DE102015207017B4 - Method for producing covered wheels - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Herstellung von gedeckelten Laufrädern (1) mit folgenden, zeitlich aufeinanderfolgenden Verfahrensschritten: – Bereitstellen eines offenen Laufrads (2) mit einer Anzahl von Schaufeln (3), wobei die Schaufeln (3) mit einer Außenkontur versehen sind, – Auffüllen der Räume zwischen den Schaufeln (3) mittels Kaltgasspritzens bis zur Bildung einer mit den Außenkonturen der Schaufeln (3) bündigen Oberfläche (6) zur Bildung einer Stützstruktur (5), – Durchführen eines generativen Fertigungsprozesses zum Aufbringen einer Deckschicht (4) auf die Oberfläche (6), – Entfernen der Stützstruktur (5).Method for producing covered wheels (1) with the following successive steps: - providing an open impeller (2) with a number of blades (3), the blades (3) being provided with an outer contour, - filling the spaces between the blades (3) by means of cold gas spraying until the formation of a surface (6) flush with the outer contours of the blades (3) to form a support structure (5), - performing a generative manufacturing process for applying a cover layer (4) to the surface (6) , - Remove the support structure (5).
Description
Die vorliegende Anmeldung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von gedeckelten Laufrädern, insbesondere von gedeckelten Impellern oder Blisks.The present application relates to a method for the production of capped wheels, in particular of capped impellers or blisks.
Laufräder, insbesondere Impeller oder Blisks, kommen in Strömungsmaschinen zum Einsatz, um Fluide durch mechanische Arbeit zu verdichten, oder um durch das entspannen von Fluiden mechanische Arbeit zu verrichten. Laufräder können offen ausgeführt sein, was bedeutet, dass die Schaufeln tangential zu einem stationären Gehäuse rotieren oder geschlossen, wobei die Schaufeln fest mit einem Gehäuse verbunden sind. Geschlossene Laufräder haben gegenüber offenen Laufrädern einen höheren Wirkungsgrad, da hier der Reibungswiderstand des Fluids zu dem stationären Gehäuse geringer ausfällt.Impellers, especially impellers or blisks, are used in turbomachinery to compress fluids by mechanical work or to perform mechanical work by relaxing fluids. Impellers can be made open, which means that the blades rotate or close tangentially to a stationary casing, with the blades being fixedly connected to a casing. Closed wheels have a higher efficiency compared to open wheels, since here the frictional resistance of the fluid to the stationary housing is lower.
Es sind verschiedene Herstellungsverfahren für geschlossene Impeller bekannt. So können die Strömungskanäle beispielsweise durch ein Gießverfahren hergestellt werden. Hierbei ist allerdings in hinterschnittigen Bereichen keine Nacharbeit möglich. Bei dünnwandigen Strukturen sind darüber hinaus der Maßhaltigkeit Grenzen gesetzt.There are several known methods for producing closed impellers. Thus, the flow channels can be produced for example by a casting process. However, no rework is possible in undercut areas. With thin-walled structures dimensional limitations are also limited.
In
Weiterhin findet häufig das Schweißen der Laufräder aus zwei oder mehr Teilen Anwendung. Hierbei werden die Einzelteile des Laufrads konventionell zerspant und dann so gefügt, dass das geschlossene Laufrad entsteht. Nachteilig an Schweißverfahren sind die Schweißnähte selbst, die sich als potentielle Schwachstelle erweisen können und der Verzug am Bauteil, der durch den hohen thermischen Energieeintrag entsteht.Furthermore, often the welding of the wheels of two or more parts application. Here, the individual parts of the impeller are conventionally machined and then joined so that the closed impeller is created. A disadvantage of welding processes are the welds themselves, which can prove to be a potential weak point and the distortion on the component, which results from the high thermal energy input.
Eine weitere Fügemethode der Laufräder ist das Löten, wodurch der starke Verzug des Schweißens verhindert werden kann. Hier ist allerdings die Lötstelle immer auch eine potentielle Schwachstelle.Another joining method of the wheels is the soldering, whereby the strong distortion of the welding can be prevented. Here, however, the solder joint is always a potential vulnerability.
Weiterhin ist aus
In der
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von gedeckelten Laufrädern bereitzustellen, das eine geringe Fertigungszeit aufweist und eine definierte Oberflächengüte im Strömungskanal liefert. Des Weiteren sollen fertigungsbedingte Schwachstellen, wie insbesondere Schweißnähte oder Lötstellen, vermieden werden.The object of the invention is to provide a method for the production of capped wheels, which has a low production time and provides a defined surface quality in the flow channel. Furthermore, production-related weak points, such as in particular welds or solder joints, should be avoided.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs.The solution of this object is achieved by the features of the independent claim.
Ein konventionelles offenes Laufrad wird mit einer Stützstruktur verfüllt, so dass ein Randbereich der Schaufeln mit der Stützstruktur bündig abschließt. Die dadurch entstehende Fläche dient als Substrat für einen generativen Fertigungsprozess. Dadurch wird die geringe Fertigungsdauer und hohe Oberflächengüte bei der zerspanenden Fertigung von offenen Impellern oder Blisks kombiniert mit den Gestaltungsmöglichkeiten eines generativen Fertigungsverfahrens. Des Weiteren entfallen fertigungsbedingte Schwachstellen wie Schweißnähte oder Lötstellen. Das Aufbringen der Stützstruktur erfolgt mittels Kaltgasspritzen. Dabei werden metallische Partikel mit einem Trägergas auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt, indem das komprimierte Trägergas, insbesondere mittels einer Lavaldüse, entspannt wird und dabei hohe Gasgeschwindigkeiten erreicht.A conventional open impeller is filled with a support structure, so that an edge region of the blades is flush with the support structure. The resulting surface serves as a substrate for an additive manufacturing process. As a result, the short production time and high surface quality in the machining production of open impellers or blisks are combined with the design possibilities of a generative manufacturing process. Furthermore, production-related weaknesses such as welds or solder joints are eliminated. The application of the support structure by means of cold gas spraying. In this case, metallic particles are accelerated with a carrier gas to supersonic speed by the compressed carrier gas, in particular by means of a Laval nozzle, is relaxed and thereby reaches high gas velocities.
Dadurch, dass die metallischen Partikel beim Aufprall auf das Substrat nicht aufgeschmolzen werden, sind die thermischen Spannungen geringer und der Verzug des Bauteils kleiner.The fact that the metallic particles are not melted upon impact with the substrate, the thermal stresses are lower and the distortion of the component smaller.
Es hat sich überraschend gezeigt, dass die Oberfläche, die als Substrat für den generativen Fertigungsprozess dient, selbst bei einer Herstellung mittels Kaltgasspritzen eine hervorragende Güte zum Durchführen des generativen Fertigungsprozesses aufweist. Somit ist durch die Verwendung des Kaltgasspritzens einerseits ein Verfahren mit wenig Aufwand vorhanden, das durch geringe thermische Spannungen sehr bauteilschonend ist, wobei andererseits die Durchführung des generativen Fertigungsprozesses direkt auf der kaltgasgespritzten Stützstruktur ausgeführt werden kann. Somit ist insbesondere ein zusätzlicher, aufwendiger Schritt der Oberflächenbearbeitung der Stützstruktur vermieden. It has surprisingly been found that the surface, which serves as a substrate for the generative manufacturing process, even with a production by means of cold gas spraying has an excellent quality for performing the generative manufacturing process. Thus, the use of the cold gas spraying on the one hand, a method with little effort available, which is very component gentle due to low thermal stresses, on the other hand, the implementation of generative manufacturing process can be performed directly on the cold gas injected support structure. Thus, in particular an additional, complex step of the surface treatment of the support structure is avoided.
Der Begriff generatives Fertigungsverfahren bezeichnet hierbei ein Urformen von Erzeugnissen aus formlosem Material, wie insbesondere Flüssigkeiten oder Pulver, oder formneutralem, insbesondere band- oder drahtförmigem, Material mittels chemischer und/oder physikalischer Prozesse.The term generative manufacturing process refers here to a primary molding of products of informal material, such as in particular liquids or powders, or form neutral, in particular band or wire-shaped material by means of chemical and / or physical processes.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist die Herstellung von geschlossenen Laufrädern nicht mehr durch die Erreichbarkeit mit Zerspanungswerkzeugen beschränkt, da offene Laufräder auch mit komplizierten Schaufelformen mit konventionellen Zerspanmethoden gut herstellbar sind.With the method according to the invention, the production of closed wheels is no longer limited by the accessibility with cutting tools, since open wheels are easy to produce even with complicated blade shapes with conventional Zerspanmethoden.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die folgenden Schritte, welche in der dargestellten Reihenfolge ausgeführt werden. Zunächst wird ein offenes Laufrad mit einer Anzahl von Schaufeln, wobei die Schaufeln mit einer Außenkontur versehen sind, bereitgestellt. In einem nächsten Schritt werden der Räume zwischen den Schaufeln mittels Kaltgasspritzens bis zur Bildung einer mit den Außenkonturen der Schaufeln bündigen Oberfläche zur Bildung einer Stützstruktur aufgefüllt. Dann erfolgt die Durchführung eines generativen Fertigungsprozesses zum Aufbringen einer Deckschicht auf die Oberfläche. Schließlich wird die Stützstruktur entfernt. Somit ist ein gedeckeltes Laufrad vorhanden, wobei insbesondere keine fertigungsbedingten Schwachstellen vorhanden sind.The method according to the invention comprises the following steps, which are carried out in the order shown. First, an open impeller with a number of blades, the blades being provided with an outer contour is provided. In a next step, the spaces between the blades are filled up with cold gas spraying until the formation of a surface which is flush with the outer contours of the blades and forms a support structure. Then, the implementation of a generative manufacturing process for applying a cover layer to the surface. Finally, the support structure is removed. Thus, a capped impeller is present, in particular, no production-related weaknesses are present.
Die Unteransprüche haben bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.The dependent claims have preferred developments of the invention to the content.
Die Stützstruktur wird insbesondere durch Korrosion entfernt.The support structure is removed in particular by corrosion.
Weiterhin ist besonders vorteilhaft vorgesehen, dass die Oberfläche vor Durchführung des generativen Fertigungsprozesses spanend bearbeitet wird. So ist insbesondere die Außenkontur von Schaufeln des offenen Laufrads bearbeitbar. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt somit auf einfache Art und Weise, die Geometrie des offenen Laufrads vor Aufbringen der Deckschicht zu verändern.Furthermore, it is particularly advantageous that the surface is machined before carrying out the generative production process. Thus, in particular, the outer contour of blades of the open impeller is machined. The inventive method thus allows in a simple manner to change the geometry of the open impeller before applying the cover layer.
Das offene Laufrad und/oder die Deckschickt sind vorteilhafterweise aus metallischen Werkstoffen gefertigt. Alternativ ist das erfindungsgemäße Verfahren auch auf andere Werkstoffe, wie insbesondere Kunststoff, anwendbar, so dass das offene Laufrad und/oder die Deckschicht bevorzugt auch aus diesen anderen Werkstoffen gefertigt sein können.The open impeller and / or the Deckschickt are advantageously made of metallic materials. Alternatively, the method according to the invention can also be applied to other materials, in particular plastic, so that the open running wheel and / or the cover layer can preferably also be made from these other materials.
In einer Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem generativen Prozess um Kaltgasspritzen. Besonders vorteilhaft erfolgt somit sowohl das Aufbringen der Stützstruktur als auch das Aufbringen der Deckschicht mittels demselben Verfahren, nämlich dem Kaltgasspritzen. Dabei ist vorteilhafterweise das zu verwendende Material unterschiedlich, so dass sich das Material der Stützstruktur von dem Material der Deckschicht unterscheidet. Durch die Verwendung eines einheitlichen Verfahrens ist der gesamte Herstellungsprozess sehr einfach und kostengünstig, da lediglich eine maschinelle Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens bereitgehalten werden muss. Zur weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird ein mit Wasser korrodierbares Material als Stützstruktur verwendet. Insbesondere bildet thermisch gespritztes Magnesium mit Stahl einen leicht korrodierbaren Werkstoffverbund. Dieser lässt sich schnell mit Wasser auswaschen und ist daher unproblematischer als die Verwendung von Salpetersäure, und weniger aufwendig als abrasives Wasserstrahlen.In one embodiment of the invention, the generative process is cold gas spraying. Thus, both the application of the support structure and the application of the cover layer by means of the same method, namely the cold gas spraying, are carried out particularly advantageously. In this case, advantageously, the material to be used is different, so that the material of the support structure differs from the material of the cover layer. By using a uniform method, the entire manufacturing process is very simple and inexpensive, since only a mechanical device for carrying out a process has to be kept ready. For further embodiment of the invention, a water-corrodible material is used as a support structure. In particular, thermally sprayed magnesium with steel forms an easily corrodible composite material. This can be quickly washed out with water and is therefore less problematic than the use of nitric acid, and less expensive than abrasive water jets.
Ein Randbereich der Schaufeln des offenen Laufrads ist vorteilhafterweise derart geformt, dass eine formschlüssige Kraftübertragung der Deckschicht an die Schaufeln gewährleistet ist. Dazu sind die Randbereiche der Schaufeln vorteilhafterweise mit einer konvexen Kontur versehen. Somit werden lokale Spannungsspitzen innerhalb des gedeckelten Laufrads vermieden, da durch den Formschluss bereits eine Kraftübertragung möglich ist.An edge region of the blades of the open impeller is advantageously shaped such that a positive force transmission of the cover layer is ensured to the blades. For this purpose, the edge regions of the blades are advantageously provided with a convex contour. Thus, local voltage peaks are avoided within the capped impeller, as already by the positive connection a power transmission is possible.
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass das gedeckelte Laufrad ein gedeckelter Impeller oder ein gedeckelter Blisk ist.Furthermore, it is preferably provided that the capped impeller is a capped impeller or a capped blisk.
Schließlich ist bevorzugt vorgesehen, dass das offene Laufrad zerspanend hergestellt wird. Somit erfolgt besonders bevorzugt der zuvor genannte Schritt des Bereitstellens des offenen Laufrads derart, dass ein zerspanend hergestelltes offenes Laufrad bereitgestellt wird. Alternativ ist bevorzugt vorgesehen, dass dieser Schritt durch die zerspanende Herstellung eines offenen Laufrads ersetzt wird.Finally, it is preferably provided that the open impeller is produced by machining. Thus, particularly preferably, the aforementioned step of providing the open impeller is such as to provide a machined open impeller. Alternatively, it is preferably provided that this step is replaced by the machining production of an open impeller.
Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels unter Berücksichtigung der beigefügten Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen ist:The invention will now be described with reference to an embodiment in consideration of attached drawings described in detail. In the drawings:
In einem zweiten Schritt wird auf das offene Laufrad
Das Aufbringen der Stützstruktur
Die Oberfläche
In
Es ist somit ersichtlich, dass das gezeigte Verfahren sehr zeitsparend und einfach und damit kostengünstig durchführbar ist. Weiterhin werden thermische Belastungen des gedeckelten Laufrads
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- gedeckeltes Laufradcapped impeller
- 22
- offenes Laufradopen impeller
- 33
- Schaufelshovel
- 44
- Deckschichttopcoat
- 55
- Stützstruktursupport structure
- 66
- Oberflächesurface
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Legal Events
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R016 | Response to examination communication | ||
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