „powder metal sintering", „laser assisted metal sintering, „fusing" oder „near net shaping", „solid free form fabrication (SF ³ )" etc. - was nachstehend ganz allgemein als „Rapid-Prototyping" bezeichnet wird. Bei der Herstellung höherer Stückzahlen wird in jüngster Zeit auch oft der Begriff „Rapid Manufacturing" verwendet. Im Folgenden soll jedoch lediglich der Begriff „Rapid-Prototyping" verwendet werden, was jedoch keinerlei einschränkend, beispielsweise auf eine nur geringe Stückzahl, zu verstehen ist.

Den oben genannten RP-Verfahren ist gemein, dass der Bauteil- bzw. RP- Werkstoff durch eine, in der Regel von einem CNC-Programm gesteuerte Wärmequelle (z.B. einem Laser oder einem Elektronenstrahl) lokal aufgeschmolzen wird und sofort danach wieder erstarrt. So wird inkrementell, dem CNC-Programm folgend, die 3-dimensionale Bauteilgeometrie mehr oder minder Punkt für Punkt bzw. Schritt für Schritt schichtweise bzw. lagenweise aufgebaut. Durch das Aufschmelzen und Erstarren besitzt das RP-Bauteil eine Gussstruktur, welche jedoch durch die hohe örtlich wirkende Abkühlgeschwindigkeit viel feinkörniger ist als konventi- onelle Gussstrukturen.

überall, wo sehr schnell oder unter hohem Zeitdruck Unikate bzw. hoch belastbare Bauteile für eine (Neu)Konstruktion gebraucht werden, sind solche direkten Pro- duktgenerierungsverfahren von sehr großer Bedeutung. Aber auch bei Reparatu- ren oftmals sehr alter Bauteile, für welche keinerlei Fertigungs- und Vorrichtungsmittel mehr existieren, sind die RP-Methoden ausgesprochen wichtig, da sonst schnelle und kostengünstige Reparaturen solcher Bauteile oder Komponenten nicht möglich wären.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht somit ein einfaches Verfahren zum Herstellen eines Bauteils mit einer schaumartigen Struktur sowie mit einer gewünschten Endkontur vor.

Die schaumartige Struktur kann geschlossene Hohlräume bzw. Poren und/oder untereinander verbundene Poren aufweisen. Die Form der Poren und folglich die Struktur des Formkörpers kann durch die Art des Schaumbildners sowie das Aufschmelzen und die Abkühlrate eingestellt werden.

In einer Ausführungsform ist als Schaumbildner ein Gas vorgesehen. Das Gas kann Wasserstoff, Kohlendioxid, Sauerstoff, Luft, Stickstoff oder ein inertes Gas oder ein Gemisch davon sein. Vorzugsweise reagiert das Gas mit dem Ausgangswerkstoff und auch mit dem geschmolzenen Ausgangswerkstoff nicht oder nur begrenzt, so dass ein metallischer Formkörper mit einer hohen Reinheit her- gestellt werden kann. Dazu wird ein Gas ausgewählt, das mit dem verwendeten Ausgangswerkstoff chemisch verträglich ist.

Bei einer weiteren Ausführungsform ist als Schaumbildner ein Gasentwickler vorgesehen. Bei einem Gasentwickler wird nach dem Einbringen in den Ausgangs- Werkstoff der Gasentwickler zersetzt und Gas erzeugt. Das gebildete Gas erzeugt Poren und damit die gewünschte spongiose bzw. schaumartige Struktur im geschmolzenen Werkstoff.

Bei einem ersten Ausführungsbeispiel weist das erzeugte Gas Wasserstoff auf. Wasserstoff hat den Vorteil, dass es keine Oxidation des Ausgangswerkstoffs verursacht. Der Gasentwickler kann in verschiedenen Formen wie gasförmig, flüssig oder fest verwendet werden. Es ist auch möglich, einen Gasentwickler in zwei o- der mehreren Formen zu verwenden, um zum Beispiel Poren verschiedener Grö-

ßenordnungen im Formkörper zu erzeugen. Solch eine Struktur kann zu verbesserten Festigkeitseigenschaften führen.

Auf Grund der Verwendung eines direkten Bauteilgenerierungsverfahrens kann die Struktur des hergestellten Formköpers beliebig räumlich bestimmt werden. In einer ersten Ausführungsform wird in zumindest einer Randkante des Formkörpers ein schaumfreier Bereich erzeugt. Dies wird dadurch erreicht, dass der Schaumbildner nicht eingesetzt wird, während der Energiestrahl auf diesen Bereich gerichtet wird. Da die Energiequelle sowie der Schaumbildner in der Regel von einem Computerprogramm gesteuert werden, wird der gewünschte Ort des porenfreien Bereichs beim Erzeugen des Programms zum Herstellen des Formköpers berücksichtigt.

In einer weiteren Ausführungsform wird die oberste Schicht auf der aufzubauen- den Oberfläche des Formkörpers schaumfrei bzw. porenfrei aufgebaut. Dabei wird kein Schaumbildner während des Aufbaus der obersten Schicht verwendet, um dort eine schaumfreie Schicht zu erzeugen. In einer weiteren Ausführungsform werden zwei oder mehrere geschlossene porenfreie Lagen aufeinander aufgebaut, um die Dicke der geschlossenen Außenschicht zu erhöhen.

In weiteren Ausführungsformen wird der Schaumbildner so geführt, dass ein Formkörper mit einer geschlossenen Außenhaut hergestellt wird und/oder dass porenfreie Bereiche innerhalb des Formkörpers hergestellt werden. Porenfreie, innere Bereiche können als zusätzliche Verstärkungselemente dienen, um eine Laminatstruktur oder Faserstruktur zum Beispiel vorzugeben oder als zusätzliche Lasteinleitungsbereiche zu dienen.

Der Ausgangswerkstoff kann aus einem oder mehreren Metallen und/oder Legierungen bestehen. In einer weiteren Ausführungsform werden verschiedene Lagen

mit unterschiedlichen Zusammensetzungen hergestellt. Zum Beispiel kann die unterste Lage eine unterschiedliche Zusammensetzung aufweisen. Ebenso kann die oberste Lage oder Lagen eine unterschiedliche Zusammensetzung im Vergleich zu dem inneren Teil des Formkörpers aufweisen. Dies kann vorteilhaft sein, wenn eine geschlossene Außenschicht erzeugt werden soll. Diese geschlossene Schicht kann eine Zusammensetzung aufweisen, die sich besser zum Löten oder Schweißen eignet.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird als Ausgangswerkstoff Aluminium oder eine Aluminiumlegierung verwendet. Aluminium und Aluminiumlegierungen weisen eine niedrige Dichte auf und sind somit geeignet für Anwendungen im Flugzeugbau und Kraftfahrzeugbau, wo das Gewicht der verwendeten Bauteile eine Rolle spielt.

In einer weiteren Ausführungsform wird als Ausgangswerkstoff eine Aluminium- Scandium-Legierung verwendet, deren Scandium (Sc)- Gehalt bei mindestes 0,4 Gew.-% liegt. Vorzugsweise liegt der Scandium (Sc)- Gehalt zwischen 0,41 Gew.- % und 2,0 Gew.-%, besonders bevorzugt zwischen 0,8 Gew.-% und 1 ,4 Gew.-%.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weist der Ausgangswerkstoff, also die Aluminium-Scandium-Legierung, zusätzlich das Element Magnesium auf und zwar im Bereich von 2,0 Gew.-% bis 10 Gew.-%. Die Magnesium (Mg)- Zulegierung liegt besonders bevorzugt zwischen 3,0 Gew.-% und 6,0 Gew.-% bzw. zwischen 4,0 Gew.-% und 5,0 Gew.-%.

Erfindungsgemäß hergestellte Strukturbauteile aus Aluminium-Scandium- Ausgangswerkstoffen oder Aluminium-Magnesium-Scandium-Ausgangswerk- stoffen der voranstehend spezifizierten Zusammensetzung weisen hervorragende Materialeigenschaften auf, die ein direktes Verwenden des generierten Struktur-

bauteils zulassen. Die inhärent hohen Abkühlgeschwindigkeiten des RP-Ver- fahrens ermöglichen es, hohe Festigkeiten, hohe Streckgrenzen, hervorragendes Korrosionsverhalten sowie eine sehr gute Schweißbarkeit zu erzielen.

Aluminiumwerkstoffsysteme mit Scandium bzw. Magnesium, Aluminium- Scandium-Werkstoffsysteme oder Aluminium-Magnesium-Scandium- Werkstoffsysteme sind zum Beispiel aus der DE 100 248 594 A1 , US 6 258 318 B1 , EP 0 918 095 A1 oder auch US 6 139 653 bekannt. Der entscheidende Vorteil, der durch die erfindungsgemäße Anwendung solcher an sich bekannter Werkstoffsysteme entsteht, ergibt sich durch die Kombination dieser Werkstoffsysteme mit dem RP-Verfahren und macht auf diese Weise das direkte Metallsintern von schaumartigen hochbelastbaren Strukturbauteilen aus Aluminiumlegierungen möglich. Dabei wird auch der Umstand genutzt, dass dem Aufschmelzen des Ausgangswerkstoffs eine Erstarrung mit nachfolgender schneller Abkühlung auf Temperaturen < 350 ⁰ C folgt, da die freiwerdende Schmelzwärme problemlos in den Bauteilhalter (auf dem das Strukturbauteil aufgebaut wird) oder in das aufwachsende Strukturbauteil selbst abfließen kann.

Die Attraktivität des erfindungsgemäßen Verfahrens kann dadurch gesteigert wer- den, dass gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung, dem Ausgangswerkstoff solche zusätzliche Legierungselemente beigefügt sind, die sich komplementär oder substitutiv zu Scandium verhalten, insbesondere Zr, Ti, Ta, Hf, Y, Er. Der Metallurge kennt alle diese Elemente als so genannte Dispersoide bildende Elemente (in der Regel in der stöchiometrischen Form AI ₃ X), die zur Gefügeausbil- düng, thermo-mechanischen Gefügestabilisierung und Festigkeitssteigerung verwendet werden. Typischerweise liegt der Anteil dieser Dispersoide bildenden Elemente pro Element bei maximal 2,0 Gew.-% und in Summe bei maximal 3,0 Gew.- %. Besonders bevorzugt liegt der Anteil der zu Skandium komplementären oder substituiven Elemente in Summe nicht über 0,8 Gew.-%.

Für das Werkstoffsystem Aluminium-Magnesium-Scandium eignen sich als weitere Legierungsbestandteile, je nach den gewünschten mechanisch technologischen Eigenschaften, die Elemente Zn, Mn, Ag, Li, Cu, Si, Fe, wobei der Anteil dieser zusätzlichen Legierungselemente pro Element 0,05 Gew.-% bis 2,0 Gew.-% betragen kann.

Herstellungsbedingt weisen die verwendeten Aluminium-Scandium-Legierungen bzw. Aluminium-Magnesium-Scandium-Legierungen bekanntlich Verunreinigun- gen anderer Elemente auf, deren Gehalt einzeln maximal 0,5 Gew.-% und in Summe nicht mehr als 1 ,0 Gew.-% beträgt.

Zudem können dem Ausgangswerkstoff vor oder während des RP-Pozesses weitere Beimischungen aus metallischen oder nicht metallischen (z.B. keramische) Materialien (z.B. als Pulver) zugesetzt werden.

Im Regelfall wird beim erfindungsgemäßen Verfahren der Ausgangswerkstoff in Form von Pulver oder Draht bereitgestellt. Die Kombination des Werkstoffsystems AIMgSc mit dem direkten Metallsintern zeigt jedoch auch sehr gute Ergebnisse des erzeugten Strukturbauteils, wenn der Ausgangswerkstoff vor dem Aufschmelzen, was in einer weiteren Ausbildung der Erfindung vorgeschlagen wird, als gesintertes, gegossenes oder extrudiertes Formteil vorliegt.

Zum Aufschmelzen des Ausgangswerkstoffes ist eine Vielzahl von Möglichkeiten gegeben. üblicherweise erfolgt dies durch einen oder mehrere Laserstrahlen, Elektronenstrahlen oder einen Lichtbogen. Es kann aber auch eine chemische, exotherme Reaktion verwendet werden, oder der Ausgangswerkstoff wird kapazitiv oder induktiv erwärmt. Auch eine beliebige Kombination dieser verschiedenen Wärmequellen ist möglich.

Bezüglich der erzielbaren Werkstoffeigenschaften erfolgt bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens die Abkühlung des aufgeschmolzenen Ausgangswerkstoffs mit einer Abkühlrate im Temperaturintervall TIi- quidus - T350 ⁰ C, die größer als 100 K/sec ist. Obwohl solche Abkühlraten im RP- Verfahren an sich inhärent sind, kann zur Erzielung höherer Abkühlraten eine zusätzliche Kühlung verwendet werden. Der große Vorteil dieser hohen Abkühlgeschwindigkeit liegt bezogen auf das AI(Mg)Sc-Werkstoffsystem in der Möglichkeit, gewisse Mengen von Scandium im übersättigten Mischkristall zwangsgelöst zu halten. Besitzt der verwendete RP-Prozess deutlich höhere Abkühlgeschwindigkeiten, dann ist sogar eine Anhebung des erforderlichen Scandium-Gehalts auf über 0,8 Gew.-% möglich.

Zudem ist es vorteilhaft, wenn die Erstarrung und Abkühlung des aufgeschmolze- nen Ausgangswerkstoffes unter Schutzgas oder im Vakuum stattfindet, wobei als Schutzgas bevorzugt ein solches oder Gemische solcher Gase zur Anwendung kommen, die im Stand der Technik zum Schweißen von Aluminiumwerkstoffen bekannt sind.

Obwohl im Regelfall nicht erforderlich, kann eine dem RP-Verfahren nachgeschaltete Wärmebehandlung die Materialeigenschaften des hergestellten Strukturbauteils noch verbessern und insbesondere die Festigkeit und Zähigkeit erhöhen. Die nachträgliche Wärmebehandlung kann typischerweise bei Temperaturen zwischen 100 ⁰ C und 400 ⁰ C für eine Dauer von 10 min bis 100 h erfolgen (z.B. 250 ⁰ C - 400 ⁰ C / 10 min - 100 h oder 300 ⁰ C - 350 ⁰ C / 1 h - 10 h).

Besonders bevorzugt erfolgt die nachträgliche Wärmebehandlung im Temperaturintervall von 250 ⁰ C bis 400 ⁰ C, für eine Dauer, die die Bildung kohärenter AI ₃ Sc- Phasen bewirkt. D.h., durch die nachträgliche Wärmebehandlung ist eine zusätzli-

che, signifikante Verfestigung des AI(Mg)Sc-Materials (im RP-Bauteil) durch eine so genannte Ausscheidungshärtung über die Bildung kohärenter AI ₃ Sc-Phasen möglich. Die so erzielbaren Festigkeiten liegen dann für die Zugfestigkeit als auch die Streckgrenze über 400 MPa bei immer noch, für eine direkte Anwendung, ausreichender Dehnung (A5 > 5 %). In Folge dessen lässt sich die schon gute Festigkeit des direkt generierten Strukturbauteils durch die nachfolgende Wärmebehandlung deutlich steigern, ohne dass das Zähigkeits- und das Korrosionsverhalten anwendungsgefährdend verschlechtert wird. Selbstverständlich kann die Wärmebehandlung auch in mehreren Stufen und/oder Schritten ausgeführt wer- den.

Des Weiteren kann das Strukturbauteil nach der nachträglichen Wärmebehandlung einer Schnellabkühlung (z.B. Abschrecken in Wasser) auf Raumtemperatur mit einer anschließenden Warmauslagerung im Temperaturbereich 100 ⁰ C - 250 ⁰ C für eine Dauer von 10 min bis 100 h unterzogen werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren nach einem der vorhergehenden Ausführungsformen kann zum Herstellen eines Strukturbauteils eines Luftfahrzeuges oder eines Strukturbauteils eines Kraftfahrzeugs verwendet werden. Bei diesen Anwen- düngen ist das Gewicht der Strukturbauteile wichtig, um den Kraftstoffverbrauch zu verringern und gleichzeitig die Stärke des Luftfahrzeugs bzw. Kraftfahrzeugs beizubehalten.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, und

Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung.

Die Figur 1 zeigt einen Schritt eines Herstellungsverfahrens eines metallischen Formkörpers bzw. Bauteils 1 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Nur ein Abschnitt des noch nicht fertigen Bauteils 1 ist in der Figur 1 darge- stellt.

Das Bauteil 1 wird mittels eines so genannten Rapid Prototyping Verfahrens lagenweise in Pfeilrichtung A aufgebaut. Ein Ausgangswerkstoff 2 wird auf die o- berste Oberfläche 3 des noch nicht fertigen Bauteils 1 aufgebracht und durch die Verwendung eines fokussierten Laserstrahls 4 als Energiequelle lokal aufgeschmolzen. Der geschmolzene Bereich ist mit dem Bezugszeichen 5 bezeichnet. Die Bereiche 6 des Bauteils 1 , die sich außerhalb dieses geschmolzen Bereichs 5 befinden, bleiben ungeschmolzen, da der Laserstrahl 4 nicht auf diese Bereiche 6 gerichtet ist, so dass in diesen Bereichen 6 die Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Ausgangswerkstoffs 2 bleibt.

Bei der ersten Ausführungsform der Erfindung wird ein Ausgangswerkstoff 2 in Form eines Drahts 7 verwendet, der aus AIMg4,6Sc1 ,4 besteht und einen Durchmesser von 1 ,0 mm aufweist. Die Figur 1 zeigt das Ende 8 einer Drahtspule. Die- ses Ende 8 wird auf die Oberfläche 3 des Bauteils gebracht und mit dem Laserstrahl 4 aufgeschmolzen.

Der Laserstrahl 4 sowie der Draht 7 werden über die Oberfläche 3 des Bauteils 1 geführt, wobei das Ende 8 des Drahts 7 in den geschmolzenen Bereich 5 geführt

wird. Diese Bewegung des Laserstrahls 4 und des Drahts 7 ist mit dem Pfeil B in Figur 1 dargestellt. Der geschmolzene Bereich 5 wird somit zusammen mit dem Laserstrahl 4 und Draht 7 lateral über die Oberfläche 3 in Pfeilrichtung B geführt, wobei der Draht 7 den Ausgangswerkstoff 2 für die neue Schicht 9 liefert. Das ge- schmolzene Material erstarrt schnell wieder, wenn der Laserstrahl 4 von diesem geschmolzenen Bereich 5 in Pfeilrichtung B weg gesteuert wird. Dadurch wächst ein fester Bereich 6 der Schicht 9 des Bauteils 1 in Pfeilrichtung B. Die Außenkontur des Bauteils 1 wird durch das räumliche Führen des Laserstrahls 4 sowie des Drahts 7 bestimmt.

Erfindungsgemäß wird während des Aufschmelzens ein Schaumbildner 11 in den geschmolzenen Bereich 5 des Ausgangswerkstoffs 2 eingebracht. In diesem Ausführungsbeispiel ist als Schaumbildner 11 ein fokussierter Gasstrom 12 vorgesehen, der aus Stickstoff besteht. Der Gasstrom 12 wird in Pfeilrichtung C in der Fi- gur 1 geführt.

Der Gasstrom 12 wird unter Druck in den geschmolzenen Bereich 5 des Ausgangswerkstoffs 2 gebracht, so dass innerhalb des geschmolzenen Bereiches 5 Poren 13 erzeugt werden. Wenn der Laserstrahl 4 in Pfeilrichtung B, d.h. von links nach rechts in der Darstellung der Figur 1 , geführt wird, erstarrt der Bereich 5 von links nach rechts wieder, da die Temperatur unter die Schmelztemperatur des Drahts 7 fällt. Folglich werden die Poren 13 innerhalb des Bereichs 5 eingefroren und es entseht eine schaumartige oder spongiose Struktur, wie im festen Bereich 6 an der linken Seite der Schicht 9 dargestellt ist. Durch dieses Verfahren wird ein Teilbereich der Schicht 9 auf der Oberfläche 3 aufgebaut. Im nächsten Schritt wird der Laser 4 und der Gasstrom 12 neben diesem aufgebauten Teilbereich und von rechts nach links weitergeführt, um die Schicht 9 zu verbreitern.

Als Schaumbildner 11 wird in einer weiteren Ausführungsform ein Gasentwickler verwendet. Innerhalb des geschmolzenen Bereiches 5 wird der Gasentwickler zersetzt, so dass Wasserstoff erzeugt wird. Dieser Wasserstoff erzeugt Poren 13 innerhalb der Schmelze, die auf Grund der Wiedererstarrung innerhalb des Be- reichs 5 eingefroren werden, so dass eine feste schaumartige Struktur 6 entsteht. Der Gasentwickler kann auch in Form einer Flüssigkeit oder eines Festkörpers verwendet werden. Er wird dem Prozess gesondert zugeführt oder mittels einer Vorrichtung auf den Draht aufgebracht.

Zum Herstellen der nächsten Schicht an dem Bauteils 1 wird der Laser 4 sowie der Draht 7 so geführt, dass sie auf die Oberfläche 10 der in Figur 1 dargestellten teilweise hergestellten Schicht 9 auftreffen. Eine weitere Schicht wird dann auf dieser Oberfläche 10 aufgebracht und das Bauteil 1 in Pfeilrichtung A lagenweise bzw. schichtweise aufgebaut.

Das Bauteil 1 wird in dieser Weise mit einer spongiosen oder schaumartigen Struktur lagenweise mit der gewünschten Endkontur aufgebaut. Auf Grund dieser spongiosen Struktur ist das Bauteil 1 leichter als ein Bauteil, das ohne zusätzliche Porenbilder hergestellt ist.

Die Porosität des Bauteils 1 , die Größe und Form der Poren 13 und folglich der inneren Struktur des Bauteils 1 können durch die Einstellung des Laserstrahls 4, die Geschwindigkeit des Aufschmelzens, die Geschwindigkeit der Wiedererstarrung des Ausgangswerkstoffs 2 sowie die Auswahl des Schaumbildners und/oder des Drucks, unter dem der Schaumbildner 11 in den geschmolzenen Bereich 5 eingebracht wird, eingestellt werden. Es ist durch die Einstellung der Herstellungsparameter möglich, ein Bauteil mit einzelnen kugelförmigen Poren herzustellen sowie ein Bauteil mit einer Struktur, bei der Poren 13 aneinander grenzen und untereinander verbunden sind, so dass unregelmäßige oder rohrförmige Poren

erzeugt werden. Auch eine skelettartige Struktur kann hergestellt werden. Die erfindungsgemäßen Poren 13 sind in allen Fällen durch rundkantige Hohlräume gekennzeichnet, die zu einer verbesserten Dauerfestigkeit des Bauteils 1 führen.

Ein Schaumbildner 11 in Form eines Gasstroms 12, der in den geschmolzenen Ausgangswerkstoff 5 eingebracht wird, ermöglicht die Herstellung einer feinen spongiosen Struktur. Die Poren 13 werden innerhalb des geschmolzenen Drahts 7 erzeugt und können einen Durchmesser aufweisen, der kleiner als der Durchmesser des Drahts 7 ist. Die Porosität wird nicht durch punktuelle Verbindungen zwi- sehen verschiedenen Drähten hergestellt, sondern durch Poren 13, die innerhalb des geschmolzenen Drahts 7 selbst eingebracht werden. Folglich kann eine feine Porosität und eine feine schaumartige Struktur erzielt werden. Ferner können ein Draht mit einem größeren Durchmesser sowie ein Laserstrahl mit einem größeren Durchmesser verwendet werden, wobei immer noch eine feine poröse Struktur hergestellt werden kann. Dies hat den Vorteil, dass die Herstellungsgeschwindigkeit des Bauteils 1 erhöht werden kann.

Die Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Herstellungsverfahrensschritts nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Gleiche Komponenten sind mit gleichen Bezugsziffern gezeigt und werden nicht weiter erläutert.

Die zweite Ausführungsform der Figur 2 unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform durch die Form des Ausgangswerkstoffs 2. In der zweiten Ausführungsform wird der Ausgangswerkstoff 2 in Form von einem Pulver 15 bereitgestellt, das aus AIMg4,6Sc1 ,4 besteht.

Eine Ausgangspulverschicht 16 wird auf der Oberfläche 3 der oberste Lage des noch nicht fertigen Bauteils 14 aufgebracht. Der fokussierte Laserstrahl 4 sowie der als Schaumbildner 11 dienende Gasstrom 12 werden gleichzeitig über die

Schicht 9 in Pfeilrichtung B nach einem definierten Programm geführt. Ein lokaler Bereich 5 der Ausgangspulverschicht 16 wird dabei aufgeschmolzen und wieder erstarrt, so dass eine feste Schicht 9 in Pfeilrichtung B wächst.

Wie bei der ersten Ausführungsform wird ein Schaumbildner 11 unter Druck in den geschmolzenen Bereich 5 eingeführt, so dass ein Gasstrom 12 in dem geschmolzenen Bereich 5 Poren 13 erzeugt, die in dem wieder erstarrten Werkstoff eingefroren werden und eine spongiose Struktur 6 im Bauteil 14 erzeugen.

Die Randkante des Bauteils 14 wird in der Figur 2 mit der Bezugsziffer 17 gezeigt. Die Randkante 17 weist keine Poren auf und das Bauteil 14 ist mit einer geschlossenen dichten Außenschicht versehen. Dies wird dadurch erreicht, dass der Gasstrom 12 unterbrochen wird, während der Laserstrahl 4 den Bereich 17 aufschmilzt. Folglich wird kein Gas in den geschmolzenen Bereich 17 eingebracht, so dass dort ein dichter porenfreier Bereich entsteht. Der Porenbildner 11 in Form eines Gasstroms 12 wird nur eingeschaltet, wenn der Laserstrahl 4 auf den inneren Bereich 6 gerichtet wird. In einer ähnlichen Weise kann eine oberste Lage des Bauteils 14 porenfrei hergestellt werden. Diese Ausführungsform ist in der Figur 3 dargestellt.

In der in der Figur 3 gezeigten Ausführungsform wird das Bauteil 18 mit einer geschlossenen porenfreien Außenhaut 19 sowie mit inneren Strukturelementen 20 hergestellt, die ebenfalls porenfrei sind. Drei Schichten 9', 9" und 9'" sind in der Figur 3 schematisch dargestellt. Die unteren Schichten 9' und 9" weisen einen porenfreien Randbereich 17 und einen zweiten porenfreien inneren Bereich 20 auf, der von einer schaumartigen Struktur 22, 25 umgeben ist. Die zweiten porenfreien Bereiche 20 der Schichten 9' und 9" sind aufeinander angeordnet, so dass die Bereiche 20 zusammen ein inneres Verstärkungselement des Bauteils 18 ergeben.

Die Schichten 9' und 9" werden in folgender Weise hergestellt. Der Laserstrahl 4 und Draht 7, der den Ausgangswerkstoff 2 bereitstellt, wird an die Randkante 17 gesteuert. In diesem Randbereich wird der Gasstrom 12 nicht eingeschaltet, so dass die Randkante 17 porenfrei hergestellt wird. Der Laser 4, der Draht 7 und der Gasstrom 12 werden von links nach rechts gesteuert. Wenn der Laser 4 die Linie 21 erreicht, wird der Gasstrom 12 eingeschaltet und der Bereich 22 wird mit einer spongiosen Struktur hergestellt. Wenn der Laserstrahl 4 die Linie 23 erreicht, wird der Schaumbildner 12 abgestellt, um den Bereich 20 des Verstärkungselements herzustellen. Wenn der Laserstrahl 4 die Linie 24 erreicht, wird der Gasstrom 12 nochmals eingeschaltet, um den spongiosen Bereich 25 herzustellen.

Beim Herstellen der obersten Schicht 9'" bleibt der Gasstrom 12 ausgeschaltet, so dass die oberste Schicht 9'" über die gesamte Fläche porenfrei wächst, so dass eine geschlossene Außenhaut 19 entsteht. Die Dicke der äußeren, geschlossenen Schicht kann durch das Herstellen weiterer geschlossener Lagen auf der Schicht 9'" beliebig erhöht werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit sehr flexibel und kann dazu verwendet werden, um eine schaumartige bzw. spongiose Struktur, insbesondere eine spon- giose Struktur mit einer geschlossenen Außenschicht sowie eine spongiose Struktur mit inneren porenfreien Verstärkungselementen, herzustellen. Die Struktur des Bauteils wird durch die entsprechenden Einstellungen des Laserstrahls 4 und Schaumbildners 11 erreicht.