-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur generativen Fertigung eines Werkstücks aus einem Rohmaterial, wobei das Rohmaterial schrittweise unter lokalem Wärmeeintrag lokal aufgeschmolzen und dort erstarrt wird, und dabei aus dem Rohmaterial schrittweise wenigstens das Werkstück geformt wird.
-
Generative Fertigungsverfahren stellen einen neuartigen Ansatz zur Herstellung von Werkstücken mit einer hohen geometrischen Komplexität dar, und haben in letzter Zeit stark an Bedeutung gewonnen. Ein wesentliches Merkmal der generativen Fertigungsverfahren ist, dass ein in niedrig dimensionaler Form (zum Beispiel als Draht oder als Folie) oder formlos (zum Beispiel als Pulver oder als Flüssigkeit) vorliegendes Rohmaterial auf Basis von virtuellen Datenmodellen eines Werkstückes mittels chemischer und/oder physikalischer Prozesse schrittweise zum fertigen Werkstück geformt wird.
-
Auf dem Gebiet der turbomaschinen-basierten Stromerzeugung erlauben generative Fertigungsverfahren einerseits die Fabrikation von verbesserten, konventionell nicht oder nur sehr aufwändig herstellbaren Bauteilen, so zum Beispiel Werkstücke mit maßgeschneiterten Materialeigenschaften, einem geringen Gewicht oder inneren Oberflächen für eine optimierte Kühlung. Dies ermöglicht somit eine Erhöhung der Wirkungsgrade, respektive eine Kostensenkung bei Neuteilen. Andererseits versprechen generative Fertigungsverfahren aufgrund der Möglichkeit zur individuellen, dezentralen und instantanen Fertigung starke Vereinfachungen beim Service und Reparatur.
-
Von besonderem Interesse sind hierbei laser-gestützte Fertigungsverfahren, die eine Verarbeitung der typischen Konstruktionswerkstoffe im Heißgasteil einer Gasturbine gestatten. Die Fertigung erfolgt dabei typischerweise durch das Abrastern eines Pulverbetts mit einem Laserstrahl, wobei punktuell die metallischen Partikel des Ausgangsmaterials, durch welches das Pulver gebildet wird – meist eine Nickel-Basislegierung – Stück für Stück und Schicht für Schicht miteinander verschweißt werden, bis das fertige Bauteil geformt ist.
-
Die so gefertigten Bauteile bestehen somit aus einer Vielzahl von aneinandergefügten Schweißnähten, was besondere Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften hat. Durch den inhärenten schichtweisen Aufbau in Kombination mit einer unidirektionalen Wärmeableitung, welche in Richtung eines bereits gefertigten Anteils des Werkstückes erfolgt, weist ein Bauteil meist eine ausgeprägte Richtungsanisotropie in seinen Eigenschaften auf, da beim Fertigungsprozess ein auf Stängelkristallen basierendes ausgebildet wird. Zudem weist ein mittels eines strahl-gestützten generativen Fertigungsverfahren hergestelltes Bauteil eine im Vergleich zu einem gegossenen oder geschmiedeten Bauteil eine verringerte Kriech- und/oder Ermüdungsbeständigkeit auf.
-
Nicht zuletzt durch die vielfache Verwendung von Gasturbinen für die Bereitstellung des Leistungsausgleiches in Netzen mit stark schwankender Auslastung, in welchem in einer Gasturbine häufige Lastwechsel stattfinden, ergeben sich besondere technische Anforderungen an die Konstruktion der Gasturbine. Der Wirkungsgrad einer Gasturbine nimmt mit zunehmendem Verdichtungsdruck sowie zunehmender Verbrennungstemperatur zu. Für einen effizienten Betrieb kann sich auch die Verwendung möglichst leichter Materialien für die Laufschaufel in den Verdichter- und Turbinenstufen positiv auswirken.
-
Ebenso können zur Verbesserung des Wirkungsgrades die Leit- und Laufschaufeln der Verdichter- und Turbinenstufen in ihrer Form strömungstechnisch optimiert werden. Dem Wunsch nach einer speziellen Formgebung für die Beschaufelung, und im Fall der Laufschaufeln auch nach möglichst leichten Materialien, stehen dabei die Anforderungen an die Festigkeit und an die Hitzebeständigkeit im Bereich der Gasturbine gegenüber.
-
Aufgrund der hohen Krafteinwirkung bzw. des hohen Drehmoments durch das verbrannte, expandierende Heißgas ist die Beschaufelung einer Turbinenstufe besonderen mechanischen Belastungen ausgesetzt. Die einzelnen Schaufeln einer Turbinenstufe werden deshalb zur Verbesserung der mechanischen Festigkeit nach Möglichkeit jeweils als einkristalline Werkstücke gefertigt. Gerade für derartige Höchstleistungsanwendungen sind die derzeit über generative Fertigungsverfahren herstellbaren Werkstücke hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften noch unzureichend.
-
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur generativen Fertigung eines Werkstücks aus einem Rohmaterial anzugeben, welches unter einem vertretbaren Prozessaufwand im fertigen Werkstück zu einer möglichst hochwertigen, monokristallinen Gefügestruktur führt.
-
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch Verfahren zur generativen Fertigung eines Werkstücks aus einem Rohmaterial, wobei wenigstens ein Einkristallkeim eines Kristalls mit einer definierten Kristallorientierung gezüchtet wird, wobei das Rohmaterial schrittweise unter lokalem Wärmeeintrag auf den wenigstens einen Einkristallkeim lokal aufgeschmolzen und dort erstarrt wird, wodurch das Rohmaterial schrittweise mit dem wenigstens einen Einkristallkeim in einer definierten Kristallorientierung verbunden wird, und dabei aus dem mit dem wenigstens einen Einkristallkeim verbundenen Rohmaterial schrittweise wenigstens das Werkstück geformt wird. Vorteilhafte und teils für sich genommen erfinderische Ausgestaltungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Insbesondere wird die Anzahl zu züchtender Einkristallkeime in Abhängigkeit der Geometrie des zu fertigenden Werkstücks ausgewählt, wobei auch eine Fertigung auf einem einzigen Einkristallkeim umfasst ist. Die Vorteile bei der Verwendung mehrere Einkristallkeime, abseits der sich unmittelbar aus der Geometrie des zu fertigenden Werkstücks ergebenden, können dabei jeweils entsprechend von denen der Verwendung eines einzelnen Einkristallkeimes übertragen werden.
-
Unter einer definierten Kristallorientierung ist hierbei zu verstehen, dass die Orientierung des Kristalls für das Verfahren bestimm- und nutzbar ist. Bevorzugt ist als Rohmaterial ein Metall oder eine Legierung verwendet, welche eine Kristallstruktur ausbildet. Besonders bevorzugt liegt das Rohmaterial hierbei in niedrig dimensionaler Form (als Draht und/oder als Folie) und/oder als Pulver oder Sand bzw. Granulat vor. Insbesondere können während des schrittweisen Formens des Werkstücks zusätzlich zu diesem auch für den Fertigungsprozess vorteilhafte oder erforderliche Hilfsstrukturen, wie z.B. Stützen oder Streben, mit geformt werden.
-
Die Ausgangslage ist hierbei folgende:
Zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, insbesondere zur Verminderung der Gefügeanisotropie eines Werkstückes, welches mittels eines Verfahrens zur generativen Fertigung hergestellt ist, können bisher üblicherweise mehrere Ansätze verfolgt werden.
-
Liegt das Rohmaterial in Pulverform vor, kann durch eine Beheizung des Bauraums, in welchem das Rohmaterial als ein Pulverbett eingebracht ist, und wo dort aus diesem unter lokalem Wärmeeintrag schrittweise das Werkstück geformt wird, ein unidirektionaler Temperaturgradient verringert werden. Durch die somit räumlich gleichförmigere Wärmeableitung durch das Rohmaterial werden jene thermodynamischen Triebkräfte reduziert, welche zu einem unidirektionalen Wachstum der Kristallstruktur führen.
-
Aufgrund der hohen auftretenden Temperaturunterschiede zwischen einem lokal aufgeschmolzenen Partikel des Rohmaterials und seiner unmittelbaren Umgebung, sowie der meist nicht optimalen Wärmeübertragung der Beheizung durch das Rohmaterial im Bauraum, bedingt durch mikroskopische Luft-Zwischenräume infolge einer unkompakten Anordnung der Partikel des Rohmaterials, sind die durch die Beheizung des Bauraums erzielbaren Verbesserungen der Kristallstruktur und damit der mechanischen Eigenschaften eines Werkstückes Grenzen gesetzt. Weiterhin ist nachteilig, dass durch die nicht optimale Wärmeübertragung sehr lange Abkühlphasen nach Beendigung des generativen Fertigungsprozesses auftreten können.
-
Des Weiteren besteht die Möglichkeit, für eine möglichst gleichförmige Mikrostruktur eines Werkstücks die Belichtungsstrategie zum Aufbau desselbigen zu optimieren. Eine derartige Optimierung ist jedoch für jedes Werkstück einzeln unter der Verwendung komplexer Simulationsalgorithmen durchzuführen, was einen hohen Aufwand bedeutet. Überdies ist auch eine solche Optimierung generell den Randbedingungen unterworfen, welche das generative Fertigungsverfahren vorgibt, insbesondere also den schritt- bzw. meist schichtweisen Aufbau des Werkstücks. Dieser schrittweise Aufbau in Verbindung mit dem lokalen Aufschmelzen des Rohmaterials vermag jedoch oftmals nicht zu verhindern, dass sich während eines Zwischenschrittes an einer Oberfläche bzw. Kontur Anisotropien ausbilden, welche im weiteren Verlauf durch das Hinzufügen weiteren Rohmaterials im Inneren des Werkstücks erhalten bleiben.
-
Eine weitere Möglichkeit für die Homogenisierung des Korngefüges im Werkstück ist eine thermische Nachbehandlung. Hierbei wird das Werkstück unter Schutzatmosphäre oder hohem Druck, einem Sintervorgang ähnlich, erhitzt, was eine Neuausordnung der anisotrop angeordneten Stängelkristalle im Werkstück begünstigt. Jedoch lässt sich auch hierdurch die Kristallstruktur allenfalls lokal verbessern.
-
Vor diesem Hintergrund wird nun zunächst erkannt, dass für eine möglichst homogene Kristallstruktur und damit möglichst vorteilhafte Materialeigenschaften des Werkstücks ein Verfahren, welches bereits bei der generativen Fertigung eine global homogene Kristallstruktur im Werkstück zu erzielen vermag, einer wie auch immer geartete nachträgliche Ausrichtung der Stängelkristalle im Werkstück – also nach dessen generativer Fertigung – vorzuziehen ist. Des Weiteren wird jedoch erkannt, dass bei einer generativen Fertigung in jedem Schritt die Ausbildung einer neuen Oberfläche des bereits gefertigten Teils des Werkstückes erfolgt, an welcher sich die Kristallstruktur lokal an das bereits gefertigte Gefüge anpasst.
-
Könnte man nun unter einem prozesstechnisch vertretbaren Aufwand dieses iterative Ausbilden neuer Oberflächen, welche schrittweise das Werkstück formen, von einem einzigen Einkristallkeim aus starten, so würde bei einem geeigneten Wärmeabfluss das Werkstück am Ende die durch den Einkristallkeim vorgegebene Kristallstruktur aufweisen. Es wird daher erfindungsgemäß vorgeschlagen, diesen Einkristallkeim zunächst in situ zu züchten, und das Rohmaterial schrittweise so auf den Einkristallkeim lokal aufzuschmelzen und dort zu erstarren, dass jedes einzeln hinzugefügte Partikel des Rohmaterials mit dem Einkristallkeim in einer definierten Kristallorientierung verbunden wird.
-
Typischerweise ist in einem generativen Fertigungsverfahren der angegebenen Art das in der Fertigung befindliche Werkstück auf einer Plattform aufgebracht, welche nach einer Reihe von Fertigungsschritten in einer Raumrichtung – meist vertikal – weiterbewegt wird, so dass das Werkstück schichtweise aufgebaut wird. Ein besonderer Vorteil ergibt sich nun, wenn die Züchtung des Einkristallkeims auf einer derartigen Plattform erfolgt, wodurch die Anlage zur generativen Fertigung ohne weitere Veränderungen – abseits der zur Züchtung des Einkristalkeims notwendigen – weiter verwendet werden kann. Hierbei wird bei einem schichtweisen Aufbau ausgenutzt, dass der Temperaturgradient in Richtung des bereits gefertigten Teils des Werkstücks erfolgt, so dass hierdurch die Ausbildung von Stängelkristallen in der korrekten, durch den Einkristallkeim bevorzugten Anordnung begünstigt wird.
-
Beim Züchten außerhalb der besagten Anlage wäre der Einkristallkeim zunächst vor der Fertigung des Werkstücks an dieser auszurichten, was aufwendig wäre und daher unerwünscht ist. Durch die Integration des Züchtungsprozesses mit der schrittweisen generativen Fertigung kann dieser Mehraufwand vermieden werden.
-
Über den generativen Aufbau des Werkstücks auf einem Einkristallkeim mit einer definierten Kristallorientierung können hierbei für das Werkstück gezielt bestimmte mechanische Eigenschaften entlang über die Kristallorientierung des Einkristallkeims wählbarer Vorzugsachsen eingestellt werden, um z.B. eine durch eine morphologische Korn-Anisotropie begründete Ermüdungsanfälligkeit zu verringern oder die Stabilität entlang der Hauptbelastungsrichtungen des Werkstücks in seinem bestimmungsgemäßen Betrieb zu verbessern. Hierdurch kann überdies auch die Belastungsfähigkeit des Werkstücks erhöht werden. Insbesondere können zur spezifischen Ausgestaltung der mechanischen Eigenschaften in unterschiedlichen Bauteilbereichen des Werkstücks durch die Verwendung verschiedener Rohmaterialien und Kristallorientierungen unterschiedliche, an die jeweilige Anforderung angepasste Kristallstrukturen im Werkstück erzeugt werden.
-
Bevorzugt wird der wenigstens eine Einkristallkeim aus einem Ursprungsmaterial mittels Schmelzens gewonnen wird. Während zur Züchtung eines Einkristallkeims verschiedene Verfahren zur Verfügung stehen, weist ein auf Schmelzen basierendes Verfahren gegenüber einem Verfahren zur Züchtung aus einer Lösung oder einer Gasphase anlagentechnisch eine hohe Kompatibilität mit der anschließenden Fertigung des Werkstücks auf.
-
Zweckmäßigerweise wird hierbei das Ursprungsmaterial zonal geschmolzen. Insbesondere kann dabei das Ursprungsmaterial als Schüttgut in Form eines polykristallinen Spats bzw. Quaders oder eines polykristallinen Kegelstumpfes bzw. Zylinders vorliegen, welcher zur Ausbildung eines polykristallinen Monolithen zonal geschmolzen wird. Dieser Vorgang kann beispielsweise auf einer Plattform der Anlage zur generativen Fertigung erfolgen, welche bei der Fertigung des eigentlichen Werkstücks linear bewegt wird. Hierdurch kann der Prozessschritt des Züchtens des Einkristallkeims anlagentechnisch besonders vorteilhaft in die Fertigung des Werkstücks integriert werden. Insbesondere kann dabei eine lineare Bewegung der Plattform der Anlage auch zur Variation der Schmelzzone verwendet werden.
-
Günstigerweise wird das Ursprungsmaterial hierbei zum Schmelzen induktiv erwärmt. Dies kann beispielsweise über eine Spule erfolgen, welche um das Ursprungsmaterial herum angeordnet ist. Dies erlaubt einen Schmelzprozess, welcher sich besonders kompakt realisieren lässt, was eine anlagentechnische Integration vereinfacht.
-
Als weiter vorteilhaft erweist es sich, wenn eine Kristallorientierung ausgewählt wird, indem der Kristall und/oder ein polykristalliner Monolith in einer longitudinalen Richtung durch eine Begrenzungsröhre geführt wird. Bevorzugt ist dabei die Begrenzungsröhre für die Selektion eines einzelnen Kristallkorns als Einkristallkeim hinreichend eng zu dimensionieren. Somit kann erreicht werden, dass sich nur ein einziger Stängelkristall in die Begrenzungsröhre – im Wesentlichen entlang einer Raumrichtung – ausbreitet. Die Begrenzungsröhre ist dabei mit einer Öffnung vorzugsweise so auf einem polykristallin monolithischen Spat bzw. Quader oder Kegelstumpf bzw. Zylinder des Ursprungsmaterials anzuordnen, dass ein weiteres Kristallwachstum in die Begrenzungsröhre nur in der für das weitere Verfahren, insbesondere für die Fertigung des Werkstücks gewünschten Kristallorientierung möglich ist.
-
Bevorzugt wird dabei der Kristall durch eine helikal geformte Begrenzungsröhre geführt. Durch eine helikale Form für die Begrenzungsröhre lässt sich eine gewünschte Vorzugsrichtung einer Kristallorientierung effizient auswählen.
-
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Werkstück in einzelnen Schichten aus dem Rohmaterial geformt. Unter einem schichtweisen Formen des Werkstücks ist hierbei zu verstehen, dass Werkstück jeweils aus einzelnen Lagen des Rohmaterials geformt wird, welche in einer Raumrichtung übereinander auf den jeweils fertigen Teil des Werkstücks aufgebracht werden. Diese Vorgehensweise wird in der Praxis häufig angewandt. Das angegebene Verfahren hat hierbei den besonderen Vorteil, dass die Wärmeableitung des lokalen Wärmeeintrags, mittels dessen das Rohmaterial auf den bereits gefertigten Teil des Werkstücks aufgeschmolzen wird, linear in Richtung dieses Teils erfolgt, was unter der Voraussetzung einer durch den Einkristallkeim vorgegebenen klar definierten Kristallorientierung die Ausbildung einer einheitlichen Kristallstruktur im Werkstück erheblich begünstigt.
-
Zweckmäßigerweise wird das Rohmaterial für die schichtweise Fertigung des Werkstücks in Pulverform bereitgestellt. Hierdurch lässt sich das Rohmaterial aufgrund der im Verhältnis zum Volumen relativ großen Oberfläche besonders einfach auf den bereits gefertigten Teil des Werkstücks aufschmelzen.
-
Als weiter vorteilhaft erweist sich hierbei, wenn eine einzelne Schicht des Werkstücks durch ein Strahlschmelzverfahren (z.B. SLM, „selective laser melting“) aus dem pulverförmige Rohmaterial gefertigt wird. Mittels eines Strahlschmelzverfahrens lässt sich der Wärmeeintrag lokal präzise kontrollieren, so dass auch feine oder komplexe räumliche Strukturen ausgebildet werden können. Das angegebene Verfahren ermöglicht nun mittels Strahlschmelzens auch die Herstellung eines einkristallinen Werkstücks.
-
In einer weiter vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird mittels schrittweisen lokalen Aufschmelzens auf dem wenigstens einen Einkristallkeim aus dem Rohmaterial zunächst ein flächiges Substrat geformt, wobei mittels schrittweisen lokalen Aufschmelzens auf dem flächigen Substrat das Werkstück aus dem Rohmaterial geformt wird. Insbesondere wird hierbei auf dem Einkristallkeim durch Aufschmelzen und Erstarren zunächst ein kegel- oder pyramiden- oder tetraederformiges Volumen aus dem Rohmaterial geformt, welches die dem Einkristallkeim entsprechende Kristallorientierung aufweist. Das flächige Substrat wird dann durch eine der Grenzflächen des Volumens gebildet, und auf dieser wird in der beschriebenen Art das Werkstück geformt. Eine derartige Vorgehensweise hat den Vorteil, dass sich zunächst durch das vorgeformte Volumen die Kristallstruktur sauber ausbilden kann, so dass an der Grenzfläche des Substrats eine kristallographisch günstige Basis für die Fertigung des Werkstücks mit einer isotropen Kristallstruktur vorliegt.
-
Bevorzugt wird als Werkstück eine Turbinenschaufel geformt. Die erhöhte mechanische Festigkeit für ein Werkstück mit einer komplexen Geometrie wirken sich bei einer Turbinenschaufel besonders positiv auf ihren Betrieb aus.
-
Die Erfindung gibt weiter ein Werkstück an, welches aus einem Rohmaterial mittels des vorbeschriebenen Verfahrens gefertigt ist. Die für das Verfahren und seine Weiterbildungen angegebenen Vorteile können dabei sinngemäß auf das Werkstück übertragen werden.
-
Bevorzugt ist hierbei das Werkstück als eine Turbinenschaufel, insbesondere für eine Gasturbine, ausgebildet. Die durch das Verfahren erreichte isotrope Kristallstruktur und damit erhöhte Festigkeit ist für ein Werkstück, welches besonderen mechanischen Belastungen ausgesetzt ist, besonders vorteilhaft. Dies ist für die Beschaufelung einer Turbine der Fall.
-
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen jeweils schematisch:
-
1 in einem Blockdiagram den Ablauf eines Verfahrens zur generativen Fertigung eines Werkstücks aus einem Rohmaterial,
-
2 in einer Querschnittdarstellung eine Anlage zur generativen Fertigung eines Werkstücks, und
-
3 in einer Schrägansicht eine mittels eines generativen Verfahrens gefertigte Turbinenschaufel.
-
Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren jeweils mit gleichen Bezugszeichen versehen.
-
In 1 ist in einem Blockdiagramm der Ablauf eines Verfahrens 1 dargestellt. Ein Ursprungsmaterial 2, welches polykristallin als (Pulver-)Schüttung in Form eines Kegelstumpfes 4 vorliegt, wird mittels induktiven Erwärmens 6 einem Zonenschmelzverfahren 8 unterzogen. Nach dem Zonenschmelzverfahren 8 liegt das Ursprungsmaterial 2, welches beispielsweise durch ein Metall oder eine Legierung gegeben sein kann, nun in einem monolithischen Kegelstumpf 10 vor. Einzelne, sich an der Oberfläche ausbildende Stängelkristalle, werden nun für die Kornselektion 12 herangezogen. Hierbei wird ein Stängelkristall durch eine eng dimensionierte, helikale Begrenzungsröhre 14 geführt. Durch die enge Dimensionierung der Begrenzungsröhre 14 kann hierbei sichergestellt werden, dass sich nur ein Stängelkristall in ihr ausbreiten kann. Mittels der helikalen Form der Begrenzungsröhre 14 kann an ihrem offenen Ende eine bestimmte Kristallordnung für das Austreten des Stängelkristall ausgewählt werden.
-
Das am Ende der Begrenzungsröhre 14 austretende Kristallkorn dient als Einkristallkeim 16 für das weitere Verfahren 1. Hierbei wird ein Rohmaterial 18, welches durch das in Pulverform vorliegende Ursprungsmaterial 2 gegeben ist, unter einem lokalen Wärmeeintrag 20, welcher mittels selektiven Strahlschmelzens 22 bereitgestellt wird, schichtweise auf den Einkristallkeim 16 so aufgeschmolzen, dass das aufgeschmolzene Rohmaterial 18 beim Erstarren die Kristallordnung des Einkristallkeims 16 ausbildet. Hierbei wird aus dem Rohmaterial 18 zunächst vom Einkristallkeim 16 aus unter Ausbildung eines pyramidenförmigen Volumens an dessen Grenzfläche ein flächiges Substrat 24 ausgebildet. Auf diesem Substrat 24 wird aus dem Rohmaterial 18 anschließend unter erneutem selektiven Strahlschmelzen 22 das eigentliche Werkstück 26 geformt. Die Fertigung des Werkstücks 26 aus dem pulverförmigen Rohmaterial 18 mittels selektiven Strahlschmelzens 22 ist dem Fachmann bekannt, und soll daher hier nicht weiter erläutert werden.
-
In 2 ist schematisch in einer Querschnittdarstellung eine Anlage 30 zur generativen Fertigung eines Werkstücks 26 gezeigt. Auf einer in vertikaler Richtung beweglichen Plattform 32 ist ein Kegelstumpf 34 eines Ursprungsmaterials 2 angeordnet. Mittels einer Vorrichtung 36 zum induktiven Erwärmen 6 kann das Ursprungsmaterial 2 zonal geschmolzen werden, um somit im Kegelstumpf 34 einen aus Stängelkristallen basierenden polykristallinen Monolithen zu erreichen. An der Oberfläche des Kegelstumpfes 34 ist eine helikale Begrenzungsröhre 14 angeordnet. Bei einem Kristallwachstum vom Kegelstumpf 34 in die Begrenzungsröhre 14 wird durch diese eine Kristallorientierung ausgewählt. Ein vom Ursprungsmaterial 2 aus durch die Begrenzungsröhre 14 geführter Stängelkristall bildet am dem Kegelstumpf 34 gegenüberliegenden Ende 38 der Begrenzungsröhre 14 einen Einkristallkeim 16 aus.
-
In einem Bauraum 40 ist ein Pulverbett 42 des Rohmaterials 18 eingebracht. Mittels eines horizontal beweglichen Schiebers 44 kann dabei die Oberfläche des Pulverbetts 42 glattgezogen werden. Eine Strahlenquelle 46, beispielsweise ein Laser, kann nun mittels einer Fokussiervorrichtung 48 an jeden Punkt der Oberfläche des Pulverbetts 42 fokussiert werden. An derjenigen Stelle 50 der Oberfläche des Pulverbetts 42, an welcher der Strahl 52 der Strahlenquelle 46 auftrifft, wird das pulverförmige Rohmaterial 18 geschmolzen. Diese kann gegebenenfalls auch unter einer Schutzatmosphäre erfolgen.
-
Das geschmolzene Rohmaterial 18 erstarrt nun an der Stelle 50 auf dem bereits gefertigten Teil 54 des Werkstücks 26. Das Werkstück wird dabei Ebene für Ebene aus dem Rohmaterial 18 geformt. Hierbei bewegt sich die Plattform 32 bei jeder weiteren Ebene schrittweise nach unten.
-
Beim ebenenweisen Aufbau des Werkstücks 26 aus dem Rohmaterial 18 im Pulverbett 42 wurde hierbei zunächst vom Einkristallkeim 16 aus aus dem Rohmaterial 18 eine pyramidenförmige Struktur 56 geformt. Das mit dem Einkristallkeim 16 so verbundene Rohmaterial 18 der pyramidenförmigen Struktur 56 weist hierbei die durch den Einkristallkeim 16 vorgegebene Kristallorientierung auf. Eine Grenzfläche der pyramidenförmigen Struktur 56 dient als Substrat 24 für den Aufbau des endgültigen Werkstücks 26. Durch den Aufbau des Werkstücks 26 von einem ähnlich dimensionierten flächigen Substrat 24 aus, an dessen Oberfläche das erstarrte Rohmaterial 18 die richtige Kristallorientierung aufweist, lässt sich die durch Einkristallkeim 16 vorgegebene und gewünschte Kristallorientierung leichter auf das Werkstück 26 übertragen.
-
In 3 ist in einer Schrägansicht eine mittels eines generativen Verfahrens gefertigte Turbinenschaufel 60 gezeigt. Die Turbinenschaufel 60 umfasst hierbei eine profilierte Plattform 62, einen auf der Plattform 62 aufsitzenden hohlwandigen Flügel 64, von welchem hier der Stumpf angedeutet ist, und einen aus der Plattform 62 an der dem Flügel 64 gegenüberliegenden Seite heraus ragenden Schaufelfuß 66. Insbesondere für die Ausbildung derartiger hohlwandiger Strukturen ist ein generatives Fertigungsverfahren.
-
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht durch dieses Ausführungsbeispiel eingeschränkt. Andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
