DE102006049218A1

DE102006049218A1 - Verfahren zum Herstellen eines Gasturbinenbauteils

Info

Publication number: DE102006049218A1
Application number: DE102006049218A
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Dr. Dusel; Roland Huttner
Original assignee: MTU Aero Engines GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2006-10-18
Filing date: 2006-10-18
Publication date: 2008-04-30
Also published as: WO2008046386A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Gasturbinenbauteils mit mindestens einer geschlossenen Außenwand und einer von der oder jeder geschlossenen Außenwand begrenzten, Hohlräume definierenden Innenstruktur, mit folgenden Schritten: a) Bereitstellen eines dreidimensionalen CAD-Modells des herzustellenden Gasturbinenbauteils; b) Zerlegen des dreidimensionalen CAD-Modells in horizontale, im Wesentlichen zweidimensionale Schichten; c) schichtweises Aufbauen des herzustellenden Gasturbinenbauteils mit Hilfe eines Rapid Manufacturing Verfahrens unter Verwendung der aus dem CAD-Modell erzeugten Schichten, derart, dass die oder jede Außenwand zusammen mit der Innenstruktur aufgebaut wird und demnach materialschlüssig mit der Innenstruktur verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Gasturbinenbauteils mit mindestens einer geschlossen Außenwand und einer von der oder jeder geschlossenen Außenwand begrenzten, Hohlräume definierenden Innenstruktur.
Moderne Gasturbinen, insbesondere Flugtriebwerke, müssen höchsten Ansprüchen im Hinblick auf Zuverlässigkeit, Gewicht, Leistung, Wirtschaftlichkeit und Lebensdauer gerecht werden. Bei der Entwicklung von Gasturbinen spielt die Werkstoffauswahl, die Suche nach neuen, geeigneten Werkstoffen sowie die Suche nach neuen Fertigungsverfahren eine entscheidende Rolle.
Die wichtigsten, heutzutage für Flugtriebwerke oder sonstige Gasturbinen verwendeten Werkstoffe sind Titanlegierungen, Nickellegierungen und hochfeste Stähle. Die hochfesten Stähle werden für Wellenteile, Getriebeteile, Verdichtergehäuse und Turbinengehäuse verwendet. Titanlegierungen sind typische Werkstoffe für Verdichterteile. Nickellegierungen sind für die heißen Turbinenteile des Flugtriebwerks geeignet.
Als Fertigungsverfahren für Gasturbinenbauteile aus Titanlegierungen, Nickellegierung oder sonstigen Legierungen sind aus dem Stand der Technik in erster Linie das Feingießen sowie Schmieden bekannt. Alle hochbeanspruchten Gasturbinenbauteile sind Schmiedeteile. Bauteile für eine Turbine werden hingegen in der Regel als Feingussteile ausgeführt. Für die Fertigung bzw. Herstellung von komplexen Bauteilen stellt das pulvermetallurgische Spritzgießen eine Alternative dar. Das pulvermetallurgische Spritzgießen ist mit dem Kunststoffspritzguss verwandt und wird auch als Metallform-Spritzen oder Metal Injection Moulding-Verfahren (MIM-Verfahren) bezeichnet.
Bei Gasturbinenbauteilen handelt es sich um Bauteile mit komplexen Geometrien bzw. Oberflächenkonturen. So sind Gasturbinenbauteile bekannt, die über geschlossene Außenwände verfügen, wobei die geschlossenen Außenwände eine Hohlräume definierende Innenstruktur begrenzen. Sollen derartige Gasturbinenbauteile mit den bekannten Fertigungsverfahren hergestellt werden, so müssen eine Vielzahl von Einzelteilen gefertigt werden, die dann zum Gasturbinenbauteil zusammengesetzt und aneinander gefügt werden müssen. Hierdurch wird die Herstellung von Gasturbinenbauteilen, die über eine Hohlräume definierende Innenstruktur verfügen, aufwendig und teuer.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zu Grunde, ein neuartiges Verfahren zum Herstellen eines Gasturbinenbauteils zu schaffen. Dieses Problem wird durch ein Verfahren zum Herstellen eines Gasturbinenbauteils gemäß Anspruch 1 gelöst.
Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren zumindest die folgenden Schritte: a) Bereitstellen eines dreidimensionalen CAD-Modells des herzustellenden Gasturbinenbauteils; b) Zerlegen des dreidimensionalen CAD-Modells in horizontale, im Wesentlichen zweidimensionale Schichten; c) schichtweises Aufbauen des herzustellenden Gasturbinenbauteils mit Hilfe eines Rapid Manufacturing Verfahrens unter Verwendung der aus dem CAD-Modell erzeugten Schichten, derart, dass die oder jede Außenwand zusammen mit der Innenstruktur aufgebaut wird und demnach materialschlüssig mit der Innenstruktur verbunden ist.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Gasturbinenbauteile, die über eine Hohlräume definierende Innenstruktur verfügen, relativ einfach und kostengünstig hergestellt werden. Hierdurch wird es wirtschaftlich, eine Vielzahl von Gasturbinenbauteilen, die bislang als massive Vollbauteile ausgebildet sind, als Hohlbauteile auszuführen, wodurch sich letztendlich an einer Gasturbine eine Gewichtsreduzierung erzielen lässt. Eine Gewichtsreduzierung führt zu einem geringeren Kraftstoffbedarf und damit zu einer Verringerung der Betriebskosten sowie einer Reduktion von Schadstoffemissionen der Gasturbine, an welcher die erfindungsgemäß hergestellten Gasturbinenbauteile zum Einsatz kommen.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
1 ein stark schematisiertes Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Gasturbinenbauteils.
1 zeigt ein stark schematisiertes Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Gasturbinenbauteils. So dient das erfindungsgemäße Verfahren dem Herstellen eines Gasturbinenbauteils mit mindestens einer geschlossenen Außenwand und einer von der oder jeder geschlossenen Außenwand begrenzten, Hohlräume definierenden Innenstruktur. Solche Gasturbinenbauteile werden auch als Hohlbauteile bezeichnet.
Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird zur Herstellung eines solchen Gasturbinenbauteils in einem ersten Schritt 10 ein dreidimensionales CAD-Modell für das herzustellende Gasturbinenbauteil bereitgestellt.
In einem zweiten Schritt 11 des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das dreidimensionale CAD-Modell in horizontale Schichten, die im Wesentlichen zweidimensional sind, zerlegt.
Nach dem Zerlegen des dreidimensionalen CAD-Modells in die im Wesentlichen zweidimensionalen Schichten wird dann im Sinne des Schritts 12 des erfindungsgemäßen Verfahrens das herzustellende Gasturbinenbauteil mit Hilfe eines Rapid Manufacturing Verfahrens unter Verwendung der aus dem CAD-Modell erzeugten Schichten schichtweise und damit sukzessive aufgebaut, und zwar derart, dass die oder jede Außenwand des herzustellenden Gasturbinenbauteils zusammen mit der Innenstruktur desselben aufgebaut wird und demnach materialschlüssig mit der Innenstruktur im Sinne eines integral ausgebildeten Bauteils verbunden ist.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können demnach Gasturbinenbauteile im Sinne einer Sandwich-Struktur hergestellt werden, bei welcher die Außenwände integraler Bestandteil der Gesamtstruktur des herzustellenden Gasturbinenbauteils und mit der die Hohlräume definierenden Innenstruktur materialschlüssig verbunden sind.
Die Hohlräume definierende Innenstruktur ist strukturmechanisch im Hinblick auf eine definierte bzw. vorgegebene Festigkeit und/oder Dämpfung des herzustellenden Gasturbinenbauteils ausgelegt. So ist es möglich, dass die Innenstruktur offenporig oder geschlossenporig aufgebaut wird. Ebenso kann die Innenstruktur faserförmig aufgebaut werden. Die Innenstruktur kann eine regelmäßige oder auch unregelmäßige Struktur aufweisen.
Vorzugsweise dient das erfindungsgemäße Verfahren der Herstellung eines Gehäuses bzw. einer Gehäusestruktur eines Gasturbinenflugtriebwerks, wobei die Innenstruktur fachwerkartig aufgebaut wird. Hierdurch ist es möglich, ein Gehäuse eines Gasturbinenflugtriebwerks konstruktiv so zu gestalten, dass dasselbe bei möglichst geringem Gewicht strukturmechanisch optimal ausgelegt ist. Von der fachwerkartigen Innenstruktur definierte Hohlräume können von Gas oder Flüssigkeit durchströmt sein, um so eine Temperierung und/oder Geräuschdämmung am hergestellten Gasturbinenbauteil zu erzielen.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch zur Herstellung von innengekühlten Schaufeln eines Gasturbinenflugtriebwerks, insbesondere zur Herstellung innengekühlter Laufschaufeln einer Turbine eines Gasturbinenflugtriebwerks, verwendet werden. Die Hohlräume definierende Innenstruktur solcher innengekühlter Laufschaufeln definiert Strömungskanäle, durch die ein Kühlmedium zur Kühlung der Laufschaufeln geleitet werden kann. Des Weiteren können integral beschaufelte Gasturbinenrotoren mit innengekühlten Laufschaufeln mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt werden.
Wie bereits erwähnt, erfolgt der schichtweise Aufbau des herzustellenden Gasturbinenbauteils mit Hilfe eines Rapid Manufacturing Verfahrens. Dabei wird vorzugsweise so vorgegangen, dass ein zweistufiger Prozess wiederholend ausgeführt wird. In einem ersten Schritt des zweistufigen Prozesses wird ein gleichmäßiges Pulverbett aus einem Metallpulver bereitgestellt, wobei in einem zweiten Schritt auf Basis der aus dem dreidimensionalen CAD-Modell erzeugten Schichten das Metallpulver des Pulverbetts selektiv aufgeschweißt und damit verfestigt wird. Eine weitere Möglichkeit besteht in einem schichtweisen, direkten Aufbau mittels einer Schweißdüse, der das Material in Draht- oder Pulverform zugeführt wird. Durch wiederholende Ausführung dieses zweistufigen Prozesses wird das herzustellende Gasturbinenbauteil schichtweise und damit sukzessive aufgebaut.
Das in dem ersten Schritt bereitgestellte Metallpulver ist aus dem Werkstoff gebildet, aus welchem das herzustellende Gasturbinenbauteil aufgebaut werden soll. Es handelt sich hierbei vorzugsweise um Nickel-Basis-Legierungen oder Titan-Basis-Legierungen. Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist jedoch nicht auf diese Werkstoffe beschränkt, vielmehr können alle metallischen, schmelzbaren Werkstoffe beim erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden.
Im Zusammenhang mit dem Rapid Manufacuring Verfahren sei darauf hingewiesen, dass dasselbe in einer Prozesskammer einer Rapid Manufacturing Anlage durchgeführt wird, die entweder evakuiert oder mit einem Schutzgas gefüllt ist, so dass während des Aufschweißens des Metallpulvers ein Oxidieren verhindert wird. Das Aufschweißen erfolgt vorzugsweise mit Hilfe von Laserstrahlschweißen oder mit Hilfe von Elektronenstrahlschweißen. Die Schweißparameter zum Aufschweißen des Metallpulvers sind vorzugsweise auf den Werkstoff des Metallpulvers abgestimmt. Durch geeignete Wahl der Schweißparameter kann sowohl ein polykristallines als auch ein einkristallines sowie ein gerichtet erstarrtes Aufbauen des herzustellenden Gasturbinenbauteils erfolgen.

10: Schritt
11: Schritt
12: Schritt

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Gasturbinenbauteils mit mindestens einer geschlossen Außenwand und einer von der oder jeder geschlossenen Außenwand begrenzten, Hohlräume definierenden Innenstruktur, mit folgenden Schritten: a) Bereitstellen eines dreidimensionalen CAD-Modells des herzustellenden Gasturbinenbauteils; b) Zerlegen des dreidimensionalen CAD-Modells in horizontale, im wesentlichen zweidimensionale Schichten; c) schichtweises Aufbauen des herzustellenden Gasturbinenbauteils mit Hilfe eines Rapid Manufacturing Verfahrens unter Verwendung der aus dem CAD-Modell erzeugten Schichten, derart, dass die oder jede Außenwand zusammen mit der Innenstruktur aufgebaut wird und demnach materialschlüssig mit der Innenstruktur verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlräume definierende Innenstruktur strukturmechanisch im Hinblick auf eine definierte, vorgegebene Festigkeit und/oder Dämpfung des herzustellenden Gasturbinenbauteils ausgelegt ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenstruktur offenporig aufgebaut wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenstruktur geschlossenporig aufgebaut wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Gasturbinenbauteil ein Gehäuse eines Gasturbinenflugtriebwerks hergestellt wird, dessen Innenstruktur fachwerkartig aufgebaut wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Gasturbinenbauteil ein innengekühlte Schaufel eines Gasturbinenflugtriebwerks hergestellt wird.