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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen durch ein generatives Herstellungsverfahren, insbesondere ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus einem Pulver, wobei das Pulver schichtweise zu einem Grünling verarbeitet wird, indem schichtweise lose Pulverpartikel untereinander und mit dem bereits hergestellten Grünling verbunden werden, und wobei der Grünling abschließend durch heißisostatisches Pressen verdichtet wird.
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STAND DER TECHNIK
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Aus dem Stand der Technik sind generative Herstellungsverfahren zur schnellen Herstellung von Prototypen oder zur Herstellung von Bauteilen, die mit anderen Verfahren schwierig herzustellen sind, bekannt. Unter anderem werden hierfür Verfahren wie das selektive Laserschmelzen (SLM Selective Laser Melting) oder das direkte Metalllasersintern (DMLS Direct Metal Laser Sintering) eingesetzt.
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Aus dem Stand der Technik sind insbesondere auch generative Herstellverfahren für die Herstellung von Bauteilen einer Strömungsmaschine, wie beispielsweise von Bauteilen eines Flugtriebwerks oder einer Gasturbine bekannt, z.B. das in der
DE 10 2009 051 479 A1 beschriebene Verfahren bzw. eine entsprechende Vorrichtung zur Herstellung eines Bauteils einer Strömungsmaschine.
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Bei diesem Verfahren wird durch schichtweisen Auftrag von mindestens einem pulverförmigen Bauteilwerkstoff auf einer Bauteilplattform im Bereich einer Aufbau- und Fügezone sowie schichtweises und lokales Schmelzen oder Sintern des Bauteilwerkstoffs mittels im Bereich der Aufbau- und Fügezone zugeführter Energie ein entsprechendes Bauteil hergestellt. Die Zufuhr der Energie erfolgt hierbei über Laserstrahlen, wie beispielsweise CO
2-Laser, Nd:YAG-Laser, Yb-Faserlaser sowie Diodenlaser, oder durch Elektronenstrahlen. Bei dem in der
DE 10 2009 051 479 A1 beschriebenen Verfahren wird weiterhin das erzeugte Bauteil bzw. die Aufbau- und Fügezone auf eine Temperatur knapp unterhalb des Schmelzpunkts des Bauteilwerkstoffs mittels eines Zonenofens erwärmt, um eine gerichtet erstarrte oder einkristalline Kristallstruktur aufrechtzuerhalten.
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Aus der
DE 10 2004 022 385 A1 ist ebenfalls eine Vorrichtung und ein Verfahren zur schnellen Herstellung von Mikrokörpern bekannt, bei welchen zusätzlich zum selektiven Schmelzen oder Sintern von Partikeln mittels Laserstrahlen ein Magnetfeld im Bereich der Aufbau- und Fügezone zur Verdichtung der Partikel der aufgetragenen Schichten vorgesehen wird. Zudem ist eine Strahlungsheizung, die auf die Oberfläche der Partikel wirkt, zum Beispiel in Form einer leistungsstarken Halogenbeleuchtung und eine Heizung des Bauteilträgers vorgesehen.
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Bei den oben beschriebenen Verfahren besteht die Problematik, dass bestimmte Werkstoffe für den hohen Energieeintrag durch die energiereichen Strahlen nicht geeignet sind und deshalb mit diesen Verfahren nicht verarbeitbar sind.
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In der
EP 2161088A1 ist deshalb ein generatives Herstellungsverfahren zur Herstellung von Bauteilen von Strömungsmaschinen vorgeschlagen worden, bei welchen ein pulverförmiger Bauteilwerkstoff schichtweise mittels eines flüssigen Bindemittels zu einem Grünling verarbeitet wird, wobei der Grünling anschließend gesintert und abschließend durch ein heißisostatisches Pressverfahren verdichtet wird. Allerdings muss hier ein zusätzliches Bindemittel eingesetzt werden, was für bestimmte Anwendungsfälle nachteilig ist.
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Obwohl somit aus dem Stand der Technik vielzählige generative Herstellungsverfahren bekannt sind, besteht auf Grund der Nachteile einzelner Verfahren weiterhin Bedarf, die Verfahren weiter zu entwickeln bzw. neue Verfahren zu kreieren, die es ermöglichen, spezielle Werkstoffe, die mit bekannten generativen Herstellungsverfahren nicht oder nur schlecht verarbeitbar sind, für die Erzeugung von Bauteilen mittels generativen Herstellungsverfahren einsetzen zu können. Insbesondere besteht ein derartiger Bedarf für Werkstoffe, die im Strömungsmaschinenbau, insbesondere beim Bau von Flugtriebwerken, eingesetzt werden, wie beispielswiese hochtemperaturbeständige Nickel-Basislegierungen mit hohen Aluminium- und/oder Titananteil, da derartige Legierungen häufig zur Heißrissbildung neigen. Darüber hinaus sind nicht alle generativen Herstellungsverfahren geeignet, um bestimmte Eigenschaftsprofile der herzustellenden Bauteile einstellen zu können.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur generativen Herstellung eines Bauteils aus einem Pulver bereitzustellen, welches die Nachteile des Standes der Technik vermeidet, und insbesondere ermöglicht heißrissanfällige, hochtemperaturbeständige Werkstoffe, wie beispielsweise Nickel-Basislegierungen, in zuverlässiger Weise zu einem Bauteil zu verarbeiten. Dabei soll das Verfahren vielfältige Einsatzmöglichkeiten für unterschiedlichste Werkstoffe aufweisen und einfach und effektiv durchführbar sein.
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TECHNISCHE LÖSUNG
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, dass ein Sintern und/oder Schmelzen von Pulverpartikeln mittels eines hochenergetischen Strahls zur generativen Herstellung eines Bauteils auch dann eingesetzt werden kann, wenn üblicherweise ein hoher Energieeintrag in ein Pulverbett zum selektiven Verbinden der Pulverpartikel mit einem energiereichen Strahl aufgrund der Werkstoffeigenschaften nicht erfolgreich durchgeführt werden kann. Die Lösung der vorliegenden Erfindung hierfür ist, dass die Verbindung der Pulverpartikel durch Sintern und/oder Schmelzen mittels eines hochenergetischen Strahls mit reduziertem Energieeintrag vorgenommen wird, wobei die Folgen des reduzierten Energieeintrags durch einen nachfolgenden Prozess ausgeglichen wird.
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So kann die Verbindung der Pulverpartikel mittels des energiereichen Strahls zweistufig in einer zeitlichen Abfolge oder lokal angepasst erfolgt und darüber hinaus ist generell eine reduzierte Energieeinbringung in der Art eines An- oder Vorsinterns möglich, bei dem die Pulverpartikel nur in reduziertem Maße verbunden werden, was jedoch durch eine nachfolgende Behandlung ausgeglichen wird. So wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren somit zunächst schichtweise aus einem Pulver ein Grünling gebildet, indem die Pulverpartikeln untereinander und mit dem bereits hergestellten Grünling unter Einsatz eines hochenergetischen Strahls durch Sintern und/oder Schmelzen verbunden werden, während nachfolgend ein heißisostatisches Pressen durchgeführt wird, welches letztendlich die ausreichend kompakte Verbindung gewährleistet. Entsprechend ist klar, dass die Verbindung der Pulverpartikel beim Verbinden mittels des hochenergetischen Strahls lediglich zu einem Gefüge mit Poren führt, welches durch das heißisostatische Pressen homogen verdichtet werden muss. Gleichwohl wird dadurch die Möglichkeit geschaffen, auf ein zusätzliches Bindemittel zu verzichten und/oder zusätzliche Werkstoffe, die einem generativen Herstellungsverfahren bisher nicht zugänglich waren, durch das erfindungsgemäße Verfahren verarbeiten zu können.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann der Grünling vor dem abschließenden heißisostatischen Pressen so ausgebildet werden, dass der Grünling ein geschlossen poriges Gefüge aufweist, d. h. ein Gefüge, welches Poren enthält, die jedoch untereinander und/oder gegenüber der Oberfläche nicht offen sind, so dass zumindest eine entsprechend geschlossene Oberfläche des Grünlings vorliegt.
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Die Verbindung der Pulverpartikel untereinander mit dem bereits vorliegenden Grünling kann so erfolgen, dass die Partikel im Bereich der Hülle des zu erzeugenden Bauteils verschmolzen werden, während die übrigen Pulverpartikel im Kern nur gesintert sind. Damit kann lokal der Strahl zum Sintern und/oder Schmelzen mit unterschiedlicher Leistung betrieben werden, um unerwünschte negative Eigenschaften des Werkstoffs aufgrund zu viel eingebrachter Energie zu vermeiden. Entsprechend kann beim Überstreichen des Pulverbetts zum selektiven Sintern und/oder Schmelzen der hochenergetische Strahl mit unterschiedlichen Leistungen betrieben werden, um an einer Stelle die Pulverpartikel zu sintern und an anderer Stelle die Pulverpartikel aufzuschmelzen. Somit kann während des Überstreichens des Pulverbetts die Leistung des hochenergetischen Strahls mehrmals geändert werden. Allerdings ist es auch vorstellbar, das Pulverbett mehrmals zu überstreichen, und zwar mit unterschiedlichen Leistungen des hochenergetischen Strahls, so dass auf diese Weise die unterschiedliche Behandlung der Pulverpartikel erfolgt.
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Somit kann auch grundsätzlich ein zweistufiger Prozess angewendet werden, bei welchem zunächst in einer ersten Stufe die Pulverpartikel zunächst mit schwacher Energie bzw. Leistung des hochenergetischen Strahls nur leicht gesintert werden, während in der zweiten Stufe generell ein Aufschmelzen der Pulverpartikel erfolgt, wobei der hochenergetische Strahl eine höhere Energie aufweist bzw. in die Pulverpartikel einbringt. Entsprechend wird bei diesem zweistufigen Verfahren der hochenergetische Strahl zweimal dieselbe Schicht des Pulverbetts überstreichen, um so nacheinander die Behandlung der Pulverpartikel vorzunehmen.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung kann die Verbindung der Pulverpartikel so in einem zweistufigen Prozess erfolgen, dass die Pulverpartikel zunächst mittels eines hochenergetischen Strahls vorgesintert und anschließend durch eine Wärmebehandlung des Grünlings fertiggesintert werden.
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Insgesamt sind verschiedenste Kombinationen der Einzelschritte vorstellbar, so dass beispielsweise die unterschiedliche Behandlung der Pulverpartikel im Bereich der Hülle und im Bereich des Kerns mit dem zweistufigen Prozess zum anfänglich schwachen Sintern und anschließend Fertigsintern oder Verschmelzen der Pulverpartikel kombiniert werden kann, wobei insbesondere ein Fertigsintern oder Verschmelzen der Pulverpartikel im Bereich der Hülle stattfindet und im Kernbereich nur ein schwaches Sintern erfolgt.
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Der hochenergetische Strahl kann ein Elektronen- oder Laserstrahl oder ein sonstiger hochenergetischer Strahl sein. Das Verfahren kann insbesondere zur Herstellung von Bauteilen für Strömungsmaschinen, insbesondere Flugtriebwerken und vorzugsweise für Nickel-Basislegierungen, eingesetzt werden.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Die beigefügte Zeichnung zeigt in einer reinschematischen Darstellung in
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1 eine Vorrichtung zur Herstellung eines Grünlings und in
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2 verschiedene Herstellungsrouten gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 14 zur Herstellung von Bauteilen mittels eines generativen Herstellungsverfahrens, insbesondere zur Herstellung von Bauteilen von Strömungsmaschinen. Die Vorrichtung 14 umfasst dabei in dem dargestellten Ausführungsbeispiel zwei Pulvervorratsbehälter 22 zur Aufnahme eines pulverförmigen Bauteilwerkstoffs 12 sowie eine zwischen den Pulvervorratsbehältern 22 verfahrbare Auftragsvorrichtung 20 zum schichtweisen Auftrag des pulverförmigen Bauteilwerkstoffs 12 auf eine ebenfalls verfahrbare Bauteilplattform 16. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Bauteilplattform 16 in der Senkrechten verfahrbar ausgebildet. Durch das Absenken der Bauteilplattform 16 und dem gleichzeitigen Auftrag des pulverförmigen Bauteilwerkstoffs 12 mittels der Auftragsvorrichtung 20 auf die Bauteilplattform 16 entsteht ein Pulverbett bestehend aus dem Bauteilwerkstoff 12, welches schichtförmig aufgebaut ist. Des Weiteren weist die Vorrichtung 14 eine schematisch dargestellte Strahlerzeugungseinrichtung 18 zum lokalen Bestrahlen einer obenliegenden, zuletzt aufgetragenen Schicht 30 des Pulverbetts. Die Strahlerzeugungseinrichtung 18 kann ein Laser oder eine Einrichtung zur Erzeugung eines Elektronenstrahls sein. Von der Strahlerzeugungseinrichtung 18 ausgehend ist ein energiereicher Strahl 24 schematisch dargestellt.
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Der pulverförmige Bauteilwerkstoff 12 besteht in dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus einer Nickelbasislegierung. Es ist aber auch möglich, dass der Bauteilwerkstoff aus einem anderen Metall oder einer anderen Metall-Legierung wie zum Beispiel einer Titan- oder Kobaltbasislegierung besteht.
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Durch das selektive Sintern und/oder Schmelzen der Pulverpartikel durch den hochenergetischen Strahl wird ein Grünling 10 schichtweise aufgebaut, wobei der Strahl 24 entsprechend der Schichtinformation des herzustellenden Bauteils und/oder des Grünlings 10 über die aufgetragene Bauteilwerkstoffschicht 30 geführt wird.
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Des Weiteren erkennt man, dass die Auftragsvorrichtung 20 als Wischer ausgebildet ist. Dabei ist der Wischer 20 derart ausgebildet, dass überschüssiges Pulvermaterial, d.h. Pulvermaterial, das nicht für die schichtweise Ausbildung des Pulverbetts verwendet wird, zu entsprechenden Auffangbehältern 32 transportiert wird. Hierfür weist ein Arbeitstisch 34 der Vorrichtung 14 entsprechende Öffnungen 36 auf, über die das überschüssige Pulvermaterial in die Pulverauffangbehälter 32 verbracht wird.
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Die Vorrichtung 14 weist zudem einen Computer 26 und einen Steuerrechner 28 einerseits zur Generierung von einem die Form und den Materialaufbau des Bauteils und des Grünlings 10 bestimmenden Modells und zur Generierung einer aus dem Modell abgeleiteten Schichtinformation und andererseits zur entsprechenden Steuerung der Pulvervorratsbehälter 22, der Auftragsvorrichtung 20, der Bauteilplattform 16 und der Strahlerzeugungseinrichtung 18 auf.
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Nach Fertigstellung des Grünlings 10 wird dieser aus der Vorrichtung 14 entfernt, wobei noch an dem Grünling 10 haftendes, nicht verbundenes Pulvermaterial entfernt wird.
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Die 2 zeigt noch einmal schematisch die Vorrichtung 14 zur Herstellung des Grünlings 10, wobei der fertige Grünling 10 auf dem Arbeitstisch 34 dargestellt ist. Gemäß den unterschiedlichen Ausführungsformen kann nunmehr der Grünling 10 in verschiedenen Formen vorliegen.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform kann der Grünling nur leicht vorgesintert sein, sodass er formstabil ist. Der Grünling weist noch eine offenporige Struktur auf, die nachfolgend geschlossen und weitgehend beseitigt werden muss. Dazu wird der Grünling 10 in einen Ofen 50 eingebracht und dort einer Wärmebehandlung unterzogen, in der ein Grünling 41 mit einem geschlossenen Porengefüge gesintert wird. Nach dem Sintern im Ofen 50 wird der Grünling 41 in eine Vorrichtung zum heißisostatischen Pressen 60 überführt, in dem das Gefüge verdichtet wird, sodass ein Grünling 42 mit geschlossenen Poren zu einem fertigen Bauteil 43 mit einem homogenen geschlossenen Gefüge heißisostatisch gepresst wird.
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Nach einer anderen Ausführungsform wird der Grünling 10 durch Verbinden der Pulverpartikel mittels Laser- oder Elektronenstrahl in der Vorrichtung 14 so hergestellt, dass er bereits ein geschlossen poriges Gefüge aufweist.
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Dies kann wiederum durch zwei unterschiedliche Bearbeitungsvarianten erzielt werden. Nach der einen Variante wird während dem Verbinden der Pulverpartikel mit den hochenergetischen Strahl, also dem Laser- oder Elektronenstrahl, ein zweistufiger Prozess durchgeführt, sodass in einem ersten Prozess mit einer niedrigen Energie lediglich ein (Vor-)sintern der Pulverpartikel bewirkt wird, während bei der zweiten Stufe des Prozesses die Energie des hochenergetischen Strahls soweit erhöht wird, dass die Pulverpartikel mit dem bereits bestehenden Grünling und untereinander verschmelzen. Die zwei Stufen können hierbei unmittelbar nacheinander erfolgen, sodass nach dem Aufbringen einer Pulverschicht auf den bereits bestehenden Grünling zunächst mit niedriger Energie ein selektives Sintern der Pulverpartikel auf den bereits bestehenden Grünling erfolgt und anschließend die bereits gesinterten Pulverpartikel durch einen Strahl mit höherer Energie aufgeschmolzen werden, sodass sich ein Gefüge mit geschlossenen Poren ergibt.
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Alternativ kann nach einer zweiten Variante ein Grünling 42 mit geschlossenen Poren auch in einem einstufigen Prozess erreicht werden, in dem selektiv nach der Lage der Pulverpartikel in dem herzustellenden Bauteil der Strahl mit niedriger oder höherer Energie betrieben wird, sodass teilweise die Pulverpartikel verschmolzen werden, während andere Pulverpartikel nur gesintert werden. Hierbei wird so vorgegangen, dass die Pulverpartikel, die den Randbereich des herzustellenden Bauteils, also die Hülle des Bauteils bilden, aufgeschmolzen werden, um keine offenporige Struktur an der Oberfläche des Grünlings zu haben, während die Pulverpartikel, die im Kern vorliegen, lediglich gesintert werden.
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Auch durch dieses Verfahren ergibt sich ein Grünling mit geschlossenem Porengefüge, der dann wiederum in einer Vorrichtung zum heißisostatischen Pressen verdichtet werden kann, um das fertige Bauteil 43 mit homogen geschlossenem Gefüge zu bilden.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand der Ausführungsbeispiele detailliert beschrieben worden ist, ist für den Fachmann selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern dass vielmehr Abwandlungen in der Weise möglich sind, dass einzelne Merkmale weggelassen werden oder andersartige Kombinationen von Merkmalen verwirklicht werden, sofern der Schutzbereich der beigefügten Ansprüche nicht verlassen wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009051479 A1 [0003, 0004]
- DE 102004022385 A1 [0005]
- EP 2161088 A1 [0007]
