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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen oder Reparieren von Bauteilen, insbesondere Turbomaschinenkomponenten, wobei ein Werkstoff auf einer Folie angeordnet, diese Folie mit dem Werkstoff über einer Unterlage, insbesondere einer in gleicher Weise zuvor aufgebauten Bauteilschicht, angeordnet und der auf der Folie angeordnete Werkstoff, vorzugsweise unter Eliminierung der Folie, mit dieser Unterlage verbunden wird.
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Aus der
DE 10 2008 058 613 A1 ist ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zum Herstellen oder Reparieren von Gasturbinenbauteilen bekannt. Dabei werden die Gasturbinenbauteile generativ schichtweise aufgebaut, indem in einer Ausführungsform auf einer Folie ein Werkstoff angeordnet und mit einem Grundkörper verbunden wird, wobei die Folie beim Verbinden des Werkstoffes mit dem Grundkörper sublimiert. In einer alternativen Ausführung wird zur Herstellung von Hohlschaufeln vorgeschlagen, die Folie selber vorzukonturieren und anschließend mit dem Grundkörper zu verbinden, wobei Stege, die die vorkonturierte Schaufelschicht mit der umgebenden Folie verbinden, automatisch durchtrennt werden.
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Aus der
DE 39 42 051 B4 ist ein Verfahren zum Herstellen von Triebwerkschaufeln durch Aufbauschweißung bekannt, wobei schichtweise pulverförmiges Material im Laserstrahl aufgeschmolzen wird und wobei die aufgeschmolzene Schicht gegenüber dem darunterliegenden Materialauftrag um einen bestimmten Betrag seitlich verschoben ist.
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Aus der
DE 601 08 390 T2 ist ebenfalls eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Anordnung und Herstellung eines dreidimensionalen Objektes aus dem Pulverbett bekannt.
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Die
EP 1 878 522 A1 offenbart ein pulverbettbasiertes Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Körpers bestehend aus einem intermetallischen Werkstoff.
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Aus der
DE 10 2006 023 485 A1 ist ein pulverbettbasiertes Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objektes bekannt, wobei die Vorrichtung eine Einstellvorrichtung aufweist, die derart ausgebildet ist, dass ein Winkel zwischen der Auftragfläche und der Arbeitsebene einstellbar ist.
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Aus der
DE 699 37 213 T2 ist eine leitende Paste und ein Verfahren zum Herstellen eines keramischen Substrates, welches diese Paste verwendet, bekannt.
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Beide Ansätze sind insbesondere zum Herstellen oder Reparieren von komplexeren Bauteilen, verbesserungsfähig.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, das Herstellen oder Reparieren von Bauteilen zu verbessern.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnendes Merkmal weitergebildet. Anspruch 9 stellt eine Vorrichtung, die zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist, Anspruch 10 ein erfindungsgemäß hergestelltes Bauteil unter Schutz. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildung.
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Die vorliegende Erfindung dient zur Herstellung oder Reparatur von Bauteilen, insbesondere Turbomaschinenkomponenten, und wird mit besonderem Vorteil zum Herstellen oder Reparieren von Gasturbinenkomponenten, beispielsweise Gehäusen, Gehäuseteilen, Leit- und/oder Laufgittern oder Teilen hiervon, insbesondere Schaufeln, verwendet.
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Dabei wird das Bauteil schichtweise aufgebaut, in dem ein Werkstoff auf einer Folie angeordnet wird und zuvor, währenddessen oder anschließend die Folie über einer Unterlage angeordnet wird und schließlich der auf der Folie angeordnete Werkstoff, unter mindestens teilweiser Eliminierung der Folie, mit dieser Unterlage verbunden wird. Insbesondere kann das Bauteil so generativ aus mehreren Schichten aufgebaut werden, indem eine Folie mit Werkstoff zunächst über einer Basis und anschließend zyklisch über bereits hergestellten Schichten angeordnet und auf der Folie angeordneter Werkstoff mit der jeweiligen Unterlage, das heißt der Basis bzw. bereits hergestellten Schichten, verbunden wird.
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Erfindungsgemäß ist der Werkstoff beim Verbinden mit der Unterlage selektiv auf der Folie angeordnet. Insbesondere kann er dabei ganz oder teilweise in der Form einer zu bildenden Schicht des Bauteils auf der Folie angeordnet sein.
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Die selektive Anordnung des Werkstoffs auf der Folie kann vorteilhafterweise einfach, kostengünstig, rasch und/oder präzise erfolgen. Dabei kann einerseits der Werkstoff bereits selektiv auf der Folie angeordnet werden, insbesondere, indem diese durch eine Maske oder ein Sieb bereichsweise gegen eine Anordnung von Werkstoff abgedeckt ist. Dabei kann die Abdeckung eines Folienbereiches, wenigstens im Wesentlichen, vollständig erfolgen, so dass in dem abgedeckten Bereich kein oder nahezu kein Werkstoff angeordnet wird. Gleichermaßen ist eine Abdeckung in Form einer Abschattung möglich, so dass in den solcherart abgedeckten Bereichen weniger Werkstoff angeordnet wird als in den übrigen, nicht abgedeckten Bereichen.
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Gleichermaßen kann der Werkstoff auch durch eine gezielte Führung beim Auftragen, beispielsweise in Form einer Düse, selektiv angeordnet werden, wobei Folie und Düse während der Anordnung relativ zueinander bewegt werden. Beispielsweise kann eine Düse, aus der Werkstoff auf die Folie aufgebracht wird, in einem Muster, welches vorzugsweise der Form einer zu bildenden Schicht des Bauteils entspricht, über die Folie geführt werden. Gleichermaßen ist es möglich, die Folie relativ zur Düse entsprechend zu bewegen. Beides kann auch kombiniert sein, in dem beispielsweise die Folie, vorzugsweise als Endlosband, in einer Longitudinalrichtung an wenigstens einer Düse vorbeigeführt wird, die dabei in wenigstens einer Transversalrichtung zu der Longitudinalrichtung, das heißt senkrecht oder quer zur Förderrichtung der Folie, ausgelenkt wird.
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Zusätzlich oder alternativ dazu, den Werkstoff bereits selektiv auf der Folie anzuordnen, kann eine selektive Anordnung des Werkstoffes auf der Folie auch dadurch erzielt werden, dass auf der Folie angeordneter Werkstoff selektiv von dieser entfernt wird. Dies kann beispielsweise durch Abstreifvorrichtungen, die selektiv Bereiche der Folie von Werkstoff befreien oder dessen Schichtdicke verändern, Düsen, die Bereiche mit darauf angeordnetem Werkstoff selektiv mit Fluid, insbesondere Luft, beaufschlagen, um den Werkstoff dort – wenigstens teilweise – zu entfernen, und/oder – insbesondere bei magnetischen Werkstoffen – durch Magnete, insbesondere schaltbare Elektromagnete, erfolgen, die selektiv magnetischen Werkstoff von der Folie entfernen.
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Zusätzlich oder alternativ dazu, den Werkstoff, wenigstens teilweise, in der Form einer zu bildenden Schicht des Bauteils auf der Folie anzuordnen, kann, beispielsweise gemäß wenigstens einer der vorstehend erläuterten Ausführungsarten, das heißt durch Maskieren, selektives Anordnen und/oder selektives Entfernen, auch eine Schichtdicke des auf der Folie angeordneten Werkstoffes variiert werden.
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Insbesondere hierdurch ist es möglich, Bauteile mit über den Querschnitt variierenden Schichtdicken aufzubauen, was beispielsweise zur Erhöhung der Festigkeit infolge schräg verlaufender Bindungsgrenzschichten und/oder der Herstellung aufeinander folgender Schichten aus unterschiedlichem Material mit jeweils unterschiedlichen Schichtdicken, dienen kann.
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In einer bevorzugten Ausführung weist die Form einer zu bildenden Schicht des Bauteils bzw. die Form des hierzu selektiv auf der Folie angeordneten Werkstoffes einen oder mehrere mikroskopische und/oder makroskopische Hohlräume auf.
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Mikroskopische Hohlräume können beispielsweise durch eine Maskierung mit einem Sieb mit entsprechend gewähltem Netzabstand und/oder der Vorgabe eines entsprechenden Werkstoffvolumenstroms bei der Anordnung erreicht werden: Wird z. B. eine Folie ausreichend rasch unter einer Düse vorbeigeführt, aus der Werkstoff auf die Folie herabfällt, können, vorzugsweise statistisch verteilte, Abstände zwischen einzelnen Werkstoffpartikeln hervorgerufen und so insbesondere eine poröse Schicht erzeugt werden. Gleichermaßen kann eine solche poröse Schicht beispielsweise auch durch ein Sieben des Werkstoffes beim Anordnen auf der Folie erzielt werden. Insofern werden als mikroskopische Hohlräume im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere die Poren eines porösen Werkstoffgefüges verstanden.
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Zusätzlich oder alternativ können auch makroskopische Hohlräume hergestellt werden, indem entsprechende Bereiche, die vorzugsweise ein Vielfaches einer Werkstoffpartikeldimension betragen, beim Anordnen von Werkstoff, wenigstens im Wesentlichen, ausgespart und/oder nach dem Anordnen, wenigstens im Wesentlichen, von Werkstoff befreit werden. Auf diese Weise können makroskopische Strukturen, insbesondere Durchgangs-, aber auch ein- oder beidseitig geschlossene Passagen wie beispielsweise Kühl- und/oder Versorgungskanäle in Gehäuseteilen oder Schaufeln auf einfache Weise erzeugt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung haftet der Werkstoff auf der Folie. Dies kann die Präzision der selektiven Anordnung erhöhen, insbesondere, wenn die Folie zwischen einem Ort, an dem der Werkstoff auf ihr angeordnet wird, und einem Ort, an dem dieser mit der Unterlage verbunden wird, transportiert wird. Die Haftung zwischen Werkstoff und Folie kann vorzugsweise durch eine Haftschicht auf der Folie und/oder auf dem Werkstoff erzeugt werden. Insbesondere können die Folie und/oder Werkstoffpartikel vor der Anordnung mit einem Haftvermittler, insbesondere einem Klebstoff, beschichtet werden.
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Die Folie wird erfindungsgemäß beim Verbinden des auf der Folie angeordneten Werkstoffes mit der Unterlage ganz oder teilweise eliminiert. Beispielsweise kann die Folie aus einem organischen Trägerwerkstoff hergestellt sein, der bei thermischer Beaufschlagung des Werkstoffes, um diesen mit der Unterlage zu verbinden, sublimiert. Der Werkstoff kann insbesondere metallische und/oder keramische Werkstoffpartikel aufweisen, die mit der Unterlage thermisch, z. B. durch Beaufschlagung mit Infrarot- oder energiereicher Laserstrahlung, optisch, z. B. durch Belichtung mit sichtbarem oder ultraviolettem Licht, vorzugsweise Laserlicht, und/oder chemisch, beispielsweise durch Besprühen, etwa mit einem Katalysator oder einem Additiv zur Vernetzung bzw. Polykondensation verbunden werden. In einer bevorzugten Ausführung ist der auf der Folie angeordnete Werkstoff vor dem Verbinden pulver- oder pastenförmig.
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Der Werkstoff kann selektiv optisch, thermisch und/oder chemisch beaufschlagt werden, indem beispielsweise ein Laserstrahl nur Teilbereiche des auf der Folie angeordneten Werkstoffes beaufschlagt, eine Spritzdüse nur selektiv Bereiche des Werkstoffs auf der Folie besprüht oder eine Belichtung durch eine entsprechende Maske erfolgt, so dass wiederum nur selektiv Bereiche des Werkstoffs auf der Folie mit Licht beaufschlagt werden. In einer bevorzugten Ausführung wird jedoch die Folie über den Bereich des auf ihr angeordneten Werkstoffs hinaus, insbesondere flächig beaufschlagt. Denn die erfindungsgemäße selektive Anordnung des Werkstoffs, insbesondere bereits in Form der herzustellenden Schicht des Bauteils, ermöglicht eine solche großflächige, nicht selektive optische, thermische und/oder chemische Beaufschlagung, was gegenüber herkömmlichen Verfahren rascher, kostengünstiger und prozesssicherer erfolgen kann.
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Der Werkstoff kann bereichsweise, insbesondere in Portionen, die jeweils einer herzustellenden Schicht des Bauteils entsprechen, auf derselben Folie, die hierzu vorzugsweise als Endlosfolie vorliegt, angeordnet werden. Gleichermaßen können auf derselben Folie auch unterschiedliche Werkstoffe angeordnet und/oder verschiedene Folien vorgesehen werden, auf denen jeweils derselbe oder unterschiedliche Werkstoffe angeordnet sind. Dann kann ein Bauteil beispielsweise abwechselnd aus Schichten unterschiedlichen Werkstoffes aufgebaut werden, indem wahlweise die eine oder andere Folie, auf der der eine oder andere Werkstoff angeordnet ist, über der jeweiligen letzten Schicht des Bauteils angeordnet und der jeweilige Werkstoff mit dieser verbunden wird. Gleichermaßen kann beispielsweise auf derselben, vorzugsweise als Endlosband ausgestalteten, Folie wahlweise eine Werkstoffschicht aus einem ersten Material und in Förderrichtung der Folie daneben eine Werkstoffschicht aus einem zweiten Werkstoffmaterial angeordnet werden, so dass bei sukzessiver Anordnung dieser Folienbereiche das Bauteil wiederum aus Schichten unterschiedlichen Werkstoffes aufgebaut wird. Die Anordnung desselben Werkstoffes auf unterschiedlichen Folien, die wahlweise über der jeweiligen Unterlage angeordnet werden, kann beispielsweise dazu dienen, durch die unterschiedlichen Folien unterschiedliche Bindungen zwischen den Schichten hervorzurufen.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung weist zum einen eine Beladungseinrichtung zum Anordnen eines Werkstoffes auf einer Folie auf. Diese Beladungseinrichtung kann, wie vorstehend ausgeführt, eine oder mehrere Düsen bzw. Austrittsöffnungen aufweisen, wobei in einer bevorzugten Ausführung Beladungseinrichtung und Folie relativ zueinander bewegbar sind. Zusätzlich oder alternativ können eine oder mehrere Masken, Siebe, Abstreif- und/oder Freispül- bzw. Freiblasmittel, insbesondere (Luft)Düsen vorgesehen sein.
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Eine Zuführeinrichtung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Anordnen der Folie über einer Unterlage kann insbesondere eine bandförmige Folie sukzessive bzw. bereichsweise nacheinander über der jeweiligen Unterlage anordnen, wobei in einer bevorzugten Ausführung die Folie schichtweise angehoben und/oder die Unterlage schichtweise abgesenkt wird.
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Eine Verbindungseinrichtung kann insbesondere eine Temperiereinrichtung, beispielsweise ein Heiz- und/oder Kühlmittel, eine elektromagnetische Strahlungsquelle, insbesondere eine Lampe, LED und/oder einen Laser, und/oder eine Einrichtung zum Aufbringen einer Chemikalie aufweisen.
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Bei dem erfindungsgemäß hergestellten Bauteil kann es sich, wie einleitend erläutert, insbesondere um eine Komponente einer Gasturbine, beispielsweise ein Gehäuse, Gehäuseteil, eine Leit- oder Laufschaufel handeln. Insbesondere können erfindungsgemäß Kanäle bzw. Hohlräume in solchen Bauteilen ausgebildet werden, die zur Führung von Temperier- insbesondere Erwärmungs- und/oder Kühlmittel vorzugsweise einem Fluid wie insbesondere Luft, vorgesehen sein können.
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Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen und dem Ausführungsbeispiel. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert, die einzige:
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1 in perspektivischer Darstellung die Herstellung eines Bauteils gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
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1 zeigt in perspektivischer Darstellung die erfindungsgemäße Herstellung eines Bauteils 1, beispielsweise eines nicht weiter dargestellten Gehäuseteils einer Gasturbine mit integrierten Temperierkanälen 1.2.
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Hierzu wird eine als Endlosband ausgebildete Folie 3, in der durch den Bewegungspfeil angedeuteten Richtung unter einer in 1 rechts angeordneten Beladungseinrichtung hindurchgeführt. Diese weist einen Rahmen 4.2 und sechs Stempel 4.1 auf, die bei einer Beschickung der Folie 3 mit pulverförmigem Werkstoff, wie dies in 1 angedeutet ist, eine entsprechend konturierte Werkstoffschicht 2 erzeugen. Dabei wird die Folie 3 getaktet unter der Beladungseinrichtung hindurchgeführt und in jedem Beladungstakt, d. h. bei stillstehender Folie 3, eine vorgegebene Menge an Metallpulver oben in 1 auf die Maske des Rahmens 4.2 fallengelassen. Der Rahmen 4.2 der Maske begrenzt dabei die Außenkontur der Werkstoffschicht 2 in Form der zu erzeugenden Bauteilschicht, die Stempel 4.1 decken Bereiche der Werkstoffschicht 2 ab, so dass an diesen Stellen makroskopische Hohlräume 2.1 von Werkstoff, wenigstens weitgehend, frei bleiben.
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Wie in der linken Seite von 1 dargestellt, wird die Folie 3 schichtweise über dem bereits aufgebauten Teil des Bauteils 1 angeordnet. Anschließend wird die organische Folie 3 mit elektromagnetischer Strahlung großflächig belichtet und sublimiert dabei. Dabei verbindet sich die Werkstoffschicht 2 als neue, nun oberste Bauteilschicht 1.1 mit der darunter liegenden Unterlage, d. h. der in einem vorhergehenden Zyklus auf gleiche Weise hergestellten Bauteilschicht. Die Hohlräume 2.1 der aufeinanderfolgenden Werkstoffschichten 2 bilden zusammen durchgehende Passagen 1.2 in dem Bauteil 1.
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Man erkennt, dass beispielsweise durch Entfernen der Stempel 4.1 bei anfänglichen oder späteren Beladungstakten die Passagen 1.2 ein- oder beidseitig geschlossen ausgebildet werden können. Sind beispielsweise die Stempel 4.1 bei der Beladung der Folie 3 mit Werkstoffschichten, die die unteren Bauteilschichten bilden, nicht vorhanden, sind die Passagen 1.2 an ihrem unteren Stirnende geschlossen. Sind die Stempel 4.1 entsprechend bei der Beladung der Folie 3 mit Werkstoffschichten 2, die obere Bauteilschichten 1.1 bilden, nicht vorhanden, so können in einer bevorzugten Ausführung die Passagen 1.2 an ihrem in 1 oberen Stirnende ebenfalls geschlossen werden, wenn die Werkstoffpartikel im Bereich der Kanäle 1.2 sich rechtzeitig mit benachbarten Werkstoffpartikeln derselben Werkstoffschicht 2 verbinden, bevor die Folie 3 vollständig sublimiert wird und die Werkstoffpartikel nicht mehr an einem Hineinfallen in die bereits gebildeten Passagen 1.2 hindern würde.
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Gleichermaßen wird erkennbar, dass durch schichtweise unterschiedliche selektive Anordnung von Werkstoff 2 auf der Folie 3 beispielsweise auch Verbindungskanäle zwischen den einzelnen Passagen 1.2 aufgebaut werden können, indem z. B. für einige Takte die entsprechenden Einzelstempel 4.1 durch einen großen Stempel ersetzt oder ein weiterer Stempel (nicht dargestellt) zwischen den Einzelstempeln angeordnet und so ein Verbindungsbereich zwischen den Hohlräumen 2.1 von Werkstoff, wenigstens weitgehend, freigehalten wird. Gleichermaßen kann beispielsweise der Durchmesser der Passagen 1.2, aber auch des Bauteils 1 als Ganzes, variiert werden, indem beispielsweise sukzessive Stempel 4.1 bzw. Rahmen der Maske 4.2 mit unterschiedlichen Abmessungen verwendet und so selektiv Werkstoffschichten 2 unterschiedlicher Form auf der Fläche angeordnet und anschließend mit darunter liegenden Schichten des Bauteils 1 verbunden werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bauteil (Turbomaschinenkomponente)
- 1.1
- Bauteilschicht (Unterlage)
- 1.2
- Kühlkanal
- 2
- Werkstoff(schicht)
- 2.1
- makroskopischer Hohlraum
- 3
- (Endlos)Folie
- 4.1
- Stempel
- 4.2
- Rahmen (der Maske)
