DE102004032093A1

DE102004032093A1 - Durch einen selektiven Lasersintervorgang (SLS) hergestelltes Bauteil

Info

Publication number: DE102004032093A1
Application number: DE102004032093A
Authority: DE
Inventors: Frank Herzog
Original assignee: Concept Laser GmbH
Current assignee: CL Schutzrechtsverwaltung GmbH
Priority date: 2004-07-01
Filing date: 2004-07-01
Publication date: 2006-01-26
Anticipated expiration: 2024-07-02
Also published as: DE102004032093B4

Abstract

Die Erfindung besteht aus einem durch einen selektiven Lasersintervorgang (SLS) bzw. Laserschmelzvorgang hergestellten Bauteil, insbesondere Werkzeug, Werkzeugeinsatz, Kühl- oder Heizelement, Düsenelement, Turbinenelement oder dergleichen, mit mindestens einem den Innenbereich des Bauteils zumindest teilweise durchsetzenden Strömungskanal, insbesondere Kühlkanal, wobei im Bereich des Strömungskanals 3 mindestens ein Turbulenzelement 5 angeordnet ist, das aus einem einstückig oder beweglich mit dem Bauteil 1 verbundenen SLS-Sinter- oder -Schmelzkörper besteht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauteil, insbesondere ein Werkzeug, einen Werkzeugeinsatz, ein Kühl- oder Heizelement, ein Düsenelement oder dergleichen, das durch einen selektiven Lasersintervorgang, d. h. durch einen Vorgang hergestellt wird, bei dem Metallpulver im wesentlichen vollständig durch Laserstrahlung aufgeschmolzen wird. In der Literatur wird das Verfahren auch als Laserschmelzverfahren bezeichnet. Im Innenbereich dieses Bauteils soll ein Strömungskanal vorgesehen sein, der den Innenbereich zumindest teilweise durchsetzt. Strömungskanäle in derartigen Bauteilen können im Prinzip bei einem Sintervorgang hergestellt werden, durch das SLS-Verfahren ist es sogar möglich, Strömungskanäle, insbesondere Kühlkanäle in solche Werkstückbereiche einzubringen, in welche dies bei Anwendung herkömmlicher Kühlkanalherstellungsmethoden nicht möglich ist.

Aus DE 100 65 594 C2 ist es grundsätzlich bekannt, Kühlkanäle in Bauteile, insbesondere in Spritzwerkzeuge einzusintern, wodurch Bohrungen und dergleichen am hergestellten Bauteilrohling entbehrlich sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bauteil mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 derart auszubilden, daß es einfach herstellbar ist und das den Strömungskanal durchströmende Medium thermisch oder hinsichtlich seiner Verteilung besser ausgenutzt werden kann. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß im Bereich des Strömungskanals mindestens ein Turbulenzelement angeordnet ist, das aus einem einstückig oder beweglich mit dem Bauteil verbundenen SLS-Sinterkörper besteht.

Durch die Erfindung wird vorteilhafterweise erreicht, daß ein Turbulenzelement nicht nachträglich in den Strömungskanal eines Bauteils eingebracht werden muß.

Vielmehr kann beim eigentlichen Bauvorgang das Turbulenzelement in das Bauteil eingeplant werden und insbesondere in solchen Bauteilabschnitten des Bauteilinnenbereiches vorgesehen werden, in denen die Einbringung von Turbulenzelementen nach herkömmlichen Herstellungsmethoden – abgesehen von einer insgesamt nachteiligen Herstellung eines Bauteils aus zwei Bauteilhälften – nicht möglich ist. Völlig losgelöst von der Frage der Zugänglichkeit können mehrere im Innenbereich des Bauteils liegende Turbulenzelemente strömungsmäßig aufeinander abgestimmt werden. Dabei ist es z. B. möglich, ein bewegliches Turbulenzelement mit einem oder mehreren feststehenden Turbulenzelementen im Strömungskanal zu kombinieren, wodurch eine besonders gute thermische Ausnutzung des den Strömungskanal durchströmenden Mediums gegeben ist.

Das Turbulenzelement kann als ein den Querschnitt des Strömungskanals verändernder Körper ausgebildet sein, insbesondere eine Verengungs- oder Erweiterungsstufe oder dergleichen. Es ist auch möglich, durch das Turbulenzelement im Innenbereich des Strömungskanals einen düsenartigen Abschnitt auszubilden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Turbulenzelement dreh- oder schwenkbeweglich im Kühlkanal gelagert ist. Damit lassen sich Wirkungen erzielen, die an herkömmlichen einstückigen Bauteilen überhaupt nicht in Betracht zu ziehen sind. Es ist auch möglich, das Turbulenzelement als gesonderten, freibeweglichen Sinterkörper zu gestalten, der in einem käfigartigen Abschnitt oder einer sonstigen gebildeten Turbulenzkörperkammer des Strömungskanals im Innenbereich des Bauteils angeordnet ist. Das Turbulenzelement kann auch nach Art eines Propellers oder nach Art einer Turbinenschaufel ausgebildet sein, wobei Lagerelemente, auf denen ein solcher Propeller oder eine solche Turbinenschaufel gelagert ist, ebenfalls durch einen SLS-Sintervorgang hergestellt werden können. Weitere vorteilhafte Ausbildungen des Turbulenzelementes sind in den Ansprüchen 7 und 8 beschrieben.

Es ist vorteilhaft, Düsenabschnitte oder Turbulenzelemente jeglicher Art mit einer höheren Dichte zu sintern als umgebende Bauteilbereiche, da abrasive Partikel in den Strömungskanal durchströmenden Medien auf die Oberflächen der Turbulenzelemente besonders heftig einwirken. Durch eine höhere Dichte und/oder eine gegebenenfalls höhere Oberflächenqualität der Turbulenzelemente ist die Standfestigkeit solcher Turbulenzelemente über längere Zeiträume gesichert.

Patentanspruch 13 beschreibt zusätzlich ein besonders vorteilhaftes Herstellungsverfahren für ein Bauteil nach den Ansprüchen 1-12.

Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungsfiguren näher erläutert. Diese zeigen
1 eine Teilschnittdarstellung durch einen Werkzeugeinsatz mit einem in einem Außenbereich des Einsatzes geführten Kühlkanal mit Turbulenzelement;
2 eine Teilschnittdarstellung durch einen Werkzeugeinsatz mit einem nach Art einer Turbinenschaufel ausgebildeten Turbulenzelement;
3 eine Teilschnittdarstellung durch einen Werkzeugeinsatz mit einem spiralig ausgeführten Turbulenzelement;
4 eine Teilschnittdarstellung durch einen Werkzeugeinsatz mit zwei Turbulenzelementen in Form von freibeweglichen Kugeln;
5 eine Teilschnittdarstellung durch einen Werkzeugeinsatz mit einem Turbulenzelement in Form eines Propellers;
6 eine Teilschnittdarstellung durch einen Abschnitt eines Werkzeugeinsatzes mit einem Turbulenzelement in Form eines Kegels.
Das Bauteil 1 in Form eines Werkzeugeinsatzes weist einen seinen Innenbereich 2 teilweise durchsetzenden Strömungskanal 3 auf, der bei den dargestellten Ausführungsformen der Erfindung als Kühlkanal ausgebildet ist und von einem Kühlmedium 4 durchströmt wird.
Um die Wirkung des Kühlmediums 4 zu verbessern, ist im Bereich des Strömungskanals ein die Strömung beeinflussendes Turbulenzelement 5 angeordnet, das aus einem einstückig mit dem Bauteil 1 verbunden ist. Das Turbulenzelernent 5 bei dem in Zeichnungsfigur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird durch eine ringartige Verengung 6 des mittleren Strömungsquerschnittes 7 gebildet. Durch diese ringartige Verengung 6 wird ein düsenartiger Abschnitt 8 im Strömungskanal 3 gebildet.
Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, das Turbulenzelement 5 auch dreh- oder schwenkbeweglich im Strömungskanal 3 zu lagern. Bei dem in 2 und 5 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Turbulenzelement 5 nach Art eines Schaufelrades 10 ausgebildet und auf einer mit dem im Laseraufschmelzverfahren hergestellten Bauteil fest verbundenen Sinterachse 11 gelagert, wobei die Sinterachse 11 sich in Querrichtung zur Strömungsrichtung im Strömungskanal 3 erstreckt. Bei dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Turbulenzelement 5 ein Propeller 13, der auf einer Sinterachse 14 gelagert ist, die mit ihrer Längsachse parallel zur mittleren Strömungsrichtung im Strömungskanal 3 liegt.
Bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die beiden dargestellten Turbulenzelemente als gesonderte, freibewegliche Sinterkörper 16 ausgebildet, die in käfigartigen Abschnitten oder Turbulenzkörperkammern 17 eingeschlossen sind. Bei dem in Zeichnungsfigur 4 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Sinterkörper 16 Kugeln 18, die in den Turbulenzkörperkammern 17 einliegen und durch Stege 19 daran gehindert werden unter dem Druck des Kühlmediums 4 den Auslassabschnitt 20 der jeweiligen Turbulenzkörperkammer 17 zu versperren.
Es sei nochmals angemerkt, daß alle Teile der Turbulenzelemente, im Falle der 4 die Sinterkörper 16 bzw. Kugeln 18, die Stege 19 und die Turbulenzkörperkammern 17 mit dem Auslassabschnitt 20 in einem Laserschmelzverfahren in einem Baudurchgang hergestellt werden können. Baumaterial, das in Pulverform nach dem Schmelzverfahren im Strömungskanal vorliegt, kann aus dem Strömungskanal ausgewaschen oder ausgeblasen werden.
Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Turbulenzelement 5 aus einem eingesinterten spiraligen Strömungskanalabschnitt gebildet.
Da zu erwarten ist, daß abrasive Teilchen, die sich in Kühlmedien befinden können, die Oberflächen von Turbulenzelementen abrasiv beaufschlagen, ist es vorteilhaft, die Turbulenzelemente mit einer höheren Dichte zu sintern als umgebende Bauteilbereiche. Es ist zusätzlich oder alternativ möglich, das Turbulenzelement bzw. die von abrasiver Kühlflüssigkeit besonders stark beanspruchten Abschnitte des Strömungskanals mit überschmolzenen oder teilabegetragenen Werkstückoberflächen zu versehen.
Bei dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Turbulenzelement 5 als Kegel ausgebildet, der über Haltestege 31 im Innenbereich des Strömungskanals gehalten ist. Der Strömungskanal 3 ist im Bereich des Kegels 30 erweitert, so daß turbulenzerzeugend zum einen die Kegelform im Mittelbereich der Strömung und zum anderen die Erweiterung der Außenbereiche zusammenwirken.

1: Bauteil
2: Innenbereich
3: Strömungskanal
4: Kühlmedium
5: Turbulenzelement
6: ringartige Verengung
7: Strömungsquerschnitt
8: düsenartiger Abschnitt
10: Schaufelrad
11: Sinterachse
13: Propeller
14: Sinterachse
16: Sinterkörper
17: Turbulenzkörperkammer
18: Kugel
19: Steg
20: Auslassabschnitt
30: Kegel
31: Haltesteg

Claims

Durch einen selektiven Lasersintervorgang (SLS) bzw. Laserschmelzvorgang hergestelltes Bauteil (1), insbesondere Werkzeug, Werkzeugeinsatz, Kühl- oder Heizelement, Düsenelement, Turbinenelement oder dergleichen, mit mindestens einen den Innenbereich (2) des Bauteils (1) zumindest teilweise durchsetzenden Strömungskanal (3), insbesondere Kühlkanal, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Strömungskanals (3) mindestens ein Turbulenzelement (5) angeordnet ist, das aus einem einstückig oder beweglich mit dem Bauteil (1) verbundenen oder im Strömungskanal (3) räumlich begrenzt beweglichen SLS-Sinter- oder Schmelzkörper (6, 10,13, 16, 30) besteht.
Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Turbulenzelement (5) als ein den Querschnitt des Strömungskanals verändernden Körper ausgebildet ist.
Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch das Turbulenzelement (5) ein düsenartiger Abschnitt (8) im Strömungskanal (3) gebildet ist.
Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Turbulenzelement (5) gezielt an temperaturkritischen Bauteilbereichen ausgebildet ist.
Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Turbulenzelement (5) dreh- oder schwenkbeweglich im Strömungskanal (3) gelagert ist.
Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Turbulenzelement (5) nach Art eines Propellers (13) oder einer Schaufelrades (10) ausgebildet ist.
Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Turbulenzelement (5) als gesonderter freibeweglicher Sinterkörper (16) ausgebildet ist, der in einem käfigartigen Abschnitt oder einer Turbulenzkörperkammer (17) des Strömungskanals (3) angeordnet ist.
Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Turbulenzelement (5) als den gesamten Strömungskanal (3) durchsetzende Wandungsstruktur oder Innenquerschnittsstruktur ausgebildet ist.
Bauteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Turbulenzelement (5) aus einer oder mehreren Kugeln (18) besteht.
Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Turbulenzelement (5) ein Kegel (30) ist, der durch mit den Wandungen des Strömungskanals (3) verbundene Haltearme fixiert ist.
Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Turbulenzelement (5) an einem einstückig in den Strömungskanal (3) eingesinterten Lagerelement dreh- oder schwenkbeweglich angeordnet ist.
Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Turbulenzelement (5) aus einem eingesinterten spiraligen Strömungskanalabschnitt besteht oder einen solchen umfaßt.
Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Turbulenzelement (5) mit einer höheren Dichte gesintert ist als der es umgebende Bauteilbereich.
Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Turbulenzelement (5) eine beim SLS-Sintervorgang gesondert überschmolzene oder teilabgetragene Werkstückoberfläche aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (1) entweder durch einen selektiven Lasersintervorgang, bei welchem in einem Schichtverfahren ein- oder mehrkomponentiges metallisches Pulver durch Einsatz einer fokussierten Laserstrahlung aufgeschmolzen oder das Metallpulver durch Einbringung von Schwingungsenergie gelockert und ausgetrieben wird und wobei im Innenbereich des Bauteils mindestens ein Strömungskanal ausgebildet wird, in dem ein bewegliches Element angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem selektiven Lasersintervorgang im Strömungskanal verbliebene Metallpulver entweder durch mindestens einseitige Beaufschlagung des Strömungskanals mit einem Spülmedium ausgeblasen oder durch Einbringung von Schwingungsenergie gelockert und ausgetrieben wird und dadurch das Turbulenzelement (5) im Strömungskanal (3) beweglich wird.