DE102015214994A1 - A method of manufacturing or repairing a component and apparatus for manufacturing and repairing a component - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung oder Reparatsur eines Bauteils (32), insbesondere eine Schaufel für Gasturbinen, wobei mindestens ein Teil des Bauteils (32) anhand eines dreidimensionalen Datenmodells aus einer Vielzahl von Schichten in einem Bauraum (6) mit folgenden Schritten gebildet wird. In Schritt a) wird der Bauraum Bauraums (6) bereitgestellt. In Schritt b) wird ein Metallpulver auf mindestens einen vorbestimmten Bereich des Bauraums (6) aufgebracht. In Schritt c) wird der vorbestimmte Bereich zum lokalen Verschmelzen des Pulvers (41, 42) zur Erzeugung des Teils des Bauteils (32) bestrahlt. Dabei wird in Schritt c) mindestens eine ganze Schicht (60, 62) des Bauteils (32) erzeugt. Nach dem Schritt c) folgt ein Schritt d). In Schritt d) wird mindestens ein Teilbereich (52) dieser Schicht (60, 62) auf eine Temperatur nacherwärmt, die kleiner als die Schmelztemperatur des Metallpulvers ist.The invention relates to a device and a method for producing or repairing a component (32), in particular a blade for gas turbines, wherein at least a part of the component (32) based on a three-dimensional data model of a plurality of layers in a space (6) with the following Steps is formed. In step a) the installation space installation space (6) is provided. In step b), a metal powder is applied to at least one predetermined area of the construction space (6). In step c), the predetermined area for locally fusing the powder (41, 42) to produce the part of the component (32) is irradiated. In this case, at least one entire layer (60, 62) of the component (32) is produced in step c). After step c), a step d) follows. In step d), at least a portion (52) of this layer (60, 62) is reheated to a temperature which is lower than the melting temperature of the metal powder.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung oder Reparatur eines Bauteils nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Herstellung und Reparatur eines Bauteils nach dem Oberbegriff des Anspruchs 12. The invention relates to a method for producing or repairing a component according to the preamble of claim 1. The invention further relates to a device for producing and repairing a component according to the preamble of claim 12.
STAND DER TECHNIK STATE OF THE ART
Aus dem Stand der Technik sind generative Herstellungsverfahren zur schnellen Herstellung von Prototypen oder zur Herstellung von Bauteilen, die mit anderen Verfahren schwierig herzustellen sind, bekannt. Unter anderem werden hierfür Verfahren wie das selektive Laserschmelzen (SLM Selective Laser Melting), das direkte Metalllasersintern (DMLS Direct Metal Laser Sintering) oder Elektronenstrahlenverfahren eingesetzt. Aus dem Stand der Technik sind insbesondere auch generative Herstellverfahren für die Herstellung von Bauteilen einer Strömungsmaschine, wie beispielsweise von Bauteilen eines Flugtriebwerks oder einer Gasturbine bekannt, z.B. das in der
Bei diesem Verfahren wird durch schichtweisen Auftrag von mindestens einem pulverförmigen Bauteilwerkstoff auf einer Bauteilplattform im Bereich einer Aufbau- und Fügezone sowie schichtweises und lokales Schmelzen oder Sintern des Bauteilwerkstoffs mittels im Bereich der Aufbau- und Fügezone zugeführter Energie ein entsprechendes Bauteil hergestellt. Die Zufuhr der Energie erfolgt hierbei über Laserstrahlen, wie beispielsweise CO2-Laser, Nd:YAG-Laser, Yb-Faserlaser sowie Diodenlaser, oder durch Elektronenstrahlen. Bei dem in der
Aus der Druckschrift
Zur Reduzierung des thermischen Gradienten in Kombination mit Rissausbildung kann eine allgemeiner Erwärmung einer (Pulver-)Schicht vorgesehen werden. Bei derartigen zusätzlichen Erwärmungen bzw. generativen Herstellungsverfahren existieren zwei Varianten. To reduce the thermal gradient in combination with crack formation, a general heating of a (powder) layer can be provided. There are two variants of such additional heating or additive manufacturing processes.
Die eine Variante geht dahin, dass die Erwärmung beim schichtweisen generativen Aufbau über eine Heizplatte (elektrisch) erfolgt. Dies ist so, dass mittels einer Heizplatte das aufzubauende (metallische) Bauteil inklusive Ausgangsmaterial (Pulver) erwärmt wird, und zwar so, dass über dieses Bauteil (durch thermische Leitung) der Bereich, in dem die nächste Schicht aufgebaut werden soll, auf die Temperatur gebracht wird, die zum Schmelzen des Pulvers erforderlich ist. One variant is that the heating in the layer-by-layer generative structure takes place via a heating plate (electrically). This is such that by means of a hotplate, the (metallic) component including the starting material (powder) to be built up is heated, in such a way that over this component (by thermal conduction) the temperature at which the next layer is to be built up brought to melt the powder is required.
Die zweite Variante ist so, dass der Arbeitsraum, in dem das generative Herstellungsverfahren ausgeführt wird, selbst ein Ofen ist. In anderen Worten wird also das Bauteil generativ in einem Ofen aufgebaut. Der Ofen erzeugt eine gleichmässig (hohe) Temperatur, die erforderlich ist, um die entsprechende Schicht aufzubauen, und erwärmt dabei zwangsläufig das gesamte aufzubauende bzw. aufgebaute Bauteil. The second variant is such that the working space in which the generative manufacturing process is carried out is itself a furnace. In other words, the component is generatively constructed in an oven. The furnace generates a uniform (high) temperature, which is necessary to build up the appropriate layer, and inevitably heats the entire component to be built up or built up.
In der Druckschrift
Somit liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde ein Verfahren vorzustellen, das die oben aufgeführten Nachteile überwindet. Thus, the object of the present invention is to provide a method which overcomes the disadvantages listed above.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Aufgabe wird ferner durch ein Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Die Aufgabe wird ferner durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. The object is achieved by a method having the features of claim 1. The object is further achieved by a component having the features of claim 11. The object is further achieved by a device having the features of claim 12.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung oder Reparatur eines Bauteils. Dabei wird ein Teil des Bauteils anhand eines dreidimensionalen Datenmodells aus einer Vielzahl von Schichten in einem Bauraum mit folgenden Schritten gebildet. In Schritt a) wird der Bauraum bereitgestellt. In Schritt b) wird ein Metallpulver auf mindestens einen vorbestimmten Bereich des Bauraums aufgetragen. In Schritt c) wird der vorbestimmte Bereich bestrahlt, so dass das Pulver lokal aufschmilzt und dabei ein Teil des Bauteils erzeugt wird. In Schritt c) wird ferner mindestens eine ganze Schicht des Bauteils erzeugt. Nach diesem Schritt c) folgt ein Schritt d). In diesem Schritt d) wird mindestens ein Teilbereich dieser Schicht auf eine Temperatur nacherwärmt, die kleiner als die Schmelztemperatur des Metallpulvers ist. The invention relates to a method for producing or repairing a component. It will formed a part of the component based on a three-dimensional data model of a plurality of layers in a space with the following steps. In step a) the installation space is provided. In step b), a metal powder is applied to at least one predetermined area of the installation space. In step c), the predetermined region is irradiated, so that the powder melts locally and thereby a part of the component is produced. In step c), furthermore, at least one entire layer of the component is produced. After this step c), a step d) follows. In this step d) at least a portion of this layer is post-heated to a temperature which is lower than the melting temperature of the metal powder.
Es wird angemerkt, dass der Teilbereich kleiner als die neu erzeugte Bauteilschicht ist. Damit kann gezielt lokal nacherwärmt werden. Wichtig dabei ist, dass die entsprechende Schicht vollständig erzeugt wurde bevor die Nacherwärmung durchgeführt wird. Nicht jede Schicht muss unbedingt nach erwärmt werden. Vorzugsweise kann die Nacherwärmung beispielsweise nur alle 2 bis 10 Schichten erfolgen. Als Metallpulver eignen sich beispielsweise Nickel-Superlegierungen, MAR 247 oder René 108. It is noted that the subregion is smaller than the newly generated device layer. This can be specifically reheated locally. It is important that the corresponding layer has been completely produced before the postheating is carried out. Not every layer needs to be heated up. Preferably, the reheating can be done, for example, only every 2 to 10 layers. Suitable metal powders are, for example, nickel superalloys, MAR 247 or René 108.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgen die Schritte b) und c) gleichzeitig oder hintereinander. Das dreidimensionale Datenmodell wird in mehrere parallel zueinander verlaufenden Schichten eingeteilt. Der Energiestrahl trifft beim selektiven Auftragschweißen (SLM = selective laser melting) auf ein Pulverbett. In dem Punkt, an dem der Energiestrahl auf die Oberfläche des Pulverbetts trifft, schmilzt das Pulver. Dabei werden nur die Bereiche des Pulverbetts mit dem Energiestrahl belichtet, die für die im Moment zuerzeugende Schicht aus dem dreidimensionalen Datenmodell hervorgehen. Nach der Belichtung wird das Bauteil um einen Stück herabgesenkt. Dabei erhält das Pulverbett eine frische Pulverschicht, so dass die Schritte b) und c) hintereinander durchgeführt werden. In an advantageous embodiment of the invention, steps b) and c) take place simultaneously or successively. The three-dimensional data model is divided into several parallel layers. The energy beam strikes a powder bed in selective overlay welding (SLM). At the point where the energy beam strikes the surface of the powder bed, the powder melts. In this case, only the areas of the powder bed are exposed to the energy beam, which emerge from the three-dimensional data model for the layer to be created at the moment. After exposure, the component is lowered by one piece. In this case, the powder bed receives a fresh powder layer, so that the steps b) and c) are carried out one behind the other.
Beim Laserpulverauftragschweißen wird dagegen mittels einer Pulverdüse Pulver direkt in den Energiestrahl befördert, so dass bei diesem Verfahren die Schritte b) und c) gleichzeitig erfolgen. In laser powder build-up welding, by contrast, powder is conveyed directly into the energy jet by means of a powder nozzle, so that steps b) and c) take place simultaneously in this process.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die Schritte b) bis d) wiederholt bis alle Schichten des Teils des Bauteils hergestellt sind. In a further advantageous embodiment of the invention, the steps b) to d) are repeated until all layers of the part of the component are produced.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt das Bestrahlen in Schritt c) mittels einem Laserstrahl und/oder einem Elektronenstrahl. Ein Elektronenstrahl hat den Vorteil, dass dieser in mehrere virtuelle Strahlen (bis zu 200) aufgeteilt werden kann. Die Ablenkung eines Elektronenstrahls erfolgt beispielsweise mittels Magnetspulen und/oder Kondensatorplatten, so dass dieser Strahl schneller als ein optischer Strahl abgelenkt werden kann. In a further advantageous embodiment of the invention, the irradiation in step c) by means of a laser beam and / or an electron beam. An electron beam has the advantage that it can be divided into several virtual beams (up to 200). The deflection of an electron beam, for example, by means of magnetic coils and / or capacitor plates, so that this beam can be deflected faster than an optical beam.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt vor Schritt b) oder Schritt c) eine lokal begrenzte, direkte oder indirekte Vorerwärmung des Bauraums auf eine Temperatur, die grösser als eine vorbestimmte Mindesttemperatur und kleiner als die Schmelztemperatur des Metallpulver ist. Damit lässt sich der Energieeintrag des Energiestrahl deutlich reduzieren. Die Vorerwärmung kann beispielsweise mittels eines Ofens, eines Energiestrahls und/oder induktiv erfolgen. In a further advantageous embodiment of the invention, before step b) or step c), a locally limited, direct or indirect preheating of the installation space to a temperature which is greater than a predetermined minimum temperature and less than the melting temperature of the metal powder. This significantly reduces the energy input of the energy beam. The preheating can be done for example by means of a furnace, an energy beam and / or inductively.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt in Schritt d) die Nacherwärmung durch mindestens eine Induktionsspule. Vorzugsweise erfolgt die lokale Nacherwärmung mittels zwei gekreuzter Spulen. Damit kann sehr gezielt und in einem sehr kleinen Bereich das Bauteil nacherwärmt werden. Ferner hat dies den Vorteil, dass der eigentliche Schweißvorgang von der nachfolgenden Nacherwärmung vollständig entkoppelt ist. Die induktive Nacherwärmung bis kurz unter dem Schmelzpunkt des Pulverwerkstoffs führt dazu, dass Defekte, wie Risse, ausheilen können. Dabei kann die Temperatur zwischen 1000°C und 1300°C betragen. In a further advantageous embodiment of the invention, the reheating takes place in step d) by at least one induction coil. Preferably, the local reheating by means of two crossed coils. This means that the component can be reheated very selectively and in a very small area. Furthermore, this has the advantage that the actual welding process is completely decoupled from the subsequent reheating. The inductive reheating until just below the melting point of the powder material causes defects, such as cracks, to heal. The temperature may be between 1000 ° C and 1300 ° C.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird während Schritt c) oder während Schritt d) der Bauraum optisch und/oder thermisch erfasst, um die Position mindestens eines Defekts, insbesondere eines Risses, zu detektieren. Eine optische/thermische Erfassungsvorrichtung zur Detektion von Defekten ist beispielsweise in der Druckschrift
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird in Schritt d) nach einem bestimmten Muster nacherwärmt. Dies dient zur Prüfung der Ausheilung oder aber der Schritt d) wird einfach wiederholt. So kann beispielsweise die Außenkontur der zuletzt aufgebauten Schicht einer Hohlschaufel in Uhrzeigersinn abgefahren werden. In Verbindung mit den Kreuzspulen lassen sich damit die Außenwandungen eines Bauteils gezielt heilen. Insbesondere, wenn das Material einkristallin aufgebracht werden soll, können beispielsweise auch Orientierungsfehler bzw. Gitterfehler behoben werden. In a further advantageous embodiment of the invention, in step d) after a certain pattern reheating. This serves to test the annealing or else step d) is simply repeated. Thus, for example, the outer contour of the last layer of a hollow blade can be moved clockwise. In conjunction with the cheeses, it is possible to specifically cure the outer walls of a component. In particular, if the material is to be applied monocrystalline, for example, orientation errors or lattice defects can be remedied.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Herstellung und Reparatur eines Bauteils. Dabei wird mindestens ein Teil des Bauteils anhand eines dreidimensionalen Datenmodells aus einer Vielzahl von Schichten in einem Bauraum gebildet. Die Vorrichtung umfasst den Bauraum, eine Energiequelle zur Erzeugung eines Energiestrahls, der auf den Bauraum gerichtet ist, eine Auftrageeinheit von Metallpulver und eine lokale Wärmequelle. Dabei wird die Wärmequelle derart betrieben, dass nach Erzeugung mindestens einer ganzen Schicht des Teils des Bauteils ein Teilbereich dieser Schicht eine Temperatur aufweist, die kleiner als die Schmelztemperatur des Metallpulvers ist. The invention further relates to a device for producing and repairing a component. In this case, at least a part of the component is based on a formed three-dimensional data model of a plurality of layers in a space. The device comprises the installation space, an energy source for generating an energy beam, which is directed towards the installation space, an application unit of metal powder and a local heat source. In this case, the heat source is operated such that after generation of at least one entire layer of the part of the component, a partial region of this layer has a temperature which is lower than the melting temperature of the metal powder.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen wiedergegeben. Further advantageous embodiments of the invention are given in the dependent claims.
Im Weiteren werden anhand der schematischen Zeichnung bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben. Dabei zeigen: Furthermore, preferred embodiments of the invention will be described in more detail with reference to the schematic drawing. Showing:
Die
Der erste Bereich
Der zweite Bereich
Der dritte Bereich
Über den drei Bereichen
Die
Nun wird ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der beiden
Als erstes trägt der Rakel
Nachdem hier die ersten beiden Bauteilschichten
Alternativ oder in Kombination dazu kann der Kreuzungsbereich
Die Temperatur im Kreuzungsbereich kann beispielsweise mittels der Erfassungseinheit
Mit diesem erfindungsgemäßen Verfahren und Vorrichtung lässt sich der Schmelzschritt von dem Nacherwärmungsschritt vollständig entkoppeln. Dabei liegt die Nacherwärmungstemperatur zwischen 20° und 100°C unterhalb der Schmelztemperatur des Pulvers. With this method and device according to the invention, the melting step can be completely decoupled from the postheating step. The reheating temperature is between 20 ° and 100 ° C below the melting temperature of the powder.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 2 2
- SLM-Anlage SLM system
- 4 4
- erster Bereich first area
- 6 6
- zweiter Bereich second area
- 8 8th
- dritter Bereich third area
- 10 10
- Schutzglocke protective bell
- 12 12
- Kammer chamber
- 14 14
- Energiequelle (Laser) Energy source (laser)
- 15 15
- Energiestrahl energy beam
- 16 16
- Ansteuereinheit control unit
- 18 18
- Erfassungseinheit acquisition unit
- 20 20
- erste Wandung first wall
- 22 22
- zweite Wandung second wall
- 24 24
- dritte Wandung third wall
- 26 26
- vierte Wandung fourth wall
- 28 28
- Restpulvertisch Residual powder table
- 29 29
- restliche Pulver remaining powders
- 30 30
- Bautisch build table
- 32 32
- Bauteil component
- 32a 32a
-
unterer Bereich von
32 lower area of32 - 32b 32b
-
oberer Bereich von
32 upper area of32 - 34 34
- Pulverbett powder bed
- 36 36
- weiterer Tisch another table
- 38 38
- Pulvervorrat powder storage
- 40 40
- Rakel doctor
- 41 41
- erste frische Pulverschicht first fresh powder layer
- 42 42
- zweite frische Pulverschicht second fresh powder layer
- 44 44
- erste Schiene first rail
- 46 46
- erste Spule first coil
- 48 48
- zweite Schiene second rail
- 50 50
- zweite Spule second coil
- 52 52
-
Vorderkante von
32 Leading edge of32 - 60 60
- erste Bauteilschicht first component layer
- 62 62
- zweite Bauteilschicht second component layer
- 64 64
-
Kreuzungsbereich von
46 und50 Crossing area of46 and50
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- DE 102006058949 A1 [0004] DE 102006058949 A1 [0004]
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- DE 102013201629 A1 [0019] DE 102013201629 A1 [0019]
- DE 102014204123 [0030] DE 102014204123 [0030]
Claims (14)
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DE102015214994.3A DE102015214994A1 (en) | 2015-08-06 | 2015-08-06 | A method of manufacturing or repairing a component and apparatus for manufacturing and repairing a component |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE102015214994.3A DE102015214994A1 (en) | 2015-08-06 | 2015-08-06 | A method of manufacturing or repairing a component and apparatus for manufacturing and repairing a component |
Publications (1)
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DE102015214994A1 true DE102015214994A1 (en) | 2017-02-09 |
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Family Applications (1)
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