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Selektives Laser-Schmelz-Verfahren mit lokal substituierten Werkstoffen

Kurzfassung

Ein neu entwickeltes, selektives Laser-Schmelz-Verfahren erlaubt die selektive Einbringung von Werkstoffen in einen Basiswerkstoff, ohne dass das Pulverbett mit dem teureren Material gefüllt werden muss. Der kostengünstige Aufbau von Bauteilen aus unterschiedlichen metallischen Werkstoffen mit optimierten Funktionalitäten, einer hohen Oberflächengüte und graduellen Werkstoffübergängen wird möglich.

Vorteile

  • Präzise und schnelle Einbringung optimierter Werkstoffe in ein Pulverbettverfahren
  • Graduelle Werkstoffübergänge ohne Mischvorrichtung in der Dosiereinheit
  • Sparsamer Einsatz teurer Zusatzwerkstoffe
  • Kurze Fertigungsdauer
  • Pulverbettmaterial ≠ Konstruktionswerkstoff
  • Hohe Oberflächengüte ohne Nachbearbeitung durch Schlackebildner

Anwendungsbereiche

Fertigung von metallischen Verbundmaterialien bzw. Bauteilen aus unterschiedlichen metallischen Werkstoffen mit lokal optimierten Funktionalitäten oder Materialgradienten und hoher Oberflächengüte im Pulver-Bett-Verfahren. Das Pulverbettmaterial kann hierbei unabhängig vom Konstruktionswerkstoff gewählt werden.

Hintergrund

Die additive Fertigungstechnik bricht durch neue Möglichkeiten mit alten Konventionen. Es bieten sich ganz neue Möglichkeiten und das flexible Konzept wird sich langfristig auch für die Serienfertigung durchsetzen, da komplexe Geometrien und innere Strukturen direkt realisierbar sind und somit innovative, materialsparende Designs möglich werden. Heute sollen Bauteile möglichst energieeffizient ausgelegt werden – der Trend geht in Richtung Verbund- und Hybridbauweise. Daher wird zunehmend an kombinatorischen Verfahren gearbeitet, bei denen Bauteile direkt aus unterschiedlichen Werkstoffen aufgebaut werden können.

Problemstellung

Additive Verfahren sich nicht per se neu. Gerade in der Metallverarbeitung wird das Laserschmelzen bereits seit mehreren Jahrzehnten erfolgreich eingesetzt. Dennoch gibt es Optimierungsbedarf. So ist es mit diesem Verfahren bisher nicht möglich, Bauteile wirtschaftlich aus unterschiedlichen Werkstoffen aufzubauen, da komplexe Dosiersysteme notwendig werden. Da jedoch häufig funktionelle Bestandteile eines Bauteils aus besonders teuren Materialien bestehen, ist ein Verfahren, mit dem sich Zusatzwerkstoffe lokal mit einem günstigeren Basiswerkstoff kombinieren ließen, äußerst erstrebenswert.

Lösung

Ein eben solches Verfahren konnte nun am Institut für Materialprüfung, Werkstoffkunde und Festigkeit der Universität Stuttgart entwickelt werden. Es erlaubt die selektive Einbringung von Werkstoffen in einen Basiswerkstoff, ohne dass das Pulverbett mit dem teureren Material gefüllt werden muss.
Das neue Verfahren bietet zwei Möglichkeiten, den Grundwerkstoff punktuell durch ein oder mehrere Zusatzwerkstoffe zu ersetzen. Dies kann vor dem Auftragen der nächsten Schicht erfolgen, indem punktuell Material aufgetragen und auch direkt lokal fixiert wird. Alternativ wäre es auch möglich, nach dem Auftragen der neuen Schicht punktuell das noch nicht verfestigte Basismaterial mittels Gasstrahl, Laser oder mechanisch wieder zu entfernen und durch das zweite Material zu ersetzen. So können Bauteile aus unterschiedlichen metallischen Werkstoffen aufgebaut werden, die in bestimmten Bereichen mit optimierten Funktionalitäten versehen sind. Auch Bauteile mit einer besonders hohen Oberflächengüte sind günstig herstellbar, da das Bettmaterial unabhängig vom Konstruktionswerkstoff gewählt werden kann. Neben der Erzeugung von Bauteilen mit Materialgradienten durch gezielte Mischung der Werkstoffe bei der Auftragung ist es durch den Werkstoff-Mix ebenfalls möglich, in einem Bauteil gezielt Eigenspannungen durch eine entsprechende Wärme-Nachbehandlung zu erzeugen.

Skizze eines möglichen Aufbaus mit Rakel für Werkstoff 1 und Dosiereinheit für Werkstoff 2 [M. Werz, Institut für Materialprüfung, Werkstoffkunde und Festigkeit, Univerität Stuttgart]
Skizze eines möglichen Aufbaus mit Rakel für Werkstoff 1 und Dosiereinheit für Werkstoff 2 [M. Werz, Institut für Materialprüfung, Werkstoffkunde und Festigkeit, Univerität Stuttgart]
Exposé
Kontakt
Dipl.-Ing. Erick Pérez-Borroto Ferrer
TLB GmbH
Ettlinger Straße 25
76137 Karlsruhe | Germany
Telefon +49 721-79004-0
perez(at)tlb.de | www.tlb.de
Entwicklungsstand
TRL1 - Idee
Patentsituation
DE 102017106722 anhängig
EP3381593 (EU-Einheitspatent) erteilt
Referenznummer
16/064TLB
Service
Die Technologie-Lizenz-Büro GmbH ist mit der Verwer­tung der Technologie beauftragt und bietet Unternehmen die Möglichkeit der Lizenznahme.