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Die Erfindung betrifft ein generatives Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines dreidimensionalen metallischen Bauteils, insbesondere einer Komponente eines Flugtriebwerkes, die Verwendung einer solchen Vorrichtung sowie ein solcherart hergestelltes Bauteil.
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Die Herstellung von Komponenten von Flugtriebwerken wie beispielsweise Leit- oder Laufschaufeln einer Turbine, Turbinenstufe, eines Kompressors oder einer Kompressorstufe ist mit herkömmlichen, beispielsweise spanenden Verfahren oftmals schwierig. Dies resultiert insbesondere aus hohen Anforderungen an Präzision und/oder Festigkeit, schwierig zu bearbeitende Materialien wie beispielsweise Titanlegierungen, und/oder komplexen Formgebungen, etwa Freiformflächen oder Hinterschneidungen und dergleichen.
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Beispielsweise aus der
WO 2006/025883 A1 und der
EP 1 594 625 B1 ist das sogenannte dreidimensionale Bindedrucken bekannt. Dabei wird tintenstrahldruckartig ein – insbesondere metallorganisches – Bindemittel gezielt auf einer Schicht appliziert, die Metall-, insbesondere Aluminium- oder Magnesiumpartikel enthält. Wo Bindemitteltröpfchen appliziert wurden, binden diese temporär die Partikel, die anschließend unter Entfernung ungebundener Partikel und des Bindemittels miteinander verbunden, beispielsweise gesintert werden. Auf diese Weise können schichtweise dreidimensionale Freiformen erzeugt werden. Die Partikelschicht kann als flüchtige Suspension bereitgestellt werden, aus der sich nach Entfernen der Suspensionsflüssigkeit die Partikel absetzen.
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Insbesondere, da hierbei zunächst auch Partikel bereitgestellt werden müssen, die nicht durch das Bindemittel gebunden und anschließend zum Bauteil verbunden, sondern wieder entfernt werden, ist dieses Verfahren nicht optimal.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Herstellung von dreidimensionalen metallischen Bauteilen, insbesondere Komponenten von Flugtriebwerken, zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ansprüche 10 bis 12 stellen eine zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahren eingerichtete Vorrichtung, die Verwendung einer solchen Vorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. ein gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Bauteil unter Schutz. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Um ein dreidimensionales metallisches Bauteils, insbesondere eine Komponente eines Flugtriebwerkes wie beispielsweise Leit- oder Laufschaufeln von Turbinen(stufen) oder Verdichter(stuf)en herzustellen, werden erfindungsgemäß Tröpfchen, die eine metallorganische Verbindung enthalten, auf vorgegebene Positionen appliziert.
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Die Positionen können beispielsweise auf Basis eines CAD-Modell des herzustellenden Bauteils vorgegeben werden. Insbesondere können Schichten des Bauteils aufeinander aufgebaut werden, indem eine Schicht auf einer vorhergehenden Schicht oder, falls es sich um eine erste Schicht handelt, auf einem Träger, aufgebaut und mit dieser verbunden wird. Hierzu wird auf Basis eines dreidimensionalen Modells des Bauteils bestimmt, an welchen Positionen es innerhalb einer aufzubauenden Schicht Material aufweist, und es werden dann an diesen Stellen Tröpfchen appliziert.
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Dies kann in einer bevorzugten Ausführung mittels einer Drucktechnik erfolgen, wie sie insbesondere aus dem Tintenstrahldruck bekannt ist. So können beispielsweise einzelne Tröpfchen durch schlagartige Erwärmung expandiert und dadurch aus einer Düse eines Druckerkopfes auf die vorgegebene Position ausgestoßen werden. Zusätzlich oder alternativ können Tröpfchen, die erfindungsgemäß eine metallorganische Verbindung enthalten, elektromagnetisch auf die vorgegebene Position beschleunigt, insbesondere gelenkt werden. Auch eine mechanische, pneumatische und/oder hydraulische Beschleunigung von Tröpfchen ist denkbar, indem diese beispielsweise gezielt mittels Druckluft ausgestoßen werden und/oder selektiv Ausstoßöffnungen freigegeben bzw. geschlossen werden, hinter denen die tröpfchenbildende Flüssigkeit unter Überdruck gespeichert ist.
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Ein oder mehrere, vorzugsweise alle organischen Anteile einer oder mehrerer, vorzugsweise aller metallorganischen Verbindungen in einem solcherart applizierten Tröpfchen werden dann teilweise oder vorzugsweise wenigstens im Wesentlichen vollständig entfernt. Dies kann beispielsweise thermisch, insbesondere durch Erwärmen oder Abkühlen, durch Bestrahlung, insbesondere mit Mikrowellen, sichtbaren oder ultraviolettem Licht oder Laserstrahlung, durch Druckänderung, insbesondere Druckverminderung, und/oder chemisch, etwa durch Aufbringen von geeigneten Reaktionspartnern, erfolgen.
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Vorher, gleichzeitig oder anschließend werden ein oder mehrere, vorzugsweise alle metallischen Anteile einer oder mehrerer, vorzugsweise aller metallorganischen Verbindungen in benachbarten, applizierten Tröpfchen zu einem Teil des herzustellenden Bauteils verbunden. Dabei können benachbart applizierte Tröpfchen unterschiedliche metallorganische Verbindungen enthalten, deren metallische Anteile mit unterschiedlichen benachbarten Tröpfchen verbunden werden können. Gleichermaßen können auch benachbart applizierte, insbesondere alle, Tröpfchen die gleiche(n) metallorganische(n) Verbindung(en) enthalten, deren gleiche metallische Anteile miteinander verbunden werden. Insbesondere können metallische Anteile von Tröpfchen einer aufzubauenden Schicht mit denen weiterer Tröpfchen dieser Schicht und/oder denen von Tröpfchen einer darunterliegenden Schicht verbunden werden.
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Metallische Anteile metallorganischer Verbindungen in benachbarten applizierten Tröpfchen können wiederum thermisch, insbesondere durch Erwärmen, durch Bestrahlung, beispielsweise mit Mikrowellen, sichtbaren oder ultraviolettem Licht oder Laserstrahlung, Druckbeaufschlagung, und/oder chemisch, etwa durch Aufbringen eines entsprechenden Reagens, insbesondere eines Bindemittels oder Katalysators, verbunden, insbesondere gesintert oder geschweißt werden.
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Auf diese Weise wird gezielt an denjenigen Positionen, an denen Material aufgebaut werden soll, vorzugsweise wenigstens im Wesentlichen ausschließlich an solchen Positionen, metallisches Material appliziert und miteinander, insbesondere schichtweise, zu dem Bauteil verbunden, so dass die Entfernung überschüssigen Materials entfallen oder reduziert werden kann. Zusätzlich kann das auf die vorgegebene Position beschleunigte Material eine Verfestigung bzw. Verdichtung des Bauteils bereits bei seiner Erzeugung bewirken.
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In einigen oder allen Tröpfchen können eine oder mehrere metallorganische Verbindungen in demselben oder unterschiedlichen Lösungsmitteln chemisch gelöst sein. Zusätzlich oder alternativ können einige oder alle Tröpfchen eine oder mehrere metallorganische Verbindungen in einer physikalischen Suspension, insbesondere Dispersion enthalten. Eine Lösungs- bzw. Suspensions-, insbesondere Dispersionsflüssigkeit verhindert in einer bevorzugten Ausführung eine Oxidation darin gelöster bzw. enthaltener metallischer Anteile. Während eine chemische Lösung den Vorteil eines stabileren Gemisches bietet, kann eine Suspensions- bzw. Dispersionsflüssigkeit vorteilhafterweise leichter entfernt werden.
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Vor, zusammen mit oder nach der Entfernung organischer Anteile werden in einer bevorzugten Ausführung Lösungsmittel bzw. Suspensions- insbesondere Dispersionsflüssigkeiten in applizierten Tröpfchen entfernt. Dies kann wie vorstehend beschrieben insbesondere thermisch, durch Bestrahlung, Druckveränderung, insbesondere -verminderung, und/oder chemisch erfolgen.
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In einer bevorzugten Ausführung werden simultan mehrere Tröpfchen appliziert, insbesondere Tröpfchen derselben Schicht, die somit schneller aufgebaut werden kann. Zusätzlich oder alternativ können bereichsweise unterschiedliche Tröpfchen appliziert werden, die beispielsweise unterschiedliche metallorganische Verbindungen, Konzentrationen solcher Verbindungen und/oder unterschiedliche Größen aufweisen. Wie beispielsweise aus der Tintenstrahldrucktechnik bekannt, können so beispielsweise beim Abfahren eines Rasters mit einem Druckkopf wahlweise aus unterschiedlichen Reservoirs bzw. Düsen unterschiedliche Tröpfchen appliziert werden und/oder mehrere Druckköpfe parallel Tröpfchen applizieren.
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Eine in einigen oder allen Tröpfchen enthaltene metallorganische Verbindung kann als metallischen Anteil beispielsweise Magnesium, Aluminium, Scandium, Titan, Vanadium, Chrom, Mangan, Eisen, Kobalt, Nickel, Kupfer, Zink, Molybdän, Zinn, Tantal, Wolfram und/oder Blei enthalten.
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Insbesondere kann eine solche metallorganische Verbindung eine sogenannte Organomagnesiumverbindung, insbesondere eine Grignard-Verbindungen mit der allgemeinen Formel RMgX sein, wobei R ein Alkyl- oder Arylrest sein kann, und X ein Halogen, insbesondere Chlor, Brom oder Iod. Diese Verbindungen sind beispielsweise löslich in Ether, Ligroin, Benzol oder Xylol. Unter vermindertem Druck lässt sich das verwendete Lösemittel abdestillieren. Gleichermaßen kann ein organischer Anteil einer solchen Verbindung in applizierten Tröpfchen auch entfernt werden, indem die Grignard-Verbindung mit Wasser oder Alkoholen unter Abspaltung des Alkyl- bzw. Arylrestes reagiert.
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Eine metallorganische Verbindung kann eine Organotitanverbindung sein, insbesondere Tetraisopropyltitanat, Tetraethyltitanat, Dichlortitancyclopentadienid oder Titanacetylacetonat. Für diese Verbindungen eignen sich insbesondere Alkohole wie etwa Ethanol oder Isopropanol, aber auch Ether. Auch hier kann das Lösemittel wieder unter vermindertem Druck abdestilliert werden. Unter Erwärmung spaltet zum Beispiel Tetraisopropyltitanat in Toluol den organischen Rest ab.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel werden die metallorganischen Verbindungen auf ein Pulverbett aufgebracht, vorzugsweise aufgedruckt. Dadurch wird ein besonders schneller Schichtaufbau erreicht.
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Weitere bevorzugte metallorganische Verbindungen sind Organoaluminiumverbindungen, insbesondere Trialkylaluminiumverbindungen AlR3, wobei R ein Alkylrest ist, Aluminiumtertbutylat und Aluminiumtriisopropylat. Als Lösemittel kann bevorzugt Ether, Toluol oder Hexan verwendet werden, die beispielsweise unter vermindertem Druck entfernt werden können. Da Aluminiumtriisopropylat zum Beispiel mit Wasser unter Abspaltung des organischen Restes reagiert, kann durch Hinzufügen von Wasser dieser organische Anteil in applizierten Tröpfchen entfernt werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen und dem nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel.
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Gemäß eines Verfahrens nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird in einem Reservoir eines Druckers, dessen Aufbau im Wesentlichen demjenigen bekannter Farb-Tintenstrahldrucker entspricht, eine Dispersion von TMA (Trimethylaluminium), TEA (Triethylaluminium), TIBA (Triisobutylaluminium), DIBAL H (Diisobutylaluminiumhydrid) oder MAO (Methylalumoxan) in einer nicht-oxidierenden Dispersionsflüssigkeit bevorratet. In einem anderen Reservoir, welches bei einem Farb-Tintenstrahldrucker einer anderen Farbe zugeordnet ist, kann eine Lösung einer magnesiumorganischen Verbindung in einem geeigneten Lösungsmittel bevorratet sein.
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Nun wird ein Druckerkopf des Druckers entsprechend einem Schichtenmodell einer herzustellenden Turbinenlaufschaufel verfahren und „druckt” nacheinander Schichten der Turbinenschaufel, indem an den Positionen, an denen die Schaufel in der entsprechenden Schicht Material aufweisen soll, Tröpfchen auf der vorherigen Schicht appliziert werden. Hierzu werden in mehreren Düsen aus demselben, mit der Dispersion mit der aluminiumorganischen Verbindung gefüllten Reservoir jeweils kleine Flüssigkeitsvolumina schlagartig erhitzt, expandieren dabei rasch und werden dadurch auf die vorgegebenen Positionen ausgestoßen. Die mehreren Düsen sind beispielsweise in einer Matrix angeordnet und können wahlweise aktiviert werden, wie dies von Tintenstrahldruckern zum Drucken verschiedener Zeichen aus mehreren Pixeln bekannt ist. Auf diese Weise können simultan mehrere Tröpfchen appliziert werden.
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Die applizierten Tröpfchen der aufgebauten Schicht werden mit Mikrowellen bestrahlt. Hierdurch werden Aluminiumanteile der aluminiumorganischen Verbindungen in benachbarten applizierten Tröpfchen miteinander verbunden und zugleich organische Anteile sowie die Dispersionsflüssigkeit entfernt, so dass die metallische Schicht der Turbinenschaufel entsteht, welche mit der darunter liegenden Schicht verbunden ist.
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Indem dieser Vorgang in der erforderlichen Anzahl wiederholt wird, wird die Schaufel schichtweise aufgebaut. In einer Abwandlung kann in vorgegebenen Bereichen statt der Dispersion mit der aluminiumorganischen Verbindung auch die Lösung mit der magnesiumorganischen Verbindung zum Drucken verwendet werden, wie dies aus dem Drucken verschiedenfarbiger Bereiche mittels Tintenstrahldruck bekannt ist. So können Bereiche aus Magnesium aufgebaut werden. Durch benachbartes Applizieren von Tröpfchen mit jeweils aluminium- oder magnesiumorganischen Verbindungen oder durch den Einsatz von Tröpfchen, die sowohl aluminium- oder magnesiumorganischen Verbindungen enthalten, können vorteilhafterweise die verschiedenen metallischen Anteile gemischt und miteinander verbunden werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2006/025883 A1 [0003]
- EP 1594625 B1 [0003]