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Dokumentenidentifikation DE102004042775A1 09.03.2006
Titel Verfahren zur Herstellung komplexer hochfester Bauteile oder Werkzeuge und dessen Verwendung
Anmelder Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V., 80686 München, DE
Erfinder Godlinski, Dirk, Dr.-Ing., 28832 Achim, DE;
Veltl, Georg, Dr.-Ing., 28755 Bremen, DE
Vertreter PFENNING MEINIG & PARTNER GbR, 80339 München
DE-Anmeldedatum 03.09.2004
DE-Aktenzeichen 102004042775
Offenlegungstag 09.03.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 09.03.2006
IPC-Hauptklasse B22F 3/10(2006.01)A, F, I, ,  ,  ,   
IPC-Nebenklasse B22F 1/00(2006.01)A, L, I, ,  ,  ,      
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft die Herstellung von inern und extern geometrisch komplexen hochfesten Bauteilen oder Werkzeugen mittels des 3-D-Printing Verfahrens aus metallischen Pulvern oder Pulvermischungen, die aus der Schüttdichte dichtgesintert werden können und somit in einem Schritt die Gebrauchsdichte erreichen. Beispiele für Anwendungsgebiete sind Umformwerkzeuge, Spritzgusswerkzeuge, Zerspanungswerkzeuge, Druckgusswerkzeuge und Motorenteile.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft die Herstellung von intern und extern geometrisch komplexen hochfesten Bauteilen oder Werkzeugen mittels des 3D-Printing Verfahrens aus metallischen Pulvern oder Pulvermischungen, die aus der Schüttdichte dichtgesintert werden können und somit in einem Schritt die Gebrauchsdichte erreichen. Beispiele für Anwendungsgebiete sind Umformwerkzeuge, Spritzgusswerkzeuge, Zerspanungswerkzeuge, Druckgusswerkzeuge und Motorenteile.

Bisher können über das 3D-Printing-Verfahren (vgl. EP 0431924, US 5,204,055, US 5,340,656 und US 5,387,380) nur metallische Bauteile oder Werkzeuge hergestellt werden, die aus einer Stahlmatrix bestehen, in die in einem folgenden Schritt niedrigschmelzende Bronze infiltriert wird. In den genannten Patenten wird aber nur auf die Herstellung der Grünkörper eingegangen. Ein so hergestelltes Grünbauteil aus einem beliebigen metallischen Pulver kann aber normalerweise nicht dichtgesintert werden. Dies ist erst möglich mit Pulvern einer Korngröße, wie sie beispielsweise beim Metallpulverspritzquß verwendet werden, d.h. mittlere Partikelgröße um 15 &mgr;m oder kleiner, da sie aufgrund der Feinheit eine erhöhte Sinteraktivität aufweisen.

Das Dichtsintern scheitert bisher bei den eingesetzten Stahlpulvern an der geringen Sinteraktivität dieser Materialien, sodass nur mit Infiltration Dichten von nahezu 100 % erreichbar sind.

Der Herstellungsweg ist deshalb bislang folgender: Das Teil wird in Stahl durch das Aufdrucken eines Klebstoffes/Binders in seiner Gestalt Lage für Lage aus Metallpulver gedruckt. Dieses Teil wird anschließend so gesintert, dass es nahezu keinen Schwund erleidet aber die einzelnen Pulverpartikel fest miteinander verbunden sind. In dieses Gerüst wird in einem weiteren Schritt Bronze infiltriert, die den gesamten Porenraum ausfüllt und somit die 100 % Dichte erzeugt. Das daraus resultierende Material ist eine Art Verbundwerkstoff von Bronze und Stahl und somit in seiner Härte, Festigkeit, Temperaturbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit begrenzt. Somit sind relativ große Bauteile bis ca. 1 m Länge herstellbar.

Andererseits bieten hochlegierte pulvermetallurgische Stähle (PM-Stähle) den Vorteil einer einzigartigen Kombination von Härte/Verschleißfestigkeit und Zähigkeit. Nachteilig ist allerdings die lange Prozesskette bis zum fertigen Bauteil über stangenförmige Halbzeuge und Blöcke, die durch heiß-isostatisches Pressen von Pulvern hergestellt werden. Die Halbzeuge müssen anschließend über Material abtragende Prozesse wie Zerspanen oder Erodieren zum Bauteil bearbeitet werden – mit Einschränkungen in der geometrisch möglichen Komplexität und dem hohen Fertigungs(zeit)aufwand aufgrund der schwierig zu bearbeitenden Materialien.

Hochlegierte Werkzeugstähle wie Schnellarbeitsstähle werden in geringem Umfang auch pulvermetallurgisch zu geometrisch einfachen Formteilen verarbeitet. Dies geschieht durch Pressen der Teile in Matrizen/Formen und anschließendem Sintern.

Ausgehend hiervon war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren bereitzustellen, das die genannten Nachteile des Standes der Technik überwindet und die Herstellung geometrisch komplexer hochfester Bauteile oder Werkzeuge aus gängigen Ausgangsstoffen ermöglicht. Gleichzeitig soll das Verfahren möglichst wenige Teilschritte aufweisen, um eine kostengünstige Herstellung derartiger Bauteile zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die weiteren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf. Zusätzlich wird die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß den Ansprüchen 15 bis 17 beansprucht.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung komplexer hochfester Bauteile oder Werkzeuge aus metallischen Pulvern oder deren Mischungen bereitgestellt. Dieses beruht auf folgenden Verfahrensschritten:

  • A) Schichtweiser und freiformender Aufbau eines Grünkörpers, bei dem
  • A1) das mindestens eine metallische Pulver oder deren Mischung in einem definierten Bereich aufgetragen wird,
  • A2) das Pulver in einem ausgewählten Bereich mit einem Bindemittel gebunden wird.

Die Schritte A1 und A2 werden dabei so oft wiederholt, bis aus den einzelnen Schichten der dreidimensionale Grünkörper aufgebaut ist.

In Schritt B) folgt dann das anschließende Verdichten des Grünkörpers durch Sinterung zum Bauteil oder Werkzeug.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können jetzt mittels 3D-Printing-Verfahren dichte (ca. 99 %) Stahlteile mit beliebiger Geometrie aus kommerziell gängigen PM-Stahlpulvern/Materialien, z.B. M2 oder M390, in zwei Schritten hergestellt werden. Die Formgebung der Teile erfolgt ohne Form direkt aus CAD-Daten der herzustellenden Teile.

Gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren stellt das erfindungsgemäße Verfahren im Wesentlichen eine Kombination aus pulvermetallurgischem Sinterprozess und generativem Fertigungsverfahren (3D-Printing) dar. So können erstmals geometrisch komplexe Teile als individuelle Einzelstücke oder als Kleinserie wirtschaftlich in einem einzigen Schritt hergestellt werden. Die Gebrauchseigenschaften werden in einem zweiten oder dritten Schritt, z.B. geringfügige Glättung der Oberflächen durch polieren, eingestellt. Die Herstellung der Bauteile bzw. Werkzeuge erfolgt dabei ohne formgebende Werkzeuge aus einem Pulverbett. Damit ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders für kleine Serien oder Einzelstücke geeignet.

Die Materialeigenschaften und die Dichte werden beim Sinterprozess eingestellt. Die längenbezogene Sinterschwindung von etwa 16 % ist wie beim Metallpulverspritzguss oder dem konventionellen Pressen und Sintern solcher Materialien im Fertigungsprozess kompensierbar und reproduzierbar.

Für die Formgebung mit 3D-Printing spielt die geometrische Komplexität des Bauteils im Gegensatz zum Pressen und Sintern oder beim Herausarbeiten von Teilen aus Halbzeugen praktisch keine Rolle.

Vorzugsweise wird als metallisches Pulver ein pulvermetallurgisches (PM) Stahlpulver verwendet, das kommerziell erhältlich ist. Eigenschaft dieser Pulver ist die Bildung einer flüssigen Phase beim Sintern, sodass ein Dichtsintern auch bei Verwendung von relativ groben Partikeln erfolgt und unabhängig von der Partikelgröße ist. Die Partikelgröße wird somit nur durch die im 3D-Printing-Prozess verwendete Schichtdicke limitiert. Bei einer Schichtdicke von 180 &mgr;m sollte die Partikelgröße des Pulvers < 180 &mgr;m sein. Eine bestimmte Partikelgrößenverteilung ist nicht zwingend erforderlich. Bevorzugt weist das Pulver aber eine mittlere Partikelgröße von 10 &mgr;m bis 100 &mgr;m auf. Gegebenenfalls kann zu grobes Metallpulver abgesiebt werden.

Das Pulver wird in der 3D-Printing-Maschine (Prometall RTS-300) Schichtweise mit einem Binder gebunden. Das Bindemittel ist dabei bevorzugt aus der Gruppe der Polymere, Harze, Wachse, metallorganischen Verbindungen und Metallsalze ausgewählt. Der Binder wird dabei bevorzugt aus einem Druckkopf in einem Tropfenstrahl in das Pulver gedruckt.

Bei der Sinterung zersetzt sich der Binder praktisch rückstandsfrei bei Temperaturen von etwa 400°C in jedem Fall, bevor der Binder den Stahl aufkohlen kann. Falls eine Aufkohlung gewünscht ist, kann ein Binder verwendet werden, dessen Kohlenstoffreste auch bei hohen Temperaturen im Bauteil verbleiben.

Die Schichtdicke der einzelnen Schichten liegt vorzugsweise im Bereich von 50 &mgr;m bis 200 &mgr;m. Der Abstand zwischen zwei Drucklinien (line spacing) kann auf die verwendete Schichtdicke angepasst werden, um unterschiedliche Schwindungen in den verschiedenen Raumrichtungen zu eliminieren.

Bevorzugt weist der Grünkörper eine Dichte im Bereich von 50 bis 70 % auf.

Das Verfahren ist vorzugsweise auf Materialien anwendbar, deren Pulver mit sog. Flüssigphasensinterung verdichtbar sind, d.h. die Zusammensetzung ist so, dass das Material beim Aufheizen in einen Zustand kommt, in dem die feste Phase im Gleichgewicht mit der Schmelze des Materials steht. Die Gegenwart der Schmelze ermöglicht es, schnell große Schwindungsbeträge zu erreichen und nahezu 100 % dichte Teile herzustellen. Es ist aber auch möglich, so feine Pulver zu verwenden, dass eine Sinterung zu hoher Dichte möglich ist. In der Regel scheitert dies jedoch daran, dass solche Pulver nicht sicher in Form von Schichten aufgebracht werden können.

Vorzugsweise wird die Sinterung in Inertgas-, Wasserstoffatmosphäre oder Gemischen hiervon durchgeführt. Vorzugsweise erfolgt die Sinterung im Vakuum oder unter vermindertem Partialdruck. Ebenso ist es aber auch möglich, dass die Sinterung bei Normaldruck durchgeführt wird.

Vorzugsweise kann gleichzeitig mit der Sinterung oder im Anschluss an die Sinterung eine Wärmebehandlung, insbesondere durch Weichglühen, Spannungsanglühen oder Härten erfolgen.

Eine bevorzugte Variante des Verfahrens sieht vor, dass die Sinterung bis zur vollständigen Verdichtung unter Erhalt eines Bauteils oder Werkzeugs mit einer Dichte von mindestens 97 % durchgeführt wird.

Nach einer weiteren Variante kann die Sinterung aber auch bis zu einer Dichte des Bauteils oder Werkzeugs von mindestens 85 % durchgeführt werden, um einen Porenabschluss des Bauteils oder Werkzeugs zu erreichen. Das resultierende Bauteil oder Werkzeug mit geschlossener Porosität kann im Anschluss durch heißisostatische Nachverdichtung auf eine Dichte von annähernd 100 % gebracht werden.

Wichtig bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es, dass bei nicht zu hohen Temperaturen gesintert wird, da die Bauteile dann zu weich werden, sich verziehen und ihre Form verlieren. Somit reicht in der Regel schon eine Temperatur von wenigen Grad Kelvin oberhalb der Solidustemperatur. Bei einer Sinterung wenige Grad Kelvin unterhalb der optimalen Sintertemperatur wird andererseits keine ausreichende Dichte erreicht.

Erfindungsgemäß wird ebenso die Verwendung des Verfahrens zur Herstellung von Bauteilen und Werkzeugen bereitgestellt. Dies betrifft insbesondere Umform-, Spritzguss-, Druckguss- oder Zerspanungswerkzeuge. Ebenso kann das Verfahren zur Herstellung von Motorbauteilen und Turbinenbauteilen verwendet werden. Das Anwendungsgebiet des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit das sog. Rapid Prototyping, das schnelle herstellen von Prototypen oder Kleinserien-Teilen direkt aus dem CAD-Daten.

Anhand der nachfolgenden Figuren und Beispiele soll der erfindungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die hier dargestellten speziellen Ausführungsformen zu beschränken.

1 zeigt eine Abbildung eines Bauteils, das gemäß den Vorgaben aus Beispiel 2 hergestellt wurde. Auf der linken Seite ist dabei ein Grünteil vor dem Sintern abgebildet, während auf der rechten Seite ein dichtes Sinterteil mit 99 % der theoretischen Materialdichte dargestellt ist.

2 zeigt eine mikroskopische Aufnahme des Gefüges des Materials, das nach dem oben beschriebenen Verfahren nach Beispiel 2 hergestellt wurde.

Beispiel 1

Als Pulver wurde ein Metallpulver des Typs X190CrVMo20 (Böhler M390) mit einer Korngröße < 180 &mgr;m verwendet. Das 3D-Printing erfolgte mit einer Prometall ATS-300-Anlage, wobei als Binder wasserlösliches Acrylat eingesetzt wurde. Die Schichtdicke betrug 150 &mgr;m, der Abstand der Druckbahnen (line spacing) lag bei 150 &mgr;m. Das Sintern wurde unter Stickstoff bei einer maximalen Temperatur von 1263°C durchgeführt.

Es resultierte ein Bauteil mit einer Dichte von 99,7 % der theoretischen Materialdichte. Als Wärmebehandlung wurde eine Austenitisierung über 30 min. bei 1100°C, ein Abschrecken in Öl und ein Anlassen über 2h bei 300°C durchgeführt. Es resultierte ein Härte von 820 HV (64HRC).

Beispiel 2

Als Pulver wurde ein Metallpulver des Typs X190CrVMo20 (Böhler M390) mit einer Korngröße < 180 &mgr;m verwendet. Das Verfahren wurde mit einer Prometall RTS-300-Anlage unter Verwendung von wasserlöslichem Acrylat als Bindemittel durchgeführt. Die Schichtdicke betrug 177 &mgr;m, der Abstand der Druckbahnen (line spacing) lag bei 170 &mgr;m. Das Sintern erfolgte unter Stickstoff bei einer maximalen Temperatur von 1270°C.

Es resultierte ein Bauteil mit einer Dichte von 98,5 % der theoretischen Materialdichte und eine Härte von 49 HRC.

Beispiel 3

Als Pulver wurde ein metallisches Pulver des Typs HS-6-5-2 (Osprey M2) mit einer Korngröße < 150 &mgr;m eingesetzt. Das 3D-Printing-Verfahren wurde mit einer Prometall RTC-300-Anlage mit wasserlöslichem Acrylat als Binder durchgeführt. Die Schichtdicke betrug 150 &mgr;m, der Abstand der Druckbahnen (line spacing) lag bei 150 &mgr;m. Das Sintern erfolgte unter Stickstoff bei einer maximalen Temperatur von 1320°C.

Es resultierte ein Bauteil mit einer Dichte von 99,5 % der theoretischen Materialdichte.

Beispiel 4

Als Pulver wurde ein Metallpulver des Typs HS-6-5-2 (Osprey M2) mit einer Korngröße < 150 &mgr;m eingesetzt. Das 3D-Printing-Verfahren wurde mit einer Prometall RTS-300-Anlage mit wasserlöslichem Acrylat als Binder durchgeführt. Die Schichtdicke betrug 177 &mgr;m, der Abstand der Druckbahnen (line spacing) lag bei 170 &mgr;m. Das Sintern wurde unter Stickstoff bei einer maximalen Temperatur von 1330°C durchgeführt.

Das resultierende Bauteil wies eine Dichte von 98,7 % der theoretischen Materialdichte und eine Härte von 51 HRC auf.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zur Herstellung komplexer hochfester Bauteile oder Werkzeuge aus metallischen Pulvern oder deren Mischungen durch

    A) schichtweisen und freiformenden Aufbau eines Grünkörpers, bei dem

    A1) das mindestens eine metallische Pulver oder deren Mischung in einem definierten Bereich aufgetragen

    wird, A2) das Pulver in einem ausgewählten Bereich mit einem Bindemittel gebunden wird, wobei die Schritte A1 und A2 so oft wiederholt werden bis aus den einzelnen Schichten der dreidimensionale Grünkörper aufgebaut ist und

    B) anschließendes Verdichten des Grünkörpers durch Sinterung in der ferritischen Phase und/oder Flüssigphasen-Sintern zum Bauteil oder Werkzeug.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als metallisches Pulver ein pulvermetallurgisches (PM) Stahlpulver verwendet wird.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulver eine mittlere Partikelgröße von 10 &mgr;m bis 100 &mgr;m aufweist.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindemittel ausgewählt ist aus der Gruppe der Polymere, Harze, Wachse, metallorganischen Verbindungen und Metallsalz-Lösungen.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der einzelnen Schichten im Bereich von 50 &mgr;m bis 200 &mgr;m liegt.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grünkörper eine Dichte im Bereich von 50 bis 70 % aufweist.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sinterung in Inertgas-, Wasserstoffatmosphäre oder Gemischen hiervon erfolgt.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sinterung im Vakuum oder unter vermindertem Partialdruck erfolgt.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass gleichzeitig mit der Sinterung oder im Anschluß an die Sinterung eine Wärmebehandlung erfolgt.
  10. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung ein Weich- oder Spannungsarmglühen oder ein Härten ist.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sinterung bis zur vollständigen Verdichtung unter Erhalt eines Bauteils oder Werkzeugs mit einer Dichte von mindestens 97 % durchgeführt wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Sinterung bis zu einer Dichte des Bauteils oder Werkzeugs von mindestens 85 % durchgeführt wird, um einen Porenabschluß des Bauteils oder Werkzeugs zu erreichen, und anschließend eine heißisostatische Nachverdichtung erfolgt.
  13. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zur Herstellung von Bauteilen und Werkzeugen.
  14. Verwendung nach Anspruch 13 zur Herstellung von Umform-, Spritzguss-, Druckguss-, Schneid- oder Zerspanungswerkzeugen.
  15. Verwendung nach Anspruch 15 zur Herstellung von Motor-, Getriebe- oder Turbinenbauteilen.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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