DE102015010388A1 - Process for producing an impeller for a turbomachine by additive laser deposition melting - Google Patents

Process for producing an impeller for a turbomachine by additive laser deposition melting Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Laufrades für eine Strömungsmaschine durch additives Laserauftragsschmelzen oder -sintern von auf eine Bauplattform aufgetragenen Pulverschichten, das einen einen Laufschaufelkranz mit unter einem Winkel von größer 45° verlaufenden Begrenzungswänden umfassenden Schaufelbereich sowie ein an dessen Ober- und Unterseite ausgebildetes Ober- und Unterteil aufweist. In einem ersten Verfahrensschritt wird auf der Bauplattform (8) nur ein den Schaufelbereich umfassendes Mittelteil (2) in einer mit gleichzeitig aufgebauten Stützen (10) gehaltenen Schräglage, in der die Begrenzungswände in einem Winkel < 45° zur Vertikalen verlaufen, additiv gefertigt. Nach Entfernung der Stützen (10) wird in einem zweiten Verfahrensschritt in einer waagerechten Lage des Mittelteils auf der Bauplattform auf der Oberseite des Mittelteils das Oberteil und in einem dritten Verfahrensschritt nach einem Wenden des mit dem angeformten Oberteil ausgebildeten Mittelteils auf dessen Unterfläche (9) das Unterteil aufgebaut.The invention relates to a method for producing an impeller for a turbomachine by means of additive laser deposition melting or sintering of powder layers applied to a building platform, comprising a blade area comprising a blade ring with boundary walls extending at an angle of greater than 45 ° and a top and bottom formed on the latter Upper and lower part has. In a first method step, only one central part (2) comprising the blade area is made additive on the building platform (8) in an inclined position held with supports (10) in which the boundary walls extend at an angle of <45 ° to the vertical. After removal of the supports (10) in a second step in a horizontal position of the central part on the platform on the upper side of the middle part, the upper part and in a third step after turning the formed with the molded upper part center on the lower surface (9) Lower part constructed.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Laufrades für eine Strömungsmaschine durch additives Laserauftragsschmelzen oder -sintern von auf eine Bauplattform aufgetragenen Pulverschichten, das einen einen Laufschaufelkranz mit unter einem Winkel von größer 45° verlaufenden Begrenzungswänden umfassenden Schaufelbereich sowie ein an dessen Ober- und Unterseite ausgebildetes Ober- und Unterteil aufweist.The invention relates to a method for producing an impeller for a turbomachine by means of additive laser deposition melting or sintering of powder layers applied to a building platform, comprising a blade area comprising a blade ring with boundary walls extending at an angle of greater than 45 ° and a top and bottom formed on the latter Upper and lower part has.

Das selektive Lasersintern oder -schmelzen, wie zum Beispiel das Mikro-Laserauftragsschmelzen oder -auftragsschweißen, ist ein generatives Schichtbauverfahren zur schichtweisen Herstellung dreidimensionaler Strukturen aus einem pulverförmigen Ausgangsstoff, der in einer Vielzahl von dünnen Schichten auf einen in einer Pulverkammer absenkbaren Hubtisch aufgetragen wird. Auf einer auf dem Hubtisch angeordneten Bauplattform wird unter der Wirkung von Laserstrahlen in jeder Pulverschicht ein der Kontur des betreffenden dreidimensionalen Bauteils entsprechender Bereich aufgeschmolzen und so das gewünschte Bauteil Schicht für Schicht aufgebaut. Der schichtweise Aufbau komplizierter geometrischer Strukturen, wie zum Beispiel das den Laufschaufelbereich eines Turbinenlaufrades umfassende Mittelteil, bereitet insofern Schwierigkeiten als von der Vertikalen in einem Winkel von mehr als 45° auskragende dünne Wandabschnitte, hier die Begrenzungswände für den Schaufelkranz, mithilfe von im Fertigungsprozess gleichzeitig aufgebauten Stützen gehalten werden müssen, die später mit herkömmlichen spangebenden Bearbeitungsschritten wieder entfernt werden. Die im Innern eines Laufrades im Schaufelbereich vorhandenen Stützen der in einem Winkel von größer 45° verlaufenden Begrenzungswände können jedoch nur mit erheblichem Aufwand und in einer zudem unzureichenden, nicht strömungsgünstig ausgebildeten Oberflächenqualität entfernt werden.Selective laser sintering or melting, such as micro-laser deposition or overlay welding, is a generative layer-building process for layering three-dimensional structures from a powder precursor deposited in a plurality of thin layers on a lift table lowerable in a powder chamber. On a platform arranged on the lifting platform, a region corresponding to the contour of the relevant three-dimensional component is melted under the action of laser beams in each powder layer, thus building up the desired component layer by layer. The layered construction of complicated geometric structures, such as the center section comprising the blade area of a turbine runner, presents difficulties in that thin wall sections projecting from the vertical at an angle of more than 45 °, in this case the boundary walls for the blade ring, are constructed simultaneously using the manufacturing process Supports must be kept, which are later removed again with conventional cutting operations. However, existing in the interior of an impeller in the blade area supports the running at an angle of greater than 45 ° boundary walls can be removed only with considerable effort and in addition also inadequate, not aerodynamically designed surface quality.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Laufrades der eingangs erwähnten Art für eine Strömungsmaschine durch additives Laserauftragsschmelzen oder -sintern von auf eine Bauplattform aufgetragenen Pulverschichten anzugeben, das mit geringem Aufwand gefertigt werden kann und eine glatte, strömungsgünstige Oberflächenausbildung im Strömungsbereich gewährleistet.The invention has for its object to provide a method for producing an impeller of the type mentioned for a turbomachine by additive Laserauftragsschmelzen or -sintern of applied to a build platform powder layers, which can be manufactured with little effort and ensures a smooth, aerodynamic surface formation in the flow area ,

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.According to the invention the object is achieved by a method according to the features of patent claim 1.

Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous and expedient developments of the invention are the subject of the dependent claims.

Bei der Herstellung eines Laufrades für eine Strömungsmaschine durch additives Laserauftragsschmelzen oder -sintern von auf eine Bauplattform aufgetragenen Pulverschichten, das einen einen Laufschaufelkranz mit unter einem Winkel von größer 45° verlaufenden Begrenzungswänden umfassenden Schaufelbereich sowie ein an dessen Ober- und Unterseite ausgebildetes Ober- und Unterteil aufweist, wird erfindungsgemäß zunächst nur ein den Schaufelbereich umfassendes Mittelteil in einer mit gleichzeitig aufgebauten Stützen gehaltenen Schräglage, in der die Begrenzungswände in einem Winkel < 45° zur Vertikalen verlaufen, additiv gefertigt. Nach Entfernung der Stützen wird in einer waagerechten Lage des Mittelteils auf der Bauplattform auf der Oberseite des Mittelteils das Oberteil und nach einem Wenden des mit dem angeformten Oberteil ausgebildeten Mittelteils auf dessen Unterfläche das Unterteil aufgebaut.In the manufacture of an impeller for a turbomachine by additive laser deposition melting or sintering applied to a construction platform powder layers, the one comprising a blade ring with at an angle greater than 45 ° extending boundary walls blade area and formed on the top and bottom of the upper and lower part According to the invention, only one central part, comprising the blade area, in an inclined position held at the same time with supports in which the boundary walls extend at an angle of <45 ° to the vertical is produced additively. After removal of the supports, the upper part is constructed in a horizontal position of the middle part on the construction platform on the upper side of the middle part and, after a turning of the formed with the molded upper part middle part on the lower surface of the lower part.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird beim Aufbau des Mittelteils in der Schräglage an die Außenumfangskanten der Begrenzungswände ein umlaufender Stützring angeformt, der bei der ohnehin erforderlichen spanenden Fertigbearbeitung des Laufrads wieder entfernt wird.According to a further feature of the invention, a circumferential support ring is formed during the construction of the central part in the inclined position to the outer peripheral edges of the boundary walls, which is removed in the already required machining finishing of the impeller again.

Mit dem Verfahren können Laufräder für Strömungsmaschinen, aber auch andere Bauteile mit üblicherweise abzustützenden Bereichen auf einfache Art ohne innere, schwer zugängliche und aufwändig wieder entfernbare Abstützung in hoher Oberflächenqualität durch Laserauftragsschmelzen oder -sintern additiv gefertigt werden.With the method impellers for turbomachinery, but also other components usually with areas to be supported in a simple way without inner, difficult to access and consuming again removable support in high surface quality by laser deposition melting or sintering additive be made.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:An embodiment of the invention will be explained in more detail with reference to the drawing. Show it:

1 eine perspektivische Ansicht eines Laufrades für eine Strömungsmaschine; 1 a perspective view of an impeller for a turbomachine;

2 eine Schnittansicht des in 1 gezeigten Laufrades; 2 a sectional view of the in 1 shown impeller;

3 eine Seitenansicht eines separat auf einer Bauplattform durch Lasersinterauftragsschmelzen gefertigten Mittelteils (Schaufelbereich) eines Laufrades; 3 a side view of a separately manufactured on a building platform by laser sintering melt center part (blade portion) of an impeller;

4 eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung des gemäß 3 gefertigten Laufradmittelteils; 4 an exploded perspective view of according to 3 finished impeller middle part;

5 das Anformen des Laufradoberteils an der oberen Seite des Laufradmittelteils; und 5 the molding of the impeller shell on the upper side of the Laufradmittelteils; and

6 das Anformen des Laufradunterteils durch Laserauftragsschmelzen an der unteren Seite des Laufradmittelteils. 6 the molding of the impeller lower part by laser deposition melting on the lower side of the Laufradmittelteils.

Wie die 1 und 2 zeigen, weist das einstückig durch schichtweises Laserauftragsschmelzen gefertigte Laufrad 1 ein den Schaufelbereich umfassendes Mittelteil 2 sowie ein an dessen Ober- und Unterseite angeformtes Oberteil 3 bzw. Unterteil 4 auf. Die im Mittelteil 2 angeordneten Schaufeln 5 bilden einen von beidseitigen Begrenzungswänden 6, 7 eingeschlossenen Schaufelkranz.As the 1 and 2 show, the impeller manufactured in one piece by layered laser deposition melting 1 a central part comprising the blade area 2 and a molded on the top and bottom shell 3 or lower part 4 on. The in the middle part 2 arranged blades 5 form one of two-sided boundary walls 6 . 7 enclosed blade ring.

In der in 2 gezeigten waagerechten Lage wären die Begrenzungswände 6, 7 bei der additiven Fertigung durch Laserauftragsschmelzen gegenüber der Vertikalen um mehr als 45° geneigt und müssten mit gleichzeitig aufgeschmolzenen Stützen gefertigt aufgebaut werden. Die nachträglich erforderliche Entfernung dieser Stützen ist jedoch mit einem erheblichen Aufwand verbunden. Zudem ist die Oberflächenbeschaffenheit im Bereich der entfernten Stützen nicht glatt und somit strömungsungünstig.In the in 2 shown horizontal position would be the boundary walls 6 . 7 in the additive manufacturing by laser deposition melting relative to the vertical inclined by more than 45 ° and would have to be built with simultaneously melted supports. The subsequently required removal of these supports is associated with a considerable effort. In addition, the surface texture in the area of the remote supports is not smooth and thus less favorable to the flow.

Im ersten Verfahrensschritt wird auf der Bauplattform 8 einer Laserauftragsschmelzanlage in einer in einem bestimmten Winkel (hier 45°) angeordneten Lage das die geneigten oberen und unteren Begrenzungswände 6 und 7 der Schaufeln 5 umfassende Mittelteil 2 separat hergestellt. Aufgrund der additiven Fertigung nur des Mittelteils in einer Schrägstellung verlaufen die Begrenzungswände 6, 7 in einem unter 45° liegenden Winkel und müssen daher nicht durch im Innern des Mittelteils 2 aufgebaute Stützen abgestützt werden. Der separate Aufbau des Mittelteils 2 auf der Bauplattform 8 in einer Schräglage erfolgt mithilfe von gleichzeitig aufgebauten, an der Unterfläche 9 des Mittelteils 2 angeformten Stützen 10, während die obere Begrenzungswand 6 an der unteren Begrenzungswand 7 über einen am Außenumfang des Mittelteils angeformten Stützring 11 abgestützt ist. Im Strömungsbereich des Mittelteils 2 kann somit eine glatte, strömungsgünstige Oberfläche erzeugt werden. Der Stützring 11 und die Stützen 10 können mit einfachen Mitteln wieder entfernt werden.In the first process step is on the building platform 8th a laser deposition melting plant in a position arranged at a certain angle (in this case 45 °) that the inclined upper and lower boundary walls 6 and 7 the blades 5 comprehensive middle section 2 made separately. Due to the additive production of only the middle part in an inclined position run the boundary walls 6 . 7 in an angle lying at 45 ° and therefore do not need through inside the middle part 2 supported supports are supported. The separate structure of the middle section 2 on the build platform 8th in an inclined position, by means of simultaneously constructed, on the lower surface 9 of the middle section 2 molded supports 10 while the upper boundary wall 6 on the lower boundary wall 7 via an integrally formed on the outer circumference of the central part support ring 11 is supported. In the flow area of the middle section 2 Thus, a smooth, streamlined surface can be generated. The support ring 11 and the supports 10 can be removed again with simple means.

Nach dem Entfernen der Stützen 10 wird in einem zweiten Verfahrensschritt das Mittelteil 2 in einer waagerechten Lage mit seiner Unterfläche 9 auf der Bauplattform 8 positioniert, um auf den oberen umlaufenden Kanten des Mittelteils 2 durch Laserauftragsschmelzen Schicht für Schicht das Oberteil 3 des Laufrades 1 anzuformen.After removing the supports 10 in a second process step, the middle part 2 in a horizontal position with its lower surface 9 on the build platform 8th positioned to rest on the upper circumferential edges of the midsection 2 Laser deposition melts layer by layer the top 3 of the impeller 1 to mold.

Im anschließenden dritten Verfahrensschritt wird das aus dem Mittel- und Oberteil bestehende Bauteil um 180° gedreht und mit dem Oberteil 3 auf der Bauplattform 8 positioniert. Auf der Unterfläche 9 des Mittelteils 2 wird dann durch Laserauftragsschmelzen schichtweise das Unterteil 4 des Laufrades aufgebaut.In the subsequent third process step, the component consisting of the middle and upper part is rotated through 180 ° and with the upper part 3 on the build platform 8th positioned. On the lower surface 9 of the middle section 2 Then, by laser deposition melting layer by layer, the lower part 4 built up of the impeller.

Von dem ohnehin zu bearbeitenden Umfangsrand des Laufrades 1 wird dann der Stützring 11 mit spangebenden Verfahren entfernt.From the anyway to be machined peripheral edge of the impeller 1 then becomes the support ring 11 removed with cutting processes.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
LaufradWheel
22
Mittelteil von 1 Middle part of 1
33
Oberteil von 1 Top of 1
44
Unterteil von 1 Lower part of 1
55
Schaufeln, Schaufelkranz von 2 Shovels, paddle wreath of 2
66
obere Begrenzungswand von 5 upper boundary wall of 5
77
untere Begrenzungswand von 5 lower boundary wall of 5
88th
Bauplattformbuilding platform
99
Unterfläche von 2 Lower surface of 2
1010
StützenSupport
1111
Stützringsupport ring

Claims (2)

Verfahren zur Herstellung eines Laufrades für eine Strömungsmaschine durch additives Laserauftragsschmelzen oder -sintern von auf eine Bauplattform aufgetragenen Pulverschichten, das einen einen Laufschaufelkranz mit unter einem Winkel von größer 45° verlaufenden Begrenzungswänden (6, 7) umfassenden Schaufelbereich sowie ein an dessen Ober- und Unterseite ausgebildetes Ober- und Unterteil (3, 4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst nur ein den Schaufelbereich umfassendes Mittelteil (2) in einer mit gleichzeitig aufgebauten Stützen (10) gehaltenen Schräglage, in der die Begrenzungswände (6, 7) in einem Winkel < 45° zur Vertikalen verlaufen, additiv gefertigt wird und nach Entfernung der Stützen (10) in einer waagerechten Lage des Mittelteils (2) auf der Bauplattform (8) auf der Oberseite des Mittelteils (2) das Oberteil (3) und nach einem Wenden des mit dem angeformten Oberteil (3) ausgebildeten Mittelteils (2) auf dessen Unterfläche (9) das Unterteil (4) aufgebaut wird.Process for producing an impeller for a turbomachine by means of additive laser deposition melting or sintering of powder layers applied to a construction platform, which comprises a rotor blade ring having boundary walls extending at an angle of greater than 45 ° (US Pat. 6 . 7 ) comprehensive blade area and formed on the top and bottom of the upper and lower part ( 3 . 4 ), characterized in that initially only a central part ( 2 ) in one with simultaneously constructed supports ( 10 ) inclined position, in which the boundary walls ( 6 . 7 ) at an angle <45 ° to the vertical, is manufactured additive and after removal of the supports ( 10 ) in a horizontal position of the middle part ( 2 ) on the build platform ( 8th ) on the top of the middle part ( 2 ) the top ( 3 ) and after turning the with the molded top ( 3 ) formed middle part ( 2 ) on its lower surface ( 9 ) the lower part ( 4 ) is constructed. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Aufbau des Mittelteils (2) an die Außenumfangskanten der Begrenzungswände (6, 7) ein umlaufender Stützring (11) angeformt wird, der bei der spanenden Fertigbearbeitung des Laufrads (1) wieder entfernt wird.A method according to claim 1, characterized in that in the construction of the middle part ( 2 ) to the outer peripheral edges of the boundary walls ( 6 . 7 ) a circumferential support ring ( 11 ) is formed, which during the machining finish of the impeller ( 1 ) is removed again.
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