-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Formteils, bei dem in einem ersten Verfahrensschritt ein Blech mit Druck beaufschlagt wird und das Blech durch den beaufschlagten Druck umgeformt wird. Weiter betrifft die Erfindung auch ein Formteil, das mit dem vorbezeichneten Verfahren hergestellt wurde und ein umgeformtes Blech mit einer an eine vorbestimmte Verwendung angepassten Kontur aufweist.
-
Entsprechende Formteile aus Blech können vielseitig eingesetzt werden, wobei im Interesse einer gewichtssparenden Bauweise zumeist möglichst dünne Blechquerschnitte vorgesehen werden. Mit einem dünneren Blechquerschnitt geht allerdings auch eine geringere Steifigkeit sowie ein geringeres Lastaufnahmevermögen einher. Insbesondere an höher beanspruchten Abschnitten der Formteile sind daher Maßnahmen zur Verbesserung der vorgenannten Eigenschaften zu treffen, um die an das jeweilige Formteil gestellten Anforderungen zu erfüllen. Eine Möglichkeit Eigenschaften, eines Formteils wie das Lastaufnahmevermögen und/oder die Steifigkeit zu erhöhen sowie das Verhalten bei Stoß- und Schlagbelastungen zu verbessern, besteht darin, gezielt Aufdickungen des Bleches in den höher beanspruchten Abschnitten zu erzeugen.
-
Die verfügbaren Verfahren, um entsprechende Aufdickungen zu erzeugen, sind jedoch relativ aufwendig. Zum Beispiel können nach dem Umformen sogenannte Patches mit ausreichender Dicke in entsprechende Abschnitte des Formteils eingeschweißt werden oder es wird von vorneherein ein dickeres Blech umgeformt, das anschließend in weniger beanspruchten, möglichst dünnwandigen Abschnitten großflächig zerspant wird. Allen Verfahren ist ein hoher Aufwand an Zeit und Kosten gemein, was bei entsprechenden Formteilen mit dünnwandigen Flächenabschnitten und örtlichen Aufdickungen in höher beanspruchten Bereichen zu hohen Produktkosten führt und des Weiteren je nach Verfahren auch Einschränkungen hinsichtlich der Formgebung bedingt.
-
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und ein Formteil bereit zu stellen, das einerseits aus dünnwandigen Flächenabschnitten und andererseits örtlichen Aufdickungen besteht sowie kostengünstig und auf einfache Weise zu fertigen ist.
-
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt verfahrensmäßig mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und vorrichtungsmäßig mit den Merkmalen des Patentanspruches 6. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweils nachgeordneten Unteransprüchen angegeben.
-
Das Verfahren zum Herstellen eines Formteiles, bei dem in einem ersten Verfahrensschritt ein Blech mit Druck beaufschlagt wird und das Blech durch den beaufschlagten Druck umgeformt wird, zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass in einem zweiten Verfahrensschritt auf das umgeformte Blech zumindest abschnittsweise Aufdickungen aufgebracht werden, indem schichtweise Pulver in vorbestimmter Breite und Dicke auf zu verdickende Abschnitte des Bleches aufgebracht wird, dass jede Pulverschicht auf das verformte Blech und/oder bereits aufgebrachte Schichten lasergesintert wird, bevor eine weitere Schicht Pulver aufgebracht wird, und dass die Schichten des Pulvers aufeinander folgend aufgetragen und lasergesintert werden, bis eine vorbestimmte Dicke der Aufdickungen erreicht ist. Das fertige Formteil stellt somit einen Verbund aus einem flächigen Blech und den lasergesinterten Schichten der zumindest abschnittsweisen Aufdickungen dar. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können daher die Vorteile eines umgeformten Bleches mit reproduzierbaren Werkstoffeigenschaften, hoher Beständigkeit und guter Oberflächengüte mit den Vorteilen des auch als „Additive Laser manufacturing” bezeichneten Verfahrens kombiniert werden, mit dem Materialaufdickungen in nahezu beliebiger Form und von geringem Gewicht erzeugt werden können. Gleichzeitig ist die poröse Materialstruktur von mittels „Additive Laser manufacturing” hergestellten Bauteilen in dem fertigen Formteil gegen unmittelbare Einschläge von Fremdkörpern geschützt. Insbesondere wenn das umgeformte Blech an einer unmittelbar beanspruchten Seite des Formteils außenseitig an diesem angeordnet ist.
-
Um eine abschnittsweise benötigte Aufdickung des Formteils zu erzeugen, die sich an den auf diesen Abschnitt einwirkenden Lasten orientiert, ist vorgesehen, dass die aufeinander aufzubringenden Schichten des Pulvers mit sich verändernder Breite aufgetragen werden. Die Form der Aufdickungen, zum Beispiel konisch zulaufend, zylindrisch, halbkugelförmig oder anderweitig gekrümmt, ist dabei nahezu beliebig und nur durch das Verfahren des „Additive Laser manufacturing” und dessen Grenzen beschränkt. Die Breite der Aufdickungen kann mit jeder aufzubringenden Schicht abnehmen, wobei eine Schicht nur in begrenztem Maße gegenüber einer bereits aufgebrachten Schicht „überhängen” kann, das heißt eine Zunahme der Breite verfahrenstechnisch begrenzt ist. An dem Formteil auszubildende Aufdickungen können damit gewichtssparend anhand der jeweils erwarteten Beanspruchungen auch mit verschiedenen, sich über das Formteil verändernden Querschnitten aufgebracht werden.
-
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird das Blech während des ersten Verfahrensschrittes beim Umformen erwärmt. Durch das Erwärmen und die damit erweiterten Möglichkeiten der Formgebung können insgesamt komplexere Blechstrukturen erzeugt werden, die für eine jeweilige spätere Verwendung des Formteils optimiert sind. Auch ist erst damit das Umformen von bestimmten Werkstoffen, wie zum Beispiel Titanwerkstoffen, möglich, die nur schlechte Kaltumformeigenschaften aufweisen beziehungsweise nicht kalt umformbar sind. insbesondere wird das Blech in dem ersten Verfahrensschritt mittels einem superplastischen Umformverfahren umgeformt.
-
Um annähernd gleiche Materialeigenschaften der Aufdickungen und des Bleches zu gewährleisten, können gleiche oder ähnliche Werkstoffe eingesetzt werden, wobei insbesondere bei einem Blech aus einem Titanwerkstoff schichtweise Titanpulver auf die Abschnitte aufgebracht wird, in denen die Aufdickungen erzeugt werden sollen.
-
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Formteil, das mit dem vorbezeichneten Verfahren hergestellt wurde und ein umgeformtes Blech mit einer an eine vorbestimmte Verwendung angepassten Kontur aufweist. Dieses Formteil zeichnet sich dadurch aus, dass das Blech zumindest abschnittsweise Aufdickungen aufweist, dass die Aufdickungen aus lasergesinterten Materialschichten bestehen, und dass die Aufdickungen an höher beanspruchten Abschnitten des Bleches ausgebildet sind. Das gesamte Formteil ist somit im weitestgehenden Sinne einteilig ausgebildet, wobei einzelne Abschnitte und/oder Bereiche an unterschiedliche, vor allem höhere Belastungen angepasst sind, indem das Formteil gezielte Materialaufdickungen aufweist.
-
Nach einer ersten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Aufdickungen Verbindungsbereiche des Formteils, wie beispielsweise Sacklöcher und/oder Durchbrüche für Verbindungsstifte, Schraubenfassungen, Gewindelöcher, Führungsschienen und so weiter, verstärken, die der Verbindung mit anderen Bauteilen dienen. In diesen Verbindungsbereichen auftretende Beanspruchungen des Formteils werden dann zunächst in den dickeren Materialquerschnitt des Formteils eingeleitet und verteilen sich auf diesen Materialquerschnitt. Einzelne Materialabschnitte in den Verbindungsbereichen können dann durch die bessere, das heißt größere Verteilung auftretender Belastungen in den Verbindungsbereichen entlastet werden.
-
In einem entsprechend größeren Materialquerschnitt verdickter Abschnitte beziehungsweise Bereiche eines Formteils können mit Vorteil auch höhere Temperaturbeanspruchungen eingeleitet werden, die dann ebenso geringere Belastungen des Formteils bedingen.
-
Neben der Versteifung von Verbindungsbereichen oder temperaturbeanspruchten Bereichen können die Aufdickungen auch einer Strukturierung von Fügeflächen zweier Bauteile beziehungsweise Formteile dienen, die unter anderem über eine geometrische Verriegelung der Fügeflächen miteinander verbunden werden. Wenigstens eines der Bauteile weist dann an einer Fügefläche mittels „Additive Laser manufacturing” aufgebrachte makroskopische Aufdickungen auf. Diese Aufdickungen können in regelmäßigen oder auch unregelmäßigen Abständen zueinander angeordnet sein. Vor allem bei sogenannten „Hybrid joints”, das heißt Verbindungen aus einem Metallbauteil beziehungsweise Metallformteil und einem CFK-Bauteil können dabei gegenüber reinen Nietverbindungen verbesserte Lastübertragungseigenschaften erreicht werden.
-
Gemäß einer anderen Weiterbildung des Formteils ist vorgesehen, dass die Aufdickungen an einer Profilnase eines Flügel- oder Schaufelprofils angeordnet sind. Die Profilnase bildet den vordersten in den Wind beziehungsweise die Fluidströmung gerichteten Abschnitt eines Flügels beziehungsweise einer Schaufel einer Turbomaschine aus und wird auch als „Leading edge” bezeichnet. Die Gestaltung der „Leading edge” hat großen Einfluss auf deren Impactverhalten und wird bevorzugt gemäß den an das jeweilige Flügel- oder Schaufelprofil gestellten Anforderungen, insbesondere auch einem vorgegebenem aerodynamischem Wirkungsgrad, ausgelegt. Um das Impactverhalten, insbesondere bei „foreign object damage”, zum Beispiel Vogelschlag, zu verbessern, wird vor allem an einer Vorderkante der Profilnase eine Materialanhäufung benötigt, während die in Strömungsrichtung hinteren Abschnitte der Profilnase geringeren Belastungen ausgesetzt werden und aus relativ dünnem Blech gefertigt sein können, um ein insgesamt geringes Gewicht zu erreichen.
-
Da die hoch beanspruchte Profilnase eines Flügelprofils aus Sicherheitsgründen gegen schlagartige Belastungen ausgelegt werden muss und unter anderem eine hohe Werkstoffintegrität, Reproduzierbarkeit, Porenfreiheit und Oberflächengüte erfordert, ist vorgesehen, dass die Profilnase außenseitig durch das umgeformte Blech verkleidet ist, das diesen Erfordernissen gerecht wird. Die Aufdickungen sind dementsprechend vorteilhafterweise innenseitig vorzusehen. Damit ist dann sichergestellt, dass die gegen materialabtragende Reibung wenig beständige, poröse Materialstruktur einer mittels „Additive Laser manufacturing” erzeugten Aufdickung optimal geschützt ist und das umgeformte Blech im Verbund mit den lasergesinterten Schichten eine ausreichende Steifigkeit aufweist. Eine ausreichende Steifigkeit und Verteilung des Materials der Aufdickung orientiert sich dabei an einem für das Formteil, insbesondere die „Leading edge”, geforderten Impactverhalten, zum Beispiel bei Vogelschlag und dergleichen.
-
Die Aufdickungen eignen sich dabei auch, um allgemein Versteifungen von erfindungsgemäßen Formteilen zu erzeugen.
-
Je nach Verwendung des Formteils und Funktion der Aufdickungen können die Materialschichten der Aufdickungen dann eine sich verändernde Breite aufweisen, die an die jeweiligen Anforderungen angepasst ist und möglicherweise mit jeder Schicht eine andere Breite erfordert, woraus eine sich verändernde Querschnittsbreite der Aufdickung resultiert. Mögliche Querschnittsbreitenveränderungen betreffen zum Beispiel Aufdickungen mit Pyramiden-, Kegel- oder Halbkugelform oder in den Aufdickungen vorzusehende Hohlräume und Ausnehmungen, so dass einerseits materialsparende und andererseits anwendungsoptimierte Aufdickungen erzeugbar sind.
-
Das Blech und/oder die Materialschichten der Aufdickungen können aus einem Titanwerkstoff bestehen, mit dem sich ein geringes Gewicht und eine hohe Steifigkeit des fertigen Formteils vereinen lassen.
-
Alle in der vorstehenden Beschreibung und in den Ansprüchen genannten Merkmale sind sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander einsetzbar. Die Offenbarung der Erfindung ist somit nicht auf die beschriebenen beziehungsweise beanspruchten Merkmalskombinationen beschränkt. Vielmehr sind alle Merkmalskombinationen als offenbart zu betrachten.
-
In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, aus denen sich weitere erfinderische Merkmale ergeben können. Es zeigen:
-
1: eine perspektivische Darstellung einer ersten Ausführung eines erfindungsgemäßen Formteils;
-
2: eine Seitenansicht des Formteils gemäß 1;
-
3: eine zweite Ausführung eines erfindungsgemäßen Formteils in Draufsicht;
-
4: das erfindungsgemäße Formteil gemäß 3 als Seitenschnitt;
-
5: eine dritte Ausführung eines erfindungsgemäßen Formteils in perspektivischer Ansicht; und
-
6: eine Draufsicht auf eine vierte Ausführung eines erfindungsgemäßen Formteils.
-
In 1 ist eine erste Ausführung eines erfindungsgemäßen Formteils dargestellt, das schematisch den Aufbau einer Profilnase eines Flügel- oder Schaufelprofils aufzeigt und aus einem umgeformten Blech 1 mit einer örtlichen Aufdickung 2 besteht. Das Blech 1 ist an einem ersten Ende in einem eine unmittelbar angeströmte Vorderkante 3 der Profilnase ausbildenden Abschnitt aerodynamisch um 180° gekrümmt, wobei die Vorderkante 3 vollständig mit dem Blech 1 verkleidet ist. Zu einem dem ersten Ende gegenüberliegenden zweiten Ende hin bildet das Blech 1 einen flächigen, ebenen Abschnitt aus. Die Aufdickung 2 ist innenseitig auf den gekrümmten Abschnitt des Bleches 1 aufgebracht und versteift den die Vorderkante 3 ausbildenden, aerodynamisch gekrümmten Abschnitt.
-
Wie aus 2 ersichtlich, weist die Aufdickung 2 im Querschnitt unterschiedliche Dicken auf. Während ein kleinerer Teil der Aufdickung 2 von dem gekrümmten Ende des Bleches 1 ausgehend eine zur Mitte der Vorderkante 3 hin zunehmende Dicke aufweist, ist ein größerer Teil der Aufdickung 2 der in den flächigen, ebenen Abschnitt übergehenden Hälfte der Vorderkante 3 zugeordnet. Dieser größere Teil weist im Querschnitt die insgesamt größte Dicke der Aufdickung 2 auf und erstreckt sich entlang des Bleches 1 bis in den flächigen, nicht gekrümmten Abschnitt hinein. Der größere Teil der Aufdickung 2 schließt entgegen dem kleineren Teil der Aufdickung 2, der bis an das erste Ende des Bleches 1 ragt, jedoch nicht mit dem zweiten Ende des Bleches 1 ab und erstreckt sich somit nicht über den gesamten Abschnitt.
-
Eine zweite Ausführung eines Formteils mit einem eine Wanne 4 ausbildenden, eine quadratische Grundfläche aufweisenden Blech 5 zeigen 3 und 4. Die Wanne 4 des Formteils ist durch eine, insbesondere aus 4 hervorgehende, Vertiefung 6 in dem Blech 5 gekennzeichnet. Um diese Vertiefung 6 herum ist ein umlaufender Formteilrand 7 des Bleches 5 ausgebildet, der die Vertiefung 6 begrenzt. Auf den Formteilrand 7 sind Aufdickungen 8, 8' aufgebracht. Von diesen weisen die Aufdickungen 8 eine kreisförmige Grundfläche auf, während die Aufdickung 8' eine längliche Grundfläche aufweist und sich entlang einer Seite des Formteilrandes 7 erstreckt. Weiter weisen die Aufdickungen 8, 8' jeweils Durchbrüche 9, 9' auf, die beispielsweise Gewindelöcher oder Zapfenaufnahmen darstellen können. Der Aufdickung 8 ist dabei jeweils ein zentrischer Durchbruch 9 zugeordnet und der Aufdickung 8' in Reihe mehrere in gleichem Abstand zueinander angeordnete Durchbrüche 9'. Allen Aufdickungen 8 gemein ist, dass diese eine konisch zulaufende Form aufweisen und die Breite der Aufdickungen 8, 8' mit zunehmenden Abstand von dem Formteilrand 7 abnimmt.
-
5 zeigt eine dritte Ausführung eines Ausschnitts eines Formteils mit einem flächigen Blech 10 mit in regelmäßigen Abständen auf diesem Blech 10 angeordneten gleichen Aufdickungen 11. Diese weisen eine Pyramidenform auf und sind jeweils in rechtem Winkel zueinander auf dem Blech 10 ausgerichtet. Entsprechende Aufdickungen 11 gemäß 5 können beispielsweise einer geometrischen Verriegelung von zwei Bauteilen, insbesondere einem erfindungsgemäßen Formteil mit einem CFK-Bauteil, einem sogenannten „Hybrid joint”, dienen.
-
Eine gegenüber der dritten Ausführung abgewandelte vierte Ausführung des Formteils ist in 6 aufgezeigt. Anstelle der Pyramidenform sind, die der geometrischen Verriegelung von zwei Fügebereichen dienenden Aufdickungen 11 hier als makroskopische Häufchen mit poröser Charakteristik und unbestimmter Geometrie ausgebildet.
