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DE102019002680A1 - Verfahren zur Entfernung loser Rückstände, insbesondere bei der Herstellung eines Gehäuses einer Sanitärarmatur - Google Patents

Verfahren zur Entfernung loser Rückstände, insbesondere bei der Herstellung eines Gehäuses einer Sanitärarmatur Download PDF

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DE102019002680A1
DE102019002680A1 DE102019002680.2A DE102019002680A DE102019002680A1 DE 102019002680 A1 DE102019002680 A1 DE 102019002680A1 DE 102019002680 A DE102019002680 A DE 102019002680A DE 102019002680 A1 DE102019002680 A1 DE 102019002680A1
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sanitary fitting
powder
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Carsten Romanowski
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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (1) einer Sanitärarmatur (2) vorgeschlagen, umfassend zumindest die folgenden Schritte:a. Bereitstellen eines ersten Metalls (3) in Pulverform mit einem ersten Schmelzpunkt,b. Bereitstellen eines zweiten Metalls (4) in Pulverform mit einem zweiten Schmelzpunkt, wobei der zweite Schmelzpunkt tiefer ist als der erste Schmelzpunkt,c. Mischen der Metalle,d. Schichtweises Aufbauen des Bauteils (1) durch partielles Schmelzen der Metalle mit einem Laser (5),e. Durchführen einer Wärmebehandlung, wobei das zweite Metall (4) wenigstens teilweise entfernt wird,f. Durchführen einer Verdichtung des Bauteils (1) aufgebaut mit dem ersten Metall (3).

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entfernung loser Rückstände, insbesondere im Rahmen eines additiven Fertigungsverfahrens. Das Verfahren kann insbesondere im Rahmen der Herstellung eines Gehäuses einer Sanitärarmatur Anwendung finden.
  • Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Sanitärarmaturen, wie beispielsweise Waschtischarmaturen, Badewannenarmaturen, Unterputzarmaturen oder dergleichen aus Messing herzustellen. Hierzu kommen in der Regel Gießverfahren zur Anwendung, um komplexe Geometrien realisieren zu können, die ggf. auch unterschiedliche Funktionselemente der Armatur umfassen können. In diesem Zusammenhang konnte jedoch beobachtet werden, dass entsprechende Gießverfahren hinsichtlich der damit erzielbaren Güte und Genauigkeit der Geometrien und insbesondere deren Konturen limitiert ist. Dies ist insbesondere bei besonders dünnwandigen Armaturen relevant. Darüber hinaus können mit entsprechenden Gießverfahren nicht belieb frei formbaren Geometrien realisiert werden.
  • Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere sollen ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils einer Sanitärarmatur, ein Bauteil für eine Sanitärarmatur sowie eine Sanitärarmatur angegeben werden, die jeweils zumindest dazu beitragen die Freiheit bei der Gestaltung der Geometrie einer Sanitärarmatur zu erhöhen. Darüber hinaus sollen damit insbesondere auch möglichst dünnwandige Armaturen realisierbar sein.
  • Diese Aufgaben werden gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der hier vorgeschlagenen Lösung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den abhängigen Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller, Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.
  • Hierzu trägt ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils einer Sanitärarmatur bei, umfassend zumindest die folgenden Schritte:
    1. a. Bereitstellen eines ersten Metalls in Pulverform mit einem ersten Schmelzpunkt,
    2. b. Bereitstellen eines zweiten Metalls in Pulverform mit einem zweiten Schmelzpunkt, wobei der zweite Schmelzpunkt tiefer ist als der erste Schmelzpunkt,
    3. c. Mischen der Metalle,
    4. d. Schichtweises Aufbauen des Bauteils durch partielles Schmelzen der Metalle mit einem Laser,
    5. e. Durchführen einer Wärmebehandlung, wobei das zweite Metall wenigstens teilweise entfernt wird,
    6. f. Durchführen einer Verdichtung des Bauteils aufgebaut mit dem ersten Metall.
  • Die angegebene Reihenfolge der Schritte a., b., c., d., e. und f. ist beispielhaft und kann sich so beispielsweise bei einem regulären Betriebsablauf einstellen. Insbesondere werden die Schritte a. bis f. zumindest einmal in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt. Darüber hinaus können die Schritte a. bis f., insbesondere die Schritte a. bis d. auch zumindest teilweise parallel oder sogar gleichzeitig durchgeführt werden.
  • Das Verfahren kann beispielsweise zur Herstellung eines Messing-Bauteils einer Sanitärarmatur dienen. Insbesondere dient das Verfahren zum (Bimetall-)Lasersintern eines (Messing-)Gehäuses oder (Messing-)Gehäuseteils einer Sanitärarmatur. Durch dieses Verfahren können zum Beispiel heute gängige Messinglegierungen im additiven Fertigungsverfahren besonders vorteilhaft angewendet und verarbeitet werden.
  • In Schritt a. erfolgt ein Bereitstellen eines ersten Metalls in Pulverform mit einem ersten Schmelzpunkt. Bei dem in Pulverform bereitzustellenden ersten Metall kann es sich um einen metallischen Werkstoff und ggf. auch um eine Metall-Legierung handeln. Vorzugsweise handelt es sich bei dem in Pulverform bereitzustellenden ersten Metall um ein Messing-Pulver oder ein Kupfer-Pulver.
  • In Schritt b. erfolgt ein Bereitstellen eines zweiten Metalls in Pulverform mit einem zweiten Schmelzpunkt, wobei der zweite Schmelzpunkt tiefer ist als der erste Schmelzpunkt. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass der zweite Schmelzpunkt unterhalb des ersten Schmelzpunkts liegt. Bei dem in Pulverform bereitzustellenden zweiten Metall kann es sich um einen metallischen Werkstoff und ggf. auch um eine Metall-Legierung handeln. Vorzugsweise handelt es sich bei dem in Pulverform bereitzustellenden zweiten Metall um ein Zink-Pulver.
  • In Schritt c. erfolgt ein Mischen der Metalle. Dabei kann das Mischen beispielsweise vor und/oder während des Bereitstellens der beiden Metalle erfolgen. Alternativ oder kumulativ kann das Mischen auch während und/oder nach dem Bereitstellen der beiden Metalle erfolgen. Besonders bevorzugt erfolgt das Mischen der Metalle in einem Pulverbett bzw. zu einem Pulverbett. In Schritt c. wird in der Regel eine Pulvermischungen zweier Metalle mit deutlich unterschiedlichen Schmelzpunkten erzeugt. Darüber hinaus können die zwei Metalle eine beschränkte oder vollständige Löslichkeit im flüssigen Zustand aufweisen.
  • In Schritt d. erfolgt ein Schichtweises Aufbauen des Bauteils durch partielles Schmelzen der Metalle mit einem Laser. Das schichtweise Aufbauen kann auch so beschrieben werden, dass mehrere Schichten nacheinander übereinander bzw. Schicht für Schicht gebildet werden. Dabei beschreibt eine Schicht im Wesentlichen einen horizontalen Querschnitt durch das Bauteil.
  • Bei dem partiellen Schmelzen wird das sich innerhalb einer Schicht befindliche Pulver lokal, an vorbestimmten Punkten, an denen eine Materialverfestigung eintreten soll, solange und/oder so intensiv erwärmt, dass sich die Metallpulverkörner dort (kurzzeitig) verflüssigen und so dauerhaft (bzw. bis zu einem erneuten Erwärmen) miteinander verbinden. Das partielle Schmelzen kann dabei vorteilhafterweise in der Art eines 3D-Drucks (im Pulverbett) bzw. in der Art eines dreidimensionalen, additiven Fertigungsverfahrens (im Pulverbett und/oder mit Laseraufschmelzung) durchgeführt werden.
  • Bevorzugt wird in Schritt d. ein Lasersintern durchgeführt. Besonders bevorzugt wird in Schritt d. ein sogenannten selektives Lasersintern (kurz: SLS) durchgeführt. Selektives Lasersintern (SLS) ist ein additives Fertigungsverfahren, um räumliche Strukturen durch Sintern mit einem Laser aus einem pulverförmigen Ausgangsstoff herzustellen
  • In Schritt e. erfolgt ein Durchführen einer Wärmebehandlung, wobei das zweite Metall wenigstens teilweise entfernt bzw. von dem ersten Metall getrennt wird. In diesem Zusammenhang wird das Bauteil insbesondere auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts (oder genau auf den Schmelzpunkt) des zweiten Metalls und unterhalb des Schmelzpunkts des ersten Metalls erwärmt. Dadurch kann sich das zweite Metall verflüssigen, während die mit dem ersten Metall gebildete Struktur im festen Zustand verbleibt. Dies kann auch als ein Ausschmelzen des zweiten Metalls bezeichnet werden. Es kann jedoch (alternativ) auch ein (zumindest teilweiser) Verbleib dieses zweiten Metalls im Bauteil toleriert werden oder sogar gewollt sein.
  • In Schritt f. erfolgt ein Durchführen einer Verdichtung des Bauteils aufgebaut mit (zumindest) dem ersten Metall. Dies kann auch so beschrieben werden, dass das Bauteil, welches nun bzw. nach Schritt e. (hauptsächlich) mit dem ersten Metall aufgebaut ist, verdichtet wird. Das Verdichtung kann in diesem Zusammenhang beispielsweise thermisch, insbesondere mittels einer Sinterung durchgeführt werden. Vorteilhafterweise wird das Bauteil dabei in seine endgültige Form verdichtet.
  • Bevorzugt findet ein heiß-isostatisches Pressen (HIP) des Bauteils statt. Heiß-Isostatisches Pressen ist ein Verfahren, bei dem die innere Porosität von Werkstücken aus Metall oder anderen Materialien abgebaut wird. Mit HIP lassen sich pulverförmige Metallwerkstoffe ohne den Umweg über ein Schmelzverfahren zu einem festen Körper verdichten.
  • Vorzugsweise werden die Laserleistung(en) und/oder die Aufschmelz-Temperatur(en) so gewählt und/oder gesteuert, dass Zinkverdampfungen unterdrückt werden können. Hierbei kann für eine CuZn-Legierung insbesondere folgendes eingestellt sein:
    • - Laserleistung: I < 30 J/mm3
    • - Aufschmelz-Temperatur: 460 °C - 906 °C, bevorzugt um 800 °C
  • Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass in Schritt c. ein Pulverbett gebildet wird. Dies erlaubt in vorteilhafter Weise eine besonders einfache und kontrollierte Bereitstellung der Pulver. In diesem Zusammenhang kann das Verfahren insbesondere auch als ein Bimetall-Lasersintern im Metalldrucker mit Pulverbett beschrieben werden.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass während Schritt d. kein flüssiges Bindemittel verwendet wird. Dies erlaubt in vorteilhafter Weise eine im Wesentlichen lösungsmittelfreie Herstellung des Bauteils. Dies kann zudem dazu beitragen Materialkosten (für das Lösungsmittel) einzusparen. Im Gegensatz zu „normalen“ Binderjetting-Verfahren wird hier insbesondere kein Kunststoffbinder verwendet, welcher durch Lösungsmittel herausgebracht werden muss. Vielmehr kann mit dem zweiten Metall ein (reiner) „Metall-Binder“ bereitgestellt werden, welcher ggf. nach dem Ausschmelzen wiederverwendet werden kann.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass in Schritt d. wenigstens teilweise Verbindungen zwischen mehreren Pulverkörnern des ersten Metalls erzeugt werden. Die Laserparameter und/oder die Belichtungsstrategien können in diesem Zusammenhang so ausgelegt werden, dass sich (gezielt bzw. kontrolliert) (nur) die Pulverkugeln des Hauptwerkstoffs mit dem höheren Schmelzpunkt (d.h. die Pulverkörner des ersten Metalls) partiell miteinander verbinden.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass während Schritt d. das zweite Metall sich teilweise an oder um das erste Metall fest anlagert. Der zweite Werkstoff (d.h. das zweite Metall) kann beispielsweise (nur) als Wärmeleiter und/oder Stützmatrix fungierend ungelöst um den Hauptwerkstoff herum angelagert werden bzw. bleiben oder ggf. teilweise mit dem Hauptwerkstoff (dem ersten Metall) Mischkristalle bilden. In diesem Zusammenhang kann das zweite Metall beispielhaft als reiner „Metall-Binder“ fungieren, welcher ausgeschmolzen und nach dem Ausschmelzen ggf. wiederverwendet werden kann.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass in Schritt e. nur teilweise das zweite Metall entfernt wird. In diesem Zusammenhang kann ein (zumindest teilweiser) Verbleib des zweiten Metalls im Bauteil toleriert werden und/oder gewollt sein. Zum Beispiel kann ein Messingpulver oder Kupferpulver (als erstes Metall-Pulver) mit Zinkpulver (als zweites Metall-Pulver) verarbeitet werden. In diesem Zusammenhang kann sich in den Zwischenbereichen Messing bilden, oder Messingbereiche können sich mit Zink anreichern. Wenn dabei (reines) Zink in den Zwischenräumen erhalten bleibt, kann es ggf. sinnvoll sein, (nur) dieses in Schritt e. auszuschmelzen.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass als erstes Metall ein Kupfer-basierter Werkstoff und als zweites Metall ein Zink-basierter Werkstoff eingesetzt wird. Dies kann in besonders vorteilhafter Weise zur additiven Fertigung eines Messingbauteils für eine Sanitärarmatur beitragen.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass der erste Schmelzpunkt des ersten Metalls mindestens 130°C [Grad Celsius] über dem zweiten Schmelzpunkt des zweiten Metalls liegt. Dies erlaubt in vorteilhafter Weise, dass das zweite Metall einfach thermisch wieder entfernt werden kann.
  • Besonders bevorzugt ist es, wenn der erste Schmelzpunkt des ersten Metalls mindestens 250°C [Grad Celsius] oder sogar mindestens 450°C über dem zweiten Schmelzpunkt des zweiten Metalls liegt. Dies erlaubt in besonders vorteilhafter Weise, dass das zweite Metall möglichst einfach und ggf. auch möglichst vollständig thermisch wieder entfernt werden kann.
  • Eine Temperaturdifferenz von mindestens 450°C ist in diesem Zusammenhang insbesondere dann besonders vorteilhaft, wenn als erstes Metall ein Kupfer-basierter Werkstoff und als zweites Metall ein Zink-basierter Werkstoff eingesetzt wird. Denn in der Regel weisen Kupfer einen Schmelzpunkt von 1085°C und Zink einen Schmelzpunkt von 419,5°C auf.
  • Nach einem weiteren Aspekt wird auch ein Bauteil für eine Sanitärarmatur angegeben, wobei das Bauteil mit einem hier beschriebenen Verfahren hergestellt ist. Bei dem Bauteil kann es sich zum Beispiel um ein Gehäuse oder ein Gehäuseteil einer Sanitärarmatur handeln.
  • Nach einem weiteren Aspekt wird auch eine Sanitärarmatur aufweisend ein Bauteil, hergestellt mit einem hier beschriebenen Verfahren, angegeben. In diesem Zusammenhang kann die Sanitärarmatur auch ein hier beschriebenes Bauteil aufweisen. Bei der Sanitärarmatur kann es sich beispielsweise um eine Waschtischarmatur, Badewannenarmatur, Unterputzarmatur oder dergleichen handeln.
  • Die im Zusammenhang mit dem Verfahren erörterten Details, Merkmale und vorteilhaften Ausgestaltungen können entsprechend auch bei dem hier vorgestellten Bauteil und/oder der Sanitärarmatur auftreten und umgekehrt. Insoweit wird auf die dortigen Ausführungen zur näheren Charakterisierung der Merkmale vollumfänglich Bezug genommen.
  • Die hier vorgestellte Lösung sowie deren technisches Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die gezeigten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in oder in Zusammenhang mit den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und/oder Erkenntnissen aus anderen Figuren und/oder der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Es zeigt beispielhaft und schematisch:
    • 1: eine Veranschaulichung einer möglichen Anwendung des hier beschriebenen Verfahrens.
  • 1 zeigt beispielhaft und schematisch eine Veranschaulichung einer möglichen Anwendung des hier beschriebenen Verfahrens.
  • Hierbei werden zur Herstellung eines Bauteils 1 einer Sanitärarmatur 2 ein erstes Metall 3 in Pulverform mit einem ersten Schmelzpunkt und ein zweites Metall 4 in Pulverform mit einem zweiten Schmelzpunkt, wobei der zweite Schmelzpunkt tiefer ist als der erste Schmelzpunkt, miteinander gemischt, um so beispielhaft ein Pulverbett 6 zu bilden.
  • Anschließend erfolgt ein schichtweises Aufbauen des Bauteils 1 durch partielles Schmelzen der Metalle mit einem Laser 5. Hierbei können wenigstens teilweise Verbindungen zwischen mehreren Pulverkörnern des ersten Metalls 3 erzeugt werden.
  • Dabei wird beispielhaft kein flüssiges Bindemittel verwendet. Vielmehr dient das zweite Metall 4 als „Metall-Binder“. In diesem Zusammenhang kann das zweite Metall 4 beispielsweise als Wärmeleiter und/oder Stützmatrix für das erste Metall 3 fungieren. Hierzu kann das zweite Metall 4 sich während des Aufschmelzens des ersten Metalls 3 (zumindest) teilweise an oder um das erste Metall 3 fest anlagern.
  • Danach wird eine Wärmebehandlung durchgeführt, bei der das zweite Metall 4 wenigstens teilweise entfernt bzw. ausgeschmolzen wird. Hierbei kann vorgesehen sein, dass das zweite Metall 4 nur teilweise entfernt wird.
  • Danach wird eine (thermische) Verdichtung des Bauteils 1 aufgebaut mit dem ersten Metall 3 durchgeführt. Zur thermischen Verdichtung kann beispielsweise ein Sinterverfahren Anwendung finden.
  • Beispielsweise wird hier als erstes Metall 3 ein Kupfer-basierter Werkstoff und als zweites Metall 4 ein Zink-basierter Werkstoff eingesetzt. Hierbei liegt der erste Schmelzpunkt des ersten Metalls 3 mindestens 130° über dem zweiten Schmelzpunkt des zweiten Metalls 4.
  • Somit werden hier ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils einer Sanitärarmatur, ein Bauteil für eine Sanitärarmatur sowie eine Sanitärarmatur angegeben, welche die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise lösen. Insbesondere werden ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils einer Sanitärarmatur, ein Bauteil für eine Sanitärarmatur sowie eine Sanitärarmatur angegeben, die jeweils zumindest dazu beitragen die Freiheit bei der Gestaltung der Geometrie einer Sanitärarmatur zu erhöhen. Darüber hinaus können damit insbesondere auch möglichst dünnwandige Armaturen realisierbar sein.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Bauteil
    2
    Sanitärarmatur
    3
    erstes Metall
    4
    zweites Metall
    5
    Laser
    6
    Pulverbett

Claims (10)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (1) einer Sanitärarmatur (2), umfassend zumindest die folgenden Schritte: a. Bereitstellen eines ersten Metalls (3) in Pulverform mit einem ersten Schmelzpunkt, b. Bereitstellen eines zweiten Metalls (4) in Pulverform mit einem zweiten Schmelzpunkt, wobei der zweite Schmelzpunkt tiefer ist als der erste Schmelzpunkt, c. Mischen der Metalle, d. Schichtweises Aufbauen des Bauteils (1) durch partielles Schmelzen der Metalle mit einem Laser (5), e. Durchführen einer Wärmebehandlung, wobei das zweite Metall (4) wenigstens teilweise entfernt wird, f. Durchführen einer Verdichtung des Bauteils (1) aufgebaut mit dem ersten Metall (3).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem in Schritt c. ein Pulverbett (6) gebildet wird.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem während Schritt d. kein flüssiges Bindemittel verwendet wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in Schritt d. wenigstens teilweise Verbindungen zwischen mehreren Pulverkörnern des ersten Metalls (3) erzeugt werden.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem während Schritt d. das zweite Metall (4) sich teilweise an oder um das erste Metall (3) fest anlagert.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in Schritt e. nur teilweise das zweite Metall (4) entfernt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem als erstes Metall (3) ein Kupfer-basierter Werkstoff und als zweites Metall (4) ein Zink-basierter Werkstoff eingesetzt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der erste Schmelzpunkt des ersten Metalls (3) mindestens 130°C über dem zweiten Schmelzpunkt des zweiten Metalls (4) liegt.
  9. Bauteil (1) für eine Sanitärarmatur (2), wobei das Bauteil (1) mit einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist.
  10. Sanitärarmatur (2) aufweisend ein Bauteil (1), hergestellt mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
DE102019002680.2A 2019-04-01 2019-04-01 Verfahren zur Entfernung loser Rückstände, insbesondere bei der Herstellung eines Gehäuses einer Sanitärarmatur Pending DE102019002680A1 (de)

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PCT/EP2020/058550 WO2020201012A1 (en) 2019-04-01 2020-03-26 Method for removing loose residues, especially in the manufacture of a housing of a sanitary fitting

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