DE102020105638A1

DE102020105638A1 - Verfahren zur bildung von metallischen gradientenkörpern durch additive fertigung

Info

Publication number: DE102020105638A1
Application number: DE102020105638.9A
Authority: DE
Inventors: Andrew C. Bobel; Louis G. Hector, Jr.
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2019-04-01
Filing date: 2020-03-03
Publication date: 2020-10-01
Also published as: CN111790909A; US20200306885A1

Abstract

Ein Verfahren zum Bilden eines metallischen Gradientenkörpers kann das Bilden einer ersten metallischen Abscheidung durch Bereitstellen einer ersten Menge an Metall-Ausgangsmaterial und selektives Anwenden von Energie über eine Energiequelle auf die erste Menge an Metall-Ausgangsmaterial und das iterative Bilden zusätzlicher metallischer Abscheidungen durch Bereitstellen einer zusätzlichen Menge an Metall-Ausgangsmaterial, das an eine zuvor gebildete metallische Abscheidung angrenzt, und selektives Anwenden von Energie über die Energiequelle auf die zusätzliche Menge an Metall-Ausgangsmaterial umfassen. Die über die Energiequelle bei dem Bilden der zusätzlichen metallischen Abscheidungen aufgebrachte Energie wird iterativ so variiert, dass der metallische Gradientenkörper gebildet wird und ein erstes Ende, ein zweites Ende und einen Mittelteil umfasst, wobei ein für den metallischen Gradientenkörper charakteristisches Material im Mittelteil zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende übergeht.

Description

EINLEITUNG
Additive Manufacturing, auch als 3D-Druck bekannt, bezieht sich auf einen Prozess zur Erstellung eines dreidimensionalen Objekts durch automatisierte Steuerung durch sequenzielles Hinzufügen/Verbinden von Schichtmaterial innerhalb eines dreidimensionalen Arbeitsumschlags. Die Objekte können in verschiedenen Formen und Geometrien hergestellt werden und können Opfer- oder Trägermaterialien enthalten, wodurch bisher unerreichbare Designformen möglich sind. Es sind verschiedene additive Herstellungsverfahren bekannt, die sich vor allem in der Art und Weise der Abscheidung von Materialschichten und in den verwendeten Materialien unterscheiden. Zu den additiven Fertigungsverfahren gehören beispielsweise die Modellierung von Schmelzablagerungen, das Lasersintern, das Elektronenstrahlschmelzen und der 3D-Tintenstrahldruck, bei denen Materialien wie thermoplastische Fäden, Metallpulver, Gips, Harze und Beton verwendet werden.
BESCHREIBUNG
Vorgesehen sind Verfahren zur Bildung von Gradienten-Metallkörpern. Die Verfahren können die Bildung einer ersten metallischen Abscheidung durch Bereitstellung einer ersten Menge an Metall-Ausgangsmaterial und die selektive Anwendung von Energie über eine Energiequelle auf die erste Menge an Metall-Ausgangsmaterial sowie die iterative Bildung zusätzlicher metallischer Abscheidungen durch Bereitstellung einer zusätzlichen Menge an Metall-Ausgangsmaterial, das an eine zuvor gebildete metallische Abscheidung angrenzt, und die selektive Anwendung von Energie über die Energiequelle auf die zusätzliche Menge an Metall-Ausgangsmaterial umfassen.
Die über die Energiequelle bei der Bildung der zusätzlichen metallischen Abscheidungen aufgebrachte Energie kann iterativ so variiert werden, dass der metallische Gradientenkörper gebildet wird und ein erstes Ende, ein zweites Ende und einen Mittelteil umfasst, wobei ein für den metallischen Gradientenkörper charakteristisches Material im Mittelteil zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende übergeht. Das Metall-Ausgangsmaterial kann ein variables Metall-Ausgangsmaterial sein, das in der Materialzusammensetzung variiert, da die zusätzlichen metallischen Abscheidungen iterativ gebildet werden. Die Materialcharakteristik kann eine volumetrische Konzentration von einem oder mehreren Elementen, eine metallische Mikrostruktur, Wärmeleitfähigkeit, elektrische Leitfähigkeit, Wärmeausdehnung, Wärmekapazität, Porosität, Festigkeit, Duktilität oder Ermüdungsbeständigkeit sein. Die Energiequelle kann ein variabler Laser sein. Die Energiequelle kann eine Vielzahl von Lasern sein. Die Energiequelle kann ein Laser sein, der so eingerichtet ist, dass er einen Laserstrahl mit einer Wellenlänge von etwa 400 nm bis etwa 1.200 nm mit einer Leistung von etwa 20 Watt bis etwa 1.000 Watt emittiert. Die Energiequelle kann nach einem Bauplan variiert werden. Die Energiequelle kann auf der Grundlage eines gemessenen Reflexionsvermögens der bereitgestellten Menge an Metall-Ausgangsmaterial variiert werden. Das Metall-Ausgangsmaterial kann ein variables Metall-Ausgangsmaterial sein, das in der Materialzusammensetzung variiert, da es zur Bildung aufeinanderfolgender metallischer Abscheidungen bereitgestellt wird.
Außerdem werden Verfahren zur Bildung eines metallischen Gradientenkörpers angeboten. Die Verfahren können das Bilden einer ersten metallischen Abscheidung durch Bereitstellen einer ersten Menge an Metall-Ausgangsmaterial und selektives Anwenden von Energie über mindestens einen von mehreren Lasern auf die erste Menge an Metall-Ausgangsmaterial und das iterative Bilden zusätzlicher metallischer Abscheidungen durch Bereitstellen einer zusätzlichen Menge an Metall-Ausgangsmaterial, die an eine zuvor gebildete metallische Abscheidung angrenzt, und selektives Anwenden von Energie über den mindestens einen von mehreren Lasern auf die zusätzliche Menge an Metall-Ausgangsmaterial umfassen. Die Energie, die über mindestens einen der mehreren Laser während der Bildung der zusätzlichen metallischen Abscheidungen zugeführt wird, kann iterativ so variiert werden, dass der metallische Gradientenkörper gebildet wird und ein erstes Ende, ein zweites Ende und einen Mittelteil umfasst, wobei ein für den metallischen Gradientenkörper charakteristisches Material im Mittelteil zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende übergeht. Das Metall-Ausgangsmaterial kann ein variables Metall-Ausgangsmaterial sein, das in der Materialzusammensetzung variiert, da die zusätzlichen metallischen Abscheidungen iterativ gebildet werden. Die Materialcharakteristik kann die volumetrische Konzentration eines oder mehrerer Elemente, die metallische Mikrostruktur, die Wärmeleitfähigkeit, die elektrische Leitfähigkeit, die Wärmeausdehnung, die Wärmekapazität, die Porosität, die Festigkeit, die Duktilität oder die Ermüdungsbeständigkeit sein. Mindestens einer der mehreren Laser kann ein variabler Laser sein. Der variable Laser kann so eingerichtet werden, dass er selektiv eine oder mehrere der Wellenlängen und die Leistungsdichte des emittierten Laserstrahls variiert. Jeder der Laser kann so eingerichtet werden, dass er einen Laserstrahl mit einer Wellenlänge aussendet, die sich von der Wellenlänge eines Laserstrahls unterscheidet, der von mindestens einem anderen Laser ausgesendet wird. Die von mindestens einem der mehreren Laser eingesetzte Energie kann nach einem Bauplan variiert werden. Die Energie, die von mindestens einem der mehreren Laser aufgebracht wird, kann auf der Grundlage eines gemessenen Reflexionsvermögens der bereitgestellten Menge an Metall-Ausgangsmaterial variiert werden. Das Metall-Ausgangsmaterial kann ein variables Metall-Ausgangsmaterial sein, das in der Materialzusammensetzung variiert, da es zur Bildung aufeinanderfolgender metallischer Abscheidungen bereitgestellt wird.
Weitere Objekte, Vorteile und neuartige Merkmale der exemplarischen Ausführungsformen werden in der folgenden ausführlichen Beschreibung der exemplarischen Ausführungsformen und den begleitenden Figuren näher erläutert.
Figurenliste

1 veranschaulicht eine schematische Darstellung eines additiven Herstellungsverfahrens und -systems zur Herstellung eines metallischen Gradientenkörpers nach einer oder mehreren Ausführungsformen.

AUSFÜHRLICHE DARSTELLUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden hier beschrieben. Es ist jedoch zu verstehen, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu; einige Merkmale könnten übertrieben oder minimiert werden, um Details bestimmter Komponenten zu zeigen. Daher sind bestimmte strukturelle und funktionelle Details, die hier offenbart werden, nicht als Einschränkung zu interpretieren, sondern lediglich als eine repräsentative Grundlage für die Ausbildung eines Fachmanns, der die vorliegende Erfindung auf verschiedene Weise nutzen kann. Wie diejenigen, die sich in diesem Fachgebiet auskennen, verstehen werden, können verschiedene Merkmale, die mit Bezug auf eine der Figuren illustriert und beschrieben werden, mit Merkmalen kombiniert werden, die in einer oder mehreren anderen Figuren dargestellt sind, um Ausführungsformen zu erzeugen, die nicht explizit illustriert oder beschrieben sind. Die abgebildeten Merkmalskombinationen bieten repräsentative Verkörperungen für typische Anwendungen. Verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die mit den Lehren dieser Offenbarung übereinstimmen, könnten jedoch für bestimmte Anwendungen oder Implementierungen gewünscht werden.
Vorgesehen sind hier Verfahren zur Formung von Bauteilen, die aus metallischen Gradientenkörpern bestehen, durch additive Fertigung (AM). Die Verfahren nutzen variable Laserenergiequellen, um iterativ Metallschichten aus Metall-Ausgangsmaterialien zu bilden, so dass sich eine oder mehrere Materialeigenschaften der Metallschichten bei der Schichtbildung zunehmend verändern. Variable Laser-AM-Systeme ermöglichen auch eine schnellere und/oder energieeffizientere Herstellung von Metallkörpern, indem die Wellenlänge eines oder mehrerer Laserstrahlen so abgestimmt wird, dass die von dem/den Metall-Ausgangsmaterial(en) absorbierte Energie optimiert wird.
AM ist ein Verfahren, bei dem eine feste dreidimensionale metallische Struktur schichtweise aufgebaut wird, typischerweise dort, wo Energie oder Wärme selektiv auf Ausgangsmaterialien oder Ausgangsstoffe (z.B. in Form von Pulvern oder Drähten) angewendet und von diesen absorbiert wird, um diese zu schmelzen, zu verfestigen, zu verfestigen, zu verschmelzen oder zu sintern und eine Schicht aus festem Material zu erzeugen. AM wird oft gleichbedeutend mit dreidimensionalem Druck genannt. Metallische Ausgangsmaterialien können verwendet werden, um mittels AM feste Komponentenstrukturen zu erzeugen. Nicht einschränkende Beispiele für AM-Prozesse sind u.a. Pulverbettschmelzverfahren (z.B. Lasersintern, Laserschmelzen, Elektronenstrahlschmelzen und selektives Wärmesintern), direkte Metallabscheidung, Modellierung der Schmelzabscheidung, Blaspulververfahren (z.B. gerichtete Energieabscheidung), drahtgespeiste gerichtete Energieabscheidung (z.B. Drahtextrusionsverfahren), Flüssigmetall-3D-Drucksysteme, Ultraschallverfestigung (z.B. über eine Ultraschallenergiequelle) und Binderstrahlverfahren. Metall-Ausgangsmaterialien können optional chemische oder polymere Bindemittel enthalten, in einigen Ausführungsformen.
Ein digitales dreidimensionales Modellierungssystem kann zur Erstellung eines digitalen Modells oder Bauplans der zu formenden Komponente verwendet werden. Die physische Komponente kann dann aus dem digitalen Modell durch ein AM-System geformt werden, das in einem schichtweisen Aufbauverfahren solide verschmolzene Strukturen erzeugt. Die Stelle und/oder der Weg, an der bzw. auf dem die Energiequelle auf die Metall-Ausgangsmaterialien aufgebracht wird, wird durch die jeweilige Querschnittsschicht des dreidimensionalen Produkts definiert, z.B. wie durch das digitale Modell davon definiert.
Die Anwendung von Energie auf das Metall-Ausgangsmaterial bewirkt eine Legierung, Phasenänderungen und/oder Änderungen der Zusammensetzung. So kann beispielsweise ein Metall-Ausgangsmaterial eine Mischung aus unlegierten Metallen enthalten, und durch die Anwendung von Energie kann aus dem Metall-Ausgangsmaterial ein legiertes Metall hergestellt werden. Bei allen AM-Prozessen können die Intensität, die Anwendungszeit und/oder das Anwendungsmuster der Energiequelle genutzt werden, um bestimmte Materialeigenschaften der aus dem Metall-Ausgangsmaterial gebildeten Materialschicht zu erreichen.
Im Falle der Pulverbettschmelze AM beispielsweise wird eine dünne Schicht des pulverförmigen Materials über ein Pulverbett verteilt und die Energiequelle (z.B. ein Laser) auf das pulverförmige Material gerichtet, um das pulverförmige Material dort zu schmelzen, wo der Laser eingesetzt wird. Das geschmolzene Material verfestigt sich und bildet so eine dünne Querschnittsschicht eines Produktes. Eine weitere Schicht des pulverförmigen Materials wird über die zuvor gebildete Schicht verteilt, und die Energiequelle wird auf das pulverförmige Material gerichtet, um das pulverförmige Material zu schmelzen und es mit der darunter liegenden Schicht zu verschmelzen, wo der Laser eingesetzt wird. Das geschmolzene Material verfestigt sich und bildet dabei eine etwas dickere Querschnittsschicht des Produkts. Der Prozess wird so lange wiederholt, bis das gesamte dreidimensionale Produkt geformt ist.
Beim direkten Metall-Lasersintern (DMLS) AM beispielsweise wird eine schnelle Hochenergiezufuhr verwendet, um Metallpulver direkt schichtweise zu schmelzen. Nach der Anwendung von Laserenergie und dem lokalen Schmelzen des Ausgangsmaterials folgt eine schnelle Abkühlung, während der Strahl sich weiterbewegt, um angrenzende Ausgangsmaterialien zu bearbeiten. DMLS bietet eine lokale, schnelle Abscheidung hoher Energie. Nur wenige Milligramm des Ausgangsmaterials werden zu einem bestimmten Zeitpunkt erhitzt (z.B. mit einem vorgegebenen Zeitbereich, wie z.B. wenige Millisekunden (z.B. weniger als etwa 3-5 ms) der Verarbeitung). Die rasche Abkühlung auf darunter liegende Schichten ist in der Regel ein Nicht-Gleichgewichtsprozess und soll große, gerichtete thermische Gradienten und große lokale Dehnungen erzeugen.
Die in AM verwendeten Metall-Ausgangsmaterialien können Metalle wie Aluminiumlegierungen (z.B. AlSi₁₀Mg, AlSi₁₂), Kupferlegierungen, Nickellegierungen, Titanlegierungen (z.B. Ti₆A₁₄V), Kobalt-Chrom-Legierungen (z.B, ASTM F75), austentitische Nickel-Chrom-Legierungen, Stahllegierungen, einschließlich Automobilstähle, rostfreie Stähle (z.B. 316L, 17-4 PH und 15-5 PH), martensitaushärtende Stähle und Baustähle (z.B. HSLA 420, 4140), neben vielen anderen Metall-Ausgangsmaterialien. Im Allgemeinen können die hier vorgestellten Verfahren jedes geeignete Metall-Ausgangsmaterial verwenden, das von einem Fachmann als geeignet erkannt wird.
In einem nicht limitierenden Beispiel für AM wird in 1 als Beispiel für einen geeigneten AM-Ansatz ein Verfahren zur direkten Energiedeposition und das System 10 zur Herstellung eines Metallkörpers 100 gezeigt. Das System 10 kann verwendet werden, um den dreidimensionalen Metalllegierungskörper 100 Schicht für Schicht (z.B. Mikroschicht für Mikroschicht) aus einem oder mehreren hier beschriebenen oder in der Technik bekannten Metall-Ausgangsmaterialien 20, wie z.B. den Metall-Ausgangsmaterialien 21 und 22, aufzubauen. Das System 10 umfasst im Allgemeinen eine Druckkammer 11, die eine Bauplatte 12 umgibt. Die Druckkammer 11 kann, wie dargestellt, aus einem Gehäuse bestehen oder sich allgemein auf den Bereich beziehen, in dem AM auftritt. Metall-Ausgangsmaterial 20, wie z.B. die Metall-Ausgangsmaterialien 21 und 22, können z.B. aus den jeweiligen Vorratsbehältern 23 und 24 der Druckkammer 11 zugeführt werden. Es wird davon ausgegangen, dass die Reservoirs 23 und 24 an verschiedenen Positionen im System 10 angeordnet werden können, und die Art der Metallausgabe des Ausgangsmaterials 20 kann je nach Art der vom System 10 verwendeten AM variieren. Darüber hinaus wird davon ausgegangen, dass das Metall-Ausgangsmaterial 20 eine Vielzahl von Einsatzmaterialien (z.B. 3, 4, 5, usw.) umfasst und nicht auf die beiden Metall-Ausgangsmaterialien 21 und 22 beschränkt ist, wie dargestellt. Eine Energiequelle 30 kann selektiv Energie auf das Metall-Ausgangsmaterial 20 innerhalb der Druckkammer 11 anwenden.
Wie gezeigt, kann ein metallischer Gradientenkörper 100 durch AM hergestellt werden, indem eine erste metallische Abscheidung 101 gebildet wird, indem eine erste Menge des Metall-Ausgangsmaterials 20 bereitgestellt wird und selektiv Energie über die Energiequelle 30 auf die erste Menge des Metall-Ausgangsmaterials 20 aufgebracht wird. Nachdem Energie zum Sintern oder Schmelzen des Metall-Ausgangsmaterials aufgebracht wurde, kühlt das Metall-Ausgangsmaterial schnell ab und verfestigt sich zu einer metallischen Abscheidung (z.B. einer Mikroschicht). Sobald die erste metallische Abscheidung 101 gebildet ist, können weitere metallische Abscheidungen 102, 109 iterativ gebildet werden, indem man eine zusätzliche Menge an Metall-Ausgangsmaterial 20 angrenzend an eine zuvor gebildete metallische Abscheidung bereitstellt und über die Energiequelle 30 selektiv Energie auf die zusätzliche Menge an Metall-Ausgangsmaterial 20 aufbringt. Jede nacheinander geformte metallische Abscheidung verschmilzt nach Verfestigung und/oder Abkühlung mit der zuvor gebildeten metallischen Abscheidung. Da die zusätzlichen metallischen Abscheidungen iterativ gebildet werden, wird die über die Energiequelle 30 zugeführte Energie bei der Bildung der zusätzlichen metallischen Abscheidungen iterativ so variiert, dass eine Materialeigenschaft der zusätzlichen metallischen Abscheidungen im Allgemeinen zunehmend von der ersten metallischen Abscheidung 101 abweicht. Dementsprechend umfasst der metallische Gradientenkörper 100 ein erstes Ende 110, ein zweites Ende 120 und einen Mittelabschnitt 115, wobei eine Materialeigenschaft des metallischen Gradientenkörpers 100 im Mittelabschnitt 115 zwischen dem ersten Ende 110 und dem zweiten Ende 120 übergeht.
Die Energiequelle 30 kann aus einem oder mehreren Lasern 31 und 32 bestehen, die so eingerichtet sind, dass sie Energie auf den Metall-Ausgangsmaterial 20 in der Druckkammer 11 aufbringen. In einer Ausführung können die Laser 31, 32 einen Laser mit variabler Wellenlänge umfassen, der in der Lage ist, die Wellenlänge des von ihm emittierten Laserstrahls zu verändern. Der Laser kann beispielsweise so eingerichtet werden, dass er einen Laserstrahl mit einer Wellenlänge von etwa 400 nm bis etwa 1.200 nm mit einer Leistung bzw. Intensität von etwa 20 Watt bis etwa 1.000 Watt aussendet. Einige dieser Laser können eine Intensität von etwa 200 bis 500 Watt haben. In einer anderen Ausführungsform kann die Energiequelle 30 eine Vielzahl von Lasern umfassen, wie z.B. die Laser 31 und 32, die so eingerichtet sind, dass sie einen Laserstrahl mit einer bestimmten Wellenlänge aussenden, die sich von der Wellenlänge des von mindestens einem anderen Laser ausgesandten Laserstrahls unterscheidet. Zum Beispiel können solche Laser so eingerichtet werden, dass sie einen festen oder variablen Laserstrahl mit einer Wellenlänge im Bereich von etwa 400 nm bis etwa 1.200 nm mit einer Leistung von etwa 20 Watt bis etwa 1.000 Watt oder etwa 200 Watt bis etwa 500 Watt aussenden. In einer Ausführung, in der eine Vielzahl von Lasern verwendet wird, kann jeder der Laser so eingerichtet werden, dass er einen Laserstrahl mit einer festen oder variablen Wellenlänge emittiert, die sich von der Wellenlänge des von mindestens einem anderen Laser emittierten Laserstrahls unterscheidet.
Die Energiequelle 30 kann nach einem Bauplan variiert werden. Im Falle einer Energiequelle 30, die einen variablen Laser umfasst, kann ein Bauplan referenziert werden, der die Wellenlänge des Laserstrahls diktiert, der auf die Menge des Metall-Ausgangsmaterials 20 für eine bestimmte Abscheidung (z.B. Abscheidung 102) angewendet wird.
Wie hier verwendet, bezieht sich ein variabler Laser auf einen Laser, der selektiv die Wellenlänge und/oder die Leistungsdichte des emittierten Laserstrahls variieren kann. Im Falle einer Energiequelle 30, die eine Vielzahl von Lasern umfasst, kann ein Bauplan referenziert werden, der vorschreibt, welche(r) Laserstrahl(en) Energie auf die Menge des Metall-Ausgangsmaterials 20 für eine bestimmte Abscheidung (z.B. Abscheidung 102) aufzubringen ist/sind. Die Leistung des/der Laser kann zusätzlich oder alternativ, in beiden Ausführungsformen, je nach Bauplan variiert werden.
In einer anderen Verkörperung wird die Energiequelle 30 auf der Grundlage eines gemessenen Reflexionsvermögens der bereitgestellten Menge an Metall-Ausgangsmaterial 20 variiert. Die Reflektivität kann z.B. mit einem In-situ-Reflexionssensor 40 gemessen werden. Zum Beispiel kann die Reflektivität der Menge an Metall-Ausgangsmaterial 20, die der Druckkammer zugeführt wird, gemessen werden, und die Laserwellenlänge und/oder -intensität kann aus einer Nachschlagetabelle oder einer auf der gemessenen Reflektivität basierenden Formel ausgewählt werden. Das Reflexionsvermögen des Metall-Ausgangsmaterials kann gemessen werden, während Energie über die Energiequelle 30 zugeführt wird, und die Wellenlänge und/oder Intensität des Lasers kann eingestellt werden, während Energie auf eine bestimmte metallische Abscheidung aufgebracht wird.
In einigen Ausführungsformen kann das Metall-Ausgangsmaterial aus einem einzigen Material mit einer festen Zusammensetzung bestehen. In anderen Ausführungsformen kann das Metall-Ausgangsmaterial aus einem variablen Metall-Ausgangsmaterial bestehen, das in der Materialzusammensetzung variiert, da es zur Bildung aufeinanderfolgender metallischer Abscheidungen bereitgestellt wird. In einer solchen Ausführungsform kann das variable Metall-Ausgangsmaterial eine variable Mischung aus einer Vielzahl von Metallpulvern, einer Vielzahl von Metalldrähten oder einem legierten Metalldraht mit Gradient umfassen.
Wenn das variable Metall-Ausgangsmaterial aus einer Vielzahl von Metallpulvern oder Metalldrähten besteht, kann die Vielzahl von Pulvern oder Drähten der Druckkammer 11 mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten so dosiert werden, dass die gewünschte Materialcharakteristik des metallischen Gradientenkörpers 100 erreicht wird.
Wenn ein Metall-Ausgangsmaterial mit fester Zusammensetzung verwendet wird, kann die Materialcharakteristik des metallischen Körpers 100, die den Gradienten definiert, z.B. metallische Mikrostruktur, Wärmeleitfähigkeit, elektrische Leitfähigkeit, Wärmeausdehnung, Wärmekapazität, Porosität, Festigkeit, Duktilität, Ermüdungsbeständigkeit und Kombinationen davon umfassen. Wenn ein variabler Metall-Ausgangsmaterial verwendet wird, kann die Materialcharakteristik des metallischen Körpers 100, die den Gradienten definiert, die volumetrische Konzentration eines oder mehrerer Elemente, die metallische Mikrostruktur, die Wärmeleitfähigkeit, die elektrische Leitfähigkeit, die Wärmeausdehnung, die Wärmekapazität, die Porosität, die Festigkeit, die Duktilität, die Ermüdungsbeständigkeit und Kombinationen davon umfassen.
Das Variieren der Energiequelle 30 kann das Variieren der Wellenlänge und/oder Intensität eines oder mehrerer Laser umfassen. Im Allgemeinen kann die Wellenlänge eines Lasers so abgestimmt werden, dass die Energieabsorption durch ein Metall-Ausgangsmaterial 20 maximiert wird. Darüber hinaus kann die Wellenlänge so eingestellt werden, dass ein gewünschter Effekt auf das Metall-Ausgangsmaterial erzielt wird. Die Wellenlänge und Intensität eines oder mehrerer Laser kann kooperativ variiert werden, um einem Metall-Ausgangsmaterial 20 eine gewünschte Energie zu verleihen. So kann ein Laser beispielsweise eine bestimmte Energiemenge auf ein Metall-Ausgangsmaterial 20 übertragen, indem er bei einer ersten Wellenlänge arbeitet, die für eine maximale Absorption bei einer ersten Intensität optimiert ist, oder der Laser kann die gleiche Energiemenge übertragen, indem er bei einer zweiten Wellenlänge arbeitet, die weniger optimal vom Metall-Ausgangsmaterial 20 und einer erhöhten Intensität absorbiert wird.
Ein metallischer Gradientenkörper 100 kann Eisen und Kupfer umfassen, wobei der Gradient durch die Materialeigenschaften der volumetrischen Konzentrationen von Eisen und Kupfer und die Wärmeleitfähigkeit definiert werden kann, wobei das kupferreiche Ende des metallischen Gradientenkörpers 100 mit höheren volumetrischen Konzentrationen von Kupfer relativ zu Eisen eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist als das eisenreiche Ende des metallischen Gradientenkörpers 100. Der Gradient kann durch iterative Variation der Laserwellenlänge, die zur Bildung der kupferreichen metallischen Abscheidungen an einem ersten Ende des Körpers 100 verwendet wird, von einer, die gut mit Kupfer koppelt (ca. 400 nm bis ca. 500 nm oder ca. 450 nm) bis zu einer Laserwellenlänge, die zur Bildung der eisenreichen metallischen Abscheidungen an einem zweiten Ende des Körpers 100 verwendet wird, die gut mit Eisen koppelt (ca. 950 nm bis ca. 1.050 nm oder ca. 1.000 nm), erreicht werden. In dieser Verkörperung können sich „das erste Ende“ und „das zweite Ende“ entweder auf das erste Ende 110 oder auf das zweite Ende 120 beziehen, wie in 1 dargestellt.
Ein Gradienten-Metallkörper 100 kann aus zwei Aluminiumlegierungen bestehen (z.B, Legierung 1: eine 7xxx-Aluminiumlegierung und Legierung 2: eine Legierung der 2xxx-Reihe mit höherem Kupfergehalt relativ zu Legierung 1), wobei der Gradient durch die Materialeigenschaften der volumetrischen Konzentrationen der Aluminiumlegierungen, der Festigkeit und der Duktilität definiert werden kann, wobei das an Legierung 1 reiche Ende des metallischen Gradientenkörpers 100 mit höheren volumetrischen Konzentrationen von Legierung 1 relativ zu Legierung 2 eine höhere Festigkeit und geringere Duktilität als das an Legierung 2 reiche Ende des metallischen Gradientenkörpers 100 aufweist. Der Gradient kann erreicht werden, indem man an einem ersten Ende des Körpers 100 mit einer Laserwellenlänge von etwa 810 nm oder etwa 800 nm legierungsreiche metallische Abscheidungen bildet und die Laserwellenlänge, die zur Bildung aufeinanderfolgender metallischer Abscheidungen verwendet wird, iterativ verringert, so dass ein Gradientenkörper 100 gebildet wird, der ein legierungsreiches zweites Ende umfasst. In dieser Verkörperung können sich „das erste Ende“ und „das zweite Ende“ entweder auf das erste Ende 110 oder auf das zweite Ende 120 beziehen, wie in 1 dargestellt.
Ein metallischer Gradientenkörper 100 kann Eisen und Nickel umfassen, wobei der Gradient durch die Materialeigenschaften der volumetrischen Konzentrationen von Eisen und Nickel und die thermische Ausdehnung und den Kokswiderstand definiert werden kann, wobei das eisenreiche Ende des metallischen Gradientenkörpers 100 mit höheren volumetrischen Konzentrationen von Eisen relativ zu Nickel eine geringere thermische Ausdehnung und einen geringeren Kokswiderstand aufweist als das nickelreiche Ende des metallischen Gradientenkörpers 100. Der Gradient kann durch iterative Variation der Laserwellenlänge, die zur Bildung der eisenreichen metallischen Abscheidungen an einem ersten Ende des Körpers 100 verwendet wird, von einer, die gut mit Eisen koppelt (etwa 990 nm bis etwa 1.010 nm oder etwa 1.000 nm), zu einer Laserwellenlänge, die zur Bildung der nickelreichen metallischen Abscheidungen an einem zweiten Ende des Körpers 100 verwendet wird, die gut mit Nickel koppelt (weniger als etwa 550 nm oder weniger als etwa 530 nm), erreicht werden. In dieser Verkörperung können sich „das erste Ende“ und „das zweite Ende“ entweder auf das erste Ende 110 oder auf das zweite Ende 120 beziehen, wie in 1 dargestellt.
Ein metallischer Gradientenkörper 100 kann Aluminium umfassen, wobei der Gradient durch die Materialeigenschaften der Porosität definiert werden kann. Der Gradient kann durch iterative Variation der Laserwellenlänge, die zur Bildung des ersten Endes des Körpers 100 mit geringerer Porosität verwendet wird, von einer, die gut mit Aluminium koppelt (ca. 790 nm bis ca. 810 nm oder ca. 800 nm), zu einer Laserwellenlänge, die zur Bildung der Abscheidungen mit höherer Porosität verwendet wird, an einem zweiten Ende des Körpers 100, das weniger gut mit Aluminium koppelt (ca. 990 nm bis ca. 1.010 nm oder ca. 1.000 nm), erreicht werden. Da die Wellenlänge des Lasers variiert wird, um die Kopplungskompatibilität mit Aluminium zu reduzieren, führt das unvollständige Schmelzen von Aluminiumrohstoffen (z.B. Pulver) zu einer erhöhten Porosität. Die endgültige Wellenlänge, die zur Bildung der metallischen Abscheidungen am zweiten Ende 120 des Körpers 100 und über den gesamten Materialgradienten verwendet wird, kann auf der Grundlage der gewünschten Porosität maßgeschneidert werden. In dieser Verkörperung können sich „das erste Ende“ und „das zweite Ende“ entweder auf das erste Ende 110 oder auf das zweite Ende 120 beziehen, wie in 1 dargestellt.
Während oben beispielhafte Ausführungsformen beschrieben werden, ist es nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen beschreiben, die von den Ansprüchen umfasst werden. Die in der Beschreibung verwendeten Worte sind eher beschreibend als einschränkend, und es wird davon ausgegangen, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der Offenbarung abzuweichen. Wie bereits beschrieben, können die Merkmale verschiedener Ausführungsformen zu weiteren Ausführungsformen der Erfindung kombiniert werden, die nicht explizit beschrieben oder illustriert werden können. Während verschiedene Ausführungsformen als vorteilhaft oder bevorzugt gegenüber anderen Ausführungsformen oder Implementierungen nach dem Stand der Technik in Bezug auf ein oder mehrere gewünschte Merkmale beschrieben werden könnten, erkennen diejenigen mit gewöhnlichen Fertigkeiten in der Kunst an, dass ein oder mehrere Merkmale oder Charakteristika kompromittiert werden können, um gewünschte Gesamtsystemattribute zu erreichen, die von der spezifischen Anwendung und Implementierung abhängen. Diese Attribute können unter anderem Kosten, Festigkeit, Haltbarkeit, Lebenszykluskosten, Marktfähigkeit, Aussehen, Verpackung, Größe, Gebrauchstauglichkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, Montagefreundlichkeit usw. umfassen. Ausführungsformen, die in Bezug auf ein oder mehrere Merkmale als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen oder Implementierungen nach dem Stand der Technik beschrieben werden, sind als solche nicht außerhalb des Geltungsbereichs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.

Claims

Ein Verfahren zum Bilden eines metallischen Gradientenkörpers, wobei das Verfahren umfasst: Bilden einer ersten metallischen Abscheidung durch Bereitstellen einer ersten Menge von Metall-Ausgangsmaterial und selektives Zuführen von Energie über eine Energiequelle auf die erste Menge von Metall-Ausgangsmaterial; und iteratives Bilden zusätzlicher metallischer Abscheidungen durch Bereitstellen einer zusätzlichen Menge an Metall-Ausgangsmaterial, das an eine zuvor gebildete metallische Abscheidung angrenzt, und selektives Zuführen von Energie über die Energiequelle zu der zusätzlichen Menge an Metall-Ausgangsmaterial, wobei die über die Energiequelle zugeführte Energie während der Bildung der zusätzlichen metallischen Abscheidungen iterativ so variiert wird, dass der metallische Gradientenkörper gebildet wird und ein erstes Ende, ein zweites Ende und einen Mittelabschnitt aufweist, wobei ein für den metallischen Gradientenkörper charakteristisches Material in dem Mittelabschnitt zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende übergeht.
Ein Verfahren zum Bilden eines metallischen Gradientenkörpers, wobei das Verfahren umfasst: Bilden einer ersten metallischen Abscheidung durch Bereitstellen einer ersten Menge an Metall-Ausgangsmaterial und selektives Anwenden von Energie über mindestens einen von mehreren Lasern auf die erste Menge an Metall-Ausgangsmaterial; und iteratives Bilden zusätzlicher metallischer Abscheidungen durch Bereitstellen einer zusätzlichen Menge an Metall-Ausgangsmaterial, das an eine zuvor gebildete metallische Abscheidung angrenzt, und selektives Aufbringen von Energie über den mindestens einen der Vielzahl von Lasern auf die zusätzliche Menge an Metall-Ausgangsmaterial, wobei die über den mindestens einen der Vielzahl von Lasern während des Bildens der zusätzlichen metallischen Abscheidungen aufgebrachte Energie iterativ variiert wird, so dass der metallische Gradientenkörper gebildet wird und ein erstes Ende, ein zweites Ende und einen Mittelabschnitt umfasst, wobei ein für den metallischen Gradientenkörper charakteristisches Material im Mittelabschnitt zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende übergeht.
Die Verfahren eines der oben genannten Ansprüche, wobei das Metall-Ausgangsmaterial ein variables Metall-Ausgangsmaterial umfasst, das in der Materialzusammensetzung variiert, wenn die zusätzlichen metallischen Abscheidungen iterativ gebildet werden.
Die Verfahren nach einem der oben genannten Ansprüche, wobei die Materialcharakteristik die volumetrische Konzentration eines oder mehrerer Elemente, die metallische Mikrostruktur, die Wärmeleitfähigkeit, die elektrische Leitfähigkeit, die Wärmeausdehnung, die Wärmekapazität, die Porosität, die Festigkeit, die Duktilität oder die Ermüdungsbeständigkeit umfasst.
Die Verfahren eines der oben genannten Ansprüche, wobei die Energiequelle einen variablen Laser umfasst.
Die Verfahren nach einem der oben genannten Ansprüche, wobei der variable Laser eingerichtet ist, selektiv eine oder mehrere Wellenlängen und Leistungsdichten seines emittierten Laserstrahls zu variieren.
Die Verfahren nach einem der oben genannten Ansprüche, wobei die Energiequelle einen Laser umfasst, der eingerichtet ist, einen Laserstrahl mit einer Wellenlänge von etwa 400 nm bis etwa 1.200 nm mit einer Leistung von etwa 20 Watt bis etwa 1.000 Watt zu emittieren.
Die Verfahren eines der oben genannten Ansprüche, wobei die Energiequelle je nach Bauplan variiert wird.
Die Verfahren eines der oben genannten Ansprüche, wobei die Energiequelle auf der Grundlage eines gemessenen Reflexionsvermögens der bereitgestellten Menge an Metall-Ausgangsmaterial variiert wird.
Die Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, wobei jeder der Laser eingerichtet ist, einen Laserstrahl mit einer Wellenlänge zu emittieren, die sich von der Wellenlänge eines Laserstrahls, der von mindestens einem anderen Laser emittiert wird, unterscheidet.