DE102022207112A1

DE102022207112A1 - Verfahren zur additiven Fertigung eines Bauteils unter Nutzung eines Metall-Kunststoff-Pulvergemischs

Info

Publication number: DE102022207112A1
Application number: DE102022207112.3A
Authority: DE
Inventors: Jan Sander
Original assignee: Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
Current assignee: Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
Priority date: 2022-07-12
Filing date: 2022-07-12
Publication date: 2024-01-18
Also published as: WO2024013123A1

Abstract

Die vorgeschlagene Lösung betrifft insbesondere ein Verfahren zur additiven Fertigung eines Bauteils (B), bei dem ein pulverförmiges Druckmaterial schichtweise aufgebracht wird.Als Druckmaterial wird ein Metall-Kunststoff-Pulvergemisch mit einem Metallanteil (10) und einem Kunststoffanteil (11) genutzt. Nach einem Aufbringen des Metall-Kunststoff-Pulvergemischs wird durch Wärmeeintrag wenigstens lokal ein Kunststoffanteil des Metall-Kunststoff-Pulvergemischs verdampft wird, bevor ein wenigstens lokal verbliebener Metallanteil (10) des aufgebrachten Metall-Kunststoff-Pulvergemischs - zur Bildung eines Abschnitts mit fester Metallstruktur (4, 4A-4E) für das herzustellende Bauteil (B) - durch Wärmeeintrag verbunden wird.

Description

Die vorgeschlagene Lösung betrifft insbesondere ein Verfahren zur additiven Fertigung eines Bauteils.
Es ist weithin bekannt, bei der additiven Fertigung eines Bauteils pulverförmiges Druckmaterial zu verwenden und das Bauteil schichtweise aufzubauen. Das pulverförmige Druckmaterial wird hierbei auf einer Druckplattform einer 3D-Druckeinrichtung schichtweise aufgebracht. Typischerweise ist es nicht ohne Schwierigkeiten, ein Bauteil additiv zu fertigen, das anteilig sowohl aus einem Kunststoffmaterial als auch aus einem Metall bestehen soll. Hierbei spielt insbesondere eine Rolle, dass Schmelzpunkte von Kunststoff und Metall vergleichsweise weit auseinanderliegen. Um einen Festkörper oder einen Festkörperabschnitt für das herzustellende Bauteil aus Metall auszubilden, wird metallisches Druckmaterial geschmolzen oder gesintert. Die hierfür notwendigen Temperaturen übersteigen dann aber die Schmelztemperatur des Kunststoffes teilweise erheblich, sodass bereits aufgebrachtes Kunststoffmaterial unter Umständen zerstört wird.
Es liegt damit der vorliegenden Lösung die Aufgabe zugrunde, Verbesserungen für die additive Fertigung eines Bauteils aus Metall und Kunststoff bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird sowohl mit einem Verfahren des Anspruchs 1 oder 14 als auch durch eine 3D-Druckvorrichtung des Anspruchs 15 oder eine Verwendung des Anspruchs 17 gelöst.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorgeschlagenen Lösung ist vorgesehen, als Druckmaterial ein Metall-Kunststoff-Pulvergemisch mit einem Metallanteil und einem Kunststoffanteil zu nutzen. Nach einem Aufbringen des Metall-Kunststoff-Pulvergemischs wird durch Wärmeeintrag wenigstens lokal der Kunststoffanteil verdampft (und damit lokal entfernt), bevor ein wenigstens lokal verbliebener Metallanteil des aufgebrachten Metall-Kunststoff-Pulvergemischs durch Wärmeeintrag verbunden wird.
Ein Grundgedanke der vorgeschlagenen Lösung ist hier folglich der Ansatz, ein Metall-Kunststoff-Pulvergemisch zu nutzen, um in einem Druckprozess Metallbestandteile und Kunststoffbestandteile gemeinsam aufzubringen, dann aber im Anschluss einen Kunststoffanteil durch Verdampfung zu entfernen, sodass verbliebenes Metall (zur Bildung eines Abschnitts mit fester Metallstruktur für das herzustellende Bauteil) verbunden, d.h., zum Beispiel geschmolzen oder gesintert, werden kann. Durch die Verdampfung des Kunststoffanteils kann dabei lokal begrenzt der Metallanteil frei gelegt werden. Mit anderen Worten wird durch eine z.B. lokal begrenzte, gezielte Verdampfung des Kunststoffanteils des aufgebrachten Metall-Kunststoff-Pulvergemischs ausschließlich Metall enthaltendes Pulver ohne Kunststoff zur Verfügung gestellt werden, sodass zum Beispiel in einem nachfolgenden Prozessschritt der lediglich lokal verbliebene Metallanteil geschmolzen oder gesintert werden kann, ohne dass hierbei Kunststoff mit verschmolzen oder mitgesintert wird.
Grundsätzlich kann ein wenigstens lokales, insbesondere ein nur lokales d.h. lokal begrenztes Verdampfen des Kunststoffanteils erst nach einem Aufbringen mehrerer (mindestens zweier) Schichten des Metall-Kunststoff-Pulvergemischs erfolgen und hierbei insbesondere in mehreren aufgebrachten Schichten. Ein Kunststoffanteil wird folglich in einer derartigen Ausführungsvariante erst verdampft, nachdem mehrere Schichten von Metall-Kunststoff-Pulvergemisch ausgebracht wurden. Ein Verdampfen des Kunststoffanteils kann hierbei auch schichtweise, d. h. Schicht für Schicht, oder aber über mehrere Schichten hinweg erfolgen.
In wenigstens einer Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass vor der Verbindung des wenigstens lokal verbliebenen Metallanteils an demjenigen Bereich (einer oder mehrerer Schichten) des aufgebrachten Metall-Kunststoff-Pulvergemisches, in dem der Kunststoffanteil in einem ersten Prozessschritt für die Bildung einer Metallstruktur verdampft wurde, wenigstens eine Zusatzschicht des Metall-Kunststoff-Pulvergemisches aufgebracht wird. Das Aufbringen wenigstens einer Zusatzschicht des Metall-Kunststoff-Pulvergemisches kann dabei einem Schrumpfungsausgleich dienen. So ist durch die Verdampfung des Kunststoffanteils - gegebenenfalls in einem definierten und lokal begrenzten Bereich und im Vergleich zu angrenzenden Bereichen - weniger Material vorhanden. Durch Aufbringung einer oder mehrerer Zusatzschichten des Metall-Kunststoff-Pulvergemischs kann eine entsprechende Reduktion in der Schichtdicke wieder ausgeglichen werden. In diesem Zusammenhang kann ferner vorgesehen sein, dass die Verbindung des Metallanteils in einem nachfolgenden zweiten Prozessschritt erfolgt, und zwar erst nachdem zuvor in der wenigstens einen aufgebrachten Zusatzschicht der Kunststoffanteil ebenfalls verdampft wurde. Derart kann der Metallanteil der Zusatzschicht in dem zweiten Prozessschritt ebenfalls mit verbunden werden. So dann beispielsweise ein Metallanteil einer oder mehrerer aufgebrachter Zusatzschichten ebenfalls mit aufgeschmolzen oder mitgesintert werden, um eine größere Metallstruktur zu erzeugen. Die wenigstens eine (zusätzliche) aufgebrachte Zusatzschicht kann dabei hinsichtlich des Volumens ihres Metallanteils so bemessen sein, dass das Volumen des verdampften Kunststoffmaterials ausgeglichen wird.
Für die Verdampfung des Kunststoffanteils wird beispielsweise eine erste Laserstrahlung einer ersten Wellenlänge verwendet, während zur Verbindung des Metallanteils eine zweiten Laserstrahlung einer zweiten Wellenlänge verwendet wird, wobei die zweite Wellenlänge kleiner ist als die erste Wellenlänge. Hierbei wird sich zunutze gemacht, dass je nach Wellenlänge ein Kunststoffmaterial und einen Metall typischerweise unterschiedlich stark Laserstrahlung absorbieren. So absorbiert beispielsweise ein Kunststoffmaterial, insbesondere ein Polymer, Laserstrahlung niedrigerer Wellenlänge (zum Beispiel ≤ 1 µm) deutlich schlechter als ein Metall. Gleichzeitig wird Laserstrahlung größerer Wellenlänge (zum Beispiel ≥ 6 µm oder ≥ 8 µm) von einem Metall reflektiert und mithin nicht absorbiert, während ein Kunststoffmaterial, insbesondere ein Polymer, gegebenenfalls durch hierin vorgesehene Additive, solche Laserstrahlung absorbiert. So kann dann beispielsweise mithilfe einer ersten Laserstrahlung, die von einem ersten Laser, zum Beispiel einem CO₂-Laser, mit größerer Wellenlänge erzeugt wird, Kunststoffmaterial gezielt verdampft werden, während die entsprechende erste Laserstrahlung den Metallanteil des aufgebrachten Metall-Kunststoff-Pulvergemisch kaum oder nicht beeinflusst. Weiterhin kann durch Laserstrahlung niedrigerer Wellenlänge, zum Beispiel grüne oder blaue Laserstrahlung erzeugt durch einen zweiten Laser, die von einem Kunststoffmaterial nicht absorbiert wird, aber von dem Metall, eine Verbindung des Metallanteils durch Schmelzen oder Sintern erreicht werden.
In einer Ausführungsvariante ist für den Kunststoffanteil des Metall-Kunststoff-Pulvergemischs ein Kunststoffmaterial vorgesehen, das unter Einschluss einer hieran angrenzenden Metallschmelze verascht. So ist beispielsweise ein Polymer als Kunststoffmaterial vorgesehen, gegebenenfalls durch Zusatz entsprechender Additive, dass unter der Wirkung der hohen Temperaturen einer angrenzenden Metallschmelze für die Erzeugung einer Metallstruktur auf Basis des Metallanteils in einem an die Metallschmelze angrenzenden Bereich verascht sodass über einen an die Metallschmelze angrenzenden Aschebereich eine thermische Isolierung der Metallschmelze gegenüber angrenzenden, bereits gedruckten Bereichen des Bauteils erreicht wird.
Grundsätzlich kann das Metall-Kunststoff-Pulvergemisch Metall-Kunststoff-Partikel aufweisen, insbesondere aus Metall-Kunststoff-Partikeln bestehen. Hierbei ist zumindest ein Teil des Metallanteils des Metall-Kunststoff-Pulvergemischs durch eine Vielzahl von Metallkernen der Metall-Kunststoff-Partikel gebildet, während zumindest ein Teil des Kunststoffanteils des Metall-Kunststoff-Pulvergemischs durch Kunststoffmäntel gebildet ist, die jeweils einen Metallkern umhüllen. Es ist folglich eine Vielzahl von Metall-Kunststoff-Partikeln vorgesehen, die jeweils einen Metallkern mit umhüllendem Kunststoffmantel aufweisen. Die Nutzung entsprechender Metall-Kunststoff-Partikel erleichtert das Aufbringen von Metall und Kunststoff aufweisenden Druckmaterials in einem einzigen Druckprozess, wobei über die vorgeschlagene Lösung und die hierbei vorgesehene unterschiedliche weitere Behandlung des Kunststoffanteils einerseits und des Metallanteils andererseits in nachfolgenden Prozessschritten gewünschte Kunststoff- und Metallstrukturen für das herzustellende Bauteil ausgebildet werden können.
In einer Ausführungsvariante wird mit dem verbundenen Metallanteil eine Metallstruktur für das herzustellende Bauteil gebildet und zusätzlich vorgesehen, zumindest lokal einen Kunststoffanteil des aufgebrachten Metall-Kunststoff-Pulvergemischs nicht zu verdampfen, sondern zu verbinden, insbesondere durch Schmelzen, Sintern oder Polymerisation. In einer solchen Ausführungsvariante ist folglich vorgesehen, nicht nur eine wenigstens lokal zusammenhängende Metallstruktur aus dem ursprünglich pulverförmig vorliegenden Metallanteil für das herzustellende Bauteil auszubilden, sondern auch eine Kunststoffstruktur auszubilden, in der keine Verbindung des pulverförmigen Metallanteils erfolgt. Dies schließt beispielsweise eine Variante ein, bei der Metallkerne aufgebrachten Metall-Kunststoff-Pulvergemischs unverbunden in der Kunststoffstruktur eingebettet werden und zwischen den Metallkernen lediglich geschmolzenes, gesintertes oder polymerisiertes Kunststoffmaterial vorliegt. Metallkerne sind dann folglich in der Kunststoffstruktur eingebettet, aber untereinander nicht verbunden. Eine Kunststoffstruktur des Bauteils kann beispielsweise durch eine ausgehärtete Polymermatrix gebildet sein
Eine gezielte Verbindung des pulverförmigen Kunststoffanteils zur Bildung einer festen Kunststoffstruktur kann dabei wie vorstehend erläutert durch entsprechende Laserstrahlung erfolgen. Hierbei kann neben einem Schmelzen oder Sintern auch eine (weitere) Polymerisation vorgesehen sein, insbesondere bei einem bereits ein Polymer enthaltenen Metall-Kunststoff-Pulvergemisch. Unter einer Polymerisation wird hierbei insbesondere verstanden, dass eine Polymerisation durch Laserlicht derart angeregt wird, dass ein Molekulargewicht des entstehenden Polymers größer ist als das Molekulargewicht der Ausgangsstoffe, die beispielsweise auf Kunststoffmäntel der aufgebrachten und mithin schichtweise aufgedruckten Metall-Kunststoff-Partikel zurückgehen. Für eine Polymerisation kann der Kunststoffanteil durch ein thermoplastisches Polymer gebildet sein, bei dem kürzere Polymerketten zu längeren verknüpft werden. Eine Aktivierung des Mechanismus kann hierbei entweder durch die mit der Laserstrahlung eingebrachte Energie unmittelbar erfolgen oder durch wenigstens ein in dem Kunststoffanteil enthaltenes Additiv, das durch die Laserstrahlung aktiviert wird und als Verketter wirkt. Weiterhin sind duroplastische Polymere verwendbar, hierbei insbesondere in Verbindung mit Photoaktivatoren, wie sie beispielsweise bei Harzen für den Stereolithografie-3D-Druck (SLA) Verwendung finden.
Die Additive zur Verkettung können in beiden Fällen thermisch oder über eine Photoreaktion aktiviert werden.
In einer Ausführungsvariante werden für das herzustellende Bauteil durch verbundene Metallanteile aufgebrachten Metall-Kunststoff-Pulvergemischs Ankerstrukturen gebildet, die in dem fertiggestellten Bauteil in einen - durch miteinander verbundene Kunststoffanteile gebildeten - Kunststoffabschnitt eingebettet sind. Die Ankerstrukturen werden mit einer nachfolgend erzeugten Metallstruktur aus weiteren, ebenfalls untereinander verbundenen Metallanteilen verbunden, sodass die Metallstruktur und die Ankerstrukturen einen in Kunststoffmaterial verankerten metallischen Festkörper bilden. So hintergreift dann beispielsweise eine Ankerstruktur an dem fertiggestellten Bauteil einen Abschnitt aus Kunststoffmaterial, um die Metallstruktur verzugfrei während des Fertigungsprozesses zu erzeugen und in dem Kunststoffmaterial bestimmungsgemäß positioniert und arretiert zu halten. Durch eine erste Ausbildung von Ankerstrukturen, an die dann beispielsweise nachfolgend eine Metallstruktur aufgeschmolzen wird, lässt sich ein Verzug während der Herstellung minimieren oder sogar gänzlich vermeiden. Die zunächst hergestellten Ankerstrukturen sind dabei in ihren Abmessungen kleiner als die herzustellende Metallstruktur, die über die Ankerstrukturen in dem Kunststoffmaterial zusätzlich formschlüssig fixiert ist.
Beispielsweise kann mit verbundenen, ursprünglich pulverförmigen Metallanteilen in dem herzustellenden Bauteil mindestens ein Metalleinleger, mindestens eine Leiterbahn oder mindestens eine Schaltung gebildet werden. Im Zuge der vorgeschlagenen Lösung können somit entsprechende Bauteile aus einem Kunststoff, insbesondere einem Polymer, mit entsprechenden metallischen Komponenten vergleichsweise einfach gedruckt werden. Durch den entsprechend der vorgeschlagenen Lösung verbesserten 3D-Druckprozess lassen sich Bauteile mit metallischen Komponenten herstellen, insbesondere mit vergleichsweise komplexen Geometrien, ohne dass es hierfür spezieller Werkzeuge, insbesondere Gussformen bedürfte.
Die vorstehend erläuterte Nutzung von Laserstrahlung unterschiedlicher Wellenlänge für die Verbindung aufgedruckten Kunststoffmaterials und aufgedruckten Metalls, ist offensichtlich unabhängig von der eingangs beschriebenen Verdampfung eines aufgebrachten Kunststoffanteils zur Schaffung eines Bereichs, in dem lediglich noch ein pulverförmiger Metallanteil vorliegt, der dann z.B. kunststoffmaterialfrei geschmolzen oder gesintert werden kann. Dementsprechend sieht ein weiterer hiervon unabhängiger Aspekt der vorgeschlagenen Lösung ein Verfahren zur additiven Fertigung eines Bauteils vor, bei dem ein Kunststoffmaterial und ein Metall zum schichtweisen Aufbau des Bauteils genutzt werden und für die Ausbildung einer Kunststoffstruktur (und mithin eines ersten Festkörperabschnitts) aus aufgebrachtem Kunststoffmaterial eine erste Laserstrahlung einer ersten Wellenlänge verwendet wird, während zur Ausbildung einer Metallstruktur (und damit eines zweiten Festkörperabschnitts) aus aufgebrachtem Metall eine zweite Laserstrahlung einer zweiten Wellenlänge verwendet wird, die kleiner ist als die erste Wellenlänge.
Gemäß dem zweiten Aspekt der vorgeschlagenen Lösung ist es dabei nicht unmittelbar zwingend, dass das Kunststoffmaterial und das Metall über ein Metall-Kunststoff-Pulvergemisch aufgebracht werden, das jeweils von einem Kunststoffmantel umhüllte Metallkerne umfasst. Dies wird jedoch grundsätzlich als vorteilhaft erachtet, um sich auch die vorstehend erläuterten Vorteile des ersten Aspekts der vorgeschlagenen Lösung zunutze machen zu können.
Die vorgeschlagene Lösung umfasst ferner eine 3D-Druckeinrichtung zur additiven Fertigung eines Bauteils, die sich für die Durchführung eines der vorgeschlagenen Verfahren eignet. Insbesondere kann eine vorgeschlagene 3D-Druckeinrichtung zur Verwendung eines Metall-Kunststoff-Pulvergemischs mit einem Metallanteil und einem Kunststoffanteil als Druckmaterial eingerichtet sein und ferner eingerichtet sein, nach einem Aufbringen des Metall-Kunststoff-Pulvergemischs durch Wärmeeintrag wenigstens lokal einen Kunststoffanteil des Metall-Kunststoff-Pulvergemischs zu verdampfen, bevor mit der 3D-Druckeinrichtung ein wenigstens lokal verbliebener (nicht verdampfter) Metallanteil des aufgebrachten Metall-Kunststoff-Pulvergemischs durch einen Wärmeeintrag (zum Beispiel in einem nachfolgenden Prozessschritt und unter Verwendung eines anderen Lasers als für die Verdampfung des Kunststoffanteils) verbunden wird, insbesondere geschmolzen oder gesintert wird.
Ferner wird es als grundsätzlich vorteilhaft erachtet, ein Metall-Kunststoff-Pulvergemisch in einem additiven Fertigungsprozess einzusetzen, das Metall-Kunststoff-Partikel mit jeweils einem Metallkern und einem den Metallkern umhüllenden Kunststoffmantel aufweist, insbesondere aus entsprechenden Metall-Kunststoff-Partikeln besteht. In der Praxis wird ein entsprechendes Metall-Kunststoff-Pulvergemisch bei der additiven Fertigung eines Bauteils bisher nicht genutzt.
Insbesondere wird in diesem Zusammenhang als vorteilhaft erachtet, wenn der Kunststoffmantel durch ein Polymer gebildet ist. Die Nutzung eines Polymers bietet sich dabei insbesondere mit Blick auf die zu einem Metall verschiedenen Absorptionsfähigkeiten in Abhängigkeit von einer Wellenlänge erzeugter und auf das jeweilige Material treffender Laserstrahlung an. So kann durch Laserstrahlung einer bestimmten Wellenlänge oder eines bestimmten Wellenlängenbereichs gezielt lediglich der Polymeranteil oder der Metallanteil des aufgebrachten Pulvers erwärmt werden.
Die beigefügten Figuren veranschaulichen exemplarisch mögliche Ausführungsvarianten der vorgeschlagenen Lösung.
Hierbei zeigen:

1 mehrere Schichten additiv aufgebrachten Metall-Kunststoff-Pulvergemischs mit Metall-Kunststoff-Partikeln;
2 ein Absorption-Wellenlängen-Diagramm für unterschiedliche Werkstoffe unter Hervorhebung zweier Laser und deren Wellenlänge für unterschiedliche Materialien eines Metall-Kunststoff-Pulvergemischs;
3A bis 3F unterschiedliche Phasen bei einer Ausführungsvariante eines vorgeschlagenen Verfahrens, bei dem unter Nutzung der beiden unterschiedlichen Laser der 2 in einer 3D-Druckervorrichtung Kunststoffstrukturen und Metallstrukturen für ein herzustellendes Bauteil erzeugt werden;
4 ein hergestelltes Bauteil, bei dem eine oberflächenseitig zugängliche Metallstruktur über Ankerstrukturen in einer Polymermatrix verankert ist.

Die 1 zeigt schematisch gedruckte Schichten S1, S2 und S3 für ein additiv herzustellendes Bauteil während eines 3D-Druckprozesses. Für die Herstellung der Schichten S1, S2 und S3 wird ein Metall-Kunststoff-Pulvergemisch verwendet, das aus Metall-Kunststoff-Partikeln 1 besteht. Die Metall-Kunststoff-Partikel 1 des Pulvergemischs weisen dabei jeweils einen Metallkern 10 auf, der von einem Kunststoffmantel 11 vollständig umhüllt ist. Der hierbei insbesondere in der Schnittansicht der 1 ersichtliche kreisförmige Querschnitt eines Metall-Kunststoff-Partikels 1 und eine sich damit beispielsweise ergebende Kugelform sind hierbei lediglich exemplarisch. Es kann selbstverständlich auch eine andere Querschnittsform vorgesehen sein.
Mit den Metall-Kunststoff-Partikeln 1 wird in einem Druckprozess in jeder Schicht S1, S2 und S3 sowohl ein Metallanteil über die Metallkerne 10 als auch ein Kunststoffanteil über die Kunststoffmäntel 11 auf einer Druckplattform der 3D-Druckervorrichtung aufgebracht. Es wird folglich mit den Kunststoffmänteln 11 ein Kunststoffmaterial gleichzeitig mit den Metallkernen 10 aufgedruckt. Das Kunststoffmaterial für die Kunststoffmäntel 11 kann hierbei beispielsweise durch ein Polymer gebildet sein. Im Folgenden wird dann auch von einem Polymermantel 11 gesprochen werden.
Wie anhand des Diagramms D der 2 veranschaulicht ist, in dem für unterschiedliche Werkstoffe eine Absorptionsfähigkeit über einer Wellenlänge aufgetragen ist, absorbieren unterschiedliche Materialien unterschiedlich stark je nach Wellenlänge (Laser-) Licht. Dies wird sich für einen selektiven Wärmeeintrag in die unterschiedlichen Materialien der Metall-Kunststoff-Partikel 1 zunutze gemacht. So ist beispielsweise ein erster Laser LP, beispielsweise in Form eines CO₂-Lasers, vorgesehen, der eine Laserstrahlung mit einer höheren Wellenlänge im Bereich von 8-12 µm erzeugt. Aufgrund der in diesem Wellenlängenbereich vergleichsweise geringen Absorptionsfähigkeit eines Metalls, wie zum Beispiel Edelstahl oder Baustahl, aber großen Absorptionsfähigkeit eines Polymers, lässt sich der erste Laser LP zum gezielten Wärmeeintrag in ein Polymer nutzen. Die Laserstrahlung des ersten Lasers LP mit einer Wellenlänge im Bereich von z.B. 10 µm wird von dem Metall reflektiert und damit nicht absorbiert, während es vom Polymermaterial in den Polymermänteln 11 absorbiert wird. Grundsätzlich kann eine entsprechende Absorptionsfähigkeit des Polymers auch mithilfe von dem Polymermaterial zugegeben Additiven eingestellt sein.
Ein zweiter Laser LM erzeugt wiederum eine Laserstrahlung geringerer Wellenlänge, vorliegend zum Beispiel im Bereich von 0,4-0,6 µm. Beispielsweise handelt es sich bei dem zweiten Laser LM um einen Laser zu Erzeugung grünen oder blauen Laserlichts. Laserstrahlung dieser kleineren Wellenlänge wird von einem Metall gut absorbiert und ist damit zu dessen Erwärmung geeignet. Das Polymermaterial der Polymermäntel 11 ist für Laserlicht dieser Wellenlänge aber durchsichtig. Über die unterschiedlichen Laser LP und LM können somit in einer 3D-Druckervorrichtung Metallkerne 10 und Polymermäntel 11 bereits aufgebrachten Metall-Kunststoff-Pulvergemischs selektiv verbunden, vorliegend insbesondere geschmolzen oder gesintert (oder im Fall des Polymermaterials auch (weiter) polymerisiert) werden.
Die 3A bis 3E zeigen einen exemplarischen Ablauf eines vorgeschlagenen Verfahrens, um in einem herzustellenden Bauteil B unterschiedliche Festkörperabschnitte aus Polymermaterial einerseits und aus Metall andererseits unter Verwendung der Metall-Kunststoff-Partikel 1 auszubilden. Damit wird zunächst nach einem Aufbringen einer Schicht S1, S2 oder S3 oder mehrerer Schichten S1, S2 und S3 des die Metall-Kunststoff-Partikel 1 enthaltenen Pulvers entsprechend der 1 in einem ersten Prozessschritt entsprechend der 3A mit einem oder mehreren Lasern LP gezielt auf einen Teil der Polymermäntel 11 eingewirkt. Hierbei kann der jeweilige Laser LP mit unterschiedlicher Leistung betrieben werden respektive ein einzelner Laser LP für einen Wärmeeintrag in das Polymermaterial der Polymermäntel 11 zwar stets Laserstrahlung identischer Wellenlänge erzeugen, jedoch mit unterschiedlicher Leistung, je nachdem, wie das Polymermaterial in einem bestimmten Bereich bearbeitet werden soll. So ist beispielsweise in der 3A eine Unterteilung des dargestellten Bauteilabschnitts in drei Bereiche oder Gruppen G1, G2, G3 vorgesehen.
In einem ersten Bereich G1 wird der Laser LP mit geringerer Leistung betrieben, um Polymermaterial der Polymermäntel 11 zu schmelzen, zu sintern oder (weiter) zu polymerisieren, sodass sich die einzelnen Polymermäntel 11 untereinander verbinden und eine geschlossene Polymerstruktur 3 entsprechend der 3B ausbilden. In einer damit entstehenden Polymermatrix der Polymerstruktur 3 sind dann - nach einem Aushärten oder Abkühlen - die Metallkerne 10 untereinander unverbunden (und damit ohne Ausbildung eines elektrisch leitfähigen Pfads) eingebettet.
Für den an den Bereich G1 angrenzenden Bereich G2 wird mithilfe des Lasers LP Polymermaterial der Polymermäntel 11 schichtweise verdampft. Hierfür wird der Laser LP mit größerer Leistung betrieben als für die Erzeugung der Polymerstruktur 3 im Bereich G1. Die Verdampfung der Polymermäntel 11 im Bereich G2 führt letztlich entsprechend der 3D dazu, dass in diesem Bereich G2 lediglich noch die Metallkerne 10 ohne Kunststoff vorliegen.
Durch die Verdampfung der Polymermäntel 11 ist dabei aber das Volumen der entsprechenden Schichten S1, S2 und S3 um das Volumen der Polymermäntel 11 reduziert und mithin das Druckmaterial lokal geschrumpft. Um die Schrumpfung auszugleichen werden entsprechend der 3C in dem Bereich G2, in dem zuvor die Polymermäntel 11 verdampft wurden, eine oder mehrere Zusatzschichten 100 mit zusätzlichen Metall-Kunststoff-Partikeln 1 aufgebracht. Die Schrumpfung wird folglich durch eine oder mehrere Zusatzschichten ausgeglichen. Die Polymermäntel 11 der Zusatzschichten 100 werden in dem Bereich G2 wieder unter Nutzung des Lasers LP verdampft, sodass im Anschluss im Bereich G2 erneut nur Metallkerne 10 vorliegen. Durch die (optionale) Aufbringung der Zusatzschichten 100 ist somit die durch die Verdampfung der Polymermäntel 11 aufgetretene Schrumpfung ausgeglichen, wobei im Bereich G2 dann ausschließlich Metallkerne 10 respektive ein mit den Metallkernen 10 gebildetes Metallpulver vorliegt.
Anschließend wird entsprechend der 3E mithilfe des anderen, zweiten Lesers LM das durch die freigelegten Metallkerne 10 gebildeten lose Metallpulver gesintert oder verschmolzen. Für das Polymermaterial ist die erzeugte Laserstrahlung des 2. Lasers LM durchsichtig, sodass tiefer liegende Schichten nicht durch Transmission geschädigt werden. Entsprechend der 3F wird somit in dem Bereich G2 eine Metallstruktur 4 ausgebildet, die - nach entsprechendem Abkühlen - einen Festkörperabschnitt aus Metall in dem herzustellenden Bauteil bildet. Dieser Festkörperabschnitt liegt vorliegend benachbart zu einem Festkörperabschnitt aus Polymermaterial des Bereichs G1 vor.
Grundsätzlich ist auch eine Variante denkbar, bei der das eingesetzte Polymermaterial solcher Art ist, dass es in der Umgebung der mithilfe des Lasers LM erzeugten Metallschmelze verascht und dann die derart erzeugte Asche eine thermische Isolierung zu der Metallschmelze bereitstellt. Derart kann beispielsweise auch ein bereits zuvor hergestellter Abschnitt aus Kunststoffmaterial respektive eine entsprechende Kunststoffstruktur 3 im Bereich G1 gebildet werden, die zumindest lokal unter dem Einfluss der nachfolgend erzeugten Metallschmelze verascht, um eine thermische Isolierung zu der Metallschmelze für die zu erzeugende Metallstruktur 4 zu bilden.
Mit der erzeugten Metallstruktur 3 kann in dem fertiggestellten Bauteil B beispielweise einen Metalleinleger, eine Leiterbahn oder eine Schaltung definiert sein.
In der 4 ist ein fertiggestelltes Bauteil B ersichtlich, bei dem eine erzeugte Metallstruktur 4E in einer Polymermatrix einer Polymerstruktur 3 vorliegt. In dieser Polymerstruktur 3 ist die - hier exemplarische an einer Oberseite zugängliche - Metallstruktur 4E über zusätzliche Ankerstrukturen 4A, 4B, 4C und 4D aus Metall in dem Polymermaterial der Polymerstruktur 3 formschlüssig verankert. Entsprechende Ankerstrukturen 4A bis 4D werden dabei in vergleichsweise kleinen Bereichen, insbesondere kleineren Bereichen als die Metallstruktur 4E, durch geschmolzenes Metall erzeugt, um eine Verformung des Bauteils B durch Verzug zu vermeiden. Auf die zunächst erzeugten Anker oder Ankerstrukturen 4A bis 4D (in der 3 exemplarisch im Querschnitt T-förmig ausgebildet) wird dann im weiteren Druckprozess die Metallstruktur 4E mithilfe des zweiten Lasers LM aufgeschmolzen. Die Metallstruktur 4E kann hierbei beispielsweise eine Leiterbahn in dem fertiggestellten Bauteil B bilden.
Grundsätzlich können die unterschiedlichen Laser LM und LP für die selektive weitere Bearbeitung der Metall- und Kunststoffanteile in dem die Metall-Kunststoff-Partikel 1 enthaltenen Druckmaterial zeitlich versetzt und damit in unterschiedlichen Prozessphasen Laserstrahlung erzeugen und hierbei insbesondere eine Verbindung der jeweiligen Kunststoffmäntel 11 oder Metallkerne 10 untereinander schichtweise bewirken.
Es kann aber auch eine entsprechende Verbindung über mehrere Schichten hinweg vorgesehen sein.
Bezugszeichenliste

1: Pulver
10: Metallkern
100: Zusatzschichten
11: Polymermantel
3: Polymerstruktur / Polymerabschnitt
4, 4E: Metallstruktur
4A-4D: Ankerstruktur
D: Absorptionsdiagramm
G1, G2, G3: Bereich
LM, LP: Laser
S1, S2, S3: Schicht

Claims

Verfahren zur additiven Fertigung eines Bauteils (B), bei dem ein pulverförmiges Druckmaterial schichtweise aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Druckmaterial ein Metall-Kunststoff-Pulvergemisch mit einem Metallanteil (10) und einem Kunststoffanteil (11) genutzt wird und nach einem Aufbringen des Metall-Kunststoff-Pulvergemischs durch Wärmeeintrag wenigstens lokal der Kunststoffanteil (11) verdampft wird, bevor ein wenigstens lokal verbliebener Metallanteil (10) des aufgebrachten Metall-Kunststoff-Pulvergemischs durch Wärmeeintrag verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens lokal nach dem Verdampfen des Kunststoffanteils (11) verbliebene Metallanteil (10) geschmolzen oder gesintert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein wenigstens lokales Verdampfen des Kunststoffanteils (11) nach dem Aufbringen mehrerer Schichten (S1, S2, S3) des Metall-Kunststoff-Pulvergemischs und in mehreren aufgebrachten Schichten (S1, S2, S3) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Verbindung des wenigstens lokal verbliebenen Metallanteils (10) an demjenigen Bereich (G2) des aufgebrachten Metall-Kunststoff-Pulvergemischs, in dem der Kunststoffanteil (119) in einem ersten Prozessschritt verdampft wurde, wenigstens eine Zusatzschicht (100) des Metall-Kunststoff-Pulvergemischs aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung des Metallanteils (10) in einem nachfolgenden zweiten Prozessschritt erfolgt, nachdem zuvor in der wenigstens einen aufgebrachten Zusatzschicht (100) der Kunststoffanteil (11) ebenfalls verdampft wurde, sodass der Metallanteil (11) der Zusatzschicht (100) in dem zweiten Prozessschritt mit verbunden wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Verdampfung des Kunststoffanteils (11) eine erste Laserstrahlung einer ersten Wellenlänge verwendet wird und zur Verbindung des Metallanteils (10) eine zweite Laserstrahlung einer zweiten Wellenlänge verwendet wird, wobei die zweite Wellenlänge kleiner als die erste Wellenlänge ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den Kunststoffanteil (11) des Metall-Kunststoff-Pulvergemischs ein Kunststoffmaterial vorgesehen ist, das unter Einfluss einer hieran angrenzender Metallschmelze verascht.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall-Kunststoff-Pulvergemisch Metall-Kunststoff-Partikel (1) aufweist und in dem Metall-Kunststoff-Pulvergemisch zumindest ein Teil des Metallanteils durch eine Vielzahl von Metallkernen (10) der Metall-Kunststoff-Partikel (1) gebildet wird, die jeweils von einem Kunststoffmantel (11) umhüllt sind, der einen Teil des Kunststoffanteils bildet.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem verbundenen Metallanteil (11) eine Metallstruktur (4, 4E; 4A-4D) für das herzustellende Bauteil (B) gebildet wird und zusätzlich vorgesehen ist, zumindest lokal einen Kunststoffanteil (11) des aufgebrachten Metall-Kunststoff-Pulvergemischs nicht zu verdampfen, sondern zu verbinden, insbesondere durch Schmelzen, Sintern oder Polymerisation.
Verfahren nach den Ansprüchen 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass Kunststoffmäntel (11) mehrerer Metall-Kunststoff-Partikel (1) des aufgebrachten Metall-Kunststoff-Pulvergemischs miteinander verbunden werden, sodass hiermit ein Kunststoffabschnitt (3) für das herzustellende Bauteil (B) mit darin eingebetteten, aber untereinander unverbundenen Metallpartikeln (10) gebildet wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 6 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst ein Kunststoffabschnitt (3) gebildet wird, bevor ein Abschnitt mit einer Metallstruktur (4, 4E; 4A-4D) unter Erzeugung einer Metallschmelze gebildet wird, wobei unter dem Einfluss der Metallschmelze das Kunststoffmaterial in einem an die Metallschmelze angrenzenden Bereich des Kunststoffabschnitts verascht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass für das herzustellende Bauteil (B) durch verbundene Metallanteile (10) aufgebrachten Metall-Kunststoff-Pulvergemischs Ankerstrukturen (4A-4D) gebildet werden, die in einen durch miteinander verbundene Kunststoffanteile (11) gebildeten Kunststoffabschnitt (3) eingebettet sind, und diese Ankerstrukturen (4A-4D) mit einer nachfolgend erzeugten Metallstruktur (4E) aus weiteren, ebenfalls miteinander verbundene Metallanteilen (10) verbunden werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit verbundenen Metallanteilen (10) in dem herzustellenden Bauteil (B) mindestens ein Metalleinleger, mindestens eine Leiterbahn oder mindestens eine Schaltung gebildet wird.
Verfahren zur additiven Fertigung eines Bauteils (B), bei dem ein Kunststoffmaterial und ein Metall zum schichtweisen Aufbau des Bauteils genutzt werden, insbesondere ein Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Ausbildung einer Kunststoffstruktur (3) aus aufgebrachtem Kunststoffmaterial eine erste Laserstrahlung einer ersten Wellenlänge verwendet wird und zur Ausbildung einer Metallstruktur (4; 4A-4E) aus aufgebrachtem Metall eine zweite Laserstrahlung einer zweiten Wellenlänge verwendet wird, wobei die zweite Wellenlänge kleiner als die erste Wellenlänge ist.
3D-Druckeinrichtung zur additiven Fertigung eines Bauteils (B), wobei die 3D-Druckeinrichtung zum schichtweise Aufbringen eines pulverförmigen Druckmaterials eingerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die 3D-Druckeinrichtung zur Verwendung eines Metall-Kunststoff-Pulvergemischs mit einem Metallanteil (10) und einem Kunststoffanteil (11) als Druckmaterial eingerichtet ist und ferner eingerichtet ist, nach einem Aufbringen des Metall-Kunststoff-Pulvergemischs durch Wärmeeintrag wenigstens lokal einen Kunststoffanteil (11) des Metall-Kunststoff-Pulvergemischs zu verdampfen, bevor mit der 3D-Druckeinrichtung ein wenigstens lokal verbliebener Metallanteil (10) des aufgebrachten Metall-Kunststoff-Pulvergemischs durch Wärmeeintrag verbunden wird.
3D-Druckeinrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die 3D-Druckeinrichtung für die wenigstens lokale Verdampfung des Kunststoffanteils (11) einen ersten Laser (LP) und zum Verbindung des Metallanteils (10) einen zweiten Laser (LM) umfasst.
Verwendung eines Metall-Kunststoff-Pulvergemischs in einem additiven Fertigungsprozess, das Metall-Kunststoff-Partikel (1) mit jeweils einem Metallkern (10) und einem dem Metallkern (10) umhüllenden Kunststoffmantel (11) aufweist.
Verwendung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoffmantel (11) durch ein Polymer gebildet ist.