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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Anstreifdichtungen.
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Anstreifdichtungen in Systemen mit Rotation, etwa in Flugzeug- oder Gasturbinen unterliegen besonderen Anforderungen. Sie dürfen beim Anstreifvorgang nicht schmieren, nicht brechen und möglichst die Turbinenwand vor Temperaturstress schützen. Außerdem sollen die Dichtungen möglichst dünnwandig sein, um den Verschleiß gering zu halten. Bisher werden oft einfache umformbare Metallstrukturen eingesetzt, bei denen die Werkstoffvielfalt eingeschränkt ist. Daherwerden in der jüngeren Vergangenheit verstärkt pulvermetallurgisch hergestellte Formen erforscht. Durch den Einsatz von Metallschäumen oder miteinander versinterten metallischen Hohlkugeln lassen sich keine definierten Strukturen mit gezielt angeordneten Hohlräumen herstellen, was zu undefinierten Betriebszuständen während des Einsatzes und zu Verschleiß führen kann. Es kann auch ein lokal differenzierter Werkstoffabtrag auftreten und sich nachteilig auf das Betriebsverhalten auswirken.
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Bestimmte Werkstoffe, insbesondere solche, die bei sehr hohen Temperaturen eingesetzt werden sollen, lassen sich häufig schwer umformen und dementsprechend nicht als Material für Anstreifdichtungen einsetzen.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten für die Herstellung von Anstreifdichtungen anzugeben, mit denen diese definiert und reproduzierbar zur Verfügung gestellt werden können.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 realisiert, erfüllt. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zumindest der dichtende Bereich mit in mehreren Ebenen übereinander angeordneten Hohlräumen durch dreidimensionales Siebdrucken unter Einsatz einer ein Metall- oder Keramikpulver enthaltenden Paste und anschließendes Sintern ausgebildet.
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Mittels dreidimensionalen Siebdrucks können sowohl dünne Wandstrukturen ab 40 μm Wandstärke, als auch beliebige Werkstoffe eingesetzt werden, um die Vorgaben zu erfüllen. Dazu können beliebige, den jeweiligen Ansprüchen beim Einsatz entsprechende Designs genutzt werden. Mit dem dreidimensionalen Siebdruckverfahren werden die Anstreifdichtungen Schicht für Schicht aus einer Paste gedruckt, entbindert und gesintert. Dabei können auch unterschiedliche Siebe mit verschiedenen Designs verwendet werden, die passgenau platziert werden, so dass eine dreidimensionale Struktur entsteht. Dabei ist auch die Ausbildung geschlossener Hohlräume möglich, um in der Höhe segmentierte Hohlraumstrukturen mit kleineren Innenvolumina für eine höhere Abdichtwirkung zu generieren. Zumindest einige der Hohlräume können nach dem Siebdrucken durch Wände allseitig geschlossen sein.
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Dabei müssen es nicht notwendigerweise rechteckige Strukturen gemeint sein. Möglich sind auch beliebige Strukturen, wie solche mit unterschiedlichen mehreckigen, runden, ovalen Querschnitten oder es ist auch eine kreuzförmige Ausbildung möglich, bei der Kreuze ineinander greifen. Die Ausbildung der Wände, die Hohlräume umschließen können lateral und horizontal beliebig miteinander kombiniert werden.
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So können Hohlräume in Form senkrechter Kanäle mit Zwischenböden sein, die in unterschiedlichen Ebenen in denen Zwischenböden angeordnet sind, versetzt zueinander angeordnet sein können.
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Zwischenböden können aber auch in beliebigen auch unterschiedlichen Ebenen angeordnet sein, so dass auch ein Versatz in vertikaler Richtung möglich ist.
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Als metallische Werkstoffe können bevorzugt diverse Metalle oder Metalllegierungen, besonders bevorzugt hochtemperaturbeständige Metalle oder Metalllegierungen, z. B. Nickelbasislegierungen oder FeCrAl-Legierungen, eingesetzt werden. Bei sehr hohen Temperaturen und dann geringerer mechanischer Belastung kann auch keramisches Pulver, beispielsweise Zirkonoxid oder Aluminiumoxid für die Herstellung eingesetzt werden.
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Wände oder Zwischenböden, die Hohlräume umschließen und/oder voneinander trennen, können mit einer Wandstärke im Bereich zwischen 40 μm bis 150 μm, bei einer Höhe bzw. Breite bis 20 mm durch dreidimensionales Siebdrucken und anschließendes Sintern ausgebildet werden. Die Hohlräume können freie Querschnitte im Bereich 0,5 mm bis 4 mm aufweisen, wodurch eine sehr gute Anpassung an das jeweils gewünschte Abdichtverhalten erreicht werden kann. Es ist nicht nur die Anpassung der Dimensionierung mittels des dreidimensionalen Siebdruckens möglich. Vielmehr können auch die Positionen der Hohlräume einer Anstreifdichtung je nach Bedarf eingehalten werden, so dass Wände und Zwischenböden genau dort angeordnet werden, wie es bei der Konstruktion vorgegeben worden ist.
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Beim dreidimensionalen Siebdrucken wird üblicherweise so vorgegangen, dass ein Bauteil schichtweise mit einer ein zum Sintern geeignetes Pulver enthaltenden Paste aufgebaut wird. Die Paste wird dabei mit einem Rakel durch Öffnungen gepresst, die in einem oder mehreren Sieb(en) ausgebildet sind. Nach einer vorgebbaren Anzahl aufgetragener Schichten, bevorzugt nach jedem Auftrag einer Schicht sollte eine Trocknung oder Härtung erfolgen.
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Nach Fertigstellung der gewünschten Geometrie mit der gewünschten Dimensionierung kann das so erhaltene Grünelement allein oder gemeinsam mit einem Substrat, auf dem es aufgebaut worden ist, bei einer thermischen Behandlung gesintert werden. Erfolgt dabei ein Ansintern des Grünelements an das Substrat kann ein Verbundbauteil bei dieser thermischen Behandlung hergestellt werden.
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Da aber Anstreifdichtungen in rotierenden Systemen eingesetzt werden, ist auch eine entsprechend gekrümmte Form gewünscht. Diese könnte zwar nach dem Sintern durch mechanischen Werkstoffabtrag erhalten werden. Da dies aber sehr aufwändig ist und ein hoher Werkstoffverbrauch die Folge wäre, kann man vorteilhaft auch anders vorgehen.
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Hierbei wird der Siebdruckpaste mindestens ein Weichmacher mit einer Menge zugegeben, die nach dem Trocken eine plastische Verformbarkeit des Grünelements sicherstellt und eine definierte Umformung ermöglicht. Dabei können die siebgedruckten Grünelemente, z. B. in ein konkav gekrümmtes Substrat eingebracht oder auf ein konvex gekrümmtes Substrat aufgelegt werden, das bei der Sinterung die Form definiert. Dabei kann das plastisch verformbare Grünelement auf eine Oberfläche eines Substrats aufgelegt werden, die die gewünschte gekrümmte Kontur mit dem entsprechend gewünschten Radius aufweist. Im nach außen weisenden Randbereich eines Grünelements sollten Hohlräume beim Siebdrucken ausgebildet worden sein.
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Der mindestens eine Weichmacher sollte in einer Menge im Bereich 1 Masse-% bis 10 Masse-% der Paste zugegeben und mit den Partikeln sowie dem organischen Binder homogen vermischt werden. Als Weichmacher kann/können Glycerin, Polypropylenglycol, Polyethylenglycol und/oder Triacetin eingesetzt werden. Der erreichbare Umformgrad liegt bei Radien bis herunter zu 100 mm.
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Beim Auflegen kann auch ein Druck auf das Grünelement ausgeübt werden, mit dem dieses gegen die Substratoberfläche gepresst wird. Eine zusätzliche Fixierung eines Grünelements an einem gekrümmten Substrat kann auch mit Klammern erreicht werden, die am äußeren Rand angreifen können.
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Es können auch mehrere Grünelemente auf eine Substratoberfläche aufgebracht werden, die sich an die Oberflächenkontur des Substrats anpassen können. Das Substrat kann lediglich die Funktion einer Form haben und das gesinterte aus dem Grünelement erhaltene Teilsegment einer Anstreifdichtung dann abgenommen werden.
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Es besteht aber auch die Möglichkeit, das Grünelement an das Substrat anzusintern und die Teile so stoffschlüssig miteinander zu verbinden, wenn beide gemeinsam gesintert werden und dazu eine geeignete Werkstoffpaarung für das Grünelement und das Substrat gewählt worden sind. Auf diese Art und Weise können Teilsegmente einer Anstreifdichtung als Verbundbauteile hergestellt werden.
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Alternativ kann das Grünelement an der gekrümmten Oberfläche des Substrats durch Löten dort fixiert und stoffschlüssig verbunden werden. Dabei kann zum Löten eine zusätzlich vorher eingelegte Lotschicht genutzt werden. Auch in diesem Fall kann ein Verbundbauteil erhalten werden.
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Alternativ kann das Grünelement direkt auf eine Lotfolie oder eine mit Lot beschichtete Folie gedruckt werden, die zusammen mit dem Grünelement umgeformt und auf das anzufügende Substrat aufleget wird.
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Zusätzlich oder allein zu einer stoffschlüssigen Verbindung kann auch Formschluss zwischen dem gesinterten Grünelement und dem Substrat für die Verbindung genutzt werden. Dabei kann an der der Substratoberfläche zugewandten Seite des Grünelements mindestens eine Erhebung mit einer Kontur beim Siebdrucken ausgebildet werden, die in mindestens eine entsprechend komplementär ausgebildete Vertiefung, die in der Oberfläche des Substrats ausgebildet ist, eingeführt werden kann. So kann beispielsweise eine Schwalbenschwanzverbindung oder mit mehreren Erhebungen, die in entsprechende Vertiefungen eingeführt werden, ein verbesserter Halt zwischen dem fertig gesinterten Grünelement und dem Substrat erreicht werden, die dann beide gemeinsam ein Verbundbauteil bilden.
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Selbstverständlich kann eine formschlüssige Verbindung auch umgekehrt mit mindestens einer Vertiefung am Grünelement und einer Erhebung am Substrat erreicht werden.
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Bei einem Substrat, das als Kreisringsegment ausgebildet ist, kann eine formschlüssige Verbindung auch mit an den äußeren Rändern eines Grünelements ausgebildeten Hinterschneidungen erreicht werden, mit denen die äußeren seitlichen Ränder des Substrats umgriffen werden, wenn das Grünelement beispielsweise von einer Stirnseite auf das Substrat aufgeschoben wird und dabei an die gekrümmte Oberflächenform des Substrats angepasst wird.
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Da es günstiger ist eine kreisförmige Anstreifdichtung aus mehreren in einem Radius gekrümmten Teilsegmenten herzustellen, sollten eine entsprechende Anzahl an Teilsegmenten gefertigt werden, die zu einer Anstreifdichtung zusammen gesetzt werden können. Dabei können, wie vorab beschrieben Teilsegmente als Grünelemente durch dreidimensionales Siebdrucken, verformen an einem gekrümmten Substrat und Sinterung in einem ringförmigen Element montiert und daran fixiert werden. Dabei können die Teilsegmente an ihren beiden Stirnseiten so konturiert sein, dass durch komplementäre Konturen eine formschlüssige Verbindung der Teilelemente erreicht werden kann. So kann/können an den Stirnseiten beispielsweise keilförmige oder fingerförmige Konturen vorhanden und dabei an den Stirnseiten jeweils versetzt zueinander angeordnet sein, so dass ein Ineinandergreifen von Keilen oder Fingern bei der Montage den Formschluss ermöglicht.
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Ähnlich kann auch bei den vorab beschriebenen Teilsegmenten, die als Verbundbauteil eingesetzt werden können, vorgegangen werden. Dabei kann ein Teilsegment mit einem radial außen angeordneten in einem Radius gekrümmten, schalenförmigen Substratelement und an der nach innen weisenden Oberfläche mit einem aus einem Grünelement erhaltenen gesinterten, die Funktion der Anstreifdichtung erfüllenden Teil gebildet sein. Mehrere solcher Teilsegmente können dann zu einem geschlossenen Ring montiert werden, wobei die in einem Radius gekrümmten außen angeordneten Teile die tragende Funktion erfüllen können. Zusätzlich zu einer formschlüssigen Verbindung können die Teilsegmente auch stoffschlüssig miteinander verbunden werden, was durch Schweißen, Löten oder Kleben erreicht werden kann.
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Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
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Dabei zeigen:
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1 in einer schematischen Schnittdarstellung eines Beispiels einer herstellbaren Anstreifdichtung und
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2 mehrere Beispiele für Querschnittsformen und Anordnungen von Hohlräumen, wie sie bei einer Anstreifdichtung eingesetzt werden können.
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Bei dem in 1 gezeigten Beispiel wurden durch dreidimensionalen Siebdruck mehrere Hohlräume mit vertikalen Wandstrukturen 1 und bei diesem Beispiel horizontal ausgerichteten Zwischenböden 2 und 3 aus Inconel Legierung 718 hergestellt. Die Wandstrukturen 1 und die Zwischenböden hatten eine Wandstärke von 100 μm. Die lichte Weite der Hohlräume zwischen den Wandstrukturen 1 und den Zwischenböden 2 und 3 betrug jeweils 2 mm bis 3 mm. Die Zwischenböden 2 und die Zwischenböden 3 waren in verschiedenen Ebenen angeordnet, so dass eine in vertikaler Richtung versetzte Anordnung der Hohlräume ergibt. Im Gegensatz zur Darstellung können auch andere Anordnungen gewählt werden, bei denen sich beispielsweise von Ebene zu Ebene die Größe der Hohlräume und/oder die Wandstärke von Wandstrukturen und/oder Zwischenböden verändert. Außerdem ist der Einfachheit halber auf die Darstellung eines in einem Radius gekrümmten Anstreifdichtungssegments verzichtet worden.
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In 2 sind mehrere Möglichkeiten für die Ausbildung von Hohlräumen für Anstreifdichtungen in Draufsicht dargestellt. Die gezeigten Hohlräume weisen sechseckige, achteckige oder kreisförmige Querschnitte durch entsprechenden Siebdruck der Wandstrukturen 1 auf. Rechts oben ist eine Anordnung von ineinander greifenden Kreuzen dargestellt.
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Für die Herstellung eines Bauteils ähnlich, wie es in der 1 gezeigt ist, werden zwei Drucksiebe benötigt. Beim ersten Drucksieb ist die Siebbeschichtung so ausgelegt, dass die Wände der Wandstrukturen 1 in einer Stärke von 120 μm gedruckt werden. Die Wände stehen dabei so zueinander, dass sich in der Aufsicht eine sechseckige Honigwabenzellstruktur mit lateralen Kantenlängen von 200 mm × 30 mm ergibt. Der Abstand nebeneinander angeordneter Wände ist dabei 1 mm. Das zweite Drucksieb ist dagegen in der entsprechenden lateralen Größe 200 mm × 30 mm offen ausgelegt.
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Beim Druckvorgang wird mit einer wasserbasierten Paste, die eine 3%-ige Lösung aus Methylcellulose als organischen Binder und in Bezug auf die Binderlösung 5% Glycerin als Weichmacher enthält, die IN718 Partikel (Nickelbasislegierung) mit einer mittleren Partikelgröße von 5 μm enthält, zunächst mit dem ersten Sieb schichtweise die Honigwabenstruktur aufgebaut. In diesem Beispiel wurden in 140 Lagen etwa 2100 μm hohe Wände aufgebaut. Nach einem Siebwechsel wurde mit dem zweiten Sieb weitergedruckt. Dabei wurde das zweite Sieb passgenau so über die bereits gedruckten Strukturen positioniert, dass bei dem nachfolgenden Drucken die Zwischenböden 2, 3 ausgeformt wurden. Dabei wurden die Wände frei ohne Stützstruktur überbrückt. Die Dicke von Zwischenböden 2, 3 wurde in sieben Druckvorgängen auf etwa 100 μm aufgebaut. Anschließend wurde wieder mit dem ersten Sieb weitergedruckt, wobei das erste Sieb so positioniert wurde, dass es genau über den bereits gedruckten Wänden ausgerichtet wurde. Anschließend wurde, wie bereits beschrieben, im Wechsel von erstem Sieb und zweiten Sieb weiter verfahren, so dass nach Beendigung des Druckvorgangs ein Grünelement entstanden war, dass eine Gesamthöhe von 8,4 mm aufwies und bei dem bei 2,1 mm, 4,2 mm und 6,3 mm Zwischenböden von 100 μm Dicke integriert waren. Das fertige Bauteil wurde grün umgeformt und in eine radialsymmetrische Form gebracht. Bei der anschließenden Wärmebehandlung bei 1250°C unter Wasserstoffatmosphäre für 3 Stunden erfolgte die Sinterung.
