DE102020101697A1

DE102020101697A1 - Verfahren zur additiven Herstellung eines entzinkungsbeständigen Messing-Bauteils für eine Sanitärarmatur

Info

Publication number: DE102020101697A1
Application number: DE102020101697.2A
Authority: DE
Inventors: Carsten Romanowski
Original assignee: Lixil Corp
Current assignee: Lixil Corp
Priority date: 2020-01-24
Filing date: 2020-01-24
Publication date: 2021-07-29
Also published as: WO2021148320A1; CN115003437A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Messing-Bauteils (1) für eine Sanitärarmatur (2), umfassend zumindest folgende Schritte:a. Bereitstellen eines zumindest Zink und Kupfer enthaltenden Materials (3) in Pulverform, wobei ein Massenverhältnis von Zink zu Kupfer im Bereich von 0,4 bis 0,85 liegt,b. Schichtweises Aufbauen des Bauteils (1) durch partielles Schmelzen des Materials (3) mit einem Laser (4).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Messing-Bauteils für eine Sanitärarmatur, ein nach dem Verfahren hergestelltes Bauteil für eine Sanitärarmatur sowie eine Sanitärarmatur mit einem nach dem Verfahren hergestellten Bauteil. Sanitärarmaturen dienen insbesondere der bedarfsgerechten Bereitstellung von Mischwassers an einem Waschbecken, einem Spülbecken, einer Dusche oder einer Badewanne.
Es sind allgemein Messing-Bauteile, wie etwa Messing-Gehäuse für Sanitärarmaturen bekannt. Diese werden in der Regel mittels eines Gießverfahrens hergestellt. Dabei besteht insbesondere bei Sanitärarmaturen, die in eine Wand integriert werden sollen, sogenannten „Unterputzarmaturen“ eine hohe Anforderung an deren Entzinkungsbeständigkeit. Die Entzinkungsbeständigkeit von gegossenen Messing-Armaturen wird heute üblicherweise durch Arsen-Dotierung von überwiegend alpha-Messing kristallisierten Bauteilen erreicht. Nachteilig an den bekannten gegossenen Armaturen ist jedoch, dass diese in der Regel hinsichtlich ihrer Gestaltbarkeit eingeschränkt sind. Ferner erfordern sie in der Regel einen vergleichsweise großen Bauraum bzw. können mit nur vergleichsweise wenigen Funktionen je Bauvolumen ausgestattet sein.
Weiterhin sind additiv gefertigte Bauteile für Sanitärarmaturen bekannt. Die additive Fertigung wird bis dato überwiegend für Kunststoffbauteile genutzt. Es wurden jedoch bereits erste additive Fertigungs-Prozesse für metallische Bauteile, insbesondere auch für Messing-Bauteile vorgeschlagen. Die bekannten additiven Fertigungs-Prozesse für Messing-Bauteile verwenden Pulver, die aus Legierungen bestehen, die im Wesentlichen zu gleichen Teilen Zink und Kupfer enthalten. Solche Legierungen kristallisieren zu einem großen Teil zu beta-Mischkristall, sodass diese Legierung in der Regel keine ausreichende Entzinkungsbeständigkeit aufweisen. Somit können die bekannten additiven Fertigungs-Prozesse üblicherweise nicht zur Herstellung von Unterputzarmaturen verwendet werden.
Hiervon ausgehend ist es eine Aufgabe der Erfindung, die im Zusammenhang mit dem Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere soll ein Verfahren zur Herstellung eines Messing-Bauteils für eine Sanitärarmatur angegeben werden, mittels welchem das Bauteil möglichst vielfältig gestaltbar und/oder möglichst kompakt herstellbar ist. Zudem soll das damit hergestellte Bauteil möglichst entzinkungsbeständig sein, um insbesondere auch für eine Unterputzarmatur verwendet werden zu können.
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 Messing-Bauteils für eine Sanitärarmatur bei, umfassend zumindest folgende Schritte:

a. Bereitstellen eines zumindest Zink und Kupfer enthaltenden Materials in Pulverform, wobei ein Massenverhältnis von Zink zu Kupfer im Bereich von 0,4 bis 0,85 liegt,
b. Schichtweises Aufbauen des Bauteils durch partielles Schmelzen des Materials mit einem Laser.

Die angegebene Reihenfolge der Schritte a. und b. ist beispielhaft und kann so beispielsweise bei einem regulären Betriebsablauf zumindest einmal durchlaufen werden. Insbesondere können die Schritte a. und b. zumindest teilweise parallel oder sogar gleichzeitig durchgeführt werden. Das Verfahren kann beispielsweise zur additiven Fertigung eines Messing-Bauteils einer Sanitärarmatur dienen. Das Verfahren gibt im Zusammenhang mit der schichtweisen Fertigung von Messing-Bauteilen insbesondere eine besonders vorteilhafte Möglichkeit zum Bereitstellen eines vorteilhaft entzinkungsbeständigen Messing-Bauteils an. Insbesondere können mit dem Verfahren erstmals vorteilhaft entzinkungsbeständige Messing-Bauteile additiv bzw. im 3D-Druck hergestellt werden.
Das schichtweise Aufbauen des Bauteils erfolgt durch partielles Schmelzen des metallischen Materials mit einem Laser. Die Verwendung des Lasers bzw. mindestens eines Laserstrahls erlaubt in vorteilhafter Weise, dass das Schmelzen möglichst schnell erfolgen und/oder das Material zum Schmelzen auf eine vergleichsweise hohe Temperatur erwärmt werden kann. Dies trägt in besonders vorteilhafter Weise dazu bei, dass Zink und Kupfer in dem beschriebenen Verhältnis möglichst sicher aufgeschmolzen und dabei die gewünschten Eigenschaften (insbesondere die vorteilhafte Entzinkungsbeständigkeit) erzeugt werden kann. Insbesondere sind mit dem Laser in vorteilhafter Weise im Guss- oder in anderen Erschmelzungsverfahren nicht stabile Legierungen herstellbar.
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 kann ein sich innerhalb einer Schicht befindliches Pulver lokal, an vorbestimmten Punkten, an denen eine Materialverfestigung eintreten soll, solange und/oder so intensiv erwärmt werden, 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.
Es kann in Schritt b. ein Lasersintern und/oder ein Laserschmelzen durchgeführt werden. Besonders bevorzugt wird in Schritt b. ein sogenanntes 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. Alternativ oder kumulativ kann in Schritt b. ein sogenanntes selektives Laserschmelzen (kurz: SLM) durchgeführt werden.
Die Laserleistung(en) und/oder die Aufschmelz-Temperatur(en) und/oder die Einwirkzeit(en) des Lasers können so gewählt und/oder gesteuert werden, dass zum einen genug Zeit für eine schmelzflüssige Durchmischung der verschiedenen Metalle bleibt und zum anderen die Zeit so kurz ist, dass eine Entmischung möglichst vermieden werden kann. Die (maximale) Abkühlgeschwindigkeit kann kleiner 10⁶ K/s [Kelvin pro Sekunde] betragen. Die Abkühlgeschwindigkeit kann im Bereich von 20 K/s bis 2.000 K/s liegen. Bezüglich der Aufschmelz-Temperaturen sind in Abhängigkeit des zu bearbeitenden Metalls folgende Bereiche bevorzugt: bei Cu größer 1.100 °C, bei Zn größer 450°C, bei Edelstahl größer 1.500°C, bei CuZn größer 900°C. Insbesondere durch eine Kurzzeitigkeit der Erschmelzung können vorteilhafter Weise Werkstoffe mit sehr unterschiedlichen Schmelzpunkten zusammenlegiert werden.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass in Schritt a. ein Pulverbett gebildet wird. Dies erlaubt in vorteilhafter Weise eine besonders einfache und kontrollierte Bereitstellung des Materials. In diesem Zusammenhang kann insbesondere ein Bimetall-Lasersintern im Metalldrucker mit Pulverbett durchgeführt werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass in Schritt a. eine zumindest Zink und Kupfer enthaltende Legierung in Pulverform bereitgestellt wird. Dies kann mit anderen Worten insbesondere so beschrieben werden, dass ein Pulver bereitgestellt wird, dessen Pulver-Teilchen bzw. Partikel (bereits) mit bzw. aus einer zumindest Zink und Kupfer enthaltenden Legierung (Messing-Legierung) gebildet sind. Die Legierung kann gegebenenfalls auch Arsen und/oder Blei enthalten. Insbesondere kann eine CuZnAs- oder eine CuZnAsPb-Legierung in Pulverform verwendet werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass in Schritt b. eine zumindest Zink und Kupfer enthaltende Legierung durch ein Legieren im Laserstrahl erzeugt wird. Dies kann mit anderen Worten insbesondere so beschrieben werden, dass das Legieren (erst) während des schichtweisen Aufbauens bzw. während des selektiven Schmelzens mit dem Laser erfolgt. Dabei können selektiv nur die Teile des Pulvers legiert werden, die zum Aufbau des Bauteils beitragen bzw. im Bauteil verbleiben sollen.
In diesem Zusammenhang können insbesondere zur Bildung des Pulverbetts (getrennte) Zinkpulver und Kupferpulver (in dem beschriebenen Verhältnis) verwendet werden. Diese können zur Bereitstellung des Materials bzw. zur Bildung des Pulverbetts miteinander (physisch und/oder gleichmäßig) gemischt bzw. miteinander vermischt werden. Weiterhin können das Zinkpulver und das Kupferpulver zur Bereitstellung des Materials bzw. zur Bildung des Pulverbetts mit einem Arsenpulver und/oder einem Bleipulver gemischt werden. Es können (alternativ) ein Zinkpulver und/oder ein Kupferpulver verwendet werden, die bereits zumindest teilweise mit Arsen und/oder Blei (vor-)legiert bzw. chemisch verbunden sind.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass das Material nach dem Schmelzen zumindest überwiegend zu alpha-Messing kristallisiert. Es kann mindestens 80% des Materials zu alpha-Messing kristallisieren. Das alpha-Messing weist in der Regel eine vorteilhafte Entzinkungsbeständigkeit auf.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass das Massenverhältnis von Zink zu Kupfer im Bereich von 0,55 bis 0,7 liegt. In diesem Bereich kann eine vorteilhafte Entzinkungsbeständigkeit erreicht werden. Weiterhin kann das Massenverhältnis von Zink zu Kupfer circa 0,62 betragen. Damit kann eine besonders vorteilhafte Entzinkungsbeständigkeit erreicht werden, insbesondere auch ohne eine Zugabe von Arsen und/oder Blei.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass das Material weiterhin Arsen (As) enthält. Es kann durch Arsen Zusatz (dotiert) die Entzinkungsbeständigkeit in vorteilhafter Weise (noch weiter) erhöht werden. Arsen kann beispielsweise während der Pulverherstellung dem Kupfer und/oder dem Zink zulegiert werden. Vorzugsweise wird das Arsen dem Kupfer zulegiert. Der Massenanteil an Arsen kann beispielsweise im Bereich von 0,01 bis 0,25%, vorzugsweise im Bereich von 0,1 bis 0,18%, insbesondere bei ca. 0,17% liegen.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass das Material weiterhin Blei enthält. Wenn Blei enthalten ist, kann dies beispielsweise mit einem Massenanteil von 0,01 bis 1,5%, vorzugsweise von 0,1 bis 0,3% und insbesondere von ca. 0,15% vorgesehen sein. Es kann (alternativ) jedoch auch vorgesehen sein, dass das Material kein Blei enthält. In diesem Zusammenhang kann das Material aus Zink und Kupfer (in dem beschriebenen Verhältnis) oder aus Zink, Kupfer und Arsen bestehen.
Nach einem weiteren Aspekt wird ein Bauteil für eine Sanitärarmatur vorgeschlagen, 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 vorgeschlagen, aufweisend ein Bauteil, hergestellt mit einem hier beschriebenen Verfahren. 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 zeigen beispielhaft und schematisch:

1: eine Veranschaulichung eines hier beschriebenen Verfahrens zur Herstellung eines Messing-Bauteils für eine Sanitärarmatur.

1 zeigt beispielhaft und schematisch eine Veranschaulichung eines hier beschriebenen Verfahrens zur Herstellung eines Messing-Bauteils 1 für eine Sanitärarmatur 2. Es wird dabei ein zumindest Zink und Kupfer enthaltendes Material 3 in Pulverform bereitgestellt. Das Massenverhältnis von Zink zu Kupfer liegt hierbei im Bereich von 0,4 bis 0,85. Es erfolgt ein Schichtweises Aufbauen bzw. additives Fertigen des Bauteils 1 durch partielles Schmelzen des Materials 3 mit einem Laser 4.
Es kann zur Bereitstellung des Materials ein Pulverbett 5 gebildet werden. Es kann zur Bereitstellung des Materials weiterhin eine zumindest Zink und Kupfer enthaltende Legierung in Pulverform bereitgestellt werden.
Es kann (alternativ zu der Bereitstellung als Legierung) während des schichtweisen Aufbauens eine zumindest Zink und Kupfer enthaltende Legierung durch ein Legieren im Laserstrahl erzeugt werden. Das Material kann nach dem Schmelzen zumindest überwiegend zu alpha-Messing kristallisieren.
Das Massenverhältnis von Zink zu Kupfer kann beispielsweise im Bereich von 0,55 bis 0,7 liegen. Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung beträgt das Massenverhältnis von Zink zu Kupfer circa 0,62.
Das Material 3 kann optional weiterhin Arsen enthalten. Der Massenanteil an Arsen kann beispielsweise im Bereich von 0,01 bis 0,25%, insbesondere bei ca. 0,17% liegen. Das Material 3 kann optional weiterhin Blei enthalten.
Somit werden ein Verfahren zur Herstellung eines Messing-Bauteils für eine Sanitärarmatur, ein mit diesem Verfahren hergestelltes Bauteil und eine Sanitärarmatur mit einem so hergestellten Bauteil angegeben, welche die im Zusammenhang mit dem Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise lösen. Insbesondere ist das Bauteil aufgrund der additiven Fertigung möglichst vielfältig, insbesondere auch mit sehr dünnen Wandstärken gestaltbar und/oder möglichst kompakt herstellbar. Zudem kann das damit hergestellte Bauteil aufgrund der beschriebenen Materialzusammensetzung möglichst entzinkungsbeständig sein, um insbesondere auch für eine Unterputzarmatur verwendet werden zu können.
Bezugszeichenliste

1: Bauteil
2: Sanitärarmatur
3: Material
4: Laser
5: Pulverbett

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Messing-Bauteils (1) für eine Sanitärarmatur (2), umfassend zumindest folgende Schritte: a. Bereitstellen eines zumindest Zink und Kupfer enthaltenden Materials (3) in Pulverform, wobei ein Massenverhältnis von Zink zu Kupfer im Bereich von 0,4 bis 0,85 liegt, b. Schichtweises Aufbauen des Bauteils (1) durch partielles Schmelzen des Materials (3) mit einem Laser (4).
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem in Schritt a. ein Pulverbett (5) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem in Schritt a. eine zumindest Zink und Kupfer enthaltende Legierung in Pulverform bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem in Schritt b. eine zumindest Zink und Kupfer enthaltende Legierung durch ein Legieren im Laserstrahl erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Material (3) nach dem Schmelzen zumindest überwiegend zu alpha-Messing kristallisiert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Massenverhältnis von Zink zu Kupfer im Bereich von 0,55 bis 0,7 liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Material (3) weiterhin Arsen enthält.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Material (3) weiterhin Blei enthält.
Bauteil (1) für eine Sanitärarmatur (2), wobei das Bauteil (1) mit einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist.
Sanitärarmatur (2) aufweisend ein Bauteil (1), hergestellt mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8.