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Title:
HIGH-STRENGTH ALUMINUM ALLOYS FOR STRUCTURAL APPLICATIONS, WHICH ARE PROCESSABLE BY ADDITIVE MANUFACTURING
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2021/198231
Kind Code:
A1
Abstract:
The present invention relates to pulverulent aluminum alloys having Cu, Zn or Si/Mg as most relevant alloy elements, the alloy further having a content of 1 to 15 wt.% of metals selected from the group M1 comprising Mo, Nb, Zr, Fe, Ti, Ta, V, and lanthanoids. Such aluminum alloys can be used in additive manufacturing methods, such as selective laser melting for producing high-strength three-dimensional objects which are free from hot cracks. The present invention further relates to methods and devices for producing three-dimensional objects from such aluminum alloys, to methods for producing such pulverulent aluminum alloys, to three-dimensional objects which are also produced by such pulverulent aluminum alloys, and to specific aluminum alloys.

Inventors:
HÄRTERL MICHAEL (DE)
Application Number:
PCT/EP2021/058253
Publication Date:
October 07, 2021
Filing Date:
March 30, 2021
Export Citation:
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Assignee:
AM METALS GMBH (DE)
International Classes:
B22F9/08; B22F1/05; B22F5/00; B22F9/04; B22F10/25; B22F10/28; B22F10/64; B23K26/342; B23K35/28; B33Y10/00; B33Y30/00; B33Y40/20; B33Y70/00; C22C1/04; C22C21/12; C22C21/16; C22F1/057; B23K103/10
Domestic Patent References:
WO2016142631A12016-09-15
Foreign References:
CN106676342B2018-06-12
US20170292174A12017-10-12
EP1762122A12007-03-14
EP3181711A12017-06-21
Other References:
GU HUAIYUAN ET AL: "Fracture of three-dimensional lattices manufactured by selective laser melting", INTERNATIONAL JOURNAL OF SOLIDS AND STRUCTURES, NEW YORK, NY, US, vol. 180, 29 July 2019 (2019-07-29), pages 147 - 159, XP085760539, ISSN: 0020-7683, [retrieved on 20190729], DOI: 10.1016/J.IJSOLSTR.2019.07.020
DENTI LUCIA: "Additive Manufactured A357.0 Samples Using the Laser Powder Bed Fusion Technique: Shear and Tensile Performance", METALS, vol. 8, no. 9, 27 August 2018 (2018-08-27), pages 670, XP055809362, DOI: 10.3390/met8090670
N/A: "A20X", 30 September 2020 (2020-09-30), pages 1 - 2, XP055809357, Retrieved from the Internet [retrieved on 20210531]
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N/A: "SPHERICAL ALUMINUM ALLOY POWDER GRADE: AM-205 QC-089, Rev. F 07/21/2016 PHYSICAL ANALYSIS SPECIFIED LIMIT NOMINAL VALUE", 21 July 2016 (2016-07-21), pages 1 - 1, XP055809352, Retrieved from the Internet [retrieved on 20210531]
XIAO D.H. ET AL: "Effect of titanium additions on mechanical properties of Al-Cu-Mg-Ag alloy", MATERIALS SCIENCE AND TECHNOLOGY, vol. 20, no. 9, 1 September 2004 (2004-09-01), GB, pages 1199 - 1204, XP055809333, ISSN: 0267-0836, Retrieved from the Internet DOI: 10.1179/026708304225022106
Attorney, Agent or Firm:
PFRANG, Tilman (DE)
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Claims:
Ansprüche

1. Pulverförmige Aluminiumlegierung mit Cu, Zn oder Si/Mg als relevantestem Legierungselement, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung weiterhin einen Gehalt von 1 bis 15 Gew.-% an Metallen ausgewählt aus der Gruppe Ml umfassend Mo, Nb, Zr, Fe, Ti, Ta, V, und Lanthanoide aufweist.

2. Pulverförmige Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, dass sie einen Gehalt von mindestens 1,3 Gew.-%, bevorzugt 2,0 Gew.-% bis zu 8,0 Gew.-%, und weiter bevorzugt 2,5 Gew.-% bis zu 5,0 Gew.-% an Metallen der Gruppe Ml, bevorzugt an Zr und/oder Ti enthält.

3. Pulverförmige Aluminiumlegierung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Alu miniumlegierung einen Gehalt an 4 bis 6 Gew.-% Cu, 0,1 bis 1,5 Gew.-% Mg und 0,1 bis 1 Gew.-% Ag aufweist, und wobei bevorzugt der zu 99 Gew.-% fehlende Anteil der Legierung auf Aluminium entfällt.

4. Pulverförmige Aluminiumlegierung nach Anspruch 3 mit einem Gehalt von mindestens 4,5 Gew.-% und/oder höchstens 5,8 Gew.-%, bevorzugt min destens 4,8 Gew.-% und/oder höchstens 5,5 Gew.-% Cu, mindestens 0,2 Gew.-% und/oder höchstens 1,5 Gew.-%, bevorzugt mindestens 0,3 Gew.- % und/oder höchstens 1,2 Gew.-% Mg, und mindestens 0,05 Gew.-% und/oder höchstens 0,6 Gew.-%, bevorzugt mindestens 0,2 Gew.-% und/oder höchstens 0,4 Gew.-% Ag.

5. Pulverförmige Aluminiumlegierung nach Anspruch 3, weiterhin umfassend bis zu 0,2 Gew.-%, vorzugsweise 0,05 bis 0,15 Gew.-% Sauerstoff, bis zu 0,6 Gew.-%, vorzugsweise 0,2 bis 0,55 Gew.-% Mangan und bis zu 0,3 Gew.-%, vorzugsweise 0,05 bis 0,15 Gew.-% Silizium.

6. Pulverförmige Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine mittlere Partikelgröße d50 im Be reich von 0,1 bis 500 pm aufweist, bevorzugt von mindestens 1 und/oder höchstens 200 pm, besonders bevorzugt mindestens 10 und/oder höchs tens 80 pm.

7. Pulverförmige Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Gehalt an Metall-Boriden, -Nitriden und -Carbiden von weniger als 0,2 Gew.-%, bevorzugt weniger als 0,1 Gew.-% und weiterbevorzugt weniger als 0,05 Gew.-% aufweist.

8. Verfahren zur Herstellung einer pulverförmigen Aluminiumlegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren einen Schritt des Verdüsens der flüssigen Legierung bei einer Temperatur von > 850°C und bevorzugt > 1050°C, oder einen Schritt des mechanischen Legierens, und gegebenenfalls Nachbearbeitung beinhaltet.

9. Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts, wobei das Ob jekt hergestellt wird durch Aufbringen eines Aufbaumaterials Schicht auf Schicht und selektives Verfestigen des Aufbaumaterials, insbesondere mit tels Zufuhr von Strahlungsenergie, an Stellen in jeder Schicht, die dem Querschnitt des Objekts in dieser Schicht zugeordnet sind, bevorzugt in dem die Stellen mit mindestens einem Einwirkbereich, insbesondere einem Strahlungseinwirkbereich eines Energiestrahlbündels, abgetastet werden, oder indem das Aufbaumaterial in den Strahlungseinwirkbereich einge bracht und geschmolzen und auf ein Substrat aufgebracht wird, wobei das Aufbaumaterial eine pulverförmige Aluminiumlegierung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 oder eine entsprechende drahtförmige Aluminiumlegie rung umfasst und vorzugsweise aus dieser besteht. 10. Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei die pulverförmige Aluminiumlegierung vorgeheizt wird, bevorzugt auf eine Temperatur von mindestens 100°C, besonders bevorzugt höchstens 400°C.

11. Verfahren gemäß Anspruch 9 oder 10, wobei das hergestellte dreidimensi onale Objekt einer Wärmebehandlung unterzogen wird, vorzugsweise bei einer Temperatur von 400 °C bis 500 °C, und/oder für einen Zeitraum von 20 bis 200 Min.

12. Dreidimensionales Objekt hergestellt unter Verwendung einer pulverförmi gen Aluminiumlegierung, insbesondere hergestellt nach einem Verfahren nach Anspruch 8, wobei die pulverförmige Aluminiumlegierung eine Alumi niumlegierung wie in einem der Ansprüche 1 bis 7 angegeben ist und wo bei das dreidimensionale Objekt eine solche Aluminiumlegierung umfasst oder aus dieser besteht.

13. Dreidimensionales Objekt nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Streckgrenze von mindestens 400 MPa und/oder höchstens 550 MPa, bevorzugt mindestens 440 MPa und besonders bevorzugt im Bereich von 460 bis 500 MPa und/oder eine Zugfestigkeit von 450 MPa bevorzugt mindestens 470 MPa und/oder höchstens 550 MPa und besonders bevor zugt im Bereich von 500 bis 550 MPa aufweist.

14. Herstellvorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 9, wobei die Vorrichtung eine Lasersinter- oder Laserschmelzvorrichtung, eine Prozesskammer, die als offener Behälter mit einer Behälterwandung ausge führt ist, einen in der Prozesskammer befindlichen Träger, wobei Prozess kammer und Träger gegeneinander in vertikaler Richtung beweglich sind, einen Vorratsbehälter und einen in horizontaler Richtung bewegbaren Be schichter aufweist, und wobei der Vorratsbehälter mindestens teilweise mit einer pulverförmigen Aluminiumlegierung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 gefüllt ist.

15. Aluminiumlegierung mit einem Gehalt an 4 bis 6 Gew.-% Cu, 0,1 bis 1,5 Gew.-% Mg und 0,1 bis 1 Gew.-% Ag, sowie 1,3 bis 15 Gew.-% an Metal len ausgewählt aus der Gruppe Ml umfassend Mo, Nb, Zr, Fe, Ti, Ta, V, und Lanthanoide, wobei bevorzugt der zu 99 Gew.-% fehlende Anteil der Legierung auf Aluminium entfällt und wobei weiter bevorzugt der zu 100 Gew.-% fehlende Anteil der Legierung auf Aluminium, Mangan, Silizium und Sauerstoff entfällt.

Description:
Mittels additiver Fertigung verarbeitbare hochfeste Aluminiumlegierungen für

Strukturanwendungen

Beschreibung

Die Erfindung betrifft spezielle pulverförmige Aluminiumlegierungen mit Cu, Zn oder Si/Mg als relevantestem Legierungselement, die einen Gehalt von 1 bis 15 Gew.-% an Metallen ausgewählt aus der Gruppe Ml umfassend Mo, Nb, Zr, Fe,

Ti, Ta, V, und Lanthanoide aufweisen. Die Erfindung betrifft weiterhin Verfahren zur Fierstellung solcher Aluminiumlegierungen, Verfahren und Vorrichtungen zur additiven Fertigung von dreidimensionalen Objekten, sowie gemäß diesen Verfah ren hergestellte dreidimensionale Objekte und spezielle Aluminiumlegierungen.

Stand der Technik

Leichtmetallkomponenten sind bei der Fierstellung von Fahrzeugen, insbesondere von Automobilen, Gegenstand intensiver Forschung, die auf eine fortlaufende Verbesserung von Leistungsfähigkeit und Kraftstoffeffizienz der Fahrzeuge ab zielt. Viele Leichtmetallkomponenten für Automobilanwendungen sind heute aus Aluminium und/oder Magnesiumlegierungen gefertigt. Solche Leichtmetalle kön nen Last-tragende Komponenten bilden, die stark und steif sein müssen und eine gute Festigkeit und Dehnbarkeit (z.B. Dehnung) aufweisen müssen. Flohe Festig- keit und Dehnbarkeit sind besonders wichtig für Sicherheitsanforderungen und Robustheit in Fahrzeugen, wie Kraftfahrzeugen. Während konventioneller Stahl und Titanlegierungen hohe Temperaturfestigkeit bereitstellen, sind diese Legie rungen jeweils entweder schwer oder vergleichsweise teuer.

Eine kostengünstige Alternative von Leichtmetalllegierungen zum Bilden von Strukturbauteilen in Fahrzeugen sind Legierungen auf Basis von Aluminium.

Solche Legierungen können konventionell durch Bulkbildungsverfahren, wie Extrusion, Walzen, Schmieden, Stanzen, oder Gusstechniken, wie Druckgießen, Sandgießen, Investmentgießen (Feingießen), Kokillengießen und dergleichen, zu den gewünschten Bauteilen verarbeitet werden.

Aus dem Stand der Technik sind bereits hochfeste Aluminiumlegierungen mit ausreichend plastischer Dehnung zur Energieaufnahme hauptsächlich aus dem Bereich der Knetlegierungen bekannt. Dabei sind vor allem Werkstoffe aus den Aluminium 2000er, 6000er und 7000er Serien als geeignet zu nennen. Diese Materialien zeichnen sich durch ihren vergleichsweise weichen duktilen Aggregat zustand aus, der die Formgebung ermöglicht. Mit Hilfe der durch Massivumfor mung eingebrachten Energie, und anschließender Wärmebehandlung werden die Legierungen in den hochfesten und voll ausgehärteten Zustand überführt.

In den letzten Jahren hat das "rapid prototyping" oder "rapid tooling" auch in der Metallverarbeitung an Bedeutung gewonnen. Diese Verfahren sind auch als selek tives Lasersintern und selektives Laserschmelzen bekannt. Dabei wird eine dünne Schicht eines Materials in Pulverform wiederholt aufgebracht und das Material wird in jeder Schicht selektiv in den Bereichen, in denen sich das spätere Produkt befindet, durch Belichtung mit einem Laserstrahl verfestigt, indem das Material zunächst an vorgegebenen Positionen aufgeschmolzen wird und dann erstarrt. So kann sukzessive ein vollständiger dreidimensionaler Körper aufgebaut werden.

Ein Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten durch selektives Lasersintern oder selektives Laserschmelzen sowie eine Vorrichtung zur Durchfüh rung dieses Verfahrens ist zum Beispiel in der EP 1 762 122 Al offenbart.

Für eine Verarbeitung mittel selektivem Lasersintern oder Laserschmelzen ist eine Legierung erforderlich, deren Ausscheidungsmechanismus ohne vorangehende Kaltumformung funktioniert. Entsprechende Legierungen sind insbesondere aus dem Bereich der 2000er Legierungen (d.h. von Aluminium-Kupfer-Legierungen) bekannt. Bei diesen stellt jedoch das verhältnismäßig große Schmelzintervall ein Problem dar, da es infolge des raschen Erstarrens durch niedrigschmelzende Eutektika, die die Schrumpfspannungen bei Erstarren der Strukturen nicht unbe einträchtigt überstehen, zu Heißrissen in den Strukturen kommen kann. Bei einer Verarbeitung mittels selektivem Lasersintern werden damit in der Regel nur mikrorissige Gefüge erhalten, so dass konventionelle, hochfeste Aluminium - Knetlegierungen sind bisher mittels additiver Fertigung nicht verarbeitbar sind.

Andere verfügbare Aluminiumlegierungen, die bereits für eine Verarbeitung mittels additiver Fertigungstechniken etabliert sind (wie z.B. solche aus der AlSi- Legierungsfamilie), weisen nicht die wünschenswerte Eigenschaftskombination von hoher Streckgrenze und Bruchdehnung auf, oder sind aufgrund von sehr Kostenintensiven und seltenen Legierungselementen von Nachteil.

Ein Beispiel für eine Aluminiumlegierung mit seltenen Legierungselementen ist in z.B. der EP 3 181 711 Al beschrieben, in der das Aluminium mit verhältnismäßig großen Mengen an Sc (0,6 bis 3 Gew.-%) legiert wird. In den so hergestellten Legierungen wirken intermetallische Al-Sc Phasen stark festigkeitssteigernd, so dass Streckgrenzen von > 400 MPa erreicht werden. Neben dem verhältnismäßig kostenintensiven Metall Sc, das für die Legierung benötigt wird, ist es allerdings nachteilig, dass die in der EP 3 181 711 Al beschriebenen Legierungen nicht für Einsatztemperaturen von > 180°C geeignet sind, da die AlMg Matrix zum Entfes tigen und Kriechen neigt.

Ein weiterer Ansatz für Legierungen zum Einsatz in der additiven Fertigung sind AI-MMC (MMC = Matrix Metal Composite) Konzepte, die bei Raumtemperatur mit AlMgSc-Legierungen vergleichbare mechanische Eigenschaften aufweisen. Prob lematisch bei diesen Materialien ist aber, dass sie bei Temperaturen oberhalb von 200°C einen signifikanten Festigkeitsabfall zeigen. Ein weiteres Problem der AI- MMC Konzepte besteht darin, dass der Werkstoff aus einer Pulvermischung von drei Komponenten besteht, was das Transportieren, Lagern und Wiederverwen den erschwert, da eine Veränderung des Mischungsverhältnisses durch die physi kalischen Vorgänge nicht ausgeschlossen werden kann. Nachteilig ist darüber hinaus das negative Recyclingverhalten der MMC Metall-Keramik- Verbundwerkstoffe und der Umstand, dass die mechanische Nachbearbeitung von AI-MMC schwieriger und mit höheren Kosten verbunden ist. Ausgehend von dem vorstehend geschilderten Stand der Technik besteht ein Bedarf nach einer möglichst kostengünstigen Aluminiumlegierung, die thermisch stabil ist und hochfeste Eigenschaften aufweist, und die sich mit Hilfe von additi ven Fertigungstechniken wie z.B. selektivem Lasersintern und selektivem Laser schmelzen zu dreidimensionalen Objekten mit hohen Festigkeiten und Steifigkei ten und günstigen Korrosionseigenschaften verarbeiten lässt. Dabei sollten mög lichst am Markt knappe Seltenerdmetalle wie Scandium vermieden werden, um eine hohe Liefersicherheit zu gewährleisten. Es besteht weiterhin ein Bedarf nach einem additiven Verarbeitungsverfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten und nach diesen Verfahren hergestellten hochfesten dreidimensionalen Objekten.

Beschreibung der Erfindung

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine pulverförmige Aluminiumlegierung, wie sie durch Anspruch 1 angegeben ist, durch ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts gemäß Anspruch 9, durch ein Verfahren zur Herstel lung der pulverförmige Aluminiumlegierung gemäß Anspruch 8, durch ein dreidi mensionales Objekt, das unter Verwendung einer pulverförmigen Aluminiumlegie rung wie in Anspruch 1 angegeben hergestellt ist, gemäß Anspruch 11, durch eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur Herstellung eines dreidimen sionalen Objekts gemäß Anspruch 14, und durch eine Aluminiumlegierung, wie sie in Anspruch 15 angegeben ist. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen wiedergegeben.

Die pulverförmige Aluminiumlegierung gemäß der Erfindung ist ein Pulver zur Verwendung in der Herstellung von dreidimensionalen Objekten mit Hilfe von additiven Fertigungstechniken. Die erfindungsgemäße pulverförmige Aluminium legierung enthält Cu, Zn oder Si/Mg als relevantestes Legierungselement und weist weiterhin einen Gehalt von 1 bis 15 Gew.-% an Metallen ausgewählt aus der Gruppe Ml umfassend Mo, Nb, Zr, Fe, Ti, Ta, V, und Lanthanoide auf. Diese Aluminiumlegierung enthält zweckmäßig keine relevanten Anteile an Cr oder Li (d.h. insbesondere weniger als 0,3 Gew.-%, bevorzugt weniger als 0,15 Gew.-% und noch weiter bevorzugt weniger als 0,1 Gew.-% Gesamtanteil an Cr und/oder Li, und meist bevorzugt keine über unvermeidliche Verunreinigungen hinausge hende Anteile und Cr und/oder Li). Wenn die Aluminiumlegierung Cr und/oder Li enthält ist zu beachten, dass der Gesamtanteil an Metallen der Gruppe Ml zuzüg- lieh Cr und Li in dem vorgegebenen Bereich von 1 bis 15 Gew. -%, bzw. in ent sprechenden bevorzugteren Bereichen, liegen sollte.

Die Angabe „Aluminiumlegierung" ist im Rahmen dieser Beschreibung so aufzu fassen, dass die Legierung Aluminium als wesentlichstes Metallelement enthält und dessen Anteil an der Aluminiumlegierung mehr als 60 Gew. -%, vorzugsweise mehr als 70 Gew.-% und noch weiter bevorzugt mehr als 80 Gew.-% ausmacht. Die Angabe „Cu, Zn oder Si/Mg als relevantestes Legierungselement" ist so aufzu fassen, dass der Anteil von Cu, Zn oder Si/Mg größer ist, als der jeweilige Anteil aller anderen Elemente (mit Ausnahme von Aluminium) in der Legierung, wobei Si/Mg den Gesamtinhalt an Si und Mg in der Legierung bezeichnet (in diesem Fall ist die Summe der Anteile an Si und Mg größer, als der jeweilige Anteil aller anderen Elemente (mit Ausnahme von Aluminium) in der Legierung). Das „rele vanteste Legierungselement" bezieht sich auf die Aluminiumlegierung als solches, d.h. ohne Berücksichtigung der in der erfindungsgemäßen Zusammensetzung enthaltenen zusätzlichen Metalle aus der Gruppe Ml, bevorzugt ist es jedoch, wenn der Anteil von Cu oder Zn größer ist, als der jeweilige Anteil aller anderen Elemente (mit Ausnahme von Aluminium) in der Legierung unter Einschluss der Metalle der Gruppe Ml.

Dem Fachmann ist in diesem Zusammenhang bewusst, dass AICu-Legierungen (d.h. Legierungen, in denen Cu als relevantestes Legierungselement enthalten ist) auch als Aluminiumlegierungen der 2000er Gruppe, AIZn-Legierungen (d.h. Legie rungen, in denen Zn als relevantestes Legierungselement enthalten ist) auch als Aluminiumlegierungen der 7000er Gruppe und AISi/Mg-Legierungen (d.h. Legie rungen, in denen „Si/Mg" als relevantestes Legierungselement enthalten ist) auch als Aluminiumlegierungen der 6000er Gruppe (jeweils gemäß dem International Alloy Designation System) bezeichnet werden. Für eine Übersicht über unter diese Kategorie fallende Aluminiumlegierungen kann beispielsweise auf https://en.wikipedia.org/wiki/Aluminium alloy#Allov designations verwiesen werden.

Durch die Beimischung von Metallen aus der Gruppe Ml wird eine Herstellung von im Wesentlichen oder sogar vollständig rissfreien dreidimensionalen Körpern mittels additiver Fertigungstechniken wie selektivem Lasersintern oder selektivem Laserschmelzen ermöglicht, obwohl relativ große Mengen an Übergangsmetallen zugesetzt werden. Dies ist überraschend, da es bei konventionellen Aluminium- Verarbeitungstechnologien in der Regel nicht möglich ist, den Legierungsgehalt dieser Übergangsmetalle über eine definierte Grenze (z.B. im Bereich von 0,1 bis 0,3 Gew.-%) zu erhöhen, da eine solche Erhöhung zu einer stark abnehmenden Duktilität und damit zu einer nicht mehr gegebenen Verarbeitbarkeit führt, die nur die Herstellung von sehr groben Gefügebestandteilen ermöglicht. Bei der hier beschriebenen Herstellung von dreidimensionalen Körpern und Objekten über additive Fertigungstechniken wird dieses Problem umgangen, weil die Formge bung keine überdurchschnittliche Duktilität des Materials erfordert, so dass ver fahrensbedingt auch sehr feine und nanoskalige Gefüge hergestellt werden kön nen.

Als bevorzugter Anteil für Metalle aus der Gruppe Ml kann ein Anteil von mindes tens 1,3 Gew.-%, bevorzugt 2,0 Gew.-% bis zu 8,0 Gew.-%, und weiter bevor zugt 2,5 Gew.-% bis zu 5,0 Gew.-% angegeben werden. Alternativ oder zusätzlich dazu besteht das Metall oder die Metalle ausgewählt aus der Gruppe Ml nicht zu substanziellen Anteilen aus Lanthaniden, derer Beschaffung kostenintensiv sein kann, wobei der Anteil an Lanthaniden, bezogen auf die Gesamtmenge der Metal le aus der Gruppe Ml bevorzugt weniger als 10 Gew.-%, weiter bevorzugt weni ger als 5 Gew.-%, und noch weiter bevorzugt weniger als 1 Gew.-%, beträgt. Bevorzugte Metalle aus der Gruppe Ml sind leicht zu beschaffende und Preisgüns tige Metalle wie Zr, Fe, und Ti, wobei Zr und/oder Ti als besonders geeignet angegeben werden können. Für Zr kann ein Anteil von 0,25 bis 2 Gew.-% und insbesondere 0,5 bis 1,9 Gew.-% als besonders geeignet angegeben werden. Analog kann für Ti ein Anteil von 0,25 bis 2 Gew.-% und insbesondere 0,5 bis 1,9 Gew.-% als besonders geeignet angegeben werden. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Aluminiumlegierung Zr und Ti als Metalle der Gruppe Ml enthält und diese mit einem Anteil von jeweils 0,25 bis 2 Gew.-% und insbesondere 0,5 bis 1,9 Gew.-% in der Aluminiumlegierung enthalten sind.

Die erfindungsgemäße Aluminiumlegierung enthält vorzugsweise keine relevanten Anteile von Sc oder Y, da diese Metalle mit starken Kostennachteilen verbunden sind. Bevorzugte erfindungsgemäße Aluminiumlegierung enthalten daher maximal bis zu 1,5 Gew.-% an Sc und/oder Y, bevorzugt maximal bis zu 1 Gew.-%, noch weiter bevorzugt maximal bis zu 0,5 Gew.-% und noch weiter bevorzugt keine über übliche Verunreinigungen hinausgehenden Mengen an Sc und Y. Eine im Rahmen dieser Beschreibung besonders geeignete pulverförmige Alumini umlegierung ist eine Aluminiumlegierung mit einem Gehalt an 4 bis 6 Gew.-% Cu, 0,1 bis 1,5 Gew.-% Mg und 0,1 bis 1 Gew.-% Ag. Für diese Legierung ist es weiterhin bevorzugt, wenn unter Berücksichtigung dieser Elemente und der Elemente aus der Gruppe Ml der zu 98 Gew.-% fehlende Anteil der Legierung, bevorzugt der zu 99 Gew.-% fehlende Anteil der Legierung auf Aluminium ent fällt. Der zu 100 Gew.-% fehlende Anteil der Legierung wird in diesem Fall in der Regel durch andere Metalle und/oder Nichtmetalle wie z.B. Sauerstoff bereitge stellt, die jedoch keinen wesentlichen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaf ten der Legierung mehr haben.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die vorbeschriebene erfindungsgemäße Aluminiumlegierung einen Gehalt von mindestens 4,5 Gew.-% und/oder höchstens 5,8 Gew.-%, bevorzugt mindestens 4,8 Gew.-% und/oder höchstens 5,5 Gew.-% Cu, mindestens 0,2 Gew.-% und/oder höchstens 1,5 Gew.- %, bevorzugt mindestens 0,3 Gew.-% und/oder höchstens 1,2 Gew.-% Mg, und mindestens 0,05 Gew.-% und/oder höchstens 0,6 Gew.-%, bevorzugt mindestens 0,2 Gew.-% und/oder höchstens 0,4 Gew.-% Ag auf. Alternativ oder zusätzlich dazu enthält die vorbeschriebene erfindungsgemäße Aluminiumlegierung vor zugsweise bis zu 0,2 Gew.-%, insbesondere 0,05 bis 0,15 Gew.-% Sauerstoff, bis zu 0,6 Gew.-%, und insbesondere 0,2 bis 0,55 Gew.-% Mangan und bis zu 0,3 Gew.-%, vorzugsweise 0,05 bis 0,15 Gew.-% Silizium.

In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform weist die vorbeschrie bene erfindungsgemäße Aluminiumlegierung einen Gehalt von mindestens 0,2 Gew.-% und/oder höchstens 1,3 Gew.-%, bevorzugt mindestens 0,3 Gew.-% und/oder höchstens 1,0 Gew.-% Si, mindestens 0,4 Gew.-% und/oder höchstens 2,2 Gew.-%, bevorzugt mindestens 0,6 Gew.-% und/oder höchstens 1,8 Gew.-% Mg, und mindestens 0,3 Gew.-% und/oder höchstens 1,3 Gew.-%, bevorzugt mindestens 0,4 Gew.-% und/oder höchstens 1,0 Gew.-% Mn auf. Für diese Alu miniumlegierung ist es bevorzugt, wenn sie einen Gesamtgehalt an Si und Mg im Bereich von 0,9 bis 2,8 Gew.-% und insbesondere im Bereich von 1,2 bis 2,5 Gew.-% aufweist.

Für die vorstehend beschriebenen Aluminiumlegierungen wurde gefunden, dass in daraus durch additive Fertigung hergestellten Produkten durch Wärmebehandlung gewünschte mechanische Kennwerte eingestellt werden können. Durch die Aus- wähl der Legierungselemente kann zudem das elektrochemische Ruhepotential der Matrix im Vergleich zu den Ausscheidungen in Richtung edlerer Werte ver schoben werden, um so eine höhere Korrosionsbeständigkeit und eine deutlich verminderte Anfälligkeit der Legierungen gegenüber Spannungsrissen realisiert werden kann.

Hinsichtlich der Partikelgröße unterliegen die erfindungsgemäßen pulverförmigen Aluminiumlegierungen keinen wesentlichen Beschränkungen, wobei die Partikel größe in einer Größenordnung liegen sollte, die sich für ein additives Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten eignet. Als geeignete Partikel größe kann eine mittlere Partikelgröße d50 im Bereich von 0,1 bis 500 pm, bevor zugt von mindestens 1 und/oder höchstens 200 pm, und besonders bevorzugt mindestens 10 und/oder höchstens 80 pm angegeben werden. Ganz besonders bevorzugt ist eine mittlere Partikelgröße d50 im Bereich von 10 bis 80 pm.

Wie weiter unten angegeben, kann die erfindungsgemäße pulverförmige Alumini umlegierung, z.B. für bestimmte Verarbeitungen, auch als Draht vorliegen, so dass eine entsprechende drahtförmige Aluminiumlegierung ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist. d50 bezeichnet die Größe, bei der die Menge der Partikel nach Gewicht, die einen kleineren Durchmesser als die angegebene Größe haben, 50% der Masse einer Probe beträgt. Herkömmlicherweise, ebenso wie im Rahmen der hier beschriebe nen Erfindung, wird die Teilchengrößenverteilung durch Laserstreuung oder Laserbeugung bestimmt, z.B. gemäß ISO 13320: 2009. Bei dem Durchmesser eines einzelnen Partikels kann es sich ggf. um einen jeweiligen maximalen Durchmesser (=Supremum aller Abstände je zweier Punkte des Partikels) oder um einen Siebdurchmesser oder um einen volumenbezogenen Äquivalenz-Kugel- Durchmesser handeln.

Wie vorstehend erwähnt kann durch den Einbezug von Elementen aus der Gruppe Ml die Neigung des Materials zur Ausbildung von Spannungsrissen erheblich vermindert werden, im Idealfall werden Spannungsrisse vollständig vermieden. Hierzu ist ein Einbezug von keramischen Materialien, die zu ähnlichen Zwecken beschrieben wurden, nicht erforderlich. Entsprechend enthält die erfindungsge mäße pulverförmige Aluminiumlegierung möglichst keine zugesetzten kerami schen Verbindungen, wie insbesondere Metall-Boride, -Nitride und -Carbide. Der Anteil solcher Materialien in der Aluminiumlegierung ist entsprechend zweckmäßig auf weniger als 0,2 Gew.-%, insbesondere weniger als 0,1 Gew.-% und weiter bevorzugt weniger als 0,05 Gew.-% zu begrenzen. Auch nanopartikuläre Metalle oder Metallhydride (z.B. Zr, Hf oder ZrH2, mit Partikelgrößen bis zu 5 pm), die zur Vermeidung von Spannungsrissen an anderer Stelle im Stand der Technik be schrieben wurden, sind für diesen Zweck in den erfindungsgemäßen pulverförmi gen Aluminiumlegierungen nicht erforderlich, so dass ihr Anteil in den für Metall- Boride, -Nitride und -Carbide bzw. keramische Additive angegeben Grenzen bewegen sollte. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der erfindungsgemäßen pul verförmigen Aluminiumlegierung für oder während ihrer Verarbeitung keine entsprechenden Materialien zugegeben werden.

Die erfindungsgemäßen pulverförmigen Aluminiumlegierungen können durch jedwedes Verfahren hergestellt werden, dass dem Fachmann zur Herstellung von pulverförmigen Legierungen bekannt ist. Ein besonders zweckmäßiges Verfahren beinhaltet z.B. eine Verdüsung der flüssigen Aluminiumlegierung oder ein mecha nisches Legieren. Demzufolge betrifft die vorliegende Erfindung in einem weiteren Aspekt ein Verfahren zur Herstellung einer pulverförmigen Aluminiumlegierung, das einen Schritt des Verdüsens der flüssigen Legierung bei einer Temperatur von > 850°C, bevorzugt von > 950°C und weiter bevorzugt von > 1050°C beinhaltet. Temperaturen von mehr als 1200°C sind für die Verdüsung nicht erforderlich und auf Grund des höheren Energiebedarfs weniger zweckmäßig. Daher kann als besonders günstiger Temperaturbereich für die Verdüsung ein Bereich von > 850 bis 1200°C und bevorzugt > 950 bis 1150°C angegeben werden. Durch ausrei chende Überhitzung der Schmelze bzw. Prozessführung muss sichergestellt sein, dass die o.g. Temperaturen auch konstant an der Düse vorherrschen, um uner wünschte Primärausscheidungen zu verhindern. Eine Herstellung der pulverförmi gen Aluminiumlegierungen mittels Verdüsung ist mit dem Vorteil verbunden, dass die Additivmetalle der Gruppe Ml in der Aluminiumlegierung gelöst oder als metastabile Phasen vorliegen. Bei einer anschließenden Verarbeitung mittels Lasersintern oder -schmelzen werden diese Phasen aufgelöst, so dass die Metalle Korn-feinernd wirken können.

Alternativ kann die erfindungsgemäße pulverförmige Aluminiumlegierung auch durch mechanisches Legieren hergestellt werden. Dabei werden Metallpulver der einzelnen Bestandteile der späteren Legierung (oder Vorgemische davon) intensiv mechanisch behandelt und bis zum atomaren Niveau homogenisiert. Für eine Modifikation der Partikel ist es im Anschluss an ein mechanisches Legieren mög lich, die erhaltenen Partikel nachzubearbeiten, um beispielsweise die Morpholo gie, Partikelgröße oder Partikelgrößenverteilung zu verändern oder eine Oberflä chenbehandlung durchzuführen. Die Nachbearbeitung kann dabei einen oder mehrere Schritte ausgewählt aus chemischer Modifikation der Partikel und/oder der Partikeloberfläche, Sieben, Brechen, Rundmahlen, Plasmasphärodisieren (d.h. Verarbeiten zu runden Partikeln) und Additivieren umfassen. Dabei sind insbeson dere Modifizierungen der Partikelmorphologie bzw. Korngrößenverteilung zweck mäßig, da beim mechanischen Legieren üblicherweise Plättchen bzw. Flakes erhalten werden. Diese Form ist bei einem späteren additiven Verarbeitungsver fahren generell problematisch.

Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine pulverförmige Aluminiumlegie rung, die nach dem geschilderten Verfahren durch Verdüsung der flüssigen Legie rung bei einer Temperatur von bevorzugt > 850°C und weiter bevorzugt >

1050°C, oder durch mechanisches Legieren mit optionaler Nachbearbeitung, erhältlich ist, wobei für bevorzugte Ausführungsformen des Verdüsens, mechani schen Legierens und der optionalen Nachbearbeitung ebenfalls auf die vorstehen den Ausführungen verwiesen wird.

Offenbart ist nachfolgend des Weiteren eine pulverförmige Aluminiumlegierung zur Verwendung in der Herstellung von dreidimensionalen Objekten mit Hilfe von additiven Fertigungstechniken, die neben Aluminium Cu, Zn oder Si/Mg als rele vantestes Legierungselement enthält und weiterhin einen Gehalt von 1 bis 15 Gew.-% an Metallen ausgewählt aus der Gruppe Ml umfassend Mo, Nb, Cr, Zr,

Fe, Ti, Ta, V, Lanthanoide und Li aufweist. Die vorstehend für die erfindungsge mäße Aluminiumlegierung offenbarten bevorzugten Ausführungsformen gelten für diese pulverförmige Aluminiumlegierung analog als bevorzugt.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstel lung eines dreidimensionalen Objekts mittels eines additiven Fertigungsverfahrens (d.h. eines Verfahrens, bei dem ein Objekt Schicht um Schicht aufgebaut wird). Das Objekt wird vorzugsweises hergestellt durch Aufbringen eines Aufbaumateri als Schicht auf Schicht und selektives Verfestigen des Aufbaumaterials, insbeson dere mittels Zufuhr von Strahlungsenergie, an Stellen in jeder Schicht, die dem Querschnitt des Objekts in dieser Schicht zugeordnet sind, bevorzugt indem die Stellen mit mindestens einem Einwirkbereich, insbesondere einem Strahlungsein- wirkbereich eines Energiestrahlbündels, abgetastet werden, oder indem das Aufbaumaterial in den Strahlungseinwirkbereich eingebracht und geschmolzen und auf ein Substrat aufgebracht wird. Das Aufbaumaterial umfasst im Rahmen der hier geschilderten Erfindung eine pulverförmige Aluminiumlegierung wie im Vorstehenden angegeben, kann aber alternativ auch eine entsprechende draht förmige Aluminiumlegierung umfassen. Vorzugsweise besteht das Aufbaumaterial aus dieser pulverförmigen oder drahtförmigen Aluminiumlegierung.

Bei dem dreidimensionalen Objekt kann es sich um ein Objekt aus einem Material (d.h. der Aluminiumlegierung) oder ein Objekt aus verschiedenen Materialien handeln. Handelt es sich bei dem dreidimensionalen Objekt um ein Objekt aus verschiedenen Materialien so kann dieses Objekt beispielsweise hergestellt wer den, indem die erfindungsgemäße Aluminiumlegierung beispielsweise auf einen Grundkörper des anderen Materials aufgebracht wird.

Im Rahmen dieses Verfahrens kann es zweckmäßig sein, wenn die pulverförmige Aluminiumlegierung vor dem selektiven Verfestigen vorgeheizt wird, wobei ein Vorheizen auf eine Temperatur von mindestens 110°C als bevorzugt, ein Vorhei zen auf eine Temperatur von mindestens 120°C als weiter bevorzugt, ein Vorhei zen auf eine Temperatur von mindestens 130°C als noch weiter bevorzugt, ein Vorheizen auf eine Temperatur von mindestens 150°C als noch weiter bevorzugt, ein Vorheizen auf eine Temperatur von mindestens 165°C als noch weiter bevor zugt und eine Vorheizen auf eine Temperatur von mindestens 190°C als noch weiter bevorzugt angegeben werden kann. Andererseits stellt ein Vorheizen auf sehr hohe Temperaturen erhebliche Anforderungen an die Vorrichtung zur Her stellung der dreidimensionalen Objekte, d.h. mindestens an den Behälter, in dem das dreidimensionale Objekt gebildet wird, so dass als sinnvolle Maximaltempera tur für das Vorheizen eine Temperatur von höchstens 400°C angegeben werden kann. Bevorzugt liegt die Maximaltemperatur für das Vorheizen bei höchstens 350°C und weiter bevorzugt bei höchstens 300°C. Die für das Vorheizen angege benen Temperaturen bezeichnen jeweils die Temperatur, auf die die Bauplatt form, auf die die pulverförmige Aluminiumlegierung aufgebracht wird, und das durch die pulverförmige Aluminiumlegierung gebildete Pulverbett aufgeheizt wird.

Der Auftrag oder das Aufbringen Schicht auf Schicht erfolgt zweckmäßig in einer für eine Verarbeitung mittels additiver Fertigung zweckmäßigen Schichtdicke, z.B. mit einer Schichtdicke im Bereich von 20 bis 60 pm, bevorzugt bei einer Dicke von mindestens 25 und/oder höchstens 50 miti und weiter bevorzugt bei einer Dicke von mindestens 30 und/oder höchstens 40 gm.

Wie vorstehend angegeben kann das erfindungsgemäße Verfahren auch so aus gestaltet sein, dass das Aufbaumaterial in den Strahlungseinwirkbereich einer Energiequelle, z.B. eines Lasers, eingebracht und geschmolzen und auf ein Sub strat aufgebracht wird. Bei einem derartigen Verfahren, das auch als Laser- Beschichtungsverfahren (Laser Cladding) im Modus eines Pulverauftragsschwei ßen bezeichnet wird, wird ein Pulver über ein oder mehrere Düsen punktförmig auf ein Substrat aufgesprüht, und gleichzeitig wird ein Laser auf den Auftrags punkt des Lasers ausgerichtet. Durch die Strahlungsenergie wird dabei das Sub strat angeschmolzen und das aufgebrachte Legierungspulver geschmolzen, sodass sich die aufgebrachte Legierung mit dem angeschmolzenen Substrat verbinden kann. Auf diese Weise wird eine Lage des Partikelmaterials auf das Werkstück aufgebracht und mit einer Oberflächenschicht des Werkstücks verbunden. Durch sequentielles „Aufdüsen" von Schmelzeschichten aus Partikelmaterial kann so ein größeres Werkstück hergestellt werden.

Alternativ kann ein Laser-Beschichtungsverfahren auch im Modus eines Drahtauf tragsschweißen durchgeführt werden, wobei anstelle eines Pulvers ein Draht verwendet wird. Entsprechend umfasst das erfindungsgemäße Verfahren auch eine Ausführungsform, bei der ein Draht aus einer Aluminiumlegierung, wie vorstehend angegeben, verwendet wird.

Für das erfindungsgemäße Verfahren wurde zusätzlich gefunden, dass eine Wär mebehandlung des hergestellten dreidimensionalen Objekts dessen physikalische Eigenschaften, z.B. insbesondere die Zugfestigkeit und/oder die Streckgrenze erheblich verbessern können. Möglicherweise ist dieser Effekt auf Umlagerungen in der Mikrostruktur in der Legierung des anfänglich gebildeten dreidimensionalen Objekts zurückzuführen. Zu diesem Zweck umfasst das erfindungsgemäße Verfah ren daher vorzugsweise ferner einen Schritt, bei dem das anfänglich hergestellte dreidimensionale Objekt einer Wärmebehandlung unterzogen wird, vorzugsweise bei einer Temperatur von 400°C bis 500°C und/oder für eine Zeit von 20 bis 200 min. Als besonders bevorzugter Temperaturbereich kann ein Bereich von 420°C bis 470°C und insbesondere mindestens 430°C und/oder 450°C oder weniger genannt werden. Besonders bevorzugte Zeitrahmen für die Wärmebehandlung sind 30 min bis 120 min und insbesondere mindestens 40 min und/oder 80 min oder weniger. Zusätzlich wurde gefunden, dass eine solche Wärmebehandlung besonders vorteilhafte Ergebnisse liefert, wenn nach einer solchen Wärmebe handlung bei vergleichsweise hoher Temperatur das dreidimensionale Objekt schnell auf etwa Umgebungstemperatur abgekühlt wird (d.h. in 10 min oder weniger und vorzugsweise 5 min oder weniger, z.B. durch Abschrecken mit Was ser) und anschließend bei einer Temperatur von 90°C bis 150°C, insbesondere mindestens 110°C und/oder bei 140°C oder weniger, für mindestens 12 Stunden und vorzugsweise mindestens 18 Stunden gealtert wird.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein dreidimensionales Objekt, das unter Verwendung einer pulverförmigen Aluminiumlegierung, insbe sondere hergestellt nach dem im vorstehenden geschilderten Verfahren, herge stellt ist, wobei die pulverförmige Aluminiumlegierung eine Aluminiumlegierung, wie vorstehenden geschildert ist und wobei das dreidimensionale Objekt eine solche Aluminiumlegierung umfasst oder aus dieser besteht. Durch die Verwen dung der vorstehend angegebenen Legierungen für die Herstellung solcher Objek te sind sehr gute „as built"-Oberflächen erhältlich, so dass anschließende Nach behandlungen der Oberfläche (z.B. Glätten) minimiert werden können.

Das erfindungsgemäße dreidimensionale Objekt weist zweckmäßig vorteilhaft angepasste mechanische Eigenschaften auf, wie insbesondere eine Streckgrenze von mindestens 400 MPa und/oder höchstens 550 MPa, bevorzugt mindestens 440 MPa bis 550 MPa und besonders bevorzugt im Bereich von 460 bis 480 MPa und/oder eine Zugfestigkeit von 450 MPa und/oder höchstens 550 MPa, bevorzugt mindestens 470 MPa und besonders bevorzugt im Bereich von 500 bis 550 MPa. Diese jeweiligen Streckgrenzen und Festigkeiten sind im Rahmen der hier be schriebenen Erfindung gemäß EN ISO 6892.1 (2011) zu bestimmen. Alternativ oder zusätzlich dazu weist ein erfindungsgemäßes dreidimensionales Objekt vorzugsweise eine Streckgrenze bei 200°C von vorzugsweise mindestens 330 MPa, weiter bevorzugt mindestens 350 MPa und noch weiter bevorzugt im Bereich von 360 MPa bis 420 MPa auf.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Herstellvorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts, wie vorstehend angegeben, wobei die Vorrichtung eine Lasersinter- oder Laserschmelzvorrichtung, eine Prozesskammer, die als offener Behälter mit einer Behälterwandung ausgeführt ist, einen in der Prozesskammer befindlichen Träger, wobei Prozesskammer und Träger gegeneinander in vertikaler Richtung beweglich sind, einen Vorratsbehälter und einen in horizontaler Richtung bewegbaren Be schichter aufweist, und wobei der Vorratsbehälter mindestens teilweise mit einer pulverförmigen Aluminiumlegierung, wie vorstehend angegeben, gefüllt ist.

Analog betrifft die vorliegende Erfindung eine Herstellvorrichtung zur Durchfüh rung eines Verfahrens zur Herstellung eines dreidimensionalen Objekts, die eine Vorrichtung zur Laserbeschichtung und eine Prozesskammer, eine Zuführvorrich tung zur Zuführung von partikulärem Material oder Draht in den Einwirkbereich des Laserstrahls, und einen Vorratsbehälter aufweist, der mindestens teilweise mit einer pulverförmigen Aluminiumlegierung, wie vorstehend angegeben, oder mit Draht einer solchen Aluminiumlegierung gefüllt ist.

Additive Herstellvorrichtungen zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten und zugehörige Verfahren sind allgemein dadurch charakterisiert, dass in ihnen Objekte durch Verfestigen eines formlosen (oder drahtförmigen) Aufbaumaterials Schicht für Schicht hergestellt werden. Die Verfestigung kann beispielsweise durch Zufuhr von Wärmeenergie zum Aufbaumaterial mittels Bestrahlens dessel ben mit elektromagnetischer Strahlung oder Teilchenstrahlung, zum Beispiel beim Lasersintern („SLS" oder „DMLS") oder Laserschmelzen oder Elektronenstrahl schmelzen herbeigeführt werden.

Beispielsweise beim Lasersintern oder Laserschmelzen wird der Einwirkbereich eines Laserstrahls („Laserfleck") auf eine Schicht des Aufbaumaterials über jene Stellen der Schicht bewegt, die dem Objektquerschnitt des herzustellenden Ob jekts in dieser Schicht entsprechen. Anstelle des Einbringens von Energie kann das selektive Verfestigen des aufgetragenen Aufbaumaterials auch durch 3D- Drucken erfolgen, beispielsweise durch Aufbringen eines Klebers bzw. Bindemit tels. Allgemein bezieht sich die Erfindung auf das Herstellen eines Objekts mittels schichtweisen Auftragens und selektiven Verfestigens eines Aufbaumaterials unabhängig von der Art und Weise, in der das Aufbaumaterial verfestigt wird.

Andere Merkmale und Ausführungsformen der Erfindung finden sich in der Be schreibung einer beispielhaften Ausführungsform unter Zuhilfenahme der beige fügten Zeichnungen. Figur 1 zeigt eine schematische Abbildung, teilweise wiedergegeben als Quer schnitt, einer Vorrichtung zum schichtweisen Aufbau eines dreidimensionalen Objekts gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Die in Figur 1 dargestellte Vorrichtung ist eine an sich bekannte Lasersinter- oder Laserschmelzvorrichtung al. Zum Aufbauen eines Objekts a2 enthält sie eine Prozesskammer a3 mit einer Kammerwandung a4. In der Prozesskammer a3 ist ein nach oben offener Baubehälter a5 mit einer Wandung a6 angeordnet. Durch die obere Öffnung des Baubehälters a5 ist eine Arbeitsebene a7 definiert, wobei der innerhalb der Öffnung liegende Bereich der Arbeitsebene a7, der zum Aufbau des Objekts a2 verwendet werden kann, als Baufeld a8 bezeichnet wird. In dem Behälter a5 ist ein in einer vertikalen Richtung V bewegbarer Träger alO ange ordnet, an dem eine Grundplatte all angebracht ist, die den Baubehälter a5 nach unten abschließt und damit dessen Boden bildet. Die Grundplatte all kann eine getrennt von dem Träger alO gebildete Platte sein, die an dem Träger alO befestigt ist, oder sie kann integral mit dem Träger alO gebildet sein. Je nach verwendetem Pulver und Prozess kann auf der Grundplatte all noch eine Bau plattform al2 angebracht sein, auf der das Objekt a2 aufgebaut wird. Das Ob jekt a2 kann aber auch auf der Grundplatte all selber aufgebaut werden, die dann als Bauplattform dient. In Figur 1 ist das in dem Baubehälter a5 auf der Bauplattform al2 zu bildende Objekt a2 unterhalb der Arbeitsebene a7 in einem Zwischenzustand dargestellt mit mehreren verfestigten Schichten, umgeben von unverfestigt gebliebenem Aufbaumaterial al3. Die Lasersintervorrichtung al enthält weiter einen Vorratsbehälter al4 für ein durch elektromagnetische Strah lung verfestig bares pulverförmiges Aufbaumaterial al5 und einen in einer hori zontalen Richtung H bewegbaren Beschichter al6 zum Aufbringen des Aufbauma terials al5 auf das Baufeld a8. Die Lasersintervorrichtung al enthält ferner eine Belichtungsvorrichtung a20 mit einem Laser a21, der einen Laserstrahl a22 als Energiestrahlbündel erzeugt, der über eine Umlenkvorrichtung a23 umgelenkt und durch eine Fokussiervorrichtung a24 über ein Einkoppelfenster a25, das an der Oberseite der Prozesskammer a3 in deren Wandung a4 angebracht ist, auf die Arbeitsebene a7 fokussiert wird.

Weiter enthält die Lasersintervorrichtung al eine Steuereinheit a29, über die die einzelnen Bestandteile der Vorrichtung al in koordinierter Weise zum Durchfüh ren des Bauprozesses gesteuert werden. Die Steuereinheit a29 kann eine CPU enthalten, deren Betrieb durch ein Computerprogramm (Software) gesteuert wird. Das Computerprogramm kann getrennt von der Vorrichtung auf einem Speicher medium gespeichert sein, von dem aus es in die Vorrichtung, insbesondere in die Steuereinheit geladen werden kann. Im Betrieb wird zum Aufbringen einer Pul verschicht zunächst der Träger alO um eine Höhe abgesenkt, die der gewünsch ten Schichtdicke entspricht. Durch Verfahren des Beschichters al6 über die Arbeitsebene a7 wird dann eine Schicht des pulverförmigen Aufbaumaterials al5 aufgebracht. Zu Sicherheit schiebt der Beschichter al6 eine etwas größere Men ge an Aufbaumaterial al5 vor sich her, als für den Aufbau der Schicht erforder lich ist. Den planmäßigen Überschuss an Aufbaumaterial al5 schiebt der Be schichter al6 in einen Überlaufbehälter al8. Auf beiden Seiten des Baubehälters a5 ist jeweils ein Überlaufbehälter al8 angeordnet. Das Aufbringen des pulver förmigen Aufbaumaterials al5 erfolgt zumindest über den gesamten Querschnitt des herzustellenden Objekts a2, vorzugsweise über das gesamte Baufeld a8, also den Bereich der Arbeitsebene a7, der durch eine Vertikalbewegung des Trägers alO abgesenkt werden kann. Anschließend wird der Querschnitt des herzustel lenden Objekts a2 von dem Laserstrahl a22 mit einem Strahlungseinwirkbereich (nicht gezeigt) abgetastet, der schematisch eine Schnittmenge des Energiestrahl bündels mit der Arbeitsebene a7 darstellt. Dadurch wird das pulverförmige Auf baumaterial al5 an Stellen verfestigt, die dem Querschnitt des herzustellenden Objekts a2 entsprechen. Diese Schritte werden solange wiederholt, bis das Ob jekt a2 fertiggestellt ist und dem Baubehälter a5 entnommen werden kann. Zum Erzeugen eines bevorzugt laminaren Prozessgasstroms a34 in der Prozesskammer a3 enthält die Lasersintervorrichtung al ferner einen Gaszuführkanal a32, eine Gaseinlassdüse a30, eine Gasauslassöffnung a31 und einen Gasabführkanal a33. Der Prozessgasstrom a34 bewegt sich horizontal über das Baufeld a8 hinweg. Auch die Gaszufuhr und -abfuhr kann von der Steuereinheit a29 gesteuert sein (nicht dargestellt). Das aus der Prozesskammer a3 abgesaugte Gas kann einer (nicht gezeigten) Filtervorrichtung zugeführt werden, und das gefilterte Gas kann über den Gaszuführkanal a32 wieder der Prozesskammer a3 zugeführt werden, wodurch ein Umluftsystem mit einem geschlossenen Gaskreislauf gebildet wird. Statt lediglich einer Gaseinlassdüse a30 und einer Gasauslassöffnung a31 kön nen jeweils auch mehrere Düsen bzw. Öffnungen vorgesehen sein.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Vorratsbehälter al4 mindestens teilweise mit einer pulverförmigen Aluminiumlegierung al5, wie vorstehend angegeben, gefüllt. Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft schließlich eine Alumini umlegierung mit einem Gehalt an 4 bis 6 Gew.-% Cu, 0,1 bis 1,5 Gew.-% Mg und 0,1 bis 1 Gew.-% Ag, sowie 1,3 bis 15 Gew.-% an Metallen ausgewählt aus der Gruppe Ml umfassend Mo, Nb, Zr, Fe, Ti, Ta, V, und Lanthanoide, wobei bevor- zugt der auf 99 Gew.-% fehlende Anteil der Legierung auf Aluminium entfällt und wobei weiter bevorzugt der zu 100 Gew.-% fehlende Anteil der Legierung auf Aluminium, Mangan, Silizium und Sauerstoff entfällt.

Im Weiteren wird die vorliegende Erfindung durch einige Beispiele illustriert, die jedoch nicht als in irgendeiner Weise maßgeblich für den Schutzumfang dieser Anmeldung aufgefasst werden sollten.

Beispiel 1:

Verschiedene Aluminiumlegierungen mit den in Tabelle 1 angegebene Zusammen setzungen wurden mittels Direct metal laser sintering (DMLS) zu Testkörpern verarbeitet. Die so hergestellten Testkörper wurden in Bezug auf ihre Härte,

Streckgrenze bei 23°C und Zugfestigkeit untersucht. Die Ergebnisse dieser Unter suchungen sind ebenfalls in Tabelle 1 angegeben.

1 = wie hergestellt ; 2 = nach Wärmebehandlung.

Zur Bestimmung der Härte wurde der hergestellte Testkörper der Brinell - Metho- de gemäß der Norm DIN EN ISO 6506-1: 2015" Metallische Werkstoffe - Här teprüfung nach Brinell - Teil 1: Prüfverfahren" unterzogen. Für die Bestimmung wurde Dichtewürfelproben verwendet. Die Tests werden für jede Probe dreimal durchgeführt, und die gemessenen Werte werden mit einer Genauigkeit von 1 HBW angegeben.

Der in Vergleichsprobe 1 hergestellte Testkörper wies massive Heißrisse auf. Bei Vergleichsprobe 2 waren die Heißrisse im Vergleich zu Vergleichsprobe 1 erheb lich reduziert, aber noch erkennbar; eine Wärmebehandlung des Testkörpers führte nicht zu einer Verbesserung der Härte des Materials. Das erfindungsgemä ße Material zeigte keine Heißrisse und gegenüber den Vergleichsproben erheblich verbesserte mechanische Eigenschaften schon direkt nach der Herstellung. Durch Wärmebehandlung (485°C/40 min und anschließendes Abschrecken mit Wasser und Auslagerung bei 25°C) ließen sich diese Eigenschaften noch erheblich ver bessern.

Beispiel 2:

Ein aus der Aluminiumlegierung gemäß Beispiel 1 hergestellter Testkörper (-·-) wurde in Bezug auf seine Streckgrenzen-Eigenschaften mit entsprechenden Testkörpern aus anderen Materialien verglichen. Als Vergleichsmaterialien wurden Testkörper aus Scalmalloy (DMLS verarbeitet, -o-), der Aluminiumlegierung AW2618 (geschmiedet, T6, - -), der Aluminiumlegierung 7075 (T6,-A-), der Aluminiumlegierung 2024 (T6, -x-) und Addmalloy (DMLS verarbeitet, -o-) ver wendet. Die Daten der Vergleichsmaterialien sind der Literatur, bzw. entspre chenden Datenblättern entnommen. Die Streckgrenzen von Testkörpern aus diesen Materialen sind in Fig. 2 wiedergegeben.

Aus Figur 2 wird ersichtlich, dass die erfindungsgemäße Aluminiumlegierung schon bei 23°C die höchste Streckgrenze aller getesteten Materialen hatte, wobei nur Scalmalloy und die Aluminiumlegierung 7075 eine Streckgrenze in einem ähnlich hohen Bereich aufwiesen. Gegenüber der hochtemperaturfesten Knetle gierung AW-2618A betrug der Unterschied etwa 27%. Ab einer Temperatur von etwa 100 bis 120°C fällt die Streckgrenze der Aluminiumlegierung 7075 stark ab, die von Scalmalloy ist bei diesen Temperaturen sogar noch deutlich geringer. Die Streckgrenze der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung nimmt im Gegensatz dazu bei diesen Temperaturen nur geringfügig ab. Bei etwa 200°C weist die erfindungsgemäße Aluminiumlegierung eine um etwa 42% bessere Streckgrenze auf, als die zweibeste Legierung AW 2618A.