WO1998052709A2 - Verfahren und pulver zur herstellung metallischer funktionsmuste mittels lasersintern - Google Patents

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    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the invention relates to a method for producing metallic functional models according to the preamble of claim 1. It also relates to a powder for producing metallic functional models according to the preamble of claim 11.
  • Such a method and powder are known from WO 96/09132.
  • a powder formed from at least 3 components is used to produce metallic functional samples with the highest possible dimensional stability.
  • the powder is sintered by means of laser sintering in a gas atmosphere which contains a metal of the iron group as a chemical component.
  • the process of laser sintering e.g. described in EP 0 714 725.
  • the known method requires the use of a powder formed from at least 3 components.
  • the sintering process is complex because of the requirement for a special gas atmosphere containing chemical reaction components.
  • the functional models produced are expensive.
  • the object of the present invention is to provide a method and a powder with which the disadvantages of the prior art are overcome.
  • a simplified method for producing functional models that are as dimensionally accurate as possible by means of laser sintering is to be specified.
  • a powder is to be provided which ensures simple production of functional samples that are as dimensionally stable as possible.
  • the second component in step lit. c is converted into a second phase or a second phase mixture whose specific volume is greater than that of the first phase or of the first phase mixture.
  • the first component of the powder is advantageously formed from steel, it being possible for the steel to have the composition X38CrMoV51.
  • the steel is lit. b essentially free of martensite. After step lit. b he can partly in Mar tensite can be converted.
  • steel is particularly suitable as a scaffold for the functional model. By converting to martensite after step lit. b an increase in the specific volume is caused. This can compensate for a loss of dimensionality.
  • the second component of the powder is a copper alloy, a CuSn20, CuSnl6.7, or CuSn23 alloy being expediently used.
  • This copper alloy is preferably before step lit. b predominantly as an ⁇ mixed crystal.
  • Such a copper alloy containing an ⁇ mixed crystal is expediently produced by powder atomization at a quenching rate of 10 * to 10 5 K / s.
  • the ⁇ mixed crystal has a particularly low specific volume.
  • the copper alloy is advantageously in step lit. c to a large extent converted into a ⁇ mixed crystal.
  • the ⁇ mixed crystal has a significantly larger specific volume than the ⁇ mixed crystal.
  • the resulting increase in volume during laser sintering compensates for a shrinkage of the functional pattern which affects the dimensional accuracy.
  • Functional patterns of high dimensional accuracy can be produced in a simple manner.
  • the powder is lit. b flushed with protective gas, preferably with argon, this further increases the dimensional accuracy of the functional patterns produced.
  • a powder is also provided in which the second component can be converted into a second phase or a second phase mixture by heating the powder by means of laser radiation, the specific volume or volume of which is greater than that of the first phase or the first phase mixture. is mixed.
  • Extremely dimensionally stable functional samples can be produced using the powder according to the invention. A special gas atmosphere containing at least one chemical compound of an iron group metal is not necessary for this.
  • the powder according to the invention can consist of only two components. Functional samples can thus be produced easily and inexpensively.
  • the proportion of the first component is in the range between 20 and 80% by weight, preferably 40 to 60% by weight.
  • the grain sizes of the first component can be in the range between 10 and 120 ⁇ m, preferably between 30 and 70 ⁇ m; the grain sizes of the second component can be in the range between 1 and 100 ⁇ m, preferably between 5 and 35 ⁇ m.
  • a first component of a powder according to the invention consists of 50% by weight of steel with the composition X38CrMoV51.
  • the average grain size of the powder particles produced from the first component is approximately 50 ⁇ m.
  • a second component is also present in a proportion of 50% by weight. It consists of a CuSn20 alloy, which is predominantly formed from a ⁇ -phase-free mixed crystal.
  • the the second component is present in the powder, for example, as ⁇ -, ⁇ + ß or also ⁇ + ⁇ mixed crystal.
  • Their average grain size is about 25 ⁇ m.
  • a mixture of two grain size fractions with different average grain sizes can also be used here. This enables a higher bulk density of the powder.
  • Such copper phases can also be used as the second component.
  • Such copper phases generally have a low specific volume. Their geometric volume is usually less than 1.0 nm 3 .
  • the following table provides an overview of other suitable copper phases.
  • the geometric volume of the ⁇ -phase-containing cubic mixed crystals is over 5.0 nm 3 .
  • the phase change caused by laser sintering causes the volume of the second component to expand.
  • the volume of the first component can also experience a volume increase in laser sintering if largely martensite-free steel is used as the first component. The increase in volume compensates for the shrinkage of the functional pattern that occurs during laser sintering. At the same time, the surface quality of the functional pattern and its mechanical strength are improved.
  • copper alloy instead of the copper alloy, other suitable alloys can be used which form a first phase, which can be converted into a second phase with a larger specific or geometric volume by means of heating by laser radiation. Copper / silicon alloys and silicon have proven to be suitable.
  • the dimensional accuracy of the functional sample, its surface quality and mechanical strength can be optimized depending on the respective geometric shape. This is carried out by measures familiar to the person skilled in the art, such as the selection of a suitable copper alloy, the setting of the mixing ratio between the first and second components, the selection of suitable powder particle sizes for the first and second components and, if appropriate, the addition of non-metallic further components.
  • the choice of a suitable protective gas atmosphere also influences the quality of the functional pattern. To be advantageous, it has been found during the laser sintering to flow around the pul ver ⁇ with a protective gas, in particular argon.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung metallischer Funktionsmuster umfassend die folgenden Schritte: a) schichtweises Auftragen eines aus mehreren metallischen Komponenten gebildeten Pulvers auf einen Untergrund, wobei eine erste Komponente einen höheren Schmelzpunkt als eine zweite Komponente aufweist und die zweite Komponente in einer ersten Phase oder einem ersten Phasengemisch vorliegt, b) Erhitzen des Pulvers mittels Laserstrahlung, so daß die zweite Komponente zumindest teilweise aufschmilzt und die erste Komponente benetzt, c) Abkühlen, so daß das Pulver verfestigt wird. Zur Kompensation eines beim Lasersintern auftretenden Schwunds wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die zweite Komponente beim Schritt lit. c) in eine zweite Phase oder ein zweites Phasengemisch umgewandelt wird, deren bzw. dessen spezifisches Volumen größer als das der ersten Phase bzw. des ersten Phasengemischs ist.

Description

Verfahren und Pulver zur Herstellung metallischer Funktionsmuster
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung metallischer Funktionsmuster nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie betrifft ferner ein Pulver zur Herstellung metallischer Funktionsmuster nach dem Oberbegriff des Anspruchs 11.
Ein solches Verfahren und Pulver sind aus der WO 96/09132 bekannt. Dabei wird zur Herstellung metallischer Funktionsmuster möglichst hoher Maßhaltigkeit ein aus mindestens 3 Komponenten gebildetes Pulver eingesetzt. Das Pulver wird mittels Lasersintern in einer Gasatmosphäre gesintert, die als chemischen Bestandteil ein Metall der Eisengruppe enthält. Das Verfahren des Lasersinterns z.B. in der EP 0 714 725 beschrieben.
Das bekannte Verfahren erfordert den Einsatz eines mindestens aus 3 Komponenten gebildeten Pulvers. Der Sinterprozeß ist wegen des Erfordernisses einer besonderen, chemische Reaktionsbestandteile enthaltenden Gasatmosphäre aufwendig. Die hergestellten Funktionsmuster sind teuer.
Aus der WO 92/10343 ist es bekannt, ein aus zwei Metallen bestehendes Pulver zum Lasersintern zu verwenden. Dabei ist ein erstes Metall aufgrund seines hohen Schmelzpunkts für sich genommen mittels eines Laserstrahls nicht sinterbar. Um das erste Metall dennoch dem Lasersinterverfahren zugänglich zu machen, wird dem Pulver eine zweites niedrigschmelzendes Me¬ tall beigmischt, welches mittels eines Laserstahls aufschmelzbar und in der Lage ist, mit dem ersten Metall einen Mischkristall zu bilden. - Nachteiligerweise sind die nach diesem Verfahren hergestellten Funktionsmuster infolge eines beim Abkühlen auftretenden Volumenschwunds nicht ausreichend maßhaltig.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und ein Pulver anzugeben, mit denen die Nachteile nach dem Stand der Technik überwunden werden. Es soll insbesondere ein vereinfachtes Verfahren zur Herstellung möglichst maßhaltiger Funktionsmuster mittels Lasersintern angegeben werden. Ferner soll ein Pulver bereitgestellt werden, das eine einfache Herstellung möglichst maßhaltiger Funktionsmuster gewährleistet.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 11 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 10 und 12 bis 22.
Nach der verfahrensseitigen Maßgabe der Erfindung ist vorgesehen, daß die zweite Komponente beim Schritt lit. c in eine zweite Phase oder ein zweites Phasengemisch umgewandelt wird, deren bzw. dessen spezifisches Volumen größer als das der ersten Phase bzw. des ersten Phasengemischs ist. - Mit dem vorgeschlagenen Verfahren ist es möglich, auf eine besondere, mindestens eine chemische Verbindung eines Eisengruppenmetalls enthaltende Gasatmosphäre zu verzichten. Ferner kann das Pulver aus lediglich zwei Komponenten hergestellt sein. Die Herstellung metallischer Funktionsmuster wird dadurch vereinfacht und verbilligt.
Vorteilhafterweise ist die erste Komponente des Pulvers aus Stahl gebildet, wobei der Stahl die Zusammensetzung X38CrMoV51 haben kann. Nach einem Ausgestaltungsmerkmal ist der Stahl vor dem Schritt lit. b im wesentlichen frei von Martensit. Nach dem Schritt lit. b kann er zum Teil in Mar- tensit umgewandelt werden. - Als hochschmelzende Komponente eignet sich Stahl besonders gut als Gerüstbildner für das Funktionsmuster. Durch die Umwandlung in Martensit nach dem Schritt lit. b wird eine Vergrößerung des spezifischen Volu- mens hervorgerufen. Dadurch kann ein die Maßhaltigkeit beeinträchtigender Schwund kompensiert werden.
Nach einem weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsmerkmal ist die zweite Komponente des Pulvers eine Kupferlegierung, wobei zweckmäßigerweise eine CuSn20-, CuSnl6,7,- oder CuSn23- Legierung eingesetzt wird. Diese Kupferlegierung liegt vorzugsweise vor dem Schritt lit. b zu einem überwiegenden Anteil als α-Mischkristall vor. Eine derartige einen α- Mischkristall enthaltende Kupferlegierung wird zweckmäßiger- weise mittels Pulververdüsung bei einer Abschreckrate von 10* bis 105 K/s hergestellt. Der α-Mischkristall weist ein besonders geringes spezifisches Volumen auf.
Die Kupferlegierung wird vorteilhafterweise beim Schritt lit. c zu einem überwiegenden Anteil in einen δ-Mischkristall umgewandelt. Der δ-Mischkristall weist ein deutlich größeres spezifisches Volumen als der α-Mischkristall auf. Durch die beim Lasersintern damit hervorgerufene Volumenzunahme wird ein die Maßhaltigkeit beeinträchtigender Schwund des Funkti- onsmusters kompensiert. Es können auf einfache Weise Funktionsmusters hoher Maßhaltigkeit hergestellt werden.
Nach einem weiteren Ausgestaltungsmerkmal wird das Pulver beim Schritt lit. b mit Schutzgas, vorzugsweise mit Argon, umspült, das erhöht weiter die Maßhaltigkeit der hergestell¬ ten Funktionsmuster. Erfindungsgemäß ist des weiteren ein Pulver vorgesehen, bei dem die zweite Komponente durch Erhitzen des Pulvers mittels Laserstrahlung in eine zweite Phase oder ein zweites Phasengemisch umwandelbar ist, deren bzw. dessen spezifisches Volu- en größer als das der ersten Phase bzw. des ersten Phasenge- mischs ist. - Mittels des erfindungsgemäßen Pulvers können äußerst maßhaltige Funktionsmuster hergestellt werden. Eine besondere, mindestens eine chemische Verbindung eines Eisengruppenmetalls enthaltende Gasatmosphäre ist dazu nicht er- forderlich. Das erfindungsgemäße Pulver kann aus nur zwei Komponenten bestehen. Funktionsmuster sind damit einfach und kostengünstig herstellbar.
Neben den im Zusammenhang mit dem Verfahren beschriebenen Ausgestaltungsmerkmalen hat es sich hinsichtlich der Pulverzusammensetzung außerdem als vorteilhaft erwiesen, daß der Anteil der ersten Komponente im Bereich zwischen 20 und 80 Gew.%, vorzugsweise 40 bis 60 Gew.%, liegt. Die Korngrößen der ersten Komponente können im Bereich zwischen 10 und 120 um, vorzugsweise zwischen 30 und 70 um, liegen; die Korngrößen der zweiten Komponente können im Bereich zwischen 1 und 100 μm, vorzugsweise zwischen 5 und 35 um, liegen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden an- hand des nachfolgenden Ausführungsbeispiels beschrieben.
Eine erste Komponente eines erfindungsgemäßen Pulvers besteht zu 50 Gew.% aus Stahl der Zusammensetzung X38CrMoV51. Die mittlere Korngröße der aus der ersten Komponente hergestell- ten Pulverpartikel beträgt etwa 50μm. Eine zweite Komponente liegt ebenfalls in einem Anteil von 50 Gew.% vor. Sie besteht aus einer CuSn20-Legierung, die zu einem überwiegenden Anteil aus einem δ-phasenfreien Mischkristall gebildet ist. Die zweite Komponente liegt im Pulver z.B. als α-, α + ß oder auch α + ε-Mischkristall vor. Deren mittlere Korngröße beträgt etwa 25μm. Es kann hier auch ein Gemisch von zwei Korngrößenfraktionen mit unterschiedlicher mittlerer Korngröße verwendet werden. Das ermöglicht eine höhere Schüttdichte des Pulvers .
Statt der vorgenannten zweiten Komponente können auch andere Kuperphasen als zweite Komponente eingesetzt werden. Solche Kupferphasen weisen in der Regel ein geringes spezifisches Volumen auf. Deren geometrisches Volumen beträgt üblicherweise weniger als 1,0 nm3. Die nachfolgende Tabelle gibt einen Überblick über weitere geeignete Kupferphasen.
Figure imgf000007_0001
Das geometrische Volumen der δ-phasenhaltigen kubischen Mischkristalle liegt über 5, 0 nm3. Durch die beim Lasersintern hervorgerufene Phasenumwandlung wird eine Ausdehnung des Volumens der zweiten Komponente hervorgerufen. Auch das Volu- men der ersten Komponente kann beim Lasersintern eine Volumenzunahme erfahren, wenn als erste Komponente weitgehend martensitfreier Stahl eingesetzt wird. Durch die Volumenzunahmen wird der beim Lasersintern auftretende Schwund des Funktionsmusters kompensiert. Gleichzeitig wird die Oberflä- chenqualität des Funktionsmusters und dessen mechanische Festigkeit verbessert.
Anstatt der Kupferlegierung können auch andere geeignete Legierungen Verwendung finden, die eine erste Phase bilden, die mittels Erwärmung durch Laserstrahlung in eine zweite Phase mit einem größeren spezifischen bzw. geometrischen Volumen umwandelbar ist. Als geeignet haben sich Kupfer/Siliziumlegierungen und Silizium erwiesen.
Die Maßhaltigkeit des Funktionsmusters, deren Oberflächengüte und mechanische Festigkeit kann in Abhängigkeit der jeweiligen geometrischen Form optimiert werden. Das erfolgt durch den Fachmann geläufige Maßnahmen, wie die Wahl einer geeigneten Kupferlegierung, der Einstellung des Mischungsverhältnis- ses zwischen erster und zweiter Komponente, der Wahl geeigneter Pulverpartikelgrößen für die erste und zweite Komponente und ggf. der Beimischung nichtmetallischer weiterer Komponenten. Auch die Wahl einer geeigneten Schutzgasatmosphäre hat Einfluß auf die Qualität des Funktionsmusters. Als vorteil- haft hat es sich erwiesen, während des Lasersinterns das Pul¬ ver mit einem Schutzgas, insbesondere mit Argon, zu umspülen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung metallischer Funktionsmuster umfassend die folgenden Schritte:
a) Schichtweises Auftragen eines aus mehreren metallischen Komponenten gebildeten Pulvers auf einen Untergrund,
wobei eine erste Komponente einen höheren Schmelzpunkt als eine zweite Komponente aufweist und die zweite Komponente in einer ersten Phase oder einem ersten Phasengemisch vorliegt,
b) Erhitzen des Pulvers mittels Laserstrahlung, so daß die zweite Komponente zumindest teilweise aufschmilzt und die erste Komponente benetzt,
c) Abkühlen, so daß das Pulver verfestigt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß
die zweite Komponente beim Schritt lit. c in eine zweite Phase oder ein zweites Phasengemisch umgewandelt wird, deren bzw. dessen spezifisches Volumen größer als das der ersten Phase bzw. des ersten Phasengemischs ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Komponente des Pulvers aus Stahl gebildet ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Stahl die Zusammen¬ setzung X38CrMoV51 hat.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Stahl vor dem Schritt lit. b im wesentlichen frei von Martensit ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Stahl nach dem Schritt lit. b zum Teil in Martensit umgewandelt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Komponente des Pulvers eine Kupferlegierung ist .
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kupferlegierung eine CuSn20-, CuSnl6,7- oder CuSn23- Legierung ist.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kupferlegierung vor dem Schritt lit. b zu einem überwiegenden Anteil aus einem, vorzugsweise mit einer Ab- schreckrate von 102 bis 105 K/s hergestellten, δ- phasenfreien Mischkristall gebildet ist.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kupferlegierung beim Schritt lit. c zu einem überwie- genden Anteil in einen δ-Mischkristall umgewandelt wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Pulver beim Schritt lit. b mit Schutzgas, vorzugswei¬ se mit Argon, umspült wird.
11. Pulver zur Herstellung metallischer Funktionsmuster mit¬ tels Lasersintern mit mindestens zwei metallischen Kompo¬ nenten, wobei eine erste Komponente einen höheren Schmelzpunkt als eine zweite Komponente aufweist und die zweite Komponente in einer ersten Phase oder einem ersten Phasengemisch vorliegt, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Komponente durch Erhitzen des Pulvers mittels Laserstrahlung in eine zweite Phase oder ein zweites Pha- sengemisch umwandelbar ist, deren bzw. dessen spezifisches Volumen größer als das der ersten Phase bzw. des ersten Phasengemischs ist.
12. Pulver nach Anspruch 11, wobei dessen erste Komponente aus Stahl gebildet ist.
13. Pulver nach Anspruch 11 oder 12, wobei der Stahl die Zusammensetzung X38CrMoV51 hat.
14. Pulver nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei der Stahl im wesentlichen frei von Martensit ist.
15. Pulver nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei der Stahl nach dem Erhitzen zum Teil als Martensit vorliegt.
16. Pulver nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei die zweite Komponente eine Kupferlegierung ist.
17. Pulver nach einem der Ansprüche 11 bis 16, wobei die Kupferlegierung eine CuSn20-, CuSnl6,7- oder CuSn23- Legierung ist.
18. Pulver nach einem der Ansprüche 11 bis 17, wobei die Kup¬ ferlegierung zu einem überwiegenden Anteil aus einem, vorzugsweise mit einer Abschreckrate von 102 bis 105 K/s hergestellten, δ-phasefreien Mischkristall gebildet ist.
19. Pulver nach einem der Ansprüche 11 bis 18, wobei die zweite Phase oder das zweite Phasengemisch zu einem über¬ wiegenden Anteil als δ-Mischkristall vorliegt.
20. Pulver nach einem der Ansprüche 11 bis 19, wobei der Anteil der ersten Komponente im Bereich zwischen 20 und 80 Gew.%, vorzugsweise 40 bis 60 Gew.%, beträgt.
21. Pulver nach einem der Ansprüche 11 bis 20, wobei die Korngrößen der ersten Komponente im Bereich zwischen 10 und 120 μm, vorzugsweise zwischen 30 und 70 μm, liegen.
22. Pulver nach einem der Ansprüche 11 bis 21, wobei die Korngrößen der zweiten Komponente im Bereich zwischen 1 und 100 um, vorzugsweise zwischen 5 und 35 μm, liegen.
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