DE102007041775B3

DE102007041775B3 - Production of metal castings with foam structure uses e.g. laser to melt to melt metal wire positioned near surface of casting, foaming agent being added to molten area and process continued in controlled way to produce whole structure

Info

Publication number: DE102007041775B3
Application number: DE102007041775A
Authority: DE
Inventors: Frank Palm
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2007-09-04
Filing date: 2007-09-04
Publication date: 2008-10-02
Anticipated expiration: 2027-09-05
Also published as: WO2009030194A1

Abstract

Production of metal castings (1) with a foam structure uses a laser or electron beam or an arc (4) to melt a metal wire or powder (7) positioned near the surface (3) of the casting. A foaming agent (13) is added to the molten area and this process is continued in a controlled way to produce the whole structure. Independent claims are included for: (A) use of the method to produce structural components for vehicles; and (B) use of the method to produce structural components for aircraft.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Formkör0pers, insbesondere eines Bauteils mit einer schaumartigen Struktur.The The present invention relates to a method for producing a Formkör0pers, in particular a component with a foam-like structure.

Bauteile aus einem Metall oder einer Legierung mit einer spongiosen oder schaumartigen Struktur sind bekannt. Unter schaumartig sind drei-dimensionale Strukturen mit geschlossenen Poren sowie untereinander verbundenen Poren zu verstehen. Eine schaumartige Struktur ist für Bauteile mit einer niedrigen Dichte geeignet, die vorteilhaft bei Anwendungen in Automobilen und Luftfahrzeugen eingesetzt werden. Durch die Einstellung der Porosität und damit der Dichte des Bauteils können weitere Eigenschaften, wie die Festigkeit, Steifigkeit, elektrische und thermische Leitfähigkeit des Bauteils eingestellt werden.components made of a metal or an alloy with a cancellous or foam-like structure are known. Under foam are three-dimensional Structures with closed pores and interconnected To understand pores. A foam-like structure is for components suitable with a low density, which is beneficial in applications used in automobiles and aircraft. By the attitude the porosity and thus the density of the component can be further properties, such as the strength, rigidity, electrical and thermal conductivity be set of the component.

Metalle mit einer schaumartigen Struktur können mittels verschiedener Verfahren hergestellt werden. Aus der US 6,250,362 ist es beispielsweise bekannt, einen Metallschaum mit einem Sprühverfahren („Spray casting") herzustellen. Bei anderen Verfahren wird ein Schaum in einem geschmolzenen Metallbad erzeugt, wobei der Metallschaum kontinuierlich abgelassen wird, was zum Beispiel aus der US 5,334,236 bekannt ist.Metals having a foam-like structure can be produced by various methods. From the US 6,250,362 For example, it is known to produce a metal foam by a spray casting process, In other methods, a foam is produced in a molten metal bath, with the metal foam being continuously discharged, as exemplified by US Pat US 5,334,236 is known.

Bei all diesen Verfahren wird ein schaumartiger Werkstoff hergestellt, der dann zu einem Bauteil mit einer gewünschten Endform weiterbearbeitet wird. Abhängig von der Festigkeit des Metallschaums kann dies komplizierter sein als bei konventionellen dichten Metallen.at all of these processes produce a foamy material, which is then further processed into a component with a desired final shape. Dependent this can be more complicated by the strength of the metal foam than with conventional dense metals.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht demnach darin, ein einfacheres Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers mit einer spongiosen bzw. schaumartigen Struktur anzugeben.The Object of the present invention is therefore a simpler Process for producing a shaped article with a cancellous or to indicate foam-like structure.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das folgende Verfahren gelöst. Zum Herstellen eines metallischen Formkörpers mit einer schaumartigen Struktur wird ein metallischer Formkörper mit einer aufzubauenden Oberfläche bereitgestellt. Ein metallischer Ausgangswerkstoff wird auf der aufzubauenden Oberfläche bereitgestellt. Ein Energiestrahl wird auf die aufzubauende Oberfläche gerichtet, wobei ein geschmolzener Bereich aus dem metallischen Ausgangswerkstoff auf der aufzubauenden Oberfläche des Formkörpers erzeugt wird. Ein Schaumbildner wird in den geschmolzenen Bereich eingebracht, so dass eine schaumartige Struktur in diesem geschmolzenen Bereich erzeugt wird, die im wieder erstarrten Ausgangswerkstoff beibehalten wird. Der Energiestrahl und der Schaumbildner werden über der aufzubauenden Oberfläche definiert geführt, um eine Schicht des Formkörpers herzustellen, die eine schaumartige Struktur aufweist.According to the invention this Task solved by the following method. For making a metallic molding with a foam-like structure is a metallic molding with a surface to be built up provided. A metallic base material is used on the surface to be built up provided. An energy beam is directed at the surface to be built, wherein a molten area of the metallic starting material on the surface to be built up of the molding is produced. A foaming agent gets into the molten area introduced, leaving a foam-like structure in this molten Area is generated in the re-solidified starting material is maintained. The energy beam and the foaming agent are over the surface to be built up defined, around a layer of the molding to produce, which has a foam-like structure.

Der Energiestrahl schmilzt somit einen lokal begrenzten Bereich des metallischen Ausgangswerkstoffs auf. Der Schaumbildner wird gezielt in diesen geschmolzenen Bereich des Ausgangswerkstoffs eingebracht, um Poren in der Schmelze zu erzeugen, die beim Wiedererstarren der Schmelze innerhalb des Materials „eingefroren" werden. Dieses wiedererstarrte Material bildet einen Teil des Formkörpers. Die Wiedererstarrung des Ausgangswerkstoffs wird durch definiertes Führen des Energiestrahls von dem geschmolzenen Bereich hinweg erreicht. Der Energiestrahl wird typischerweise in Zeilen und/oder Spalten über die aufzubauende Oberfläche definiert geführt, um schichtweise den Formkörper mit einer schaumartigen oder spongiosen Struktur aus dem Ausgangswerkstoff zu bilden. Typischerweise wird der Energiestrahl sowie der Schaumbildner von einem entsprechend programmierten Computer gesteuert.Of the Energy beam thus melts a localized area of the metallic starting material. The foaming agent is targeted introduced into this molten area of the starting material, to create pores in the melt, which re - stiffening the Melt within the material to be "frozen." This re-solidified Material forms part of the molding. The re-solidification of the starting material is defined by guiding the energy beam of reached the molten area. The energy beam will typically defined in rows and / or columns over the surface to be built guided, layer by layer the molding with a foamy or cancellous structure from the starting material to build. Typically, the energy beam and the foaming agent controlled by a suitably programmed computer.

Unter „schaumartig" bzw. „spongios" ist eine Struktur zu verstehen, die eine Porosität aufweist. Diese Porosität kann die Form von geschlossenen Poren, die so genannte „closed cell structure", sowie untereinander verbundenen Poren, die so genannte „interconnected Pore structure" aufweisen.Under "foamy" or "spongios" is a structure to understand that a porosity having. This porosity can be the form of closed pores, called "closed cell structure ", as well as interconnected pores, the so-called "interconnected Pore structure "exhibit.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass der Schaumbildner direkt in den geschmolzenen Bereich des Ausgangswerkstoffs eingebracht wird. Dabei kann ein Ausgangswerkstoff in Form von einem Draht verwendet werden. Der Schaumbildner wird dann in den geschmolzenen Bereich des Drahts eingebracht, um Poren mit einem Durchmesser zu erzeugen, der kleiner als der Durchmesser des Drahts ist. Folglich kann ein Formkörper mit einer sehr feinen Porosität mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt werden. Der Draht kann auch als Träger des Schaumbildners fungieren. Über den Typ und die Menge des Schaumbildners wird die Größe, Lage und Verteilung der Poren gesteuert.The inventive method has the advantage that the foaming agent is melted directly into the Area of the starting material is introduced. It can be a Starting material can be used in the form of a wire. The foaming agent is then introduced into the molten area of the wire to To create pores with a diameter smaller than the diameter the wire is. Consequently, a molded article with a very fine porosity by the method according to the invention getting produced. The wire can also act as a carrier of the foaming agent. On the Type and amount of foaming agent will determine the size, location and distribution of Pore controlled.

Metallische Pulver haben den Nachteil, dass sie häufig brennbar und/oder giftig sind, so dass sie nur unter streng kontrollierten Bedingungen verwendet werden können. Die Verwendung eines Drahts als Ausgangswerkstoff hat den Vorteil, dass die Schwierigkeiten, die mit der Verwendung metallischer Pulver verbunden sind, vermieden werden können. Ein Metall in Drahtform ist nicht nur einfacher zu handhaben, sondern auch häufig kostengünstiger, da seine Herstellung ebenfalls einfacher ist.Metallic Powders have the disadvantage that they are often flammable and / or toxic are, so they are used only under strictly controlled conditions can be. The use of a wire as a starting material has the advantage that the difficulties with using metallic powder connected, can be avoided. A metal in wire form Not only is it easier to handle, but it is also often more cost effective its production is also easier.

Erfindungsgemäß wird ein sogenanntes „Rapid-Prototyping (RP)"-Verfahren bzw. Direct-Manufacturing-Verfahren verwendet, um einen metallischen Formkörper an einer definierten Stelle mit einer schaumartigen bzw. spongiosen Struktur herzustellen.According to the invention, a so-called "rapid prototyping (RP)" method or direct manufacturing method is used to a metallic molding at a defined position with egg ner foam-like or cancellous structure produce.

Unter Rapid-Prototyping (RP)"-Verfahren sind Verfahren zu verstehen, bei denen Bauteile 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 – „direct 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.Rapid prototyping (RP) "processes are processes in which components without" detours ", ie without further thermo-mechanical process steps, are produced directly and with the desired final contour and are so resilient that they are the mechanical-technological This direct component generation is known in the art under a variety of names or designations - "direct metal sintering" (DMS), "powder metal sintering", "laser assisted metal sintering,""fusing" or "Near net shaping", "solid free form fabrication (SF ³ )" etc. - which is generally referred to below as "rapid prototyping." In the production of higher numbers of items, the term "rapid manufacturing" has recently been used often , In the following, however, only the term "rapid prototyping" is to be used, but this is not meant to be limiting, for example to a small number of items.

Den oben genannten RP-Verfahren ist gemein, dass der Bauteil- bzw. RP-Werkstoff durch eine, in der Regel von einem CNC-Programm gesteuerte 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 eine Gussstruktur, welche jedoch durch die hohe örtlich wirkende Abkühlgeschwindigkeit viel feinkörniger ist als konventionelle Gussstrukturen.The The aforementioned RP method has in common that the component or RP material is replaced by a usually controlled by a CNC program heat source (eg., A laser or an electron beam) is melted locally and immediately then again frozen. This is incremental, following the CNC program, the 3-dimensional component geometry more or less point by point or step by step Step by layer or layered. By the melting and solidifying, the RP component has a cast structure, which however by the high local acting cooling rate much finer grained is as conventional cast structures.

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 großer Bedeutung. Aber auch bei Reparaturen oftmals sehr alter Bauteile, für welche keinerlei Fertigungs- und Vorrichtungsmittel mehr existieren, sind die RP-Methoden ausgesprochen wichtig, da sonst schnelle und kostengünstige Reparaturen solcher Bauteile oder Komponenten nicht möglich wären.All over, where very fast or under high time pressure unique or highly resilient Components for a (New) construction used are such direct product generation methods from very big Importance. But also for repairs often very old components, for which no more manufacturing and device means exist, are the RP methods are extremely important, otherwise quick and cost-effective repairs such components or components would not be possible.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht somit ein einfaches Verfahren zum Herstellen eines Bauteils mit einer schaumartigen Struktur sowie mit einer gewünschten Endkontur vor.The inventive method thus sees a simple method of manufacturing a component with a foamy structure as well as with a desired Final contour before.

Die schaumartige Struktur kann geschlossene Hohlräume bzw. Poren und/oder untereinander verbundene Poren aufweisen. Die Form der Poren und folglich die Struktur des Formkörpers kann durch die Art des Schaumbildners sowie das Aufschmelzen und die Abkühlrate eingestellt werden.The foam-like structure may be closed voids or pores and / or interconnected Have pores. The shape of the pores and consequently the structure of the pores molding can by the type of the foaming agent as well as the melting and the cooling rate be set.

In einer Ausführungsform ist als Schaumbildner ein Gas vorgesehen. Das Gas kann Wasserstoff, Kohlendioxid, Sauerstoff, Luft, Stickstoff oder ein inertes Gas oder ein Gemisch davon sein. Vorzugsweise reagiert das Gas mit dem Ausgangswerkstoff und auch mit dem geschmolzenen Ausgangswerkstoff nicht oder nur begrenzt, so dass ein metallischer Formkörper mit einer hohen Reinheit hergestellt werden kann. Dazu wird ein Gas ausgewählt, das mit dem verwendeten Ausgangswerkstoff chemisch verträglich ist.In an embodiment is provided as a foaming agent, a gas. The gas can be hydrogen, carbon dioxide, Oxygen, air, nitrogen or an inert gas or a mixture be of it. Preferably, the gas reacts with the starting material and also with the molten starting material not or only limited, so that a metallic molding with a high purity can be produced. For this purpose, a gas is selected, the is chemically compatible with the starting material used.

Bei einer weiteren Ausführungsform ist als Schaumbildner ein Gasentwickler vorgesehen. Bei einem Gasentwickler wird nach dem Einbringen in den Ausgangswerkstoff der Gasentwickler zersetzt und Gas erzeugt. Das gebildete Gas erzeugt Poren und damit die gewünschte spongiose bzw. schaumartige Struktur im geschmolzenen Werkstoff.at a further embodiment is provided as a foaming agent, a gas developer. In a gas developer after introduction into the starting material, the gas developer decomposes and generates gas. The formed gas creates pores and thus the desired spongiosis or foamy structure in the molten material.

Bei einem ersten Ausführungsbeispiel weist das erzeugte Gas Wasserstoff auf. Wasserstoff hat den Vorteil, dass es keine Oxidation des Ausgangswerkstoffs verursacht. Der Gasentwickler kann in verschiedenen Formen wie gasförmig, flüssig oder fest verwendet werden. Es ist auch möglich, einen Gasentwickler in zwei oder mehreren Formen zu verwenden, um zum Beispiel Poren verschiedener Grö ßenordnungen im Formkörper zu erzeugen. Solch eine Struktur kann zu verbesserten Festigkeitseigenschaften führen.at a first embodiment the generated gas has hydrogen. Hydrogen has the advantage that it does not cause oxidation of the starting material. The gas developer can be used in various forms such as gaseous, liquid or solid. It is also possible, to use a gas developer in two or more forms For example, pores of different sizes orders in the molding to produce. Such a structure can provide improved strength properties to lead.

Auf Grund der Verwendung eines direkten Bauteilgenerierungsverfahrens kann die Struktur des hergestellten Formköpers beliebig räumlich bestimmt werden. In einer ersten Ausführungsform wird in zumindest einer Randkante des Formkörpers ein schaumfreier Bereich erzeugt. Dies wird dadurch erreicht, dass der Schaumbildner nicht eingesetzt wird, während der Energiestrahl auf diesen Bereich gerichtet wird. Da die Energiequelle sowie der Schaumbildner in der Regel von einem Computerprogramm gesteuert werden, wird der gewünschte Ort des porenfreien Bereichs beim Erzeugen des Programms zum Herstellen des Formköpers berücksichtigt.On Reason for using a direct component generation method If necessary, the structure of the molded body produced can be determined arbitrarily spatially. In a first embodiment becomes a foam-free area in at least one peripheral edge of the molding generated. This is achieved by not using the foaming agent is used while the energy beam is directed to this area. Because the energy source as well as the foaming agent usually from a computer program be controlled, the desired Location of the non-porous area in generating the program for manufacturing of the molded body considered.

In einer weiteren Ausführungsform wird die oberste Schicht auf der aufzubauenden Oberfläche des Formkörpers schaumfrei bzw. porenfrei aufgebaut. Dabei wird kein Schaumbildner während des Aufbaus der obersten Schicht verwendet, um dort eine schaumfreie Schicht zu erzeugen. In einer weiteren Ausführungsform werden zwei oder mehrere geschlossene porenfreie Lagen aufeinander aufgebaut, um die Dicke der geschlossenen Außenschicht zu erhöhen.In a further embodiment will be the topmost layer on the surface to be built up molding built foam-free or pore-free. There is no foaming agent while of the construction of the topmost layer used there to be a foam-free Create layer. In another embodiment, two or three several closed non-porous layers built on each other to the thickness of the closed outer layer too increase.

In weiteren Ausführungsformen wird der Schaumbildner so geführt, dass ein Formkörper mit einer geschlossenen Außenhaut hergestellt wird und/oder dass porenfreie Bereiche innerhalb des Formkörpers hergestellt werden. Porenfreie, innere Bereiche können als zusätzliche Verstärkungselemente dienen, um eine Laminatstruktur oder Faserstruktur zum Beispiel vorzugeben oder als zusätzliche Lasteinleitungsbereiche zu dienen.In further embodiments, the Foaming agent performed so that a molded body is produced with a closed outer skin and / or that non-porous areas are produced within the molded body. Non-porous inner regions may serve as additional reinforcing elements to impart a laminate structure or fiber structure, for example, or to serve as additional load introduction regions.

Der Ausgangswerkstoff kann aus einem oder mehreren Metallen und/oder Legierungen bestehen. In einer weiteren Ausführungsform werden verschiedene Lagen mit unterschiedlichen Zusammensetzungen hergestellt. Zum Beispiel kann die unterste Lage eine unterschiedliche Zusammensetzung aufweisen. Ebenso kann die oberste Lage oder Lagen eine unterschiedliche Zusammensetzung im Vergleich zu dem inneren Teil des Formkörpers aufweisen. Dies kann vorteilhaft sein, wenn eine geschlossene Außenschicht erzeugt werden soll. Diese geschlossene Schicht kann eine Zusammensetzung aufweisen, die sich besser zum Löten oder Schweißen eignet.Of the Starting material may be one or more metals and / or Alloys exist. In another embodiment, various Layers made with different compositions. For example the lowest layer may have a different composition. As well The topmost layer or layers can have a different composition have compared to the inner part of the molding. This can be advantageous if a closed outer layer to be generated. This closed layer may have a composition, which is better for soldering or welding suitable.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird als Ausgangswerkstoff Aluminium oder eine Aluminiumlegierung verwendet. Aluminium und Aluminiumlegierungen weisen eine niedrige Dichte auf und sind somit geeignet für Anwendungen im Flugzeugbau und Kraftfahrzeugbau, wo das Gewicht der verwendeten Bauteile eine Rolle spielt.In a preferred embodiment is used as the starting material aluminum or an aluminum alloy used. Aluminum and aluminum alloys have a low Density and are therefore suitable for applications in aircraft construction and Automotive engineering, where the weight of the components used a role plays.

In einer weiteren Ausführungsform wird als Ausgangswerkstoff eine Aluminium-Scandium-Legierung verwendet, 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.-%.In a further embodiment is used as a starting material, an aluminum scandium alloy whose Scandium (Sc) content is at least 0.4 wt .-%. Preferably the scandium (Sc) content is between 0.41% by weight and 2.0% by weight, more preferably between 0.8% and 1.4% by weight.

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.-%.at a preferred embodiment the method according to the invention has the starting material, ie the aluminum scandium alloy, additionally the Element magnesium in the range of 2.0 wt .-% to 10 Wt .-%. The magnesium (Mg) alloy is more preferably intermediate 3.0 wt .-% and 6.0 wt .-% and between 4.0 wt .-% and 5.0 wt .-%.

Erfindungsgemäß hergestellte Strukturbauteile aus Aluminium-Scandium-Ausgangswerkstoffen oder Aluminium-Magnesium-Scandium-Ausgangswerkstoffen der voranstehend spezifizierten Zusammensetzung weisen hervorragende Materialeigenschaften auf, die ein direktes Verwenden des generierten Struktur bauteils zulassen. Die inhärent hohen Abkühlgeschwindigkeiten des RP-Verfahrens ermöglichen es, hohe Festigkeiten, hohe Streckgrenzen, hervorragendes Korrosionsverhalten sowie eine sehr gute Schweißbarkeit zu erzielen.Produced according to the invention Structural components made of aluminum scandium starting materials or aluminum magnesium scandium starting materials of the above specified composition are excellent Material properties that generated a direct use of the generated Allow structure components. The inherently high cooling rates of the RP procedure it, high strength, high yield strength, excellent corrosion behavior as well as a very good weldability to achieve.

Aluminiumwerkstoffsysteme mit Scandium bzw. Magnesium, Aluminium-Scandium-Werkstoffsysteme oder Aluminium-Magnesium-Scandium-Werkstoffsysteme sind zum Beispiel aus der DE 102 48 594 A1 , US 6 258 318 B1 , EP 0 918 095 A1 oder auch US 6 139 653 bekannt. Der entscheidende Vorteil, der durch die erfindungsgemäße Anwendung solcher an sich bekannter Werkstoffsysteme entsteht, ergibt sich durch die Kombination dieser Werkstoffsysteme mit dem RP-Verfahren und macht auf diese Weise das direkte Metallsintern von schaumartigen hochbelastbaren Strukturbauteilen aus Aluminiumlegierungen möglich. Dabei wird auch der Umstand genutzt, dass dem Aufschmelzen des Ausgangswerkstoffs eine Erstarrung mit nachfolgender schneller Abkühlung auf Temperaturen < 350°C folgt, da die freiwerdende Schmelzwärme problemlos in den Bauteilhalter (auf dem das Strukturbauteil aufgebaut wird) oder in das aufwachsende Strukturbauteil selbst abfließen kann.Aluminum material systems with scandium or magnesium, aluminum scandium material systems or aluminum-magnesium-scandium material systems are known, for example, from US Pat DE 102 48 594 A1 . US Pat. No. 6,258,318 B1 . EP 0 918 095 A1 or US 6,139,653 known. The decisive advantage that results from the use according to the invention of such known material systems arises from the combination of these material systems with the RP method and thus makes possible the direct metal sintering of foam-like heavy-duty structural components made of aluminum alloys. In this case, the fact is used that the melting of the starting material, a solidification followed by rapid cooling to temperatures <350 ° C, since the released heat of fusion can easily flow into the component holder (on which the structural component is built) or in the growing structural component itself ,

Die Attraktivität des erfindungsgemäßen Verfahrens kann dadurch gesteigert werden, dass gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung, dem Ausgangswerkstoff solche zusätzliche 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 Dispersoide 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.-%.The attractiveness of the method according to the invention can be increased by the fact that according to a further embodiment of the invention, the starting material is accompanied by such additional alloying elements which behave complementary or substitutively to scandium, in particular Zr, Ti, Ta, Hf, Y, Er. The metallurgist knows all these elements as so-called dispersoid-forming elements (usually in the stoichiometric form Al ₃ X), which are used for microstructure, thermo-mechanical microstructural stabilization and strength enhancement. Typically, the proportion of these dispersoid-forming elements per element at a maximum of 2.0 wt .-% and a total of at most 3.0 wt.%. Particularly preferably, the proportion of scandium-complementary or substituted elements in total is not more than 0.8 wt .-%.

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.For the material system Aluminum-magnesium scandium are suitable as further alloy constituents, depending on the desired mechanical technological properties, the elements Zn, Mn, Ag, Li, Cu, Si, Fe, the proportion of these additional alloying elements may be from 0.05% to 2.0% by weight per element.

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.the preparation, have the aluminum scandium alloys or aluminum-magnesium-scandium alloys used It is known that impurities of other elements, their content individually not more than 0.5% by weight and in total not more than 1.0% by weight is.

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.moreover can the starting material before or during of the RP process further admixtures of metallic or not metallic (eg ceramic) materials (eg as a powder) added become.

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.in the As a rule, the starting material in the process according to the invention provided in the form of powder or wire. The combination of Material system AlMgSc with direct metal sintering, however, shows also very good results of the structural component produced when the Starting material before melting, resulting in a further training The invention is proposed as a sintered, cast or extruded molded part is present.

Zum Aufschmelzen des Ausgangswerkstoffes ist eine Vielzahl von Möglichkeiten gegeben. Üblicherweise erfolgt dies durch einen oder mehrere Laserstrahlen, Elektronenstrahlen oder einen Lichtbogen. Es kann aber auch eine chemische, exotherme Reaktion verwendet werden, oder der Ausgangswerkstoff wird kapazitiv oder induktiv erwärmt. Auch eine beliebige Kombination dieser verschiedenen Wärmequellen ist möglich.To the Melting of the starting material is a variety of possibilities given. Usually this is done by one or more laser beams, electron beams or an arc. But it can also be a chemical, exothermic reaction be used, or the starting material is capacitive or inductively heated. Also any combination of these different heat sources is possible.

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.Regarding the achievable material properties takes place in a preferred embodiment the method according to the invention the cooling off of the molten starting material with a cooling rate in Temperature Interval Tliquidus - T350 ° C, greater than 100 K / sec is. Although such cooling rates in the RP process inherently inherent can be to achieve higher cooling rates an additional cooling be used. The great Advantage of this high cooling rate is based on the Al (Mg) Sc material system in the possibility certain amounts of scandium in the supersaturated solid solution forced solved to keep. If the RP process used has significantly higher cooling rates, then even an increase in the required scandium content on over 0.8% by weight possible.

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.moreover It is advantageous when the solidification and cooling of the molten Starting material under inert gas or in vacuum takes place, wherein as protective gas is preferably such or mixtures of such Gases are used in the prior art for welding Aluminum materials are known.

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 typischerweise 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).Even though usually not required, a downstream of the RP process heat treatment the material properties of the manufactured structural component still improve and in particular increase the strength and toughness. Subsequent heat treatment can typically be at temperatures between 100 ° C and 400 ° C for a duration from 10 minutes to 100 hours (eg 250 ° C-400 ° C / 10 min-100 h or 300 ° C-350 ° C / 1 h-10 h).

Besonders bevorzugt erfolgt die nachträgliche 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 zusätzli che, 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.Particularly preferably, the subsequent heat treatment is carried out in the temperature interval of 250 ° C to 400 ° C, for a duration which causes the formation of coherent Al ₃ Sc phases. That is, by the subsequent heat treatment, an additional, significant solidification of the Al (Mg) Sc material (in the RP component) by a so-called precipitation hardening on the formation of coherent Al ₃ Sc phases possible. The strengths that can be achieved are then still sufficient for the tensile strength and the yield strength above 400 MPa, for a direct application, sufficient elongation (A5> 5%). As a result, the already good strength of the directly generated structural component can be significantly increased by the subsequent heat treatment, without the toughness and the corrosion behavior being degraded in a way that endangers the application. Of course, the heat treatment can also be carried out in several stages and / or steps.

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.Of Furthermore, the structural component after the subsequent heat treatment a rapid cooling (eg, quenching in water) to room temperature followed by thermal aging in the temperature range 100 ° C-250 ° C for a duration from 10 minutes to 100 hours.

Das erfindungsgemäße Verfahren nach einem der vorhergehenden Ausführungsformen kann zum Herstellen eines Strukturbauteils eines Luftfahrzeuges oder eines Strukturbauteils eines Kraftfahrzeugs verwendet werden. Bei diesen Anwendungen ist das Gewicht der Strukturbauteile wichtig, um den Kraftstoffverbrauch zu verringern und gleichzeitig die Stärke des Luftfahrzeugs bzw. Kraftfahrzeugs beizubehalten.The inventive method according to one of the preceding embodiments, for manufacturing a structural component of an aircraft or a structural component a motor vehicle are used. In these applications is the weight of structural components important to fuel economy while reducing the strength of the aircraft or Motor vehicle to maintain.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen näher erläutert.The Invention will now be explained in more detail with reference to the drawings.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung, 1 shows a schematic representation of a method according to a first embodiment of the invention,

2 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, und 2 shows a schematic representation of a method according to a second embodiment of the invention, and

3 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung. 3 shows a schematic representation of a method according to a third embodiment of the invention.

Die 1 zeigt einen Schritt eines Herstellungsverfahrens eines metallischen Formkörpers bzw. Bauteils 1 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Nur ein Abschnitt des noch nicht fertigen Bauteils 1 ist in der 1 dargestellt.The 1 shows a step of a manufacturing process of a metallic molding or component 1 according to a first embodiment of the invention. Only a section of the not yet finished component 1 is in the 1 shown.

Das Bauteil 1 wird mittels eines so genannten Rapid Prototyping Verfahrens lagenweise in Pfeilrichtung A aufgebaut. Ein Ausgangswerkstoff 2 wird auf die oberste Oberfläche 3 des noch nicht fertigen Bauteils 1 aufgebracht und durch die Verwendung eines fokussierten Laserstrahls 4 als Energiequelle lokal aufgeschmolzen. Der geschmolzene Bereich ist mit dem Bezugszeichen 5 bezeichnet. Die Bereiche 6 des Bauteils 1, die sich außerhalb dieses geschmolzen Bereichs 5 befinden, bleiben ungeschmolzen, da der Laserstrahl 4 nicht auf diese Bereiche 6 gerichtet ist, so dass in diesen Bereichen 6 die Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Ausgangswerkstoffs 2 bleibt.The component 1 is built up in layers in the direction of arrow A by means of a so-called rapid prototyping method. A source material 2 gets to the top surface 3 of the not yet finished component 1 applied and by using egg of a focused laser beam 4 locally melted as an energy source. The molten area is denoted by the reference numeral 5 designated. The areas 6 of the component 1 that melted outside this area 5 remain unmelted because of the laser beam 4 not on these areas 6 is directed, so in these areas 6 the temperature below the melting temperature of the starting material 2 remains.

Bei der ersten Ausführungsform der Erfindung wird ein Ausgangswerkstoff 2 in Form eines Drahts 7 verwendet, der aus AlMg4,6Sc1,4 besteht und einen Durchmesser von 1,0 mm aufweist. Die 1 zeigt das Ende 8 einer Drahtspule. Dieses Ende 8 wird auf die Oberfläche 3 des Bauteils gebracht und mit dem Laserstrahl 4 aufgeschmolzen.In the first embodiment of the invention, a starting material 2 in the form of a wire 7 used, which consists of AlMg4,6Sc1,4 and has a diameter of 1.0 mm. The 1 shows the end 8th a wire spool. This end 8th will be on the surface 3 brought the component and with the laser beam 4 melted.

Der Laserstrahl 4 sowie der Draht 7 werden über die Oberfläche 3 des Bauteils 1 geführt, wobei das Ende 8 des Drahts 7 in den geschmolzenen Bereich 5 geführt wird. Diese Bewegung des Laserstrahls 4 und des Drahts 7 ist mit dem Pfeil B in 1 dargestellt. Der geschmolzene Bereich 5 wird somit zusammen mit dem Laserstrahl 4 und Draht 7 lateral über die Oberfläche 3 in Pfeilrichtung B geführt, wobei der Draht 7 den Ausgangswerkstoff 2 für die neue Schicht 9 liefert. Das geschmolzene Material erstarrt schnell wieder, wenn der Laserstrahl 4 von diesem geschmolzenen Bereich 5 in Pfeilrichtung B weg gesteuert wird. Dadurch wächst ein fester Bereich 6 der Schicht 9 des Bauteils 1 in Pfeilrichtung B. Die Außenkontur des Bauteils 1 wird durch das räumliche Führen des Laserstrahls 4 sowie des Drahts 7 bestimmt.The laser beam 4 as well as the wire 7 be over the surface 3 of the component 1 led, the end 8th of the wire 7 in the molten area 5 to be led. This movement of the laser beam 4 and the wire 7 is with the arrow B in 1 shown. The molten area 5 thus becomes together with the laser beam 4 and wire 7 lateral over the surface 3 guided in the direction of arrow B, wherein the wire 7 the starting material 2 for the new shift 9 supplies. The molten material solidifies quickly when the laser beam 4 from this molten area 5 is controlled away in the direction of arrow B. This creates a solid area 6 the layer 9 of the component 1 in the direction of arrow B. The outer contour of the component 1 is due to the spatial guidance of the laser beam 4 as well as the wire 7 certainly.

Erfindungsgemäß wird während des Aufschmelzens ein Schaumbildner 11 in den geschmolzenen Bereich 5 des Ausgangswerkstoffs 2 eingebracht. In diesem Ausführungsbeispiel ist als Schaumbildner 11 ein fokussierter Gasstrom 12 vorgesehen, der aus Stickstoff besteht. Der Gasstrom 12 wird in Pfeilrichtung C in der 1 geführt.According to the invention, during the melting, a foaming agent 11 in the molten area 5 of the starting material 2 brought in. In this embodiment is as a foaming agent 11 a focused gas flow 12 provided, which consists of nitrogen. The gas flow 12 is in the direction of arrow C in the 1 guided.

Der Gasstrom 12 wird unter Druck in den geschmolzenen Bereich 5 des Ausgangswerkstoffs 2 gebracht, so dass innerhalb des geschmolzenen Bereiches 5 Poren 13 erzeugt werden. Wenn der Laserstrahl 4 in Pfeilrichtung B, d. h. von links nach rechts in der Darstellung der 1, geführt wird, erstarrt der Bereich 5 von links nach rechts wieder, da die Temperatur unter die Schmelztemperatur des Drahts 7 fällt. Folglich werden die Poren 13 innerhalb des Bereichs 5 eingefroren und es entseht eine schaumartige oder spongiose Struktur, wie im festen Bereich 6 an der linken Seite der Schicht 9 dargestellt ist. Durch dieses Verfahren wird ein Teilbereich der Schicht 9 auf der Oberfläche 3 aufgebaut. Im nächsten Schritt wird der Laser 4 und der Gasstrom 12 neben diesem aufgebauten Teilbereich und von rechts nach links weitergeführt, um die Schicht 9 zu verbreitern.The gas flow 12 will be under pressure in the molten area 5 of the starting material 2 brought, so that within the molten area 5 pore 13 be generated. When the laser beam 4 in the direction of arrow B, ie from left to right in the illustration of 1 , the area solidifies 5 from left to right again, as the temperature drops below the melting temperature of the wire 7 falls. Consequently, the pores become 13 within the range 5 frozen and it creates a foamy or spongy structure, as in the fixed area 6 on the left side of the layer 9 is shown. By this method, a portion of the layer 9 on the surface 3 built up. The next step is the laser 4 and the gas stream 12 next to this built-up section and continued from right to left to the layer 9 to broaden.

Als Schaumbildner 11 wird in einer weiteren Ausführungsform ein Gasentwickler verwendet. Innerhalb des geschmolzenen Bereiches 5 wird der Gasentwickler zersetzt, so dass Wasserstoff erzeugt wird. Dieser Wasserstoff erzeugt Poren 13 innerhalb der Schmelze, die auf Grund der Wiedererstarrung innerhalb des Bereichs 5 eingefroren werden, so dass eine feste schaumartige Struktur 6 entsteht. Der Gasentwickler kann auch in Form einer Flüssigkeit oder eines Festkörpers verwendet werden. Er wird dem Prozess gesondert zugeführt oder mittels einer Vorrichtung auf den Draht aufgebracht.As a foaming agent 11 In another embodiment, a gas generator is used. Within the molten area 5 The gas generator is decomposed to produce hydrogen. This hydrogen creates pores 13 within the melt, due to re-solidification within the range 5 be frozen, leaving a solid foam-like structure 6 arises. The gas developer can also be used in the form of a liquid or a solid. It is fed separately to the process or applied to the wire by means of a device.

Zum Herstellen der nächsten Schicht an dem Bauteils 1 wird der Laser 4 sowie der Draht 7 so geführt, dass sie auf die Oberfläche 10 der in 1 dargestellten teilweise hergestellten Schicht 9 auftreffen. Eine weitere Schicht wird dann auf dieser Oberfläche 10 aufgebracht und das Bauteil 1 in Pfeilrichtung A lagenweise bzw. schichtweise aufgebaut.For producing the next layer on the component 1 becomes the laser 4 as well as the wire 7 Guided so that they are on the surface 10 the in 1 illustrated partially prepared layer 9 incident. Another layer will then be on this surface 10 applied and the component 1 constructed in the direction of arrow A in layers or in layers.

Das Bauteil 1 wird in dieser Weise mit einer spongiosen oder schaumartigen Struktur lagenweise mit der gewünschten Endkontur aufgebaut. Auf Grund dieser spongiosen Struktur ist das Bauteil 1 leichter als ein Bauteil, das ohne zusätzliche Porenbilder hergestellt ist.The component 1 is constructed in this way with a cancellous or foam-like structure in layers with the desired final contour. Due to this cancellous structure is the component 1 lighter than a component made without additional pore images.

Die Porosität des Bauteils 1, die Größe und Form der Poren 13 und folglich der inneren Struktur des Bauteils 1 können durch die Einstellung des Laserstrahls 4, die Geschwindigkeit des Aufschmelzens, die Geschwindigkeit der Wiedererstarrung des Ausgangswerkstoffs 2 sowie die Auswahl des Schaumbildners und/oder des Drucks, unter dem der Schaumbildner 11 in den geschmolzenen Bereich 5 eingebracht wird, eingestellt werden. Es ist durch die Einstellung der Herstellungsparameter möglich, ein Bauteil mit einzelnen kugelförmigen Poren herzustellen sowie ein Bauteil mit einer Struktur, bei der Poren 13 aneinander grenzen und untereinander verbunden sind, so dass unregelmäßige oder rohrförmige Poren erzeugt werden. Auch eine skelettartige Struktur kann hergestellt werden. Die erfindungsgemäßen Poren 13 sind in allen Fällen durch rundkantige Hohlräume gekennzeichnet, die zu einer verbesserten Dauerfestigkeit des Bauteils 1 führen.The porosity of the component 1 , the size and shape of the pores 13 and consequently the internal structure of the component 1 can by adjusting the laser beam 4 , the speed of melting, the rate of re-solidification of the starting material 2 and the selection of the foaming agent and / or the pressure under which the foaming agent 11 in the molten area 5 is introduced, are set. By adjusting the production parameters, it is possible to produce a component having individual spherical pores as well as a component having a structure in which pores 13 adjacent to each other and connected to each other, so that irregular or tubular pores are generated. Also a skeletal structure can be made. The pores according to the invention 13 are characterized in all cases by round-edged cavities, leading to an improved fatigue strength of the component 1 to lead.

Ein Schaumbildner 11 in Form eines Gasstroms 12, der in den geschmolzenen Ausgangswerkstoff 5 eingebracht wird, ermöglicht die Herstellung einer feinen spongiosen Struktur. Die Poren 13 werden innerhalb des geschmolzenen Drahts 7 erzeugt und können einen Durchmesser aufweisen, der kleiner als der Durchmesser des Drahts 7 ist. Die Porosität wird nicht durch punktuelle Verbindungen zwischen verschiedenen Drähten hergestellt, sondern durch Poren 13, die innerhalb des geschmolzenen Drahts 7 selbst eingebracht werden. Folglich kann eine feine Porosität und eine feine schaumartige Struktur erzielt werden. Ferner können ein Draht mit einem größeren Durchmesser sowie ein Laserstrahl mit einem größeren Durchmesser verwendet werden, wobei immer noch eine feine poröse Struktur hergestellt werden kann. Dies hat den Vorteil, dass die Herstellungsgeschwindigkeit des Bauteils 1 erhöht werden kann.A foaming agent 11 in the form of a gas stream 12 that is in the molten parent material 5 is introduced, allows the production of a fine cancellous structure. The pores 13 be inside the molten wire 7 generated and may have a diameter that is smaller than the diameter of the wire 7 is. The porosity is not produced by selective connections between different wires, but by pores 13 that melted inside the a wire 7 be introduced yourself. Consequently, a fine porosity and a fine foam-like structure can be achieved. Further, a wire having a larger diameter and a laser beam having a larger diameter may be used, whereby a fine porous structure can still be produced. This has the advantage that the production speed of the component 1 can be increased.

Die 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Herstellungsverfahrensschritts nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Gleiche Komponenten sind mit gleichen Bezugsziffern gezeigt und werden nicht weiter erläutert.The 2 shows a schematic representation of a manufacturing process step according to a second embodiment of the invention. The same components are shown with the same reference numerals and will not be explained further.

Die zweite Ausführungsform der 2 unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform durch die Form des Ausgangswerkstoffs 2. In der zweiten Ausführungsform wird der Ausgangswerkstoff 2 in Form von einem Pulver 15 bereitgestellt, das aus AlMg4,6Sc1,4 besteht.The second embodiment of the 2 differs from the first embodiment by the shape of the starting material 2 , In the second embodiment, the starting material 2 in the form of a powder 15 provided, which consists of AlMg4,6Sc1,4.

Eine Ausgangspulverschicht 16 wird auf der Oberfläche 3 der oberste Lage des noch nicht fertigen Bauteils 14 aufgebracht. Der fokussierte Laserstrahl 4 sowie der als Schaumbildner 11 dienende Gasstrom 12 werden gleichzeitig über die Schicht 9 in Pfeilrichtung B nach einem definierten Programm geführt. Ein lokaler Bereich 5 der Ausgangspulverschicht 16 wird dabei aufgeschmolzen und wieder erstarrt, so dass eine feste Schicht 9 in Pfeilrichtung B wächst.A starting powder layer 16 will be on the surface 3 the uppermost layer of the not yet finished component 14 applied. The focused laser beam 4 as well as the foaming agent 11 serving gas stream 12 be simultaneously over the layer 9 guided in the direction of arrow B according to a defined program. A local area 5 the starting powder layer 16 is melted and solidifies again, leaving a solid layer 9 growing in the direction of arrow B

Wie bei der ersten Ausführungsform wird ein Schaumbildner 11 unter Druck in den geschmolzenen Bereich 5 eingeführt, so dass ein Gasstrom 12 in dem geschmolzenen Bereich 5 Poren 13 erzeugt, die in dem wieder erstarrten Werkstoff eingefroren werden und eine spongiose Struktur 6 im Bauteil 14 erzeugen.As in the first embodiment, a foaming agent 11 under pressure in the molten area 5 introduced, leaving a gas flow 12 in the molten area 5 pore 13 produced, which are frozen in the re-solidified material and a spongious structure 6 in the component 14 produce.

Die Randkante des Bauteils 14 wird in der 2 mit der Bezugsziffer 17 gezeigt. Die Randkante 17 weist keine Poren auf und das Bauteil 14 ist mit einer geschlossenen dichten Außenschicht versehen. Dies wird dadurch erreicht, dass der Gasstrom 12 unterbrochen wird, während der Laserstrahl 4 den Bereich 17 aufschmilzt. Folglich wird kein Gas in den geschmolzenen Bereich 17 eingebracht, so dass dort ein dichter porenfreier Bereich entsteht. Der Porenbildner 11 in Form eines Gasstroms 12 wird nur eingeschaltet, wenn der Laserstrahl 4 auf den inneren Bereich 6 gerichtet wird. In einer ähnlichen Weise kann eine oberste Lage des Bauteils 14 porenfrei hergestellt werden. Diese Ausführungsform ist in der 3 dargestellt.The marginal edge of the component 14 will be in the 2 with the reference number 17 shown. The marginal edge 17 has no pores and the component 14 is provided with a closed dense outer layer. This is achieved by the gas flow 12 is interrupted while the laser beam 4 the area 17 melts. Consequently, no gas is in the molten area 17 introduced so that there is a dense pore-free area. The pore builder 11 in the form of a gas stream 12 is only turned on when the laser beam 4 on the inner area 6 is directed. In a similar manner, a topmost layer of the component 14 be produced without porosity. This embodiment is in the 3 shown.

In der in der 3 gezeigten Ausführungsform wird das Bauteil 18 mit einer geschlossenen porenfreien Außenhaut 19 sowie mit inneren Strukturelementen 20 hergestellt, die ebenfalls porenfrei sind. Drei Schichten 9', 9'' und 9''' sind in der 3 schematisch dargestellt. Die unteren Schichten 9' und 9'' weisen einen porenfreien Randbereich 17 und einen zweiten porenfreien inneren Bereich 20 auf, der von einer schaumartigen Struktur 22, 25 umgeben ist. Die zweiten porenfreien Bereiche 20 der Schichten 9' und 9'' sind aufeinander angeordnet, so dass die Bereiche 20 zusammen ein inneres Verstärkungselement des Bauteils 18 ergeben.In the in the 3 embodiment shown, the component 18 with a closed pore-free outer skin 19 as well as with internal structural elements 20 produced, which are also free of pores. Three layers 9 ' . 9 '' and 9 ''' are in the 3 shown schematically. The lower layers 9 ' and 9 '' have a non-porous edge area 17 and a second nonporous interior area 20 up, that of a foamy structure 22 . 25 is surrounded. The second non-porous areas 20 the layers 9 ' and 9 '' are arranged on top of each other so that the areas 20 together an inner reinforcing element of the component 18 result.

Die Schichten 9' und 9'' werden in folgender Weise hergestellt. Der Laserstrahl 4 und Draht 7, der den Ausgangswerkstoff 2 bereitstellt, wird an die Randkante 17 gesteuert. In diesem Randbereich wird der Gasstrom 12 nicht eingeschaltet, so dass die Randkante 17 porenfrei hergestellt wird. Der Laser 4, der Draht 7 und der Gasstrom 12 werden von links nach rechts gesteuert. Wenn der Laser 4 die Linie 21 erreicht, wird der Gasstrom 12 eingeschaltet und der Bereich 22 wird mit einer spongiosen Struktur hergestellt. Wenn der Laserstrahl 4 die Linie 23 erreicht, wird der Schaumbildner 12 abgestellt, um den Bereich 20 des Verstärkungselements herzustellen. Wenn der Laserstrahl 4 die Linie 24 erreicht, wird der Gasstrom 12 nochmals eingeschaltet, um den spongiosen Bereich 25 herzustellen.The layers 9 ' and 9 '' are made in the following way. The laser beam 4 and wire 7 that's the source material 2 provides, gets to the marginal edge 17 controlled. In this edge area, the gas flow 12 not turned on, leaving the marginal edge 17 is produced without porosity. The laser 4 , the wire 7 and the gas stream 12 are controlled from left to right. If the laser 4 the line 21 reached, the gas flow 12 turned on and the area 22 is made with a spongy structure. When the laser beam 4 the line 23 reached, the foaming agent 12 turned off to the area 20 of the reinforcing element. When the laser beam 4 the line 24 reached, the gas flow 12 Turned on again to the cancellous area 25 manufacture.

Beim Herstellen der obersten Schicht 9''' bleibt der Gasstrom 12 ausgeschaltet, so dass die oberste Schicht 9''' über die gesamte Fläche porenfrei wächst, so dass eine geschlossene Außenhaut 19 entsteht. Die Dicke der äußeren, geschlossenen Schicht kann durch das Herstellen weiterer geschlossener Lagen auf der Schicht 9''' beliebig erhöht werden.When making the topmost layer 9 ''' the gas flow remains 12 turned off, leaving the topmost layer 9 ''' over the entire surface grows without pores, leaving a closed outer skin 19 arises. The thickness of the outer closed layer may be increased by forming further closed layers on the layer 9 ''' be increased arbitrarily.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit sehr flexibel und kann dazu verwendet werden, um eine schaumartige bzw. spongiose Struktur, insbesondere eine spongiose Struktur mit einer geschlossenen Außenschicht sowie eine spongiose Struktur mit inneren porenfreien Verstärkungselementen, herzustellen. Die Struktur des Bauteils wird durch die entsprechenden Einstellungen des Laserstrahls 4 und Schaumbildners 11 erreicht.The method according to the invention is therefore very flexible and can be used to produce a foam-like or spongy structure, in particular a spongious structure with a closed outer layer and a spongious structure with internal non-porous reinforcing elements. The structure of the component is determined by the corresponding settings of the laser beam 4 and foaming agent 11 reached.

11: erstes Bauteilfirst component
22: AusgangswerkstoffStarting material
33: Oberflächesurface
44: Laserstrahllaser beam
55: geschmolzener Bereichmelted Area
66: fester Bereichsolid Area
77: Drahtwire
88th: Ende des DrahtsThe End of the wire
99: Schichtlayer
9'9 ': erste Schichtfirst layer
9''9 '': zweite Schichtsecond layer
9'''9 '' ': dritte Schichtthird layer
1010: Oberfläche der SchichtSurface of the layer
1111: Schaumbildnerfoaming agents
1212: Gasstromgas flow
1313: Porenpore
1414: zweites Bauteilsecond component
1515: Pulverpowder
1616: AusgangspulverlageStarting powder location
1717: porenfreier Randbereichnonporous border area
1818: drittes Bauteilthird component
1919: Außenhautshell
2020: porenfreier Bereichnonporous Area
2121: Linieline
2222: schaumartiger Bereichfoamy Area
2323: Linieline
2424: Linieline
2525: schaumartiger Bereichfoamy Area
AA: Pfeilrichtung Aarrow A
BB: Pfeilrichtung Barrow B
CC: Pfeilrichtung Carrow C

Claims

Verfahren zum Herstellen eines metallischen Formkörpers (1, 14, 18) mit einer schaumartigen Struktur, das folgende Schritte aufweist, – Richten eines Energiestrahls (4) auf eine aufzubauende Oberfläche (3) eines metallischen Formkörpers (1, 14, 18), auf der ein metallischer Ausgangswerkstoff (2) bereitgestellt wird, wobei ein geschmolzener Bereich (5) aus dem metallischen Ausgangswerkstoff (2) auf der aufzubauenden Oberfläche (3) des Formkörpers (1, 14, 18) mit dem Energiestrahl (4) erzeugt wird, – Einbringen eines Schaumbildners (11) in den geschmolzenen Bereich (5), so dass eine schaumartige Struktur (13) in diesem geschmolzenen Bereich (5) erzeugt wird, die im wieder erstarrten festen Bereich (6) beibehalten wird, – Definiertes Führen des Energiestrahls (4) und des Schaumbildners (11) über der aufzubauenden Oberfläche (3), um zumindest eine Schicht (9) des Formkörpers (1, 14, 18) mit schaumartiger Struktur (13) herzustellen.Method for producing a metallic shaped body ( 1 . 14 . 18 ) having a foam-like structure, comprising the following steps, - directing an energy beam ( 4 ) on a surface to be built up ( 3 ) of a metallic shaped body ( 1 . 14 . 18 ), on which a metallic starting material ( 2 ), wherein a molten area ( 5 ) from the metallic starting material ( 2 ) on the surface to be built up ( 3 ) of the shaped body ( 1 . 14 . 18 ) with the energy beam ( 4 ), - introducing a foaming agent ( 11 ) in the molten area ( 5 ), so that a foam-like structure ( 13 ) in this molten area ( 5 ) is generated in the re-solidified fixed area ( 6 ), - Defined guiding of the energy beam ( 4 ) and the foaming agent ( 11 ) above the surface to be built up ( 3 ) to at least one layer ( 9 ) of the shaped body ( 1 . 14 . 18 ) with a foamy structure ( 13 ).

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine schaumartige Struktur mit geschlossenen Hohlräumen hergestellt wird, wobei die schaumartige Struktur untereinander verbundene Poren aufweist.Method according to claim 1, characterized in that that produced a foam-like structure with closed cavities is where the foam-like structure interconnected pores having.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Schaumbildner (11) ein Gasstrom (12) vorgesehen ist.Method according to one of claims 1 or 2, characterized in that as foaming agent ( 11 ) a gas stream ( 12 ) is provided.

Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Gas Kohlendioxid, Sauerstoff, Wasserstoff, Luft, Stickstoff oder ein inertes Gas vorgesehen ist.Method according to claim 3, characterized that as gas carbon dioxide, oxygen, hydrogen, air, nitrogen or an inert gas is provided.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Schaumbildner (11) ein Gasentwickler vorgesehen ist, wobei nach dem Einbringen des Gasentwicklers in den Ausgangswerkstoff der Gasentwickler zersetzt wird und ein Gas erzeugt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that as foaming agent ( 11 ) a gas developer is provided, wherein after the introduction of the gas developer into the starting material, the gas developer is decomposed and a gas is generated.

Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erzeugte Gas Wasserstoff aufweist.Method according to claim 5, characterized in that that the generated gas has hydrogen.

Verfahren nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein gasförmiger Gasentwickler verwendet wird.A method according to claim 5 or claim 6, characterized characterized in that a gaseous Gas developer is used.

Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein flüssiger Gasentwickler verwendet wird.Method according to claim 5 or 6, characterized that a liquid Gas developer is used.

Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Gasentwickler ein Festkörper eingesetzt wird.Method according to claim 5 or 6, characterized that as a gas developer a solid is used.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Herstellen des Formkörpers (14, 18) in zumindest einer Randkante (17) des Formkörpers (14, 18) kein Schaumbildner (11) verwendet wird und dort ein schaumfreier Bereich (17) erzeugt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that during the production of the shaped body ( 14 . 18 ) in at least one marginal edge ( 17 ) of the shaped body ( 14 . 18 ) no foaming agent ( 11 ) is used and there is a foam-free area ( 17 ) is produced.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Herstellen der obersten Oberfläche des Formkörpers (18) kein Schaumbildner (11) verwendet wird und dort eine schaumfreie Schicht (9''') erzeugt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that during the production of the uppermost surface of the shaped body ( 18 ) no foaming agent ( 11 ) and there is a foam-free layer ( 9 ''' ) is produced.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Formkörper (18) mit einer geschlossenen Außenhaut (19) hergestellt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that a shaped body ( 18 ) with a closed outer skin ( 19 ) will be produced.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass porenfreie Bereiche (20) innerhalb des Formkörpers (18) hergestellt werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that non-porous areas ( 20 ) within the shaped body ( 18 ) getting produced.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Energiestrahl (4) ein oder mehrere Laserstrahlen oder Elektronenstrahlen oder ein Lichtbogen verwendet werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that as energy beam ( 4 ) one or more laser beams or electron beams or an arc are used.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein drahtförmiger Ausgangswerkstoff (7) verwendet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that a wire-shaped starting material ( 7 ) is used.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein pulverförmiger Ausgangswerkstoff (15) verwendet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that a powdery starting material ( 15 ) is used.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Ausgangswerkstoff (2) Aluminium oder eine Aluminiumlegierung verwendet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that as starting material ( 2 ) Aluminum or an aluminum alloy is used.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Ausgangswerkstoff eine Aluminium-Scandium-Legierung verwendet wird, deren Scandiumgehalt bei mindestens 0,4 Gew.% liegt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the starting material used is an aluminum-scandium alloy whose scandium content is at least 0.4% by weight.

Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aluminium-Scandium-Legierung verwendet wird, die einen Scandiumgehalt von 0,41 Gew.-% bis 2,0 Gew.-% enthält.Method according to claim 18, characterized that an aluminum scandium alloy is used which has a Scandium content of 0.41 wt .-% to 2.0 wt .-%.

Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aluminium-Scandium-Legierung verwendete wird, die einen Scandiumgehalt von 0,8 Gew.-% bis 1,4 Gew.-% enthält.Method according to claim 18, characterized that an aluminum-scandium alloy is used, the one Scandium content of 0.8 wt .-% to 1.4 wt .-% contains.

Verfahren nach einem der Ansprüche 18–20, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aluminium-Scandium-Legierung verwendet wird, der ein Magnesium (Mg)-Anteil von 2,0 Gew.-% bis 10,0 Gew.-% zulegiert ist.Method according to one of claims 18-20, characterized that an aluminum scandium alloy is used, which is a magnesium (Mg) content of 2.0 wt .-% to 10.0 wt .-% is alloyed.

Verfahren nach einem der Ansprüche 18–20, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aluminium-Scandium-Legierung verwendet wird, der ein Magnesium (Mg)-Anteil von 3,0 Gew.-% bis 6,0 Gew.-% zulegiert ist.Method according to one of claims 18-20, characterized that an aluminum scandium alloy is used, which is a magnesium (Mg) content of 3.0 wt .-% to 6.0 wt .-% is alloyed.

Verfahren nach einem der Ansprüche 18–20, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aluminium-Scandium-Legierung verwendet wird, der ein Magnesium (Mg)-Anteil von 4,0 Gew.-% bis 5,0 Gew.-% zulegiert ist.Method according to one of claims 18-20, characterized that an aluminum scandium alloy is used, which is a magnesium (Mg) content of 4.0 wt .-% to 5.0 wt .-% is alloyed.

Verfahren nach einem der Ansprüche Anspruch 21–23, 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.A method according to any one of claims 21-23, characterized characterized in that an aluminum-magnesium-scandium alloy is used, the at least one other alloying elements of the Group consisting of Zn, Cu, Mn, Si, Li, Ag and Fe contains, with a content of from 0.05% by weight to 2.0% by weight per element.

Verfahren nach einem der Ansprüche 18–24, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgangswerkstoff (2) 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.Method according to one of claims 18-24, characterized in that a starting material ( 2 In addition, those alloying elements are added to which are complementary or substitutive to scandium (Sc), in particular Zr, Ti, Ta, Hf, Y, Er, their proportion in the starting material individually 2.0 wt .-% and in total does not exceed 3.0% by weight.

Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgangswerkstoff (2) verwendet wird, bei dem der Anteil der zu Scandium (Sc) kompatiblen Elemente in Summe einen Gehalt von 0,8 Gew.-% nicht überschreitet.A method according to claim 25, characterized in that a starting material ( 2 ) is used, in which the proportion of scandium (Sc) compatible elements in total does not exceed a content of 0.8 wt .-%.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1–26, dadurch gekennzeichnet, dass dem Ausgangswerkstoff (2) vor oder während des Verfahrens weitere Beimengungen aus metallischen oder nichtmetallischen Materialien zugesetzt werden.Method according to one of claims 1-26, characterized in that the starting material ( 2 ) before or during the process further admixtures of metallic or non-metallic materials are added.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1–27, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufschmelzen des Ausgangswerkstoffes (2) eine chemische exotherme Reaktion verwendet wird.Method according to one of claims 1-27, characterized in that for melting the starting material ( 2 ) a chemical exothermic reaction is used.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1–28, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangswerkstoff (2) kapazitiv, konduktiv oder induktiv erwärmt wird.Method according to one of claims 1-28, characterized in that the starting material ( 2 ) is heated capacitively, conductively or inductively.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1–29, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlung des aufgeschmolzenen Ausgangswerkstoffs (5) im Temperaturintervall Tliquidus – T350°C mit einer Abkühlrate größer als 100 K/sec erfolgt.Method according to one of claims 1-29, characterized in that the cooling of the molten starting material ( 5 ) in the temperature interval Tliquidus - T350 ° C with a cooling rate greater than 100 K / sec.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1–30, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlrate des aufgeschmolzenen Ausgangswerkstoffes (5) durch eine zusätzliche Kühlung erhöht wird.Method according to one of claims 1-30, characterized in that the cooling rate of the molten starting material ( 5 ) is increased by an additional cooling.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1–31, dadurch gekennzeichnet, dass die Erstarrung und Abkühlung des aufgeschmolzenen Ausgangswerkstoffes (5) unter Schutzgas oder im Vakuum stattfindet.Method according to one of claims 1-31, characterized in that the solidification and cooling of the molten starting material ( 5 ) takes place under inert gas or in vacuo.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1–32, dadurch gekennzeichnet, dass der aus dem Ausgangswerkstoff hergestellte Formkörper einer nachträglichen Wärmebehandlung bei Temperaturen zwischen 100°C und 400°C für eine Dauer von 10 min bis 100 h unterzogen wird.Method according to one of claims 1-32, characterized that the molded body produced from the starting material of a later heat treatment at temperatures between 100 ° C and 400 ° C for one Duration of 10 min to 100 h is subjected.

Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass die nachträglich Wärmebehandlung im Temperaturintervall von 250°C–400°C erfolgt, für eine Dauer, die die Bildung kohärenter Al₃Sc-Phasen bewirkt.A method according to claim 33, characterized in that the subsequent heat treatment takes place in the temperature interval of 250 ° C-400 ° C, for a duration which causes the formation of coherent Al ₃ Sc phases.

Verfahren nach Anspruch 33 oder 34, dadurch gekennzeichnet, dass die nachträgliche Wärmebehandlung in mehreren Stufen und/oder Schritten ausgeführt wird.A method according to claim 33 or 34, characterized that the subsequent heat treatment is performed in several stages and / or steps.

Verfahren nach einem der Ansprüche 33 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturbauteil nach der nachträglichen Wärmebehandlung einer Schnellabkühlung auf Raumtemperatur unterzogen wird.Method according to one of Claims 33 to 35, characterized that the structural component after the subsequent heat treatment of a rapid cooling on Room temperature is subjected.

Verfahren nach Anspruch 36, 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.A method according to claim 36, characterized ge indicates that, after rapid cooling, further thermal aging takes place in the temperature range 100 ° C-250 ° C for a period of 10 minutes to 100 hours.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1–37, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangswerkstoff (2) auf ein blockförmiges Basissubstrat aufgebracht wird.Method according to one of claims 1-37, characterized in that the starting material ( 2 ) is applied to a block-shaped base substrate.

Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 38 zum Herstellen eines Strukturbauteils eines Luftfahrzeuges.Use of the method according to one of claims 1 to 38 for producing a structural component of an aircraft.

Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 38 zum Herstellen eines Strukturbauteils eines Kraftfahrzeugs.Use of the method according to one of claims 1 to 38 for producing a structural component of a motor vehicle.