DE102007018123A1

DE102007018123A1 - Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils aus einer Aluminiumbasislegierung

Info

Publication number: DE102007018123A1
Application number: DE102007018123A
Authority: DE
Inventors: Frank Palm
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Apworks GmbH
Priority date: 2007-04-16
Filing date: 2007-04-16
Publication date: 2008-10-30
Anticipated expiration: 2027-04-17
Also published as: DE102007018123B4; WO2008125092A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Rapid-Prototyping-Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteiles aus einer Aluminiumbasislegierung, wobei ein Ausgangswerkstoff von einer Wärmequelle punktweise aufgeschmolzen und unmittelbar danach wieder erstarren gelassen wird, wobei als Ausgangswerkstoff eine Aluminium-Scandium-Legierung mit einem Scandium(Sc)-Anteil von mindestens 0,4 Gew.-% verwendet wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils aus einer Aluminiumbasislegierung mittels Rapid-Prototyping, wobei ein Ausgangswerkstoff von einer Wärmequelle lokal aufgeschmolzen wird und unmittelbar danach wieder schnell erstarrt, um somit lagenweise ein Bauteil mit gewünschter Endkontur aufzubauen.
Erfindungsgemäß wird als Ausgangswerkstoff eine Aluminium-Scandium-Legierung für die Herstellung sogenannter „Rapid-Prototyping (RP)"-Bauteile verwendet. Darunter sind solche Bauteile zu verstehen, die 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 – „direkt metal sintering" (DMS), „powder metal sintering", „laser assisted metal sintering, „fusing" oder „near net shaping", „solid free form fabrication (SF³)" 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.
Überall, wo sehr schnell oder unter hohem Zeitdruck Unikate bzw. hoch belastbare Bauteile für eine (Neu)Konstruktion gebraucht werden, sind solche direkten Produktgenerierungsverfahren von sehr großem Interesse. Neben Neukonstruktionen sind aber auch Reparaturen, oftmals sehr alter Bauteile, für welche keinerlei Fertigungs- und Vorrichtungsmittel mehr existieren, für die oben beschriebenen RP-Methoden ausgesprochen wichtig, da sonst schnelle und kostengünstige Reparaturen solcher Bauteile oder Komponenten nicht möglich wären.
Den oben genannten RP-Verfahren ist gemein, dass der Bauteil- bzw. RP-Werkstoff durch eine, in der Regel von einem CNC-Programm gesteuerten 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 global betrachtet eine Gussstruktur, welche jedoch durch die hohe örtlich wirkende Abkühlgeschwindigkeit viel feinkörniger ist, als die Gussstruktur, die man in komplett in einem Durchgang gegossenen Bauteilen finden würde.
Seit Mitte der 90-iger Jahre des letzten Jahrhunderts wird intensiv an der Methode des „direkten Aufbaus" von metallischen Strukturen durch das lokale Aufschmelzen und Erstarren eines Ausgangswerkstoffes gearbeitet. So hat die Firma AEROMET (Minnesota, USA) mittels CO₂-Laser und der Zugabe von Titan-Legierungspulver rechnergestützt Bauteil für den Flugzeugbau hergestellt. Diese prinzipielle Vorgehensweise wurde von vielen anderen Firmen nachvollzogen, wobei einzelne Elemente des Prozesses verändert wurden.
Des Weiteren ist bekannt, dass in der Kunststoff-Spritzgusstechnik die Spritzformen aus legiertem Stahl, gerade zu Beginn in der schwierigen Prototypenphase, oftmals ebenfalls direkt aus Stahlpulvern (mit Hilfe eines Laserstrahls) aufgebaut (gesintert) werden, um schnell erste Tests ausführen zu können. Hier tummelt sich mittlerweile eine Vielzahl von Firmen bzw. Anwendern auf dem Markt, welche als Anlagentechnik zum Teil Eigenkonstruktionen benutzen oder auch kommerziell verfügbare Systemen kaufen.
Die Anwendung des direkten Laser-Sinterns (DLS) auf hoch belastete Bauteile aus Al-Legierungen steckt noch in den Anfängen. Einerseits ist die Verfahrenstechnik schwierig (wie vom Schweißen her bekannt, neigen Al-Legierungen unerwünschterweise zur Poren- als auch zur Erstarrungsheißrissbildung, wodurch Legierungsauswahl und Prozessfenster eingegrenzt sind), andererseits sind die Festigkeitseigenschaften nicht ausreichend, um eine Substitution eines hoch belasteten Standardbauteils (z. B. aus dem Vollen gefrässt) zuzulassen.
So erfordern beispielsweise Al-Motorkomponenten (in Standardmotoren, aber auch im Motorsport), gefertigt über eine etablierte Prozesskette (Gießen, Schmieden und Zerspanen oder als reine Gussbauteile), Festigkeitsprofile von 250 MPa < Rm < 350 MPa, 150 MPa < Rpo,2 < 300 MPa und 3% < A5 < 10%. Zur Erfüllung solcher Forderungen sind werkstofftechnisch mehrere Schritte, beginnend mit dem Abguss, einer Löseglühung bei einer Temperatur größer 450°C, gefolgt vom Abschrecken in Wasser, was bekanntlich Verzugsprobleme mit sich bringt, und einer nachträglichen Warmauslagerung nötig.
Im Motorbau, aber auch für andere Komponenten, werden seit vielen Jahren vorzugsweise AlSi7-12Mgxyz-Legierungen verwendet. Würde man diese Werkstoffe in Form von Pulver oder Draht zur direkten Bauteilgenerierung einsetzen (dies geschieht bisweilen), so lägen die erzielbaren Festigkeiten mit Rm < 250 MPa und Rpo,2 < 150 MPa sowie einer Dehnung < 10% so niedrig, dass ein direkter Einsatz im angestrebten Produkt nicht sinnvoll erscheint. Auch eine anschließende Warmauslagerung in einem Temperaturbereich von 100°C bis 250°C würde die Festigkeitseigenschaften nur unwesentlich verbessern.
Einzig die schon zuvor angesprochene komplette Fertigungskette (Löseglühung, Abschrecken etc.) würde die Festigkeit deutlich verbessern.
Andere Al-Werkstoffsysteme, die bisweilen zur Herstellung von Gussbauteilen verwendet werden, wie zum Beispiel AlZnMgxyz- oder AlCuxyz-Legierungen, eignen sich ebenfalls nur bedingt zum direkten Generieren von Bauteilen, da ihre Festigkeitseigenschaften aus konstruktiver Sicht unbefriedigend sind. Sie sind zudem korrosionsempfindlich und haben generell eine große Neigung zur Bildung von Erstarrungsheißrissen.
Somit besteht der Nachteil der bisher bekannten RP-Verfahren darin, dass die erreichbare Festigkeit der geschaffenen Strukturbauteile im Regelfall nicht ausreichend ist, um die entstandenen Strukturbauteile unmittelbar ihrer Verwertung zuführen zu können. Vielmehr müssen die Strukturbauteile meist einem Lösungsglühen – je nach Legierungszusammensetzung (Temperaturen höher als 450°C) – einem nachfolgenden Abschrecken und einer nachträglichen Warmauslagerung unterzogen werden, um Gefüge zu erreichen, die die geforderten Festigkeitseigenschaften aufweisen. Besonders beim Abschrecken tritt dann aber das Problem des Verzugs (und ungleichmäßig verteilter Eigenspannungen) auf, wodurch das Verfahren, dessen Ziel ja darin besteht, unmittelbar konturtreue Bauteile zu erhalten, infragegestellt wird.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht demnach darin, ein Verfahren zur Herstellung von konturgetreuen Strukturbauteilen aus Aluminiumbasislegierung anzugeben, mit dem Festigkeitseigenschaften erzielbar sind, die eine direkte bestimmungsgemäße Verwendung des generierten Strukturbauteils zulassen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass in einem RP-Prozess, wobei ein Ausgangstoff aufgeschmolzen wird und unmittelbar danach wieder schnell erstarrt, um ein Bauteil mit gewünschter Endkontur lagenweise aufzubauen, als Ausgangswerkstoff eine Aluminium-Scandium-Legierung verwendet wird, 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.-%.
Es hat sich gezeigt, dass erfindungsgemäß hergestellte Strukturbauteile aus Aluminium-Scandium-Ausgangswerkstoffen oder Aluminium-Magnesium-Scandium-Ausgangswerkstoffen der voranstehend spezifizierten Zusammensetzung hervorragende Materialeigenschaften aufweist, die ein direktes Verwenden des generierten Strukturbauteils zulassen. Die inhärent hohen Abkühlgeschwindigkeiten des RP-Verfahrens ermöglichen es, hohe Festigkeiten, hohe Streckgrenzen, hervorragendes Korrosionsverhalten sowie eine sehr gute Schweißbarkeit zu erzielen. Erfindungsgemäß hergestellte RP-Strukturbauteile weisen typischerweise eine Zugfestigkeit (Rm) von mehr als 300 MPa und eine Streckgrenze (Rpo.2) von mehr als 200 MPa sowie eine Bruchdehnung (A5) von über 10% auf.
Zwar sind aus dem Stand der Technik Aluminiumwerkstoffsysteme mit Scandium und Magnesium bekannt (vergleiche US 3 619 181 , DE 100 248 594 A1 , US 625831881 ), jedoch werden die dort offenbarten Aluminiumwerkstoffsysteme mit Scandium bzw. Magnesium nur für Standardbleche verwendet. Ein Hinweis zur Verwendung solcher Werkstoffsysteme im Zusammenhang mit der direkten Bauteilgenerierung mittels Rapid-Prototyping-Verfahren, wie zum Beispiel dem direkten Metallsintern, findet sich nicht. Im Gegensatz dazu wird im Stand der Technik (vergleiche EP 0 918 095 A1 oder auch US 6 139 653 ) nur offenbart, Aluminium-Scandium-Werkstoffsysteme oder Aluminium-Magnesium-Scandium-Werkstoffsysteme für Feinguss oder auch Walzverfahren zu verwenden. Der entscheidende Vorteil, der durch die erfindungsgemäße Anwendung solcher an sich bekannten Werkstoffsysteme entsteht, ergibt sich durch die Kombination dieser Werkstoffsysteme mit dem RP-Verfahren und macht auf diese Weise das direkte Metallsintern von hochbelastbaren Strukturbauteilen aus Aluminiumlegierung möglich. Dabei wird auch der Umstand genutzt, dass das Aufschmelzen des Ausgangswerkstoffs gefolgt wird von einer Erstarrung mit nachfolgender schneller Abkühlung, auf Temperaturen < 350°C, 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 werden, dass gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung, dem Ausgangswerkstoff solche zusätzlichen 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 Al₃X), die zur Gefügeausbildung, thermo-mechanischen Gefügestabilisierung und Festigkeitssteigerung verwendet werden. Typischerweise liegt der Anteil dieser Disersoide 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 Verunreinigungen 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 AlMgSc 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 Laserstahl, einen Elektronenstrahl oder einen Lichtbogen. Es kann aber auch eine chemische, exotherme Reaktion verwendet werden, oder der Ausgangswerkstoff wird kapazitiv, konduktiv 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 Tliquidus – T350°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 Al(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 aufgeschmolzenen 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 typischenweise bei Temperaturen zwischen 100°C und 400°C für eine Dauer von 10 min bis 100 h erfolgen (z. B. 250°C–400°C/10 min–100 h oder 300°C–350°C/1 h–10 h). Besonders bevorzugt erfolgt die nachträglich Wärmebehandlung im Temperaturintervall von 250°C bis 400°C, für eine Dauer, die die Bildung kohärenter Al₃Sc-Phasen bewirkt. D. h., durch die nachträgliche Wärmebehandlung ist eine zusätzliche, signifikante Verfestigung des Al(Mg)Sc-Materials (im RP-Bauteil) durch eine so genannte Ausscheidungshärtung über die Bildung kohärenter Al₃Sc-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 werden.
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°C–250°C für eine Dauer von 10 min bis 100 h unterzogen werden.
Beispiel:
Zum Nachweis des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der Vorteile eines damit hergestellten RP-Strukturbauteils, wurde folgender Versuch durchgeführt:
Mittels eines fokussierten Nd-YAG Laserstrahls (Laserleistung: 3000 Watt, Fokussierung: 150 mm, Fokusdurchmesser: 300 μm) wurde ein AlMg4,6Sc1,4-Draht (Durchmesser 1,0 mm, Fördervolumen 7 m/min, Prozessgeschwindigkeit 2m/min) aufgeschmolzen, um so direkt ein blockförmiges Bauteil zu generieren. Als Substrat, und damit gleichzeitig als Wärmesenke, wurde ein 20 mm dicker und 100 × 300 mm großer Block aus der Legierung AlMg5,2MnZnZr verwendet. Auf dieses Substrat wurde das AlMgSc-Bauteil zeilenförmig aufgebaut bis es eine Größe von 150 × 50 × 5 mm besaß. Eine zusätzliche Kühlung wurde nicht genutzt. Schließlich wurde das AlMgSc-Bauteil vom Substrat entfernt und dessen Eigenschaften metallkundlich bewertet. Aus dem RP-Bauteil wurden Zugproben in Anlehnung an EN 10 002 entnommen. Folgende Kennwerte wurden ermittelt:

a) Zugfestigkeit im direkt generierten Werkstoff zustand (Mittelwert aus 2 Messungen): Rm = 346 MPa Rpo,2 = 257 MPa A5 = 12%
b) Zugfestigkeit im direkt generierten Werkstoffzustand mit anschließender Wärmebehandlung 300°C/5 Std. (Mittelwert aus 2 Messungen): Rm = 450 MPa Rpo,2 = 400 MPa A5 = 5%

Diese Kennwerte sind deshalb besonders überraschend, da die metallografische Beurteilung des RP-Bauteilgefüges zeigte, dass die Querschnittsflächen der Zugproben durch einen Porenanteil von 5–10% massiv geschwächt waren. Bei einem porenfreien Querschnitt ist also eine noch höhere Zugfestigkeit zu erwarten.
Die Festigkeitswerte zeigen, dass ein RP-Bauteil aus AlMgSc-Werkstoff durchaus unmittelbar als hoch belastetes Strukturbauteil verwendbar oder in eine hochbelastete Struktur integrierbar ist. Des Weiteren liegen die ermittelten Kennwerte (insbesondere mit Wärmenachbehandlung) erheblich über den Festigkeiten von bisher direkt generierten Al-Bauteilen. Es werden sogar die Festigkeiten klassisch hergestellter Gusskomponenten (z. B. Feinguss mit kompletter herkömmlicher Prozesskette zur Erzielung bester Werkstoffkennwerte Rm = 300–400 MPa) deutlich überschritten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 3619181 [0017]
- DE 100248594 A1 [0017]
- US 625831881 [0017]
- EP 0918095 A1 [0017]
- US 6139653 [0017]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- EN 10 002 [0028]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils aus einer Aluminiumbasislegierung mittels Rapid-Prototyping, wobei ein Ausgangswerkstoff von einer Wärmequelle lokal aufgeschmolzen wird und unmittelbar danach wieder erstarrt, dadurch gekennzeichnet, dass als Ausgangswerkstoff eine Aluminium-Scandium-Legierung verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aluminium-ckandium-Legierung verwendete wird, die einen Scandium (Sc)-Anteil von mindestens 0,4 Gew.-% enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aluminium-Scandium-Legierung verwendete wird, die einen Scandium (Sc)-Anteil von 0,41 Gew.-% bis 2,0 Gew.-% enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aluminium-Scandium-Legierung verwendete wird, die einen Scandium (Sc)-Anteil von 0,8 Gew.-% bis 1,4 Gew.-% enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aluminium-Scandium-Legierung verwendet wird, der ein Magnesium (Mg)-Anteil von 2,0 Gew.-% bis 10,0 Gew.-% zulegiert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aluminium-Scandium-Legierung verwendet wird, der ein Magnesium (Mg)-Anteil von 3,0 Gew.-% bis 6,0 Gew.-% zulegiert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aluminium-Scandium-Legierung verwendet wird, der ein Magnesium (Mg)-Anteil von 4,0 Gew.-% bis 5,0 Gew.-% zulegiert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche Anspruch 5–7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aluminium-Magnesium-Scandium Legierung verwendet wird, die mindestens ein weiteres Legierungselemente der Gruppe bestehend aus Zn, Cu, Mn, Si, Li, Ag und Fe enthält, mit einem Anteil von 0,05 Gew-% bis 2,0 Gew.-% pro Element.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgangswerkstoff verwendet wird, dem zusätzlich solche Legierungselemente zugefügt sind, die sich zu Scandium (Sc) komplementär oder substitutiv verhalten, insbesondere Zr, Ti, Ta, Hf, Y, Er, wobei ihr Anteil in dem Ausgangswerkstoff einzeln 2,0 Gew.-% und in Summe 3,0 Gew.-% nicht überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgangswerkstoff verwendet wird, bei dem der Anteil der zu Scandium (Sc) kompatiblen Elemente in Summe einen Gehalt von 0,8 Gew.-% nicht überschreitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–9, dadurch gekennzeichnet, dass dem Ausgangswerkstoff vor oder während des Rapid-Prototyping-Prozesses weitere Beimengungen aus metallischen oder nichtmetallischen Materialien zugesetzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–11, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangswerkstoff in Pulver- oder Drahtform vorliegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–11, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangswerkstoff als gesintertes, gegossenes oder extrudiertes Formteil vorliegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–13, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufschmelzen des Ausgangswerkstoffes ein Laserstahl, ein Elektronenstrahl oder ein Lichtbogen verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–13, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufschmelzen des Ausgangswerkstoffes eine chemische exotherme Reaktion verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–13, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangswerkstoff kapazitiv, konduktiv oder induktiv erwärmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–13, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erwärmung des Ausgangsstoffes eine beliebige Kombination der Methoden gemäß den Ansprüchen 14–16 verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–17, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlung des aufgeschmolzenen Ausgangswerkstoffs im Temperaturintervall Tliquidus – T350°C mit einer Abkühlrate größer als 100 K/sec erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–18, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlrate des aufgeschmolzenen Ausgangswerkstoffes durch eine zusätzliche Kühlung erhöht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–19, dadurch gekennzeichnet, dass die Erstarrung und Abkühlung des aufgeschmolzenen Ausgangswerkstoffes unter Schutzgas oder im Vakuum stattfindet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–20, dadurch gekennzeichnet, dass das aus dem Ausgangswerkstoff hergestellte Strukturbauteil einer nachträglichen Wärmebehandlung bei Temperaturen zwischen 100°C und 400°C für eine Dauer von 10 min bis 100 h unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die nachträglich Wärmebehandlung im Temperaturintervall von 250°C–400°C erfolgt, für eine Dauer, die die Bildung kohärenter Al₃Sc-Phasen bewirkt.
Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass die nachträgliche Wärmebehandlung in mehreren Stufen und/oder Schritten ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 21, 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturbauteil nach der nachträglichen Wärmebehandlung einer Schnellabkühlung auf Raumtemperatur unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Schnellabkühlung eine weitere Warmauslagerung im Temperaturbereich 100°C–250°C für eine Dauer von 10 min bis 100 h erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–25, dadurch gekennzeichnet, dass auf einem blockförmigen Basissubstrat aus einer Aluminium-Magnesium-Legierung ein drahtförmiges Ausgangsmaterial der Beschaffenheit AlMg4,6Sc1,4 mittels eines Laserstrahls zeilenweise aufgeschmolzen und abgekühlt wird und so ein AlMgSc-Strukturbauteil erzeugt wird.