DE102020102628A1

DE102020102628A1 - Verfahren zur Moderation einer Reaktion von Metallpartikeln

Info

Publication number: DE102020102628A1
Application number: DE102020102628.5A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Kleinhans; Philip Ströbel; Sven Pawliczek; Florian Sülflow; Fatime Imetovska; Tanja Kröner
Original assignee: EOS GmbH
Current assignee: EOS GmbH
Priority date: 2020-02-03
Filing date: 2020-02-03
Publication date: 2021-08-05
Also published as: EP4100188A1; US20230065558A1; CN115038533A; WO2021156081A1

Abstract

Verfahren zur Moderation einer Reaktion von Metallpartikeln, insbesondere Metallkondensaten, vorzugsweise aus einem additiven Herstellungsverfahren, insbesondere einem Lasersinter- oder Laserschmelzverfahren, wobei die Metallpartikel mit einem zumindest teilweise aufschmelzbaren Inertisierungsmaterial kombiniert, insbesondere vermischt werden, wobei das Inertisierungsmaterial Partikel mit einer Partikelgröße von kleiner oder gleich 100 µm umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Moderation einer Reaktion von Metallpartikeln, insbesondere Metallkondensaten, eine Verwendung eines aufschmelzbaren Inertisierungsmaterials, ein additives Herstellungsverfahren, eine Herstellungsanlage zur additiven Herstellung von Objekten sowie eine Kombination, insbesondere Gemisch, umfassend Metallpartikel.
In verschiedenen Anwendungen, insbesondere in additiven Herstellungsverfahren, wie Lasersinter- oder Laserschmelzverfahren, fallen Metallpartikel (insbesondere Metallkondensate) an, die sich aufgrund entsprechender chemischer Reaktionen (insbesondere Oxidation) entzünden können und eine entsprechende Gefahr darstellen.
Um das Risiko einer entsprechenden Überhitzung, insbesondere Selbstentzündung, zu reduzieren ist es bereits bekannt, derartigen Metallpartikeln Kalkmehl (CaCO₃) zuzusetzen. Es hat sich jedoch gezeigt, dass bekannte Verfahren zur Moderation der Reaktion der Metallpartikel immer noch erhebliche Risiken beinhalten.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Moderation einer Reaktion, von Metallpartikeln vorzuschlagen, wobei eine Überhitzung, insbesondere Selbstentzündung, der Metallpartikel auf möglichst einfache und dennoch sichere Art und Weise verhindert werden soll (bzw. ein entsprechendes Risiko reduziert werden soll). Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, eine entsprechende Verwendung eines aufschmelzbaren Inertisierungsmaterials (Passivierungsmaterials), ein entsprechendes additives Herstellungsverfahren, eine entsprechende Herstellungsanlage sowie eine entsprechende Kombination, umfassend Metallpartikel, vorzuschlagen.
Diese Aufgabe wird insbesondere durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
Vorzugsweise wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Moderation einer Reaktion von Metallpartikeln, insbesondere Metallkondensaten, vorzugsweise aus einem additiven Herstellungsverfahren, insbesondere einem Lasersinter- oder Laserschmelzverfahren, wobei die Metallpartikel mit einem zumindest teilweise aufschmelzbaren Inertisierungsmaterial (Passivierungsmaterial) kombiniert, insbesondere vermischt werden. Besonders bevorzugt umfasst das Inertisierungsmaterial (Passivierungsmaterial) Partikel mit einer Partikelgröße von kleiner oder gleich 100 µm. Vorzugsweise ist die Partikelgröße kleiner oder gleich 50 µm, weiter vorzugsweise kleiner oder gleich 30 µm, ggf. kleiner oder gleich 20 µm, und/oder größer oder gleich 0,1 µm, vorzugsweise größer oder gleich 1 µm. Ein bevorzugter Bereich wäre beispielsweise eine Partikelgröße (für mindestens 10 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 50 Gew.-% der Partikel) im Bereich von 5 µm bis 30 µm
Ein erster Kerngedanke der Erfindung liegt darin, ein zumindest teilweise aufschmelzbares Inertisierungsmaterial bzw. Passivierungsmaterial zur Moderation der Reaktion der Metallpartikel vorzuschlagen, wobei das Inertisierungsmaterial vorzugsweise Partikel mit einer vergleichsweise geringen Partikelgröße (von insbesondere kleiner oder gleich 100 µm) aufweist. Durch ein Aufschmelzen des Inertisierungsmaterials/Passivierungsmaterials kann ein potentieller Brandherd zumindest teilweise (ggf. vollständig) überdeckt werden und damit ggf. gelöscht werden. Ein besonderer Vorteil des Aufschmelzens liegt auch darin, dass durch diesen Vorgang vergleichsweise viel Wärme aufgenommen werden kann (Schmelzenthalpie). Durch eine vergleichsweise kleine Partikelgröße (Korngröße), wird es ermöglicht, dass das Inertisierungsmaterial vergleichsweise kohäsiv ist. Dies verbessert die Moderation der Reaktion.. Insgesamt wird damit auf synergistische Art und Weise ein Risiko aufgrund einer Selbstentzündung (der Metallpartikel an Luft bzw. O2-haltiger Atmosphäre) reduziert.
Insbesondere wurde erfindungsgemäß erkannt, dass sich Kalkmehl (CaCO₃) ab (ca.) 800 °C thermisch zersetzt und CO₂ freigibt. Dieses CO₂ kann bei vergleichsweise hohen Temperaturen (ab zumindest ca. 1500 °C) dissoziieren und den Brand via Kohlenstoffmonoxid (CO) und ggf. Sauerstoffradikalen anfachen. Gerade wenn frischer bzw. zusätzlicher Sauerstoff hinzukommt können sich Flammen bilden (z. B. beim Entfernen der Metallpartikel aus einer Auffang- bzw. Aufnahmeeinrichtung).
Bei der zu betrachtenden Partikelgröße (unabhängig vom Material; diese gilt insbesondere auch für die Metallpartikel) handelt es sich vorzugsweise um den Durchmesser eines einzelnen Partikels bzw. Korns. Sollten die Partikel zumindest teilweise Agglomerate ausbilden (was vorzugsweise möglichst weitgehend vermieden werden soll), soll der Durchmesser eines einzelnen Partikels (Korns) des Agglomerats betrachtet werden. Bei dem Durchmesser (der Partikelgröße) eines einzelnen Partikels handelt es sich vorzugsweise um einen jeweiligen maximalen Durchmesser (= Supremum aller Abstände je zweier Punkte des Partikels) und/oder um einen Siebdurchmesser und/oder um einen (insbesondere volumenbezogenen) Äquivalenz-Kugel-Durchmesser.
Die einzelnen Partikel des Inertisierungsmaterials/Passivierungsmaterials sind vorzugsweise (zumindest annähernd) gleich groß sein (monodispers). Alternativ kann eine Partikelgrößenverteilung vorliegen. Wenn eine Partikelgrößenverteilung vorliegt, kann beispielsweise eine d50-Partikelgröße mindestens 2-mal, vorzugsweise mindestens 4-mal und/oder höchstens 10-mal, vorzugsweise höchstens 8-mal so groß wie eine d10-Partikelgröße sein. Alternativ oder zusätzlich kann eine d90-Partikelgröße mindestens 1,1-mal, vorzugsweise 1,3-mal und/oder höchstens 3-mal, vorzugsweise höchstens 1,7-mal so groß sein wie eine/die d50-Partikelgröße. Die Partikelgrößen können ggf. durch Sieben bestimmt werden. Alternativ oder zusätzlich können die Partikelgrößen mit Hilfe von Laserbeugungsverfahren (insbesondere mittels Laserbeugungsmessung nach ISO 13320 oder ASTM B822) bestimmt werden. Alternativ oder zusätzlich können die Partikelgrößen durch Ausmessen (beispielsweise mittels Mikroskop) und/oder mit dynamischer Bildanalyse (vorzugsweise nach ISO 13322-2, ggf. mittels des CAMSIZER^® XT der Retsch Technology GmbH) bestimmt werden. Wenn die Partikelgröße aus einer 2-dimensionalen Abbildung (z.B. eines Mikroskops, insbesondere Elektronenmikroskops) bestimmt wird, wird vorzugsweise der jeweilige Durchmesser (maximale Durchmesser bzw. Äquivalenz-Durchmesser) herangezogen, der sich aus der 2-dimensionalen Abbildung ergibt.
Ein zum maximalen Durchmesser senkrechter Durchmesser (= Supremum aller Abstände zweier Punkte des Partikels, deren Verbindungslinie senkrecht zum maximalen Durchmesser ist) ist vorzugsweise mindestens 0,1-mal, weiter vorzugsweise mindestens 0,5-mal, weiter vorzugsweise mindestens 0,7-mal und/oder höchstens 1,0-mal, vorzugsweise 0,9-mal so groß wie der maximale Durchmesser (entweder im 3-Dimensionalen oder, insbesondere bei Bestimmung der jeweiligen Durchmesser aus einer Abbildung, im 2-Dimensionalen, in Bezug auf die Abbildungsebene).
Die Metallpartikel können (zumindest anteilig, ggf. allesamt) rund bzw. sphärisch und(bei nicht-einheitlichen Partikeln)/oder (zumindest anteilig, ggf. allesamt) eckig (z. B. durch Mahlen hergestellt oder zumindest herstellbar), ggf. quaderförmig, sein.
Vorzugsweise umfassen die Metallpartikel zumindest teilweise, ggf. in Atom% überwiegend: mindestens ein Metall, vorzugsweise mindestens ein katalytisch aktives Metall (wie: Ni, Co, Fe, Rh, Ru, Pt, Pd und/oder Zr) und/oder mindestens ein elektrochemisch aktives Metall und/oder mindestens ein pyrophores Metall (wie: Mg, Ti, Ni, Co, Fe, Pb, mindestens ein Lanthanoid und/oder mindestens ein Actinoid), insbesondere bevorzugt Al, Fe, Ti, Ni, Co, Pt, Ag, Pd, Sc, Au, Zn, Zr, Mg, V, Si, Cu, Mn, W, Nb und/oder Cr. Weiterhin können teilweise, ggf. in Atom% überwiegend, vorgesehen sein: Mo, C und/oder O. Das jeweilige Element kann vorzugsweise zu mindestens 5 Atom%, weiter vorzugsweise mindestens 20 Atom%, ggf. mindestens 50 Atom% oder sogar mindestens 90 Atom% vorliegen.
Beim additiven Herstellungsverfahren, insbesondere dem Lasersinter- oder Laserschmelzverfahren, kommt vorzugsweise eine Herstellungsvorrichtung zum Einsatz, die konfiguriert ist, ein Objekt herzustellen durch Aufbringen eines Aufbaumaterials, das zumindest im Wesentlichen metallische und/oder keramische Komponenten umfasst, Schicht auf Schicht und selektives Verfestigen des Aufbaumaterials, insbesondere mittels Zufuhr von Strahlungsenergie, an Stellen in jeder Schicht, die dem Querschnitt des Objekts in dieser Schicht zugeordnet sind. Besonders bevorzugt kommt hier mindestens ein Laser zum Einsatz bzw. wird ein Lasersinterprozess durchgeführt.
Die Metallpartikel können vorzugsweise eine (ggf. mittlere) Partikelgröße von mindestens 1 nm, vorzugsweise mindestens 3 nm, noch weiter vorzugsweise mindestens 4 nm und/oder höchstens 1000 nm, vorzugsweise höchstens 100 nm, ggf. höchstens 50 nm aufweisen. In diesem Zusammenhang ist die Partikelgröße vorzugsweise definiert bzw. kann bestimmt werden, wie im Zusammenhang mit der Partikelgröße der Partikel des Inertisierungsmaterials weiter oben beschrieben. Die einzelnen Partikel können (zumindest im Wesentlichen bzw. zumindest annähernd) gleich groß sein oder es kann eine Partikelgrößenverteilung vorliegen. Wenn eine Partikelgrößenverteilung vorliegt, kann eine d10-Partikelgröße mindestens 0,1-mal, vorzugsweise mindestens 0,2-mal und/oder höchstens 1,0-mal, vorzugsweise höchstens 0,9-mal so groß sein wie eine d50-Partikelgröße. Alternativ oder zusätzlich kann eine d90-Partikelgröße mindestens 1,0-mal, vorzugsweise mindestens 1,2-mal, weiter vorzugsweise mindestens 1,4-mal und/oder höchstens 10-mal, vorzugsweise höchstens 5-mal, weiter höchstens 4-mal so groß sein wie eine d50-Partikelgröße.
Die Metallpartikel sind vorzugsweise zumindest annähernd rund.
Die Metallpartikel können (zumindest anteilig, ggf. allesamt) rund bzw. sphärisch und(bei nicht-einheitlichen Partikeln)/oder (zumindest anteilig, ggf. allesamt) eckig (z. B. durch Mahlen hergestellt oder zumindest herstellbar), ggf. quaderförmig, sein.
Ein zum maximalen Durchmesser senkrechter Durchmesser (= Supremum aller Abstände zweier Punkte des Partikels, deren Verbindungslinie senkrecht zum maximalen Durchmesser ist) ist vorzugsweise mindestens 0,1-mal, weiter vorzugsweise mindestens 0,5-mal, weiter vorzugsweise mindestens 0,7-mal und/oder höchstens 1,0-mal, vorzugsweise höchstens 0,9-mal so groß wie der maximale Durchmesser (entweder im 3-Dimensionalen oder, insbesondere bei Bestimmung der jeweiligen Durchmesser aus einer Abbildung, im 2-Dimensionalen in Bezug auf die Abbildungsebene).
Vorzugsweise weisen die Metallpartikel eine spezifische Oberfläche von mindestens 0,01 m²/g, vorzugsweise mindestens 1 m²/g, weiter vorzugsweise mindestens 5 m²/g, noch weiter vorzugsweise mindestens 10 m²/g und/oder höchstens 1000 m²/g, vorzugsweise höchstens 500 m²/g, weiter vorzugsweise höchstens 200 m²/g, noch weiter vorzugsweise höchstens 50 m²/g auf. Die spezifische Oberfläche kann (insbesondere bei nicht-porösen Partikeln) dadurch bestimmt werden, dass mindestens 100, vorzugsweise mindestens 1.000 zufällig ausgewählte (beispielsweise auf einer REM-Abbildung erkennbare und nebeneinanderliegende) Partikel vermessen werden, so dass ihre Oberfläche und (in Kenntnis der Materialdichte) ihr Gewicht ausgerechnet werden kann. Gegebenenfalls kann auch eine BET-Messung durchgeführt werden, vorzugsweise nach DIN ISO 9277 (Gültigkeit in der Bundesrepublik Deutschland zum Anmeldezeitpunkt) Ein Gasadsorption bei der Messung (z. B. bei N₂) kann abhängig vom Relativdruck P/P₀ sein. Die Menge des adsorbierten Gases kann dabei statisch-volumetrisch bestimmt werden (Isotherme). Eine Probenmenge kann 100 mg betragen. Zur Messung kann das „Quantachrome Nova^® 4200e“ Analysegerät zum Einsatz kommen.
Unter einem zumindest teilweise aufschmelzbaren Inertisierungsmaterial (Passivierungsmaterial) soll vorzugsweise ein Material verstanden werden, das als solches (also ohne vorherige chemische Umwandlung) aufschmelzen kann. Materialien, bei denen lediglich ein Restprodukt (beispielsweise nach thermischer Zersetzung des Ausgangsproduktes) aufschmelzen kann, soll insbesondere nicht als teilweise aufschmelzbares Inertisierungsmaterial verstanden werden. Insbesondere soll das teilweise aufschmelzbare Inertisierungsmaterial (als solches) bei Überschreiten einer bestimmten Temperatur (bei einem Druck von 1 bar) in die flüssige Phase übertreten (bevor es sich chemisch umwandelt, beispielsweise thermisch zersetzt). Vorzugsweise soll das Inertisierungsmaterial (beispielsweise bei einem Gemisch) zu mindestens 10 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 25 Gew.-%, weiter vorzugsweise mindestens 50 Gew.-%, noch weiter vorzugsweise mindestens 80 Gew.-%, ggf. (zumindest annähernd) vollständig aufschmelzen können (bei Überschreiten einer vorbestimmten Temperatur und einem Druck von einem bar).
Unter einem Inertisierungsmaterial bzw. Passivierungsmaterial ist vorzugsweise ein Material zu verstehen, das die Reaktion von Metallpartikeln moderiert, insbesondere in dem Sinne, dass Reaktionswärme aufgenommen werden kann und damit die Reaktion gebremst werden kann.
Die Moderation der Reaktion kann umfassen: Eine Aufnahme von Wärme durch das Inertisierungsmaterial (Moderationsmaterial), insbesondere durch Aufheizen desselben, und/oder eine (wärmeaufnehmende) Phasenumwandlung (z.B. Schmelzen) des Inertisierungsmaterials (Moderationsmaterials) und/oder eine thermische (endotherme) Zersetzung oder Umwandlung des Inertisierungsmaterials (Moderationsmaterials), z. B. wie bei Kalk (CaCO₃ -> CaO + CO₂).
Alternativ oder zusätzlich kann die Moderation der Reaktion umfassen: Eine räumliche Trennung der Metallpartikel durch das Inertisierungsmaterial (Moderationsmaterial) (so dass Metall nicht mehr an bzw. auf Metall liegt und dadurch vorzugsweise eine verlangsamte Wärmeleitung resultiert), z.B. durch Bilden einer Hülle (Schutzhülle) aus Inertisierungsmaterial (Bsp.: Kaliglas)
Alternativ oder zusätzlich kann die Moderation der Reaktion umfassen (oder gerade nicht oder zumindest nicht nur umfassen): Reduktion der Reaktivität durch das Inertisierungsmaterial, vorzugsweise durch eine insbesondere chemische Wechselwirkung, vorzugsweise chemische Reaktion, der Metallpartikel mit dem Inertisierungsmaterial (ggf. kann das z.B. als KMnO₄ vorliegende Inertisierungsmaterial ggf. O₂ abgeben,). Denkbar wäre, dass zum Beispiel an der Oberfläche des Inertisierungsmaterials (z.B. Glasmehls) angelagerte Sauerstoffmoleküle (durch Ab- und/oder Adsorption) mit dem Kondensat reagieren und damit die Reaktivität reduzieren. Dies kann ggf. dadurch gefördert werden, wenn das Inertisierungsmaterial sehr fein wird (Partikelgröße < 10µm) und damit eine relativ hohe Oberfläche besitzt und/oder (auch als optional eigenständig weiterbildender Gedanke, ohne die vorausgehenden Merkmale dieses Absatzes) wenn das Inertisierungsmaterial mesoporös (durchschnittliche Porengröße zwischen 2 und 50 nm) oder mikroporös (durchschnittliche Porengröße kleiner 2 nm) ist. Dadurch kann z. B. O₂ aus dem Inneren (in Poren) der Inertisierungsmaterials an die Metallpartikel gebracht werden kann.
Eine spezifische Wärmeleitfähigkeit des Inertisierungsmaterials (bei 25°C) kann mindestens 0,4 W/(m*K), ggf. mindestens 0,6 W/(m*K) und/oder höchstens 2,0 W/(m*K) oder höchstens 1,2 W/(m*K) betragen.
Eine spezifische Wärmekapazität des Inertisierungsmaterials (bei 25°C) kann mindestens 0,5 kJ/(kg*K), ggf. mindestens 0,7 kJ/(kg*K) oder mindestens 0,8 kJ/(kg*K), und/oder höchstens 3,0 kJ/(kg*K) oder höchstens 2,0 kJ/(kg*K) betragen.
Das Inertisierungsmaterial kann Sauerstoff enthalten (chemische gebunden, an der Oberfläche angelagert und/oder im Inneren eingeschlossen, z. B. adsorbiert).
Das Inertisierungsmaterial kann Blähmaterial, insbesondere Blähglas, und/oder Hohlkörper, insbesondere Hohlkugeln umfassen.
Vorzugsweise umfasst das Inertisierungsmaterial (Passivierungsmaterial) zu mindestens 10 Gew.-%, weiter vorzugsweise mindestens 50 Gew.-% Partikel mit einer Partikelgröße von kleiner oder gleich 100 µm, vorzugsweise kleiner oder gleich 50 µm, weiter vorzugsweise kleiner oder gleich 30 µm, ggf. kleiner oder gleich 20 µm, und/oder größer oder gleich 0,1 µm, vorzugsweise größer oder gleich 1 µm. Ein bevorzugter Bereich wäre beispielsweise eine Partikelgröße (für mindestens 10 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 50 Gew.-% der Partikel) im Bereich von 5 µm bis 30 µm.
Das Inertisierungsmaterial ist vorzugsweise vergleichsweise kohäsiv bzw. mehlartig.
In Ausführungsformen umfasst das Inertisierungsmaterial Glas, insbesondere Glaspartikel, und/oder mindestens ein, vorzugsweise niedrigschmelzendes und/oder hygroskopisches (alternativ: nicht-hygroskopisches), Salz, insbesondere (entsprechende) Salzpartikel. Das Salz kann in Reinform oder als Gemisch aus verschieden (per se reinen) Salzen vorliegen. Insofern ist „Salz“ ohne nähere Angaben als Oberbegriff für reines Salz (z. B. NaCl) oder eine Salzmischung zu verstehen. Unter einem hygroskopischen Salz soll insbesondere ein Salz verstanden werden, das bei Normaldruck von 1,0 bar und einer relativen Feuchte der Umgebung von 50 % Wasser anzieht (also aufnimmt). Unter einem nichthygroskopischen Salz soll insbesondere ein Salz verstanden werden, das bei Normaldruck von 1,0 bar und einer relativen Feuchte der Umgebung von 50 % Wasser nicht anzieht (also nicht aufnimmt). Gegebenenfalls kann das Salz, insbesondere können die Salzpartikel, NaCI, Saccharose, SiO₂ (Silika-Gel), Natriumhydroxid, Kaliumhydroxid, ein Nitrat, Salicylat, und/oder Kalziumchlorit umfassen. Jedes der genannten Salze und/oder jede Kombination der genannten Salze kann zu mindestens 10 Gew.-% im Inertisierungsmaterial vorliegen. Insbesondere kann das Salz durch eine Salzmischung mit niedrigem Schmelzpunkt (eutektischem Punkt) gebildet werden (zum Beispiel durch eine Mischung aus LiCl (z. B. 56 mol%) und KCl (z. B. 44 mol%), die z. B. schon bei 355°C schmelzen kann).
Das Inertisierungsmaterial kann alternativ oder zusätzlich mindestens eine Mineral umfassen, z.B. Kaolin und/oder Dolomit und/oder (Minerale enthaltende) Flugasche, bevorzugt Kohleflugasche.
Das Inertisierungsmaterial kann alternativ oder zusätzlich Eisen-III-Oxid (Fe203) umfassen.
Das Inertisierungsmaterial kann alternativ oder zusätzlich Branntkalk (CaO) und/oder Wasserglas (CaOH) umfassen.Das Inertisierungsmaterial umfasst vorzugsweise weniger als 10 Gew.-% Kalk (CaCO₃), weiter vorzugsweise weniger als 5 Gew.-% Kalk, noch weiter vorzugsweise weniger als 1 Gew.-% Kalk. Insbesondere ist das Inertisierungsmaterial (zumindest im Wesentlichen) kalkfrei.
Ein niedriger Schmelzpunkt (z. B. eine niedrigschmelzendes Salz bzw. Salzgemisch) ist generell bevorzugt. Zumindest eine aufschmelzbare Komponente des Inertisierungsmaterials kann eine Schmelztemperatur (bei Normaldruck von 1,0 bar) von höchstens 1200 °C, vorzugsweise höchstens 800 °C, weiter vorzugsweise höchstens 600 °C, ggf. höchstens 450 °C oder höchstens 300 °C aufweisen. Eine vergleichsweise niedrige Schmelztemperatur hat insbesondere den Vorteil, dass die Metallpartikel effektiv vom Inertisierungsmaterial umhüllt werden können (bei entsprechender Temperaturerhöhung), so dass die Sicherheit verbessert wird. Soweit hier und im Folgenden von einer Schmelztemperatur die Rede ist, kann darunter eine Temperatur verstanden werden, bei der (bzw. ab der) zumindest Teile des Inertisierungsmaterials in den flüssigen Zustand übertreten. Gegebenenfalls kann hier (bzw. weiter oben und nachfolgend, soweit es um eine Schmelztemperatur geht) ein Zustand des Inertisierungsmaterials verstanden werden, bei dem zumindest Teile desselben (ggf. mindestens 10 Gew.-%) eine Viskosität von kleiner oder gleich 200 Pa • s, insbesondere kleiner oder gleich 25 Pa • s (bei 1,0 bar Umgebungsdruck) aufweisen. Jede der in diesem Absatz angegebenen Temperatur-Obergrenzen kann mit jeder weiteren Temperatur-Obergrenze zu einem erfindungsgemäßen Bereich kombiniert werden, dessen Temperatur-Untergrenze die kleinere der beiden jeweiligen Temperatur-Obergrenzen ist.
Zumindest eine aufschmelzbare Komponente des Inertisierungsmaterials kann eine Schmelztemperatur, bei Normaldruck von 1,0 bar, von mindestens 100 °C, vorzugsweise mindestens 300 °C, ggf. mindestens 500 °C oder mindestens 800 °C aufweisen. Dadurch kann ggf. verhindert werden, dass die Partikel des Inertisierungsmaterials bei Ihrem Einsatz aufschmelzen und sich das Inertisierungsmaterial beim Wiedererstarren mit den Metallpartikeln dauerhaft verbindet. Dies kann im Hinblick auf Entsorgungs- und/oder Recyclingaspekte von Vorteil sein. Die in diesem Absatz angegebenen Temperatur-Untergrenzen können jeweils mit jeder der im vorhergehenden Absatz angegebenen Temperatur-Obergrenzen zu einem entsprechenden erfindungsgemäßen Bereich kombiniert werden soweit dies nicht logisch ausgeschlossen ist. Jede der in diesem Absatz angegebenen Temperatur-Untergrenzen kann mit jeder weiteren Temperatur-Untergrenze zu einem erfindungsgemäßen Bereich kombiniert werden, dessen Temperatur-Obergrenze die größere der beiden jeweiligen Temperatur-Untergrenzen ist.
Als Glas, insbesondere Glaspartikel, wird vorzugsweise (zumindest anteilig, insbesondere zu zumindest 10 Gew.-%) Natron-Glas, besonders bevorzugt Kalk-Natron-Glas, und/oder Borosilikatglsas und/oder Blähglas (Blähglasgranulat) eingesetzt.
Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch die Verwendung eines aufschmelzbaren Inertisierungsmaterials bzw. Passivierungsmaterials zur Moderation einer Reaktion von Metallpartikeln, insbesondere Metallkondensaten, aus einem additiven Herstellungsverfahren, insbesondere einem Lasersinter- oder Laserschmelzverfahren, wobei das Inertisierungsmaterial Partikel mit einer Partikelgröße von kleiner oder gleich 100 µm umfasst.
Ein Material soll insbesondere dann als aufschmelzbar gelten, wenn es in den flüssigen Zustand überführbar ist (durch Erwärmung) und/oder zumindest in einen Zustand, bei dem die Viskosität kleiner oder gleich 200 Pa · s, vorzugsweise kleiner oder gleich 25 Pa · s (bei 1,0 bar Umgebungsdruck), ist.
Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein additives Herstellungsverfahren, insbesondere Lasersinter- oder Laserschmelzverfahren, umfassend das obige Verfahren zur Moderation einer Reaktion von Metallpartikeln, insbesondere Metallkondensaten.
Die obige Aufgabe wird weiter gelöst durch eine Herstellungsanlage zur additiven Herstellung von Objekten, vorzugsweise gemäß obigen additiven Herstellungsverfahren, insbesondere durch eine Lasersinter- oder Laserschmelzanlage, umfassend ein aufschmelzbares Inertisierungsmaterial/ Passivierungsmaterial zur Moderation einer Reaktion von Metallpartikeln, insbesondere Metallkondensaten, aus einem entsprechenden additiven Herstellungsverfahren, insbesondere einem Lasersinter- oder Laserschmelzverfahren, wobei das Inertisierungsmaterial Partikel mit einer Partikel von kleiner oder gleich 100 µm umfasst. Gemäß diesem Aspekt der Erfindung soll die Herstellungsanlage also bereits das erfindungsgemäße Passivierungsmaterial (Inertisierungsmaterial) aufweisen, beispielsweise in einem Behälter und/oder einer Zufuhreinrichtung, so dass es entsprechenden Metallkondensaten (während des additiven Herstellungsverfahrens) zugeführt werden kann.
Die Herstellungsanlage ist vorzugsweise konfiguriert, um das obige Verfahren zur Moderation einer Reaktion von Metallpartikeln durchzuführen und/oder um die obige Verwendung eines aufschmelzbaren Inertisierungsmaterials zu ermöglichen.
Die obige Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine Kombination, insbesondere ein Gemisch, umfassend Metallpartikel, insbesondere Metallkondensat, aus einem additiven Herstellungsverfahren, insbesondere dem obigen additiven Herstellungsverfahren, insbesondere einem Lasersinter- oder Laserschmelzverfahren, und ein aufschmelzbares Inertisierungsmaterial (Passivierungsmaterial), wobei das Inertisierungsmaterial Partikel mit einer Partikelgröße von kleiner oder gleich 100 µm aufweist. Die Kombination ist insbesondere konfiguriert, um das obige Verfahren zur Moderation einer Reaktion von Metallpartikeln durchzuführen und/oder um die obige Verwendung eines aufschmelzbaren Inertisierungsmaterials zu ermöglichen.
Wenn Metallpartikel und Inertisierungsmaterial kombiniert, insbesondere vermischt werden, bzw. als Kombination, insbesondere Gemisch, vorliegen, soll ein Gewichtsanteil des Inertisierungsmaterials innerhalb der Kombination (des Gemisches), vorzugsweise mindestens 2 Gew.-%, weiter vorzugsweise mindestens 5 Gew.-%, noch weiter vorzugsweise mindestens 10 Gew.-%, noch weiter vorzugsweise mindestens 30 Gew.-% und/oder höchstens 95 Gew.-%, vorzugsweise höchstens 80 Gew.-% betragen.
Die Kombination, insbesondere das Gemisch, kann in einem Behälter vorliegen bzw. (verfahrensmäßig) in einen solchen verbracht werden.
Das Inertisierungsmaterial kann einen Oxidator umfassen. Ggf. umfasst das Inertisierungsmaterial allerdings zu weniger als 50 Gew.-%, weiter vorzugsweise zu weniger als 25 Gew.-%, weiter vorzugsweise zu weniger als 5 Gew.-%, ggf. zu weniger als 1 Gew.-% oder 0,1 Gew.-%, ein Material, das (wie beispielsweise Kalkmehl) eine Oxidatorquelle darstellt.
Das Inertisierungsmaterial (Passivierungsmaterial) kann in einem Filtersystem, insbesondere Umluft-Filtersystem einer Herstellungsanlage zur additiven Herstellung von Objekten, insbesondere einer Lasersinter- oder Laserschmelzanlage, und/oder für aus einem derartigen Filtersystem stammenden Material zum Einsatz kommen.
Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben, die anhand der Abbildungen näher erläutert werden.
Hierbei zeigen:

1 eine schematische Abbildung, teilweise wiedergegeben als Querschnitt, einer Vorrichtung zum schichtweisen Aufbau eines 3-dimensionalen Objekts;
2 eine schematische Darstellung einer Entstehung von Metallpartikeln;
3 ein Diagramm über eine Mindest-Zündtemperatur in °C sowie einen Anteil eines Inertisierungsmaterials in Gew.-%; und
4 ein Diagramm über eine Brandgeschwindigkeit in cm/s sowie einen Anteil des Inertisierungsmaterials in Gew.-%.

In der nachfolgenden Beschreibung werden für gleich und gleichwirkende Teile dieselben Bezugsziffern verwendet.
Die in 1 dargestellte Vorrichtung ist eine an sich bekannte Lasersinter- oder Laserschmelzvorrichtung a1. Zum Aufbauen eines Objekts a2 enthält sie eine Prozesskammer a3 mit einer Kammerwandung a4. In der Prozesskammer a3 ist ein nach oben offener Baubehälter a5 mit einer Wandung a6 angeordnet. Durch die obere Öffnung des Baubehälters a5 ist eine Arbeitsebene a7 definiert, wobei der innerhalb der Öffnung liegende Bereich der Arbeitsebene a7, der zum Aufbau des Objekts a2 verwendet werden kann, als Baufeld a8 bezeichnet wird. In dem Behälter a5 ist ein in einer vertikalen Richtung V bewegbarer Träger a10 angeordnet, an dem eine Grundplatte a11 angebracht ist, die den Baubehälter a5 nach unten abschließt und damit dessen Boden bildet. Die Grundplatte a11 kann eine getrennt von dem Träger a10 gebildete Platte sein, die an dem Träger a10 befestigt ist, oder sie kann integral mit dem Träger a10 gebildet sein. Je nach verwendetem Pulver und Prozess kann auf der Grundplatte a11 noch eine Bauplattform a12 angebracht sein, auf der das Objekt a2 aufgebaut wird. Das Objekt a2 kann aber auch auf der Grundplatte a11 selber aufgebaut werden, die dann als Bauplattform dient. In 1 ist das in dem Baubehälter a5 auf der Bauplattform a12 zu bildende Objekt a2 unterhalb der Arbeitsebene a7 in einem Zwischenzustand dargestellt mit mehreren verfestigten Schichten, umgeben von unverfestigt gebliebenem Aufbaumaterial a13. Die Lasersintervorrichtung a1 enthält weiter einen Vorratsbehälter a14 für ein durch elektromagnetische Strahlung verfestigbares pulverförmiges Aufbaumaterial a15 und einen in einer horizontalen Richtung H bewegbaren Beschichter a16 zum Aufbringen des Aufbaumaterials a15 auf das Baufeld a8. Die Lasersintervorrichtung a1 enthält ferner eine Belichtungsvorrichtung a20 mit einem Laser a21, der einen Laserstrahl a22 als Energiestrahlbündel erzeugt, der über eine Umlenkvorrichtung a23 umgelenkt und durch eine Fokussiervorrichtung a24 über ein Einkoppelfenster a25, das an der Oberseite der Prozesskammer a3 in deren Wandung a4 angebracht ist, auf die Arbeitsebene a7 fokussiert wird.
Weiter enthält die Lasersintervorrichtung a1 eine Steuereinheit a29, über die die einzelnen Bestandteile der Vorrichtung a1 in koordinierter Weise zum Durchführen des Bauprozesses gesteuert werden. Die Steuereinheit a29 kann eine CPU enthalten, deren Betrieb durch ein Computerprogramm (Software) gesteuert wird. Das Computerprogramm kann getrennt von der Vorrichtung auf einem Speichermedium gespeichert sein, von dem aus es in die Vorrichtung, insbesondere in die Steuereinheit geladen werden kann. Im Betrieb wird zum Aufbringen einer Pulverschicht zunächst der Träger a10 um eine Höhe abgesenkt, die der gewünschten Schichtdicke entspricht.
Durch Verfahren des Beschichters a16 über die Arbeitsebene a7 wird dann eine Schicht des pulverförmigen Aufbaumaterials a15 aufgebracht. Zu Sicherheit schiebt der Beschichter a16 eine etwas größere Menge an Aufbaumaterial a15 vor sich her, als für den Aufbau der Schicht erforderlich ist. Den planmäßigen Überschuss an Aufbaumaterial a15 schiebt der Beschichter a16 in einen Überlaufbehälter a18.
Auf beiden Seiten des Baubehälters a5 ist jeweils ein Überlaufbehälter a18 angeordnet. Das Aufbringen des pulverförmigen Aufbaumaterials a15 erfolgt zumindest über den gesamten Querschnitt des herzustellenden Objekts a2, vorzugsweise über das gesamte Baufeld a8, also den Bereich der Arbeitsebene a7, der durch eine Vertikalbewegung des Trägers a10 abgesenkt werden kann. Anschließend wird der Querschnitt des herzustellenden Objekts a2 von dem Laserstrahl a22 mit einem Strahlungseinwirkbereich (nicht gezeigt) abgetastet, der schematisch eine Schnittmenge des Energiestrahlbündels mit der Arbeitsebene a7 darstellt. Dadurch wird das pulverförmige Aufbaumaterial a15 an Stellen verfestigt, die dem Querschnitt des herzustellenden Objekts a2 entsprechen. Diese Schritte werden solange wiederholt, bis das Objekt a2 fertiggestellt ist und dem Baubehälter a5 entnommen werden kann.
Zum Erzeugen eines bevorzugt laminaren Prozessgasstroms a34 in der Prozesskammer a3 enthält die Lasersintervorrichtung a1 ferner einen Gaszuführkanal a32, eine Gaseinlassdüse a30, eine Gasauslassöffnung a31 und einen Gasabführkanal a33. Der Prozessgasstrom a34 bewegt sich horizontal über das Baufeld a8 hinweg. Auch die Gaszufuhr und -abfuhr kann von der Steuereinheit a29 gesteuert sein (nicht dargestellt). Das aus der Prozesskammer a3 abgesaugte Gas kann einer (nicht gezeigten) Filtervorrichtung zugeführt werden, und das gefilterte Gas kann über den Gaszuführkanal a32 wieder der Prozesskammer a3 zugeführt werden, wodurch ein Umluftsystem mit einem geschlossenen Gaskreislauf gebildet wird. Statt lediglich einer Gaseinlassdüse a30 und einer Gasauslassöffnung a31 können jeweils auch mehrere Düsen bzw. Öffnungen vorgesehen sein.
Dabei können nun auskondensierte Metallpartikel beispielsweise an der Wandung a4 oder der (nicht-gezeigten) Filtereinrichtung vorliegen und/oder von dort entfernt werden. Dieses Material soll dann vorzugsweise erfindungsgemäß moderiert werden.
In 2 ist schematisch dargestellt, wie die Metallpartikel ausführungsgemäß vermutlich entstehen. Ein Laserstrahl 10 wird hierbei über eine Oberfläche 11 bewegt. Eine entsprechende Bewegungsrichtung ist durch den Pfeil 12 symbolisiert. Der Laserstrahl 10 schmilzt Ausgangsmaterial 13 auf, wobei ein Teil des Ausgangsmaterials verdampft wird. Das geschmolzene Ausgangsmaterial ist mit dem Bezugszeichen 16 gekennzeichnet, das gasförmige Ausgangsmaterial mit dem Bezugszeichen 17. An der Stelle, an der der Laserstrahl auftrifft entsteht eine sogenannte Dampfkapillare. Hierin befindet sich verdampftes Material (z. B. Metall) bei hohen Temperaturen als Plasma. Es wird durch Auftriebseffekte und von unten aufströmendes bzw. danach verdampftes Material noch oben mit hohen Geschwindigkeiten aus der Dampfkapillare (Keyhole) ausgeworfen. Durch Abkühlung des Metalldampfes wird eine Übersättigung der Gasphase und damit eine Kondensation (homogene Kondensation) hervorgerufen. Durch diese Kondensation entstehen Metallpartikel 14. Dieses kann sich noch im weiteren Zeitverlauf zu Agglomeraten 15 zusammenfügen.
In den 3 und 4 ist die Wirkung eines Inertisierungsmaterials (hier: Glasmehl) auf eine Mindest-Zündtemperatur und eine Brandgeschwindigkeit im Fall eines Eisen-Kondensats (Ausgangspunkt ist der hochlegierte Schmiedestahl MS1) erläutert.
Gemäß 3 kann durch die Zugabe von Glasmehl eine Mindest-Zündtemperatur, bei der eine Selbstentzündung stattfindet, signifikant angehoben werden. Im Vergleich dazu zeigte Kalkmehl bei hohen Anteilen deutlich niedrigere Mindest-Zündtemperaturen.
Bei einer vergleichsweise feinen Korngröße (Partikelgröße), insbesondere so dass das Inertisierungsmaterial vergleichsweise kohäsiv ist, konnten besonders gute Ergebnisse erzielt werden.
Gemäß 4 konnte durch Zugabe von Glasmehl eine Brandgeschwindigkeit progressiv gesenkt werden. Auch hier konnte festgestellt werden, dass eine vergleichsweise feine Partikelgröße (Korngröße), so dass das Inertisierungsmaterial kohäsiv ist und eine gute Mischung mit dem Metallkondensat erfolgen kann, vorteilhaft ist.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass alle oben beschriebenen Teile für sich alleine gesehen und in jeder Kombination, insbesondere die in den Zeichnungen darstellten Details, als erfindungswesentlich beansprucht werden. Abänderungen hiervon sind dem Fachmann geläufig.
Bezugszeichenliste

a1: Lasersinter- oder Laserschmelzvorrichtung
a2: Objekt
a3: Prozesskammer
a4: Kammerwandung
a5: Baubehälter
a6: Wandung
a7: Arbeitsebene
a8: Baufeld
a10: bewegbarer Träger
a11: Grundplatte
a12: Bauplattform
a13: unverfestigt gebliebenes Aufbaumaterial
a14: Vorratsbehälter
a15: pulverförmiges Aufbaumaterial / Aluminiumlegierung
a16: bewegbarer Beschichter
a20: Belichtungsvorrichtung
a21: Laser
a22: Laserstrahl
a23: Umlenkvorrichtung
a24: Fokussiervorrichtung
a25: Einkoppelfenster
a29: Steuereinheit
a30: Gaseinlassdüse
a31: Gasauslassöffnung
a32: Gaszuführkanal
a33: Gasabführkanal
a34: laminarer Prozessgasstrom
H: horizontale Richtung
V: vertikale Richtung
10: Laserstrahl
11: Oberfläche
12: Pfeil
13: Ausgangsmaterial
14: Metallpartikel
15: Agglomerat (von Metallpartikeln)
16: geschmolzenes Ausgangsmaterial
17: verdampftes Ausgangsmaterial

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

ISO 13320 [0010]
ASTM B822 [0010]
ISO 13322-2 [0010]

Claims

Verfahren zur Moderation einer Reaktion von Metallpartikeln, insbesondere Metallkondensaten, vorzugsweise aus einem additiven Herstellungsverfahren, insbesondere einem Lasersinter- oder Laserschmelzverfahren, wobei die Metallpartikel mit einem zumindest teilweise aufschmelzbaren Inertisierungsmaterial kombiniert, insbesondere vermischt werden, wobei das Inertisierungsmaterial Partikel mit einer Partikelgröße von kleiner oder gleich 100 µm umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Inertisierungsmaterial zu mindestens 10 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 50 Gew.-% Partikel mit einer Partikelgröße von kleiner oder gleich 100 µm, vorzugsweise kleiner oder gleich 50 µm, weiter vorzugsweise kleiner oder gleich 30 µm, weiter vorzugsweise kleiner oder gleich 20 µm, und/oder größer oder gleich 0,1 µm, vorzugsweise größer oder gleich 1 µm, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Inertisierungsmaterial Glas, insbesondere Glaspartikel, und/oder mindestens ein, insbesondere niedrigschmelzendes, und/oder hygroskopisches oder nicht-hygroskopisches, Salz, insbesondere Salzpartikel, umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Inertisierungsmaterial zu weniger als 10 Gew.-% Kalk umfasst, vorzugsweise zumindest im Wesentlichen kalkfrei ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine aufschmelzbare Komponente des Inertisierungsmaterials eine Schmelztemperatur, bei Normaldruck von 1,0 bar, von höchstens 1200 °C, vorzugsweise höchstens 800 °C, weiter vorzugsweise höchstens 600 °C, ggf. höchstens 450 °C oder höchstens 300 °C aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine aufschmelzbare Komponente des Inertisierungsmaterials eine Schmelztemperatur, bei Normaldruck von 1,0 bar, von mindestens 100 °C, vorzugsweise mindestens 300 °C, ggf. mindestens 500 °C oder mindestens 800 °C aufweist.
Verwendung eines aufschmelzbaren Inertisierungsmaterials zur Moderation einer Reaktion von Metallpartikeln, insbesondere Metallkondensaten, aus einem additiven Herstellungsverfahren, insbesondere einem Lasersinter- oder Laserschmelzverfahren, wobei das Inertisierungsmaterial Partikel mit einer Partikelgröße von kleiner oder gleich 100 µm umfasst.
Additives Herstellungsverfahren, insbesondere Lasersinter- oder Laserschmelzverfahren, umfassend das Verfahren zur Moderation einer Reaktion von Metallpartikeln, insbesondere Metallkondensaten, gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6.
Herstellungsanlage zur additiven Herstellung von Objekten, insbesondere Lasersinter- oder Laserschmelzanlage, umfassend ein aufschmelzbares Inertisierungsmaterial zur Moderation einer Reaktion von Metallpartikeln, insbesondere Metallkondensaten, aus einem entsprechenden additiven Herstellungsverfahren, vorzugsweise gemäß dem Herstellungsverfahren nach Anspruch 8, insbesondere einem Lasersinter- oder Laserschmelzverfahren, wobei das Inertisierungsmaterial Partikel mit einer Partikelgröße von kleiner oder gleich 100 µm umfasst.
Kombination, insbesondere Gemisch, umfassend Metallpartikel, insbesondere Metallkondensat, aus einem additiven Herstellungsverfahren, vorzugsweise gemäß Anspruch 8, insbesondere einem Lasersinter- oder Laserschmelzverfahren, und ein zumindest teilweise aufschmelzbares Inertisierungsmaterial, wobei das Inertisierungsmaterial Partikel mit einer Partikelgröße von kleiner oder gleich 100 µm umfasst.