DE102014226370A1

DE102014226370A1 - Verfahren zur generativen Fertigung eines Werkstücksaus einem Rohmaterial

Info

Publication number: DE102014226370A1
Application number: DE102014226370.0A
Authority: DE
Inventors: Michael Ott; Steffen Walter
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-12-18
Filing date: 2014-12-18
Publication date: 2016-06-23
Also published as: US20170333995A1; WO2016096417A1; CN107107192A; EP3194097A1

Abstract

Die Erfindung nennt ein Verfahren (1) zur generativen Fertigung eines Werkstücks (2) aus einem Rohmaterial (14), welches wenigstens ein Metall umfasst, wobei ein geometrisches Modell (10) des Werkstücks (2) erstellt und das Modell (10) in eine Mehrzahl von Einzelteilen (12a–12f) aufgeteilt wird, wobei jedes Einzelteil (12a–12f) schrittweise aus dem Rohmaterial (14) gefertigt wird, indem jeweils in einem Fertigungsschritt (32) eine Mengeneinheit (34) des Rohmaterials (14) unter lokalem Wärmeeintrag auf einen bereits gefertigten Teil (13b–13e) des jeweiligen Einzelteils (12a–12f) lokal aufgeschmolzen und dort erstarrt wird, und wobei die Einzelteile (12a–12f) unter der Einwirkung von Druck (20a, b) und unter lokaler Wärmeeinwirkung an den Kontaktflächen (24a–d) durch einen Diffusionsprozess zusammengefügt werden und hierdurch das fertige Werkstück (2) gefügt wird. Die Erfindung nennt weiter ein mittels eines derartigen Verfahrens (1) aus einem Rohmaterial (14) gefertigtes Werkstück (2).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur generativen Fertigung eines Werkstücks aus einem Rohmaterial, welches wenigstens ein Metall umfasst, wobei ein mathematisches Modell des Werkstücks erstellt wird, und jeweils in einem Fertigungsschritt eine Mengeneinheit des Rohmaterials unter lokalem Wärmeeintrag auf einen bereits gefertigten Teil lokal aufgeschmolzen und dort erstarrt 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.
Insbesondere auf dem Gebiet der Verbrennungsmaschinen erlauben generative Fertigungsverfahren einerseits die Fabrikation von verbesserten, konventionell nicht oder nur sehr aufwändig herstellbaren Bauteilen, so zum Beispiel Werkstücke mit maßgeschneiderten 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 bei Service und Reparatur.
Von besonderem Interesse sind hierbei Laser-gestützte Fertigungsverfahren, die eine Verarbeitung der typischen Konstruktionswerkstoffe im Heißbereich einer Verbrennungsmaschine 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 verschmolzen werden, bis das fertige Bauteil geformt ist.
Wenngleich mit einem generativen Fertigungsverfahren Geometrien für zu fertigende Werkstücke verwirklicht werden können, welche mittels konventioneller Fertigung nur mit wesentlich erhöhtem Produktionsaufwand zu realisieren sind, wie z.B. Hinterschnitte oder Hohlräume, sind auch hier Grenzen gesetzt. Insbesondere bei der gleichzeitigen Fertigung dickwandiger und dünnwandiger Strukturen in einem Werkstück kann es aufgrund von im Werkstück während des Produktionsprozesses auftretender Eigenspannungen zu Verzug kommen. Diese Eigenspannungen rühren von den unterschiedlichen thermodynamischen Voraussetzungen für die Einordnung der Atome in die jeweilige lokale Kristallstruktur her, welche an dickwandiger bzw. dünnwandiger Strukturen vorherrschen: Der lokale Wärmeabfluss der zum Hinzufügen der Partikel eingebrachten Wärme findet fast vollständig durch den bereits gefertigten Teil eines Werkstücks statt. An einer dickwandigen Struktur ist somit ein größerer Wärmegradient möglich, wodurch die Wärme schneller abgeführt wird als bei einer dünnwandigen Struktur, an welcher aufgeschmolzenes Material länger in der flüssigen Phase verbleibt. Hierbei kann es auch zu Abscheidungsprozessen der verwendeten Legierung kommen.
Die so beim Erstarren in den unterschiedlichen Strukturen „eingefrorenen“ Spannungen in einem Werkstück können dabei größer als die Streckgrenze des Werkstücks werden, wodurch Risse auftreten können. Überdies kann der Verzug bereits während der Fertigung zu einer Beschädigung der Fertigungsanlage führen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Fertigung eines Werkstücks aus einem Rohmaterial anzugeben, welches möglichst komplexe Geometrien zu fertigen erlaubt und dabei im fertigen Werkstück einen möglichst geringen Verzug bewirkt.
Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur generativen Fertigung eines Werkstücks aus einem Rohmaterial, welches wenigstens ein Metall umfasst, wobei ein geometrisches Modell des Werkstücks erstellt und das Modell in eine Mehrzahl von Einzelteilen aufgeteilt wird, wobei jedes Einzelteil schrittweise aus dem Rohmaterial gefertigt wird, indem jeweils in einem Fertigungsschritt eine Mengeneinheit des Rohmaterials unter lokalem Wärmeeintrag auf einen bereits gefertigten Teil des jeweiligen Einzelteils lokal aufgeschmolzen und dort erstarrt wird, und wobei die Einzelteile unter der Einwirkung von Druck und unter lokaler Wärmeeinwirkung an den Kontaktflächen durch einen Diffusionsprozess zusammengefügt werden und hierdurch das fertige Werkstück gefügt wird.
Vorteilhafte und teils für sich gesehen erfinderische Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das Rohmaterial ist vorliegend durch ein Metall oder eine Legierung gegeben. Unter einer Mengeneinheit des Rohmaterials ist dabei insbesondere ein Pulver- oder Granulatkorn umfasst. Das lokale Aufschmelzen der Mengeneinheit des Rohmaterials unter lokalem Wärmeeintrag umfasst dabei insbesondere ein vollständiges Aufschmelzen, sowie ein Aufschmelzen, bei welchem der Schmelzvorgang auf die Oberfläche der jeweiligen Mengeneinheit reduziert bleibt, also insbesondere auch einen Sintervorgang. Die Kontaktflächen, an welchen die Einzelteile unter der Einwirkung von Druck und unter lokaler Wärmeeinwirkung jeweils zusammengefügt werden, sind durch das geometrische Modell des Werkstücks vorbestimmt. Insbesondere wird das geometrische Modell des Werkstücks für einzelne Fertigungsschritte zum Hinzufügen einer jeweiligen Mengeneinheit des Rohmaterials herangezogen.
Die Erfindung geht dabei in einem ersten Schritt davon aus, dass mit zunehmender geometrischer Komplexität eines zu fertigenden Werkstücks eine konventionelle Herstellung, beispielsweise aus einem Schmiede- oder Gußprozess, mit anschließender Nachbearbeitung meist zu einem unverhältnismäßig hohen Aufwand und dadurch zu unvertretbaren Kosten führt. Die Probleme, welche bei der generativen Fertigung eines Werkstücks mit komplexer Geometrie auftreten, insbesondere hinsichtlich der Materialspannungen, sollen deshalb möglichst im Rahmen eines generativen Fertigungsprozesses gelöst werden.
In diesem Zusammenhang wird erkannt, dass insbesondere zur Verringerung von Materialspannungen im aufgeschmolzenen und erstarrten Rohmaterial, welche von einer unterschiedlichen Einfügung der so hinzugefügten Atome in die Kristallstruktur des Werkstücks herrühren, die einzelnen Fertigungsschritte bzw. der jeweilige lokale Wärmeeintrag in der räumlichen Abfolge optimiert werden können. Ausgehend von einer durch die Geometrie des Werkstücks vorgegebenen räumlichen Anordnung lokaler Schmelzstellen bedeutet eine solche Optimierung der zeitlichen Verteilung jeweiliger lokaler Schmelzvorgänge jedoch unter anderem eine vielfache, gekoppelte Anwendung und Simulation der Wärmeleitungsgleichung, wodurch auch hier der Aufwand unverhältnismäßig steigt. Dies gilt umso mehr für Werkstücke mit komplexer Geometrie, an deren Fertigung hier besonders gelegen ist.
Ebenso kann ein nachträgliches Bearbeiten eines Werkstücks mittels Hitze und Druck gegebenenfalls bestimmte Verspannungen und/oder Verformungen im gefertigten Werkstück beheben, jedoch sind zur Behebung von durch derartige Verspannungen auftretenden Beschädigungen einer Kristallstruktur, wie zum Beispiel Risse, meist Drücke notwendig, welche die Struktur des gefertigten Werkstücks beeinträchtigen können. Eine derartige Nachbearbeitung wird deshalb verworfen.
Demgegenüber schlägt die Erfindung vor, verschiedene Einzelteile des Werkstücks jeweils separat mittels der beschriebenen Fertigungsschritte herzustellen. Die Erfindung erkennt dabei in einem zweiten Schritt, dass dieses Vorgehen erlaubt, die Dimensionierung der Einzelteile so zu wählen, dass von den einzelnen Schmelz- und Erstarrungsvorgängen herrührende Probleme der Materialstruktur des Werkstücks, insbesondere Verspannungen, noch nicht in nennenswertem Maß auftreten. Die Aufteilung des Werkstückes in verschiedene Einzelteile erfolgt dabei mittels eines geometrischen Modells, welches zur räumlichen Aufteilung der einzigen Fertigungsschritte, jeweils eine Mengeneinheit des Rohmaterials hinzuzufügen, meist ohnehin vorliegt.
Insbesondere bei einer gleichzeitigen Fertigung dick- und dünnwandiger Strukturen im Werkstück kann ein unterschiedlicher Verzug der jeweiligen Strukturen auftreten, so dass hier die Aufteilung des Werkstücks in Einzelteile, welche später zusammengefügt werden, aufgrund des in kleineren Einzelteilen leichter zu unterdrückenden Verzugs eine erheblich verbesserte Fertigungsqualität erlaubt.
Als weiter vorteilhaft erweist sich hierbei, wenn das abschließende Zusammenfügen bei einem Druck erfolgt, welcher nur eine geringe elastische Verformung des zu fügenden Werkstücks bewirkt, wobei für die Diffusionsprozesse zum Zusammenfügen der Einzelteile jeweils die lokale Wärmeentwicklung betrachtet wird.
Bevorzugt wird eine Mehrzahl von Einzelteilen unter der Einwirkung von unidirektional wirkendem Druck zusammengefügt. Insbesondere werden alle Einzelteile unter der Einwirkung von unidirektional wirkendem Druck zusammengefügt. Insbesondere kann dies auch stufenweise geschehen, so dass zunächst verschiedene Gruppen von Einzelteilen jeweils unter unidirektionalem Druck zu Grobstrukturen zusammengefügt werden, und anschließend die Grobstrukturen erneut unter der Einwirkung von unidirektionalem Druck, welcher nicht entlang der Fügeachse der Grobstrukturen wirkend ist, zum fertigen Werkstück zusammengesetzt werden. Unidirektonaler Druck lässt sich im Produktionsprozess besonders einfach realisieren.
Zweckmäßigerweise wird die lokale Wärmeeinwirkung an den angrenzenden Kontaktflächen je zweier Einzelteile mittels eines von außen angelegten Stromflusses über den an den angrenzenden Kontaktflächen auftretenden ohmschen Widerstand erzielt. Je nach verwendetem Rohmaterial weisen die Einzelteile in ihrem inneren jeweils eine hohe elektrische Leitfähigkeit auf. Wird nun durch zwei Einzelteile, an welchen eine Kontaktfläche vorgesehen ist, ein Stromfluss angelegt, so ist der ohmsche Widerstand an der Kontaktfläche deutlich höher als im jeweiligen Inneren der Einzelteile. Hierdurch führt der der angelegte Stromfluss zu einer merklichen lokalen Wärmeeinwirkung an den sich berührenden Kontaktflächen. Diese Wärmeentwicklung bleibt bei angelegtem Stromfluss solange aufrechterhalten, bis die beiden Einzelteile an ihren Kontaktflächen durch hinreichende Diffusion der Atome eine Materialverbindung eingegangen sind und somit aufgrund der verbesserten Beweglichkeit der Leitungsträger dort der ohmsche Widerstand wieder sinkt. Durch das somit erreichte Beschränken der lokalen Wärmeeinwirkung auf die an den Einzelteilen vorgesehenen Kontaktflächen ist das abschließende Zusammenfügen der Einzelteile zum Fertigen Werkstück energetisch besonders effizient. Zudem kann auf eine übermäßige äußere Wärmeeinwirkung verzichtet werden, welche die äußere Form und/oder Struktur der Einzelteile beeinträchtigen könnte.
Günstigerweise wird hierbei eine Mehrzahl von Einzelteilen mittels Spark-Plasma-Sintering zusammengefügt. Spark-Plasma-Sintering ist ein in der Industrie etablierter Prozess, dessen Anwendung im vorliegenden Verfahren zum Zusammenfügen der Einzelteile eine besonders homogene Struktur des fertigen Werkstücks bewirkt.
Als weiter vorteilhaft erweist es sich, wenn eine Mehrzahl von Einzelteilen jeweils schichtweise aus dem Rohmaterial gefertigt wird. Insbesondere in Fertigungsverfahren, in welchen ein Werkstück schichtweise generativ aus einem metallischen Rohmaterial gefertigt wird, können während des Fertigungsprozesses im bereits gefertigten Teil des Werkstücks in Schichtungsrichtung Spannungen im Material auftreten. Diese Spannungen können zu einer Verformung bzw. einem Verzug des bereits gefertigten Teils des Werkstücks führen, durch welchen unter anderem auch die Anlage für den Fertigungsprozess gefährdet werden kann. Vor diesem Hintergrund ist das angegebene Herstellungsverfahren bei einem schichtweisen Aufbau der Einzelteile besonders vorteilhaft. Insbesondere kann ein Einzelteil hierbei auch zusätzliche Hilfsstrukturen umfassen, welche in Anbetracht der Geometrie des betreffenden Einzelteils dessen den schichtweisen Aufbau aus dem Rohmaterial begünstigen oder überhaupt ermöglichen sollen. Bevorzugt sind diese Hilfsstrukturen vor dem Zusammenfügen der Einzelteile zum fertigen Werkstück zu entfernen.
Bevorzugt wird hierbei in einer Anlage zur schichtweisen Fertigung eine Mehrzahl von Einzelteilen parallel gefertigt. Unter einer solchen parallelen Fertigung ist dabei zu verstehen, dass einem bereits gefertigten Teil eines Einzelteils eine Schicht hinzugefügt wird, und bevor dort eine weitere Schicht hinzufügt wird, wenigstens eine Schicht einem bereits gefertigten Teil eines anderen Einzelteils hinzugefügt wird.
Diese Vorgehensweise hat folgende Vorteile: Einerseits ist oftmals die Anlage nach einem einzelnen Fertigungsschritt oder einer Mehrzahl von Fertigungsschritten einem Vorbereitungsprozess zu unterziehen. Dieser Vorbereitungsprozess kann beispielsweise im korrekten Anordnen des Rohmaterials auf den bereits gefertigten Teil eines Einzelteils bestehen. Liegt das Rohmaterial in Pulverform vor, so beinhaltet der Vorbereitungsprozess das Bereitstellen einer Ebene an Pulver, welche den bereits gefertigten Teil eines Werkstücks vollständig überdeckt und eine möglichst glatte Oberfläche aufzuweisen hat, wofür das Pulver noch gesondert glattgezogen wird. Durch das parallele Fertigen mehrerer Einzelteile desselben Werkstücks in derselben Anlage wird somit die Zeit für einen Vorbereitungsprozess eines Fertigungsschritts oder einer Schicht für mehrere Einzelteile gleichzeitig genutzt, wodurch insgesamt die Zeit für die Fertigung wesentlich verkürzt werden kann.
Andererseits ist bei einer gleichzeitigen, parallelen Fertigung mehrerer Einzelteile in derselben Anlage eine verbesserte Wärmeableitung der zur Fertigung einer Schicht lokal eingetragenen Wärmemenge möglich. Bei einer einstückigen schichtweisen Fertigung des Werkstücks wird jede einzelne Schicht in einer Vielzahl von Fertigungsschritten mit jeweiligem lokalem Wärmeeintrag zum Aufschmelzen der betreffenden Mengeneinheit an Rohmaterial hinzufügt. Räumlich betrachtet bildet hierbei die Summe aller lokalen Wärmeeinträge, welche zum Hinzufügen einer Schicht erforderlich sind, eine maximal einfache Überdeckung des bereits gefertigten Teils des Werkstücks. Wird ein Werkstück nun einstückig schichtweise gefertigt, so findet an einer bestimmten Stelle der Oberfläche des bereits gefertigten Teils der nächste lokale Wärmeeintrag deutlich früher statt, als wenn zuvor noch entsprechende parallele Schichten anderer Einzelteile zu fertigen wären. Die Einzelteile behalten somit während der schichtweisen Fertigung eine bessere Wärmeableitung bei als ein einstückig gefertigtes Werkstück, was sich je nach Rohmaterial vorteilhaft auf den Erstarrungsprozess auswirken kann. Unter anderem kann bei einem schnelleren Erstarren das unerwünschte Abscheiden einzelner Materialphasen des Rohmaterials besser unterbunden werden.
Besonders bevorzugt wird dabei das Rohmaterial in Pulverform bereitgestellt. In diesem Fall ist der lokale Wärmeeintrag im Wesentlichen punktförmig konzentriert, so dass sich die verbesserte Wärmeableitung besonders vorteilhaft auswirken kann.
Zweckmäßigerweise wird hierfür das Rohmaterial lokal mittels selektiven Laser-Schmelzens aufgeschmolzen. Das selektive Laser-Schmelzen ist ein besonders weit verbreiteter Prozess, um für ein generatives Fertigungsverfahren mit einem pulverförmigen Rohmaterial den lokalen Wärmeeintrag bereitzustellen.
Die Erfindung gibt des Weiteren ein Werkstück an, welches mittels des vorbeschriebenen Verfahrens aus einem Rohmaterial gefertigt ist. Die für das Verfahren und seine Weiterbildungen genannten Vorteile können dabei sinngemäß auf das Werkstück übertragen werden. Insbesondere ist dabei das Werkstück als eine Komponente einer Verbrennungsmaschine ausgestaltet.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen jeweils schematisch:
1 in einem Diagramm den Ablauf eines Verfahrens zur generativen Fertigung eines Werkstücks aus einem Rohmaterial,
2 in einer Schrägansicht die parallele Fertigung mehrerer Einzelteile in derselben Anlage, und
3 in einer Schrägansicht das Zusammenfügen von Einzelteilen zu einem fertigen Werkstück nach 1.
Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren jeweils mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist in einem schematischen Diagramm der Ablauf eines Verfahrens 1 zur Herstellung eines Werkstücks 2 dargestellt. Das Werkstück 2 ist dabei als eine Turbinenschaufel 4 einer nicht näher dargestellten Gasturbine ausgebildet. Die Turbinenschaufel 4 weist hierbei zwei Plattformen 6a, 6b und einen profilierten Flügel 8 auf. In einem ersten Verfahrensschritt wird nun ein geometrisches Modell 10 des Werkstücks 2 erstellt. Dieses geometrische Modell 10 wird nun zunächst in Einzelteile 12a–12f aufgeteilt, wobei die Gegebenheiten in der zur Fertigung der Einzelteile 12a–12f vorgesehenen Anlage für eine vorteilhafte Aufteilung mit zu berücksichtigen sind.
Im nächsten Verfahrensschritt werden die Einzelteile 12a–12f anschließend in einer nicht näher dargestellten Anlage schichtweise aus einem Rohmaterial 14 gefertigt. Dazu wird das Rohmaterial 14, welches hier als eine pulverförmige Metalllegierung ausgebildet ist, mittels selektiven Laser-Schmelzens 16 in einer Vielzahl einzelner Fertigungsschritte lokal geschmolzen, so dass ein in einem Fertigungsschritt durch den lokalen Wärmeeintrag des Lasers geschmolzenes Pulvermenge auf einem bereits gefertigten Teil 13b, 13c eines Einzelteils 12b, 12c erstarrt, und hierdurch schrittweise die nächste Schicht gebildet wird. Für den schichtweisen Aufbau der Einzelteile 12a–12f kann dabei das geometrische Modell 10 des Werkstücks 2 herangezogen werden. Je nach ihrer Geometrie werden hierbei bestimmte Gruppen von Einzelteilen 12b, 12c parallel gefertigt. Einzelheiten dieser Fertigung werden anhand von 2 näher erläutert.
Die Einzelteile 12a–12f werden abschließend mittels Spark-Plasma-Sintering 18 zusammengefügt. Hierfür wird zunächst auf die Einzelteile 12a–12f in Richtung des Schichtaufbaus ein unidirektional wirkender Druck 20a ausgeübt und ein Stromfluss 22 durch die Einzelteile 12a–12f angelegt. Durch das Spark-Plasma-Sintering 18 entsteht an den durch das geometrische Modell 10 vorgesehenen Kontaktflächen 24a–24d der Einzelteile 12a–12f eine hinreichende Diffusion der Legierung, so dass je zwei benachbarte Einzelteile 12a–12f hierdurch miteinander fest verbunden werden, und somit zum fertige des Werkstück 2 zusammengefügt werden. Einzelheiten dieses Fügeprozesses werden anhand von 3 näher erläutert.
In 2 ist schematisch in einer Schrägansicht eine Anlage 26 für selektives Laser-Schmelzen dargestellt. In einem Pulverbett 28 liegen die bereits gefertigten Teile 13b–13e der Einzelteile 12b–12e, welche jeweils eine ähnliche Geometrie aufweisen. Ein Laser 30 rastert das Pulverbett 28 gemäß der Geometrie der Einzelteile 12b–12e ab, wobei jeder einzelne Laserpuls einem Fertigungsschritt 32 entspricht, in welchem eine Mengeneinheit 34 an Pulverkörnern geschmolzen wird. Das so geschmolzene Rohmaterial 14 erstarrt auf dem bereits gefertigten Teil 13b des Einzelteils 12b, und durch eine Vielzahl an derartigen Fertigungsschritten 32 wird so eine nächste Schicht 36b auf den bereits gefertigten Teil 13b des Einzelteils 12b aufgebracht. Bevor auf diese Schicht 36b eine weitere Schicht an Rohmaterial 14 aufgebracht wird, wird auf den bereits gefertigten Teil 13c–13e jedes anderen Einzelteils 12c–12e erst eine Schicht aufgebracht, so dass die Einzelteile 12b–12e durch in Aufbaurichtung 38 parallele Schichten gebildet werden, und sich zu jedem Zeitpunkt der Fertigung in der Anlage 26 je zwei dort gleichzeitig entstehende Einzelteile 12b–12e in Aufbaurichtung 38 maximal um eine Schicht 36b unterscheiden.
Durch dieses parallele Fertigen der Einzelteile 12b–12e kann Fertigungszeit eingespart werden, welche bei jeder neuen Schicht für das Vorbereiten und Glattziehen des Pulverbetts 28 erfordert wird, da nun aufgrund der parallelen Fertigung insgesamt weniger Schichten und damit weniger einzelne solcher Vorbereitungsprozesse erforderlich sind. Zudem ist in Aufbaurichtung 38 die Wärmeableitung aus einem bereits gefertigten Teil 13b–13e gegenüber einer einstückigen Fertigung eines Werkstücks verbessert, da die Zeit, bis der Laser 30 nach einem Fertigungsschritt 32 für eine Schicht 36b bei Fertigung der nächst höheren Schicht erneut an derselben Stelle einstrahlt, aufgrund der zuvor noch zu bearbeitenden weiteren Einzelteile höher ist.
In 3 ist schematisch in einer Schrägansicht das Zusammenfügen von Einzelteilen 12a–12f zur fertigen Turbinenschaufel 4 dargestellt. In einem ersten Schritt werden hierbei Einzelteile 12b–12e, welche im geometrischen Modell der Turbinenschaufel 4 eine scheibenartige Aufteilung einer Innenstruktur des Flügels 6 darstellen, und die hier nicht näher dargestellten Plattformen 8a, 8b durch einen ersten Spark-Plasma-Sintering-Prozess zusammengefügt, in welchem der Druck 20a senkrecht zu den an den Einzelteilen vorgesehenen Kontaktflächen 24a–24d wirkt. In einem zweiten Schritt werden durch einen zweiten Spark-Plasma-Sintering-Prozess der durch die Einzelteile 12b–12e gebildeten Innenstruktur äußere Flügelflächen 12a, 12f hinzugefügt, wobei der hierfür eingesetzte Druck 20b bzgl. der durch das geometrische Modell 10 definierten Anordnung der Einzelteile senkrecht zum Druck 20a wirkt, welcher im ersten Spark-Plasma-Sintering-Prozess verwendet wurde.
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.

Claims

Verfahren (1) zur generativen Fertigung eines Werkstücks (2) aus einem Rohmaterial (14), welches wenigstens ein Metall umfasst, wobei ein geometrisches Modell (10) des Werkstücks (2) erstellt und das Modell (10) in eine Mehrzahl von Einzelteilen (12a–12f) aufgeteilt wird, wobei jedes Einzelteil (12a–12f) schrittweise aus dem Rohmaterial (14) gefertigt wird, indem jeweils in einem Fertigungsschritt (32) eine Mengeneinheit (34) des Rohmaterials (14) unter lokalem Wärmeeintrag auf einen bereits gefertigten Teil (13b–13e) des jeweiligen Einzelteils (12a–12f) lokal aufgeschmolzen und dort erstarrt wird, und wobei die Einzelteile (12a–12f) unter der Einwirkung von Druck (20a, b) und unter lokaler Wärmeeinwirkung an den Kontaktflächen (24a–d) durch einen Diffusionsprozess zusammengefügt werden und hierdurch das fertige Werkstück (2) gefügt wird.
Verfahren (1) nach Anspruch 1, wobei eine Mehrzahl von Einzelteilen (12a–12f) unter der Einwirkung von unidirektional wirkendem Druck (20a, b) zusammengefügt wird.
Verfahren (1) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die lokale Wärmeeinwirkung an den angrenzenden Kontaktflächen (24a–24d) je zweier Einzelteile (12a–12f) mittels eines von außen angelegten Stromflusses (22) über den an den Kontaktflächen (24a–24d) auftretenden ohmschen Widerstand erzielt wird.
Verfahren (1) nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, wobei wenigstens eine Mehrzahl von Einzelteilen (12a–12f) mittels Spark-Plasma-Sintering (18) zusammengefügt wird.
Verfahren (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Mehrzahl von Einzelteilen (12a–12f) jeweils schichtweise aus dem Rohmaterial (14) gefertigt wird.
Verfahren (1) nach Anspruch 5, wobei in einer Anlage (26) zur schichtweisen Fertigung eine Mehrzahl von Einzelteilen (12b–12e) parallel gefertigt wird.
Verfahren (1) nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, wobei das Rohmaterial (14) in Pulverform bereitgestellt wird.
Verfahren (1) nach Anspruch 7, wobei das Rohmaterial (14) lokal mittels selektiven Laser-Schmelzens (16) aufgeschmolzen wird.
Werkstück (2), gefertigt aus einem Rohmaterial (14) mittels eines Verfahrens (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.