DE102009051551A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils einer Strömungsmaschine - Google Patents

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Erwin Dr. Bayer
Sven-J. Dr. Hiller
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MTU Aero Engines GmbH
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (10) einer Strömungsmaschine, insbesondere eines Bauteils einer Turbine oder eines Verdichters, wobei das Verfahren ein generatives Fertigungsverfahren zum schichtweisen Aufbau des Bauteils (10) ist und nach der Herstellung einer oder mehrerer aufeinanderfolgender Bauteilschichten zumindest teilweise eine laser- oder plasmainduzierte Druckbeaufschlagung der Oberfläche der zuletzt hergestellten Bauteilschicht (12) erfolgt. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Heine, insbesondere eines Bauteils einer Turbine oder eines Verdichters, wobei die Vorrichtung (26) mindestens eine Pulverzuführung (28) zum Auftrag von mindestens einem pulverförmigen Bauteilwerkstoff (16) auf eine Bauteilplattform, mindestens eine Strahlenquelle (14) für ein schichtweises und lokales Verschmelzen oder Versintern des Bauteilwerkstoffs (16) sowie mindestens eine Laserstrahlquelle (20) oder mindestens eine Plasmaimpulsquelle umfasst.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils einer Strömungsmaschine, insbesondere eines Bauteils einer Turbine oder eines Verdichters, mittels eines generativen Fertigungsverfahrens zum schichtweisen Aufbau des Bauteils. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils einer Strömungsmaschine, insbesondere eines Bauteils einer Turbine oder eines Verdichters.
  • Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung eines Bauteils einer Strömungsmaschine sind in einer großen Vielzahl bekannt. Insbesondere sind generative Fertigungsverfahren bekannt, bei denen das Bauteil schichtweise aufgebaut wird. Beim generativen Herstellen von vorwiegend metallischen Bauteilen durch Rapid-Manufacturing- oder Rapid-Prototyping-Verfahren oder durch Lasersintern, Laserpulverauftragsschweißen oder Elektronenstrahl-Auftragsschweißen entsteht eine sehr feinkörnige Bauteilstruktur. Nachteilig an dieser feinkörnigen Bauteilstruktur ist jedoch die fehlende Umformarbeit, die zum Beispiel eine Ausscheidungshärtung und damit eine hohe Festigkeit vergleichbar mit einer Schmiedelegierung ermöglicht. Um die Werkstoffeigenschaften eines Bauteils nach dem generativen Aufbau zu verbessern, werden die Bauteile auch mittels eines heißisostatischen Pressens bearbeitet. Dabei wird versucht, die Eigenschaften des generativ hergestellten Bauteils durch ein energiearmes Zusammensintern verschiedener Werkstoffpulver zu verbessern und an die Eigenschaften einer Schmiedelegierung anzugleichen. Diese Eigenschaften können auch mit bisherigen generativen Verfahren nicht erreicht werden, so dass insbesondere hochtemperatur- oder druckbelastete Bauteile nicht generativ hergestellt werden.
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils einer Strömungsmaschine der eingangs genannten Art bereit zu stellen, welches die Herstellung von Bauteilen mit gesteigerter Festigkeit, insbesondere von Bauteilen einer Turbine oder eines Verdichters ermöglicht.
  • Es ist weiterhin Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils einer Strömungsmaschine bereit zu stellen, welche die Herstellung von Bauteilen mit gesteigerter Festigkeit, insbesondere von Bauteilen einer Turbine oder eines Verdichters ermöglicht.
  • Die der Erfindung zu Grunde liegenden Aufgaben werden durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 dargelegten Merkmalen sowie durch die im Anspruch 12 dargestellten Vorrichtung gelöst.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens als vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung und umgekehrt – soweit zweckmäßig – anzusehen sind.
  • Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Bauteils einer Strömungsmaschine, insbesondere eines Bauteils einer Turbine oder eines Verdichters, umfasst ein generatives Fertigungsverfahren zum schichtweisen Aufbau des Bauteils, wobei nach der Herstellung einer oder mehrerer aufeinander folgender Bauteilschichten zumindest teilweise eine laser- oder plasmainduzierte Druckbeaufschlagung der Oberfläche der zuletzt hergestellten Bauteilschicht erfolgt. Durch die schichtweise Verfestigung des Bauteils während des generativen Aufbaus erfolgt eine Verfestigung des Bauteils insgesamt. Die laser- oder plasmainduzierte Druckbeaufschlagung der Oberfläche der zuletzt hergestellten Bauteilschicht führt jeweils zu bleibenden plastischen Verformungen im Gefüge und zu einer Umwandlung der Schmelzstruktur in eine Schmiedestruktur mit sehr feinkörnigem Gefüge. Insgesamt ergibt sich ein Umformen der Schmelzstruktur des Bauteils in eine Schmiedestruktur mit gesteigerter Festigkeit und eine signifikante Verringerung der Mikroporosität schon in der Bauphase des generativ hergestellten Bauteils.
  • In vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das Verfahren folgende Schritte: a) Schichtweiser Auftrag von mindestens einem pulverförmigen Bauteilwerkstoff auf eine Bauteilplattform, wobei der Auftrag entsprechend der Schichtinformation des herzustellenden Bauteils erfolgt; b) Schichtweises und lokales Verschmelzen oder Versintern des Bauteilwerkstoffs mittels mindestens eines Laser- oder Elektronenstrahls zur Herstellung der Bauteilschicht, wobei mindestens ein Laser oder mindestens eine Elektronenstrahlvorrichtung entsprechend der Schichtinformation des herzustellenden Bauteils über die aufgetragene Bauteilwerkstoffschicht geführt wird; c) Zumindest teilweise laser- oder plasmainduzierte Druckbeaufschlagung der Oberfläche der Bauteilschicht; d) Schichtweises Absenken der Bauteilplattform um eine vordefinierte Schichtdicke; und e) Wiederholen der Schritte a) bis d) bis zur Fertigstellung des Bauteils. Es ist aber auch möglich, dass das Verfahren folgende Schritte umfasst: a) Schichtweiser Auftrag von mindestens einem pulverförmigen Bauteilwerkstoff auf eine Bauteilplattform, wobei der Auftrag entsprechend der Schichtinformation des herzustellenden Bauteils erfolgt; b) Schichtweises und lokales Verschmelzen oder Versintern des Bauteilwerkstoffs mittels mindestens eines Laser- oder Elektronenstrahls zur Herstellung der Bauteilschicht, wobei mindestens ein Laser oder mindestens eine Elektronenstrahlvorrichtung entsprechend der Schichtinformation des herzustellenden Bauteils über die aufgetragene Bauteilwerkstoffschicht geführt wird; c) Schichtweises Absenken der Bauteilplattform um eine vordefinierte Schichtdicke; d) Wiederholen der Schritte a) bis c); e) Zumindest teilweise laser- oder plasmainduzierte Druckbeaufschlagung der Oberfläche der Bauteilschicht; und f) Wiederholen der Schritte a) bis e) bis zur Fertigstellung des Bauteils.
  • Je nach Eindringtiefe der laser- oder plasmainduzierten Druckbeaufschlagung kann die Verfestigung entweder nach jeder aufgetragenen Bauteilschicht oder auch nach einer Vielzahl von Bauteilschichten, zum Beispiel nur nach jeder fünften oder zehnten Bauteilschicht, durchgeführt werden. Die Anzahl der Verfestigungsschritte ergibt sich auch entsprechend dem geforderten Umformgrad des Bauteils und der Leistungsdichte der Druckbeaufschlagungsquelle. Des Weiteren kann das generative Fertigungsverfahren ein Rapid Prototyping- oder Rapid-Manufacturing-Verfahren, insbesondere ein Sintern, Mikrosintern, Schmelzen, Auftragsschweißen mit einem Laser- oder Elektronenstrahl sein. Der pulverförmige Bauteilwerkstoff besteht üblicherweise aus Metall, einer Metall-Legierung, Keramik, Silikat oder einer Mischung davon. Im Falle des Lasersinterns, Lasermikrosinterns, Laserschmelzens oder Laserauftragsschweißens kann ein CO2- oder Nd:YAG-Laser verwendet werden. Insbesondere kann dieser Laser gepulst ausgebildet sein.
  • In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die laser- oder plasmainduzierte Druckbeaufschlagung der Oberfläche der zuletzt hergestellten Bauteilschicht mittels eines Plasma-Schock-Peenings, insbesondere einem Laser-Schock-Peening mittels einer Laserstrahlquelle oder einem Plasma-Impuls-Peening mittels einer Plasmaimpulsquelle durchgeführt. Für das Laser-Schock-Peening kann vorteilhafterweise ein Kurzpulslaser verwendet werden.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Form und der Materialaufbau des Bauteils als computergeneriertes Modell bestimmt und die daraus generierten Schichtinformationen zur Steuerung von mindestens einer Pulverzuführung, der Bauteilplattform, des mindestens einen Lasers oder der mindestens einen Elektronenstrahlvorrichtung verwendet. Damit sind automatisierte und computergesteuerte Herstellungsabläufe möglich. Zudem ist es möglich, die Laserstrahlquelle oder die Plasmaimpulsquelle zur Erzeugung der laser- oder plasmainduzierten Druckbeaufschlagung ebenfalls anhand der generierten Daten zu steuern.
  • Eine erfindungsgemäß Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils einer Strömungsmaschine, insbesondere eines Bauteils einer Turbine oder eines Verdichters, umfasst mindestens eine Pulverzuführung zum Auftrag von mindestens einem pulverförmigen Bauteilwerkstoff auf eine Bauteilplattform, mindestens eine Strahlenquelle für ein schichtweises und lokales Verschmelzen oder Versintern des Bauteilwerkstoffs sowie mindestens eine Laserstrahlquelle oder mindestens eine Plasmaimpulsquelle zur Erzeugung einer laser- oder plasmainduzierten Druckwelle. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht die Herstellung von Bauteilen mit gesteigerter Festigkeit, da sie die Durchführung eines generativen Fertigungsverfahrens, wie zum Beispiel eines Rapid-Prototyping- oder Rapid-Manufacturing-Verfahrens mit der Möglichkeit einer laser- oder plasmainduzierten Druckbeaufschlagung kombiniert. Dabei kann die Strahlenquelle ein Laser oder eine Elektronenstrahlvorrichtung sein. Der Laser ist zum Beispiel ein CO2- oder Nd:YAG-Laser. Die Laserstrahlquelle zur Erzeugung der laserinduzierten Druckbeaufschlagung kann insbesondere ein Kurzpulslaser sein. Bei der Pulverzuführung kann es sich einerseits um eine aktive Pulverzuführung, die entweder koaxial oder seitlich zur Strahlenquelle für ein schichtweises und lokales Verschmelzen oder Versintern des Bauteilwerkstoffs angeordnet ist, oder um ein Pulverbett handeln, wobei der pulverförmige Bauteilwerkstoff schichtweise vor dem Verschmelzen oder Versintern auf das Pulverbett aufgetragen wird. Des Weiteren ist es möglich, dass der Prozess der Verfestigung parallel zum generativen Aufbau in der gleichen Anlage erfolgt. Die Laserstrahlquelle beziehungsweise der Laser für die Verfestigung des Bauteils beziehungsweise der Bauteilschichten kann zudem zum Säubern der Bauteiloberfläche genutzt werden, so dass auf ein nachträgliches Oberflächenfinish des Bauteils verzichtet werden kann. Hierzu müssen lediglich die Parameter des Lasers, insbesondere die Energieleistung, angepasst werden. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, dass die Laserstrahlquelle oder die Plasmaimpulsquelle derart eingestellt wird, dass nicht nur der Verfestigungsschritt, sondern auch das Verschmelzen und Versintern des Bauteilwerkstoffs mittels der Laserstrahlquelle oder der Plasmaimpulsquelle durchgeführt werden kann.
  • Verwendung findet das im Vorhergehenden beschriebene Verfahren und die im Vorhergehenden beschriebene Vorrichtung bei der Herstellung von Triebwerksbauteilen aus Nickel- oder Titanbasislegierungen, insbesondere zur Herstellung von Verdichter- oder Turbinenschaufeln.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiels. Dabei zeigt die Figur eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 26 zur Herstellung eines Bauteils 10 einer Strömungsmaschine. Bei dem Bauteil 10 handelt es sich in dem dargestellten Ausführungsbeispiel um eine Schaufel einer Hochdruckturbine. Die Vorrichtung 26 umfasst eine Strahlenquelle 14 für ein schichtweises und lokales Verschmelzen oder Versintern eines Bauteilwerkstoffs 16. Die Strahlenquelle 14 ist in dem dargestellten Beispiel ein gepulster Nd:YAG-Laser. Die Laserleistung beträgt je nach Bauteiltyp, insbesondere Schaufeltyp, ca. 400 bis 1000 W. Die mittlere Korngröße des verwendeten pulverförmigen Bauteilwerkstoffs 16 beträgt ca. 10 bis 100 μm. Der Bauteilwerkstoff 16 besteht dabei insbesondere aus einer Titan- oder Nickellegierung. Des Weiteren weist die Vorrichtung 26 eine Pulverzuführung 28 zum Auftrag des pulverförmigen Bauteilwerkstoffs 16 sowie eine Bauteilplattform (nicht dargestellt) auf.
  • Man erkennt, dass in dem dargestellten Beispiel die Pulverzuführung 28 koaxial zur Strahlenquelle 14, nämlich dem Laser, angeordnet ist. Der erzeugte Laser- und Pulverstrahl 18 wird zu einer Bauteilschicht 12 verschmolzen beziehungsweise versintert. Für diese Ausgestaltungsform der Vorrichtung und des Verfahrens wird ein Auftraglaser verwendet. Es ist aber auch möglich, dass ein Sinter- oder Schmelzlaser als Strahlenquelle 18 verwendet wird, wobei in diesem Fall das Bauteil 10 in einem Pulverbett eines Pulverbehälters 24 erzeugt wird. In der Figur sind beiden Ausführungsformen dargestellt.
  • Die Vorrichtung 26 weist zudem eine zweite Strahlenquelle, nämlich eine Laserstrahlquelle 20 zur Erzeugung einer laserinduzierten Druckwelle auf. Bei der Laserstrahlquelle 20 handelt es sich um einen Kurzpulslaser, der mittels einer laserinduzierten Druckbeaufschlagung einer Oberfläche der zuletzt erzeugten Bauteilschicht 12 ein Umformen und Verfestigen der Bauteilschichten während des generativen Aufbaus bewirkt. Dabei wird ein Laserstrahl 22 entlang der Oberfläche der zuletzt hergestellten Bauteilschicht 12 geführt.
  • Die Fertigung des Bauteils 10 im Folgenden beispielhaft beschrieben:
    Zunächst werden die Form und der Materialaufbau des Bauteils 10 als computergeneriertes Modell (CAD-Modell) in einem Computer bestimmt. Die daraus generierten Schichtinformationen werden als entsprechende Daten in einen Steuerrechner (nicht dargestellt) der Vorrichtung 26 eingegeben. Diese Daten dienen zur Steuerung der Pulverzuführung 28, der Bauteilplattform und der Strahlenquelle 14, nämlich dem Auftragslaser. Auch die Laserstrahlquelle 20 zur Erzeugung einer Druckwelle auf der Oberfläche der zuletzt hergestellten Bauteilschicht 12 kann mittels dieser Informationen gesteuert werden. Der genannte Computer kann insbesondere auch als Steuerrechner der. Vorrichtung 26 verwendet werden. Im weiteren Verlauf der Herstellung des Bauteils 10 erfolgt der schichtweise Aufbau des Bauteils 10 gemäß einem generativen Fertigungsverfahren wie im Vorhergehenden beschrieben. Nach der Herstellung einer oder mehrerer aufeinander folgender Bauteilschichten erfolgt zumindest teilweise eine laser- oder plasmainduzierte Druckbeaufschlagung der Oberfläche der zuletzt hergestellten Bauteilschicht 12. Dies führt zu bleibenden plastischen Verformungen im Gefüge des Bauteils 10 beziehungsweise der einzelnen Bauteilschicht und zu einer Umwandlung der durch das generative Verfahren erzeugten Schmelzstruktur in eine Schmiedestruktur mit sehr feinkörnigem Gefüge.

Claims (17)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils einer Strömungsmaschine, insbesondere eines Bauteils einer Turbine oder eines Verdichters, wobei das Verfahren als generatives Fertigungsverfahren zum schichtweisen Aufbau des Bauteils (10) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Herstellung einer oder mehrerer aufeinander folgender Bauteilschichten zumindest teilweise eine laser- oder plasmainduzierte Druckbeaufschlagung der Oberfläche der zuletzt hergestellten Bauteilschicht (12) erfolgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende Schritte umfasst: a) Schichtweiser Auftrag von mindestens einem pulverförmigen Bauteilwerkstoff (16) auf eine Bauteilplattform, wobei der Auftrag entsprechend der Schichtinformation des herzustellenden Bauteils (10) erfolgt; b) Schichtweises und lokales Verschmelzen oder Versintern des Bauteilwerkstoffs (16) mittels mindestens eines Laser- oder Elektronenstrahls zur Herstellung der Bauteilschicht (12), wobei mindestens ein Laser (14) oder mindestens eine Elektronenstrahlvorrichtung entsprechend der Schichtinformation des herzustellenden Bauteils (10) über die aufgetragene Bauteilwerkstoffschicht geführt wird; c) Zumindest teilweise laser- oder plasmainduzierte Druckbeaufschlagung der Oberfläche der Bauteilschicht (12); d) Schichtweises Absenken der Bauteilplattform um eine vordefinierte Schichtdicke; und e) Wiederholen der Schritte a) bis d) bis zur Fertigstellung des Bauteils (10).
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende Schritte umfasst: a) Schichtweiser Auftrag von mindestens einem pulverförmigen Bauteilwerkstoff (16) auf eine Bauteilplattform, wobei der Auftrag entsprechend der Schichtinformation des herzustellenden Bauteils (10) erfolgt; b) Schichtweises und lokales Verschmelzen oder Versintern des Bauteilwerkstoffs (16) mittels mindestens eines Laser- oder Elektronenstrahls zur Herstellung der Bauteilschicht (12), wobei mindestens ein Laser (14) oder mindestens eine Elektronenstrahlvorrichtung entsprechend der Schichtinformation des herzustellenden Bauteils (10) über die aufgetragene Bauteilwerkstoffschicht geführt wird; c) Schichtweises Absenken der Bauteilplattform um eine vordefinierte Schichtdicke; d) Wiederholen der Schritte a) bis c); e) Zumindest teilweise laser- oder plasmainduzierte Druckbeaufschlagung der Oberfläche der Bauteilschicht (12); und f) Wiederholen der Schritte a) bis e) bis zur Fertigstellung des Bauteils (10).
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ein Rapid-Prototyping- oder Rapid-Manufacturing-Verfahren, insbesondere ein Sintern, Mikrosintern, Schmelzen, Auftragsschweißen mit einem Laser- oder Elektronenstrahl ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der pulverförmige Bauteilwerkstoff (16) aus Metall, einer Metall-Legierung, Keramik, Silikat oder einer Mischung davon besteht.
  6. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass für das Sintern, Mikrosintern, Schmelzen oder Auftragsschweißen ein CO2- oder Nd:YAG-Laser (18) oder ein Elektronenstrahl verwendet wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser gepulst ist.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die laser- oder plasmainduzierte Druckbeaufschlagung der Oberfläche der zuletzt hergestellten Bauteilschicht (12) mittels eines Plasma-Schock-Peening, insbesondere einem Laser-Schock-Peening mittels einer Laserstrahlquelle (20) oder einem Plasma-Impuls-Peening mittels einer Plasmaimpulsquelle durchgeführt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass für das Laser-Schock-Peening ein Kurzpulslaser verwendet wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlquelle (20) oder die Plasmaimpulsquelle als Strahlenquelle (14) für das schichtweises und lokales Verschmelzen oder Versintern des Bauteilwerkstoffs (16) verwendet werden.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Form und der Materialaufbau des Bauteils (10) als computergeneriertes Modell bestimmt wird und die daraus generierten Schichtinformationen zur Steuerung von mindestens einer Pulverzuführung (24), der Bauteilplattform, des mindestens einen Lasers (14) oder der mindestens einen Elektronenstrahlvorrichtung und verwendet werden.
  12. Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils einer Strömungsmaschine, insbesondere eines Bauteils einer Turbine oder eines Verdichters, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (26) mindestens eine Pulverzuführung (28) zum Auftrag von mindestens einem pulverförmigen Bauteilwerkstoff (16) auf eine Bauteilplattform, mindestens eine Strahlenquelle (14) für ein schichtweises und lokales Verschmelzen oder Versintern des Bauteilwerkstoffs (16) sowie mindestens eine Laserstrahlquelle (20) oder mindestens eine Plasmaimpulsquelle zur Erzeugung einer laser- oder plasmainduzierten Druckwelle umfasst.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlenquelle (14) ein Laser oder eine Elektronenstrahlvorrichtung ist.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser ein CO2- oder Nd:YAG-Laser ist.
  15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlquelle (20) einen Kurzpulslaser umfasst.
  16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlquelle (20) oder Plasmaimpulsquelle die Strahlenquelle (14) für ein schichtweises und lokales Verschmelzen oder Versintern des Bauteilwerkstoffs (16) ausbilden.
  17. Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 oder einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 12 bis 16 zur Herstellung von Triebwerksbauteilen aus Nickel- oder Titanbasislegierungen, insbesondere zur Herstellung von Verdichter- oder Turbinenschaufeln.
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