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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Gasturbinen zur Energieerzeugung und insbesondere Verfahren zur Erzeugung von Verbundbauteilen für Gasturbinen.
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HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
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Es sind Verbundwerkstoffe mit keramischer Matrix(CNC(Ceramic Matrix Composite)-Werkstoffe) als Materialien für bestimmte Komponenten von Gasturbinen, wie beispielsweise die Turbinenschaufeln, Leitschaufeln, Leitapparate und Laufschaufeln, vorgeschlagen worden. Es sind verschiedene Verfahren zur Fertigung von CNC-Bauteilen bekannt, zu denen Silicomp, Schmelzinfiltration (MI, Melt Infiltration), chemische Gasphaseninfiltration (CVI, Chemical Vapor Infiltration), Polymerinfiltration und Pyrolyse (PIP, Primer Inflation Pyrolysis) und Oxid/Oxid-Prozesse gehören. Obwohl sich diese Fertigungsmethoden deutlich voneinander unterscheiden, umfasst jede den Einsatz der Handlaminierung und von Werkzeugen und Formen, um ein endkonturnahes Bauteil durch einen Prozess zu erzeugen, der die Anwendung von Wärme in verschiedenen Bearbeitungsstufen umfasst.
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Die Erzeugung von CNC-Bauteilen umfasst eine Anzahl von Schritten, einschließlich der Verwendung von Vorformen, wie beispielsweise Dornen oder Gussformen. Zuerst werden mehrere CNC-Fasern auf einem Stahl- oder Aluminiumdorn aufgelegt. Die Fasern werden in einem vorbestimmten Muster aufgelegt, um eine gewünschte endgültige oder endkonturnahe Gestalt und gewünschte mechanische Eigenschaften der Komponente zu schaffen. Nachdem die Fasern aufgelegt worden sind, wird ein Bindemittel aus den Fasern durch einen Ausbrennzyklus entfernt, währenddessen der Dorn der Komponente Halt und Festigkeit bietet.
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Die Gestalt des Dorns, auf dem die CNC-Fasern aufgelegt sind, ergibt die Gestalt der CNC-Komponente. Jedoch ist die Gestalt der Dorne auf Formen begrenzt, die in herkömmlicher Weise maschinell hergestellt werden können. An sich ist die Gestalt des CNC-Bauteils auf die Formen beschränkt, die in herkömmlicher Weise ohne weitere Bearbeitung maschinell erzeugt werden können. Außerdem kann aufgrund des maschinellen Herstellungsprozesses zur Erzeugung von Dornen aus Stahl oder Aluminium die Herstellung der Dorne bis zur Fertigstellung Wochen oder Monate in Anspruch nehmen.
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Ein Bauteil und ein Verfahren, die eine oder mehrere Verbesserungen im Vergleich zu dem Stand der Technik zeigen, würden in der Technik erwünscht sein.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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In einem Aspekt enthält ein Verbundwerkzeug einen dreidimensional gedruckten Polymerkörper, wobei der Körper eine Geometrie aufweist, die wenigstens einer Oberfläche eines Gasturbinenbauteils entspricht, und eine über dem Körper liegende Beschichtung, wobei die Beschichtung dem gedruckten Polymerkörper eine höhere Beständigkeit gegen Wärmebeanspruchung als ein unbeschichteter gedruckter Polymerkörper verleiht.
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In dem zuvor erwähnten Verbundwerkstoff kann die höhere Beständigkeit gegen Wärmebeanspruchung ein Überstehen der Beanspruchung mit einer Temperatur, die größer ist als die Glasübergangstemperatur des dreidimensional gedruckten Polymerkörpers, enthalten.
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Jedes vorstehend erwähnte Verbundwerkzeug kann ein Dorn sein.
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In einer Ausführungsform eines beliebigen vorstehend erwähnten Verbundwerkzeugs kann der dreidimensional gedruckte Körper mehrere Segmente enthalten.
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Insbesondere können die mehreren Segmente Segmente enthalten, die aneinanderfügbar sind, um die Geometrie zu bilden, die wenigstens einer Oberfläche eines Gasturbinenbauteils entspricht.
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In einigen Ausführungsformen eines beliebigen vorstehend erwähnten Verbundwerkzeugs kann die Beschichtung ein Material aufweisen, das aus Kupfer, Nickel und Kombinationen von diesen ausgewählt ist.
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In dem Verbundwerkzeug einer beliebigen vorstehend erwähnten Art kann das Gasturbinenbauteil entweder eine Turbinenlaufschaufel oder ein Deckband sein.
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In einem weiteren Aspekt enthält ein Verfahren zur Erzeugung eines Verbundwerkzeugs ein Drucken eines dreidimensionalen Polymerkörpers, wobei der Körper eine Geometrie aufweist, die wenigstens einer Oberfläche eines Gasturbinenbauteils entspricht, und Aufbringen einer Beschichtung auf den Polymerkörper, wobei die Beschichtung dem gedruckten Polymerkörper eine höhere Beständigkeit gegen Wärmebeanspruchung als ein unbeschichteter gedruckter Polymerkörper bietet.
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In dem zuvor erwähnten Verfahren kann die höhere Beständigkeit gegen Wärmebeanspruchung ein Überstehen der Beanspruchung mit einer Temperatur enthalten, die größer ist als die Glasübergangstemperatur des dreidimensional gedruckten Polymerkörpers.
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Die höhere Beständigkeit gegen Wärmebeanspruchung kann ein Überstehen eines oder mehrerer Autoklavenausbrennzyklen enthalten.
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In dem Verfahren einer beliebigen vorstehend erwähnten Art, kann der dreidimensional gedruckte Körper mehrere Segmente enthalten.
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Insbesondere können die mehreren Segmente Segmente enthalten, die aneinanderfügbar sind, um die Geometrie zu bilden, die wenigstens einer Oberfläche eines Gasturbinenbauteils entspricht.
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In jedem beliebigen vorstehend erwähnten Verfahren kann die Beschichtung ein Material aufweisen, das aus Kupfer, Nickel und Kombinationen von diesen ausgewählt ist.
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In jedem beliebigen vorstehend erwähnten Verfahren, kann die Gasturbinenkomponente entweder eine Turbinenlaufschaufel oder ein Deckband sein.
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In jedem beliebigen vorstehend erwähnten Verfahren kann das Verbundwerkzeug ein Dorn sein.
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In einem dritten Aspekt enthält ein Verfahren zur Erzeugung eines Verbundbauteils: Bereitstellen eines Verbundwerkzeugs, das einen dreidimensional gedruckten Polymerkörper und eine über dem Körper liegende Beschichtung enthält, wobei die Beschichtung dem gedruckten Polymerkörper eine höhere Beständigkeit gegen Wärmebeanspruchung als ein unbeschichteter gedruckter Polymerkörper verleiht; Auflegen mehrerer Verbundstofflagen auf eine Oberfläche des Verbundwerkzeugs; Verdichten der Verbundstofflagen, um ein Verbundbauteil zu bilden; und Entfernen des Verbundwerkzeugs von dem Verbundbauteil. Das Verbundbauteil enthält eine Oberflächengeometrie, die wenigstens einem Abschnitt des Verbundwerkzeugs entspricht.
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In dem zuvor erwähnten Verfahren gemäß dem dritten Aspekt kann das Verdichten ein Erwärmen auf eine Temperatur enthalten, die gleich oder größer ist als die Glasübergangstemperatur des dreidimensional gedruckten Polymerkörpers.
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Das Verdichten kann ein Erwärmen auf eine Temperatur enthalten, die gleich oder größer ist als 350°F.
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In dem Verfahren gemäß dem dritten Aspekt einer beliebigen vorstehend erwähnten Art kann die Beschichtung ein Material aufweisen, das aus Kupfer, Nickel und Kombinationen von diesen ausgewählt ist.
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In jedem beliebigen vorstehend erwähnten Verfahren gemäß dem dritten Aspekt kann das Gasturbinenbauteil entweder eine Turbinenlaufschaufel oder Deckband sein.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierteren Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen offenkundig, die anhand eines Beispiels die Prinzipien der Erfindung veranschaulichen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt eine Perspektivansicht eines Verbundwerkzeugs gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung.
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2 zeigt eine Perspektivansicht eines über dem Verbundwerkzeug nach 1 gebildeten Verbundbauteils.
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3 zeigt eine Perspektivansicht eines Verbundwerkzeugs gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung.
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4 zeigt eine Perspektivansicht eines über dem Verbundwerkzeug nach 3 erzeugten Verbundbauteils.
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5 zeigt eine Schnittansicht eines beschichteten Verbundwerkzeugs gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung.
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6 zeigt eine Explosionsansicht eines Verbundwerkzeugs gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung.
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7 zeigt eine Prozessansicht eines Verfahrens zur Erzeugung eines Verbundbauteils gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung.
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8 zeigt eine Schnittansicht eines Verbundbauteils mit einem von diesem entfernten Verbundwerkzeug gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung.
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9 zeigt eine Schnittansicht eines Verbundbauteils, wobei ein Abschnitt eines Verbundwerkzeugs von diesem entfernt ist, gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung.
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10 zeigt eine Schnittansicht eines Verbundbauteils, das ein Verbundwerkzeug darin enthält, gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung.
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Soweit es möglich ist, werden die gleichen Bezugszeichen über die Zeichnungen hinweg verwendet, um die gleichen Teile darzustellen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Es sind ein Verbundwerkzeug und ein Verfahren zur Erzeugung eines Verbundwerkzeugs geschaffen. Im Vergleich zu Konzepten, die ein oder mehrere der hierin offenbarten Merkmale nicht enthalten, verringern Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Offenbarung z.B. die Herstellungskosten, sie verringern die Herstellungszeit, erhöhen die Effizienz, verringern das Dorngewicht, vergrößern die Dornmobilität, vergrößern die Flexibilität bei der Dorngestalt, ermöglichen die Erzeugung weiterer Verbundwerkzeugformen, ermöglichen die Erzeugung von Verbundwerkzeugen mit komplexen Geometrien, ermöglichen den Einsatz von Polymerdornen bei Temperaturen oberhalb der Glasübergangstemperatur des Polymers, verringern die Verformung von Polymerdornen bei Temperaturen oberhalb der Glasübergangstemperatur des Polymers, erhöhen die Laminierwerkzeugiteration, verringern die Bauteilporosität, verringern Bauteilbruchschäden oder sorgen für eine Kombination von diesen.
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Wenn Elemente verschiedener Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung eingeführt werden, sollen die Artikel „ein“, „eine“, „der“, „die“ und „das“ bedeuten, dass ein oder mehrere der Elemente vorhanden sind. Die Ausdrücke „aufweisen“, „enthalten“ und „haben“ sollen im einschließlichen Sinne gemeint sein und bedeuten, dass außer den aufgeführten Elementen weitere Elemente vorhanden sein können.
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Systeme, die zur Erzeugung von Energie verwendet werden, umfassen Gasturbinen, Dampfturbinen und andere Turbinenanordnungen, wie beispielsweise landgestützte Aeroderivate, die zur Energieerzeugung verwendet werden, sind jedoch nicht darauf beschränkt. In manchen Anwendungen können die Energieerzeugungssysteme, einschließlich der darin vorhandenen Turbomaschinen (z.B. Turbinen, Verdichter und Pumpen) und anderer Maschinen, Bauteile enthalten, die starken Verschleißbedingungen ausgesetzt sind. Zum Beispiel können manche Bauteile von Energieerzeugungssystemen, wie beispielsweise Schaufeln, Laufschaufeln, Gehäuse, Laufräder, Wellen, Mäntel bzw. Deckbänder, Leitapparate und dergleichen, in Umgebungen mit starker Hitze und hoher Drehzahl arbeiten. Diese Bauteile werden unter Verwendung von Verbundwerkstoffen und Verbundwerkzeugen hergestellt. Die vorliegende Offenbarung stellt Verfahren zur Erzeugung von Verbundwerkzeugen und Verbundbauteilen bereit.
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Bezugnehmend auf die 1–4 enthält ein Verbundwerkzeug 100 (1 und 3) ein beliebiges Werkzeug zur Erzeugung eines Verbundbauteils 200 (2 und 4). In einer Ausführungsform enthält das Verbundwerkzeug 100 eine Gussform, einen Dorn 101 oder einen beliebigen sonstigen Gegenstand, der dazu eingerichtet ist, das Verbundbauteil 200 daran auszubilden. In einer weiteren Ausführungsform enthält das Verbundwerkzeug 100 einen Körper 103. In einer weiteren Ausführungsform enthält der Körper 103 einen dreidimensional gedruckten Körper. Das dreidimensionale Drucken enthält, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, die für gewöhnliche Fachleute auf dem Gebiet bekannten Prozesse, wie beispielsweise direktes Metall-Laser-Schmelzen (DMLM), direktes Metall-Laser-Sintern (DMLS), Laser Engineered Net Shaping (LENS), Selektive Wärmesinterung (SHS), Selektive Lasersinterung (SLS), Selektives Laserschmelzen (SLM), Elektronenstrahlschmelzen (EBM), Schmelzschichtung (FDM) oder eine Kombination von diesen.
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Der dreidimensional gedruckte Körper enthält eine beliebige geeignete Geometrie, die die Erzeugung zusätzlicher Formen und Konstruktionen im Vergleich zu einer maschinellen Herstellung ermöglicht. Außerdem verringert oder beseitigt das dreidimensionale Drucken des Körpers 103 die Vorbereitungszeit und/oder die maschinelle Bearbeitung des Verbundwerkzeugs 100. Zu geeigneten Geometrien gehören, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, Geometrien, die wenigstens einer Oberfläche des Verbundbauteils 200 entsprechen, Geometrien, die Merkmalen im Innern des Verbundbauteils 200 entsprechen, oder eine Kombination von diesen. Bezugnehmend auf die 1–2 wird der Körper 103 beispielsweise in einer Ausführungsform mit einer Geometrie dreidimensional gedruckt, die einem Deckband 201 (2) entspricht. Bezugnehmend auf die 3 und 4 wird der Körper 103 in einer anderen Ausführungsform mit einer Geometrie dreidimensional gedruckt, die einer Turbinenlaufschaufel 401 (4) entspricht.
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Der dreidimensional gedruckte Körper wird aus einem beliebigen Material erzeugt, das in der Lage ist, dreidimensional gedruckt zu werden. Geeignete Materialien enthalten, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, Polymere, wasserlösliche Materialien, Metalle oder eine Kombination von diesen. Zum Beispiel enthalten die Polymere in einer Ausführungsform Kunststoffe, Hochtemperaturkunststoffe, Thermoplaste, Duroplaste, Elastomere oder eine Kombination von diesen. In einer weiteren Ausführungsform werden die Polymere und/oder die Hochtemperaturkunststoffe unter Einsatz von SHS, SLS, FDM oder einer Kombination von diesen dreidimensional gedruckt. In einer weiteren Ausführungsform enthält der Kunststoff ein Polyetherimid (PEI), wie beispielsweise Ultem® 9085, und/oder ein Polyphenylsulfon (PPSF oder PPSU), die beide von Stratasys, Ltd. aus Eden Prairie, MN, kommerziell erhältlich sind, ein Polyetheretherketon (PEEK) oder eine Kombination von diesem.
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„ULTEM“ ist eine registrierte US-Marke für Thermoplasten, die von Stratasys, Ltd., Eden Prairie, Minnesota, produziert werden.
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In einer modifizierten Ausführungsform kann der Körper 103 aus einem dreidimensional gedruckten Metall, wie beispielsweise Stahl oder Aluminium, erzeugt sein. Das dreidimensional gedruckte Metall ermöglicht eine erhöhte Einsatztemperatur im Vergleich zu dem dreidimensional gedruckten Polymer, während das dreidimensional gedruckte Polymer Kosten des Verbundwerkzeugs 100 verringert, ein Gewicht des Verbundwerkzeugs 100 verringert, eine Bewegung des Verbundwerkzeugs 100 ermöglicht oder eine Kombination von diesen bietet. Der Ausdruck „Einsatztemperatur“, wie er hierin verwendet wird, bezieht sich auf eine Temperatur, bei der ein Material ohne wesentliche Verformung und/oder Beeinträchtigung der Materialgeometrie und/oder der Materialeigenschaften eingesetzt werden kann. Außerdem können Polymere und/oder Kunststoffe ohne auflösbare Stützen dreidimensional gedruckt werden, was die Erzeugung von Geometrien oder Formen mit erhöhter Komplexität im Vergleich zu Metallen ermöglicht. Zum Beispiel können stark gekrümmte Teile, wie beispielsweise Turbinenlaufschaufeln, mit einem Kunststoff mit Stützen gedruckt werden, die nach dem Drucken durch Auflösen und Wegbrechen leicht entfernt werden. Außerdem können Kunststoffe mit einer höheren Geschwindigkeit im Vergleich zu Metallen dreidimensional gedruckt werden.
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In einer Ausführungsform enthält der dreidimensional gedruckte Körper zwei oder mehrere gesonderte Materialien. Zum Beispiel kann der Körper 103 ein erstes Material mit einer ersten Einsatztemperatur und ein zweites Material mit einer zweiten Einsatztemperatur enthalten. In einer weiteren Ausführungsform wird das zweite Material über dem ersten Material positioniert, wobei das zweite Material eine äußere Oberfläche bildet, die eine höhere oder größere Beständigkeit gegen Wärmebeanspruchung aufweist. In einer weiteren Ausführungsform ist das erste Material ein wasserlösliches Material, und das zweite Material ist ein nicht wasserlösliches Material. Das erste Material und das zweite Material können zusammen gedruckt werden, wobei danach das wasserlösliche erste Material ausgewaschen werden kann.
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Bezugnehmend auf 5 enthält das Verbundwerkzeug 100 in einer Ausführungsform eine Beschichtung 503, die über dem Körper 103 liegt. Die Beschichtung 503 enthält ein beliebiges Beschichtungsmaterial, das an dem Körper 103 haftet und/oder den Körper 103 umgibt und eine Einsatztemperatur aufweist, die höher ist als die Einsatztemperatur des Polymers (der Polymere), das (die) zur Erzeugung des Körpers 103 verwendet wird (werden). Zum Beispiel weist das Beschichtungsmaterial in einer Ausführungsform eine Einsatztemperatur von mehr als 367°F auf, was die Glasübergangstemperatur von Ultem® 9085 ist. Zu geeigneten Beschichtungsmaterialien gehören, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, Nickel, Kupfer, Aluminium, Platin oder eine Kombination von diesen.
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Wenn sie auf den Körper 103 aufgebracht ist, bietet die Beschichtung 503 eine erhöhte oder größere Beständigkeit gegen Wärmebeanspruchung, Festigkeit, Biegefestigkeit oder eine Kombination von diesen im Vergleich zu einem unbeschichteten dreidimensional gedruckten Material. Die höhere Beständigkeit gegen Wärmebeanspruchung ermöglicht ein Überleben des Verbundwerkzeugs 100, wenn es einer Temperatur ausgesetzt wird, die höher ist als die Einsatz- und/oder Glasübergangstemperatur des dreidimensional gedruckten Polymerkörpers. Zum Beispiel verringert oder eliminiert die Beschichtung 503 in einer Ausführungsform eine Änderung der Geometrie, Form und/oder Konfiguration des Körpers 103 bei Temperaturen oberhalb der Einsatz- und/oder Glasübergangstemperatur des Materials des Körpers 103. In einer weiteren Ausführungsform verleiht die Beschichtung 503 dem Verbundwerkzeug 100 eine erhöhte Festigkeit. Die erhöhte Festigkeit erhält die Dimensionen des Verbundwerkzeugs 100 bei Temperaturen oberhalb der Einsatz- und/oder Glasübergangstemperatur des Körpers 103, wie beispielsweise, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, während eines Autoklavenausbrennzyklus, aufrecht oder erhält die Dimensionen im Wesentlichen aufrecht. Außerdem ermöglicht die Beschichtung 503 durch Verringerung oder Eliminierung von Veränderungen an der Geometrie, Form und/oder Konfiguration des Körpers 103 und/oder des Verbundwerkzeugs 100 den Einsatz von Materialien, die Einsatz- und/oder Glasübergangstemperaturen unterhalb einer Aushärtungszyklustemperatur des Verbundwerkzeugs 100 und/oder des Verbundbauteils 200 aufweisen. Der Einsatz von Materialien mit Einsatz- und/oder Glasübergangstemperaturen unterhalb der Aushärtungszyklustemperatur des Verbundwerkzeugs 100 und/oder des Verbundbauteils 200 verringert Herstellungskosten und/oder erhöht die Prototypgeschwindigkeit.
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Wie in 6 veranschaulicht, kann das Verbundwerkzeug 100 ein oder mehrere Segmente 611 enthalten. Jedes der Segmente 611 bildet wenigstens einen Abschnitt des Körpers 103. Das eine oder die mehreren Segmente 611 sind aneinanderfügbar, wobei die angefügten Segmente 611 die Geometrie bilden, die wenigstens einer Oberfläche des Verbundbauteils 200 entspricht. Zum Beispiel kann der Körper 103 aus mehreren der Segmente 611 gebildet sein, die zusammengefügt und mit der Beschichtung 503 beschichtet sind, um das Verbundwerkzeug 100 zu bilden, das eine Geometrie aufweist, die einem Gasturbinenbauteil entspricht. In einer weiteren Ausführungsform können die Segmente 611 mit Stiften 607, Buchsen 609 und/oder einer beliebigen sonstigen Befestigungseinrichtung zusammengefügt sein. Alternativ werden die Segmente 611 mit Verriegelungseinrichtungen gedruckt, die ein Befestigen der Segmente 611 aneinander ermöglichen.
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Das Verbundbauteil 200 wird über dem Verbundwerkzeug 100 gebildet und enthält ein beliebiges Bauteil, das aus Verbundwerkstoffen erzeugt wird, wie beispielsweise, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, ein Bauteil eines Energieerzeugungssystems, ein Turbomaschinenbauteil, ein Gasturbinenbauteil oder eine Kombination von diesen. Zum Beispiel umfassen geeignete Gasturbinenbauteile, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, Deckbänder 201 (2), Turbinenlaufschaufeln 401 (4), Verdichterlaufschaufeln, Leitapparate, Heißgaspfadkomponenten oder eine Kombination von diesen. Die Verbundwerkstoffe enthalten, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, Kohlefaserverbundwerkstoffe, Epoxid-Verbundwerkstoffe, Verbundwerkstoffe mit Polymermatrix (PMC), Verbundwerkstoffe mit Keramikmatrix (CMC) oder eine Kombination von diesen. Zum Beispiel kann der CMC ein CMC auf Oxidbasis sein, wozu Materialien, wie beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, Aluminiumoxid, Mullit, Bohrnitrid, Bohrkarbid, Sialone (Silizium, Aluminium, Sauerstoff und Stickstoff), intermetallische Werkstoffe und Kombinationen von diesen gehören.
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Bezugnehmend auf 7 enthält ein Verfahren zur Erzeugung eines Verbundbauteils 200 in einer Ausführungsform ein Bereitstellen des Verbundwerkzeugs 100, ein Auflegen bzw. Laminieren mehrerer Verbundstofflagen 701 auf eine Oberfläche des Verbundwerkzeugs 100 und Verdichten der Verbundstofflagen 701. In einer anderen Ausführungsform enthält das Auflegen bzw. Laminieren der mehreren Verbundstofflagen 701 ein Positionieren der mehreren Verbundstofflagen 701 in einer gewünschten Geometrie oder Gestalt auf dem Verbundwerkzeug 100. In einer weiteren Ausführungsform enthalten die Verbundstofflagen 701 SiC-Fasern, die mit einer SiC- und Kohlenstoffmatrix mit verschiedenen Bindemitteln imprägniert sind, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Wie in 3 veranschaulicht, kann das Bereitstellen des Verbundwerkzeugs 100 ein Erzeugen des Verbundwerkzeugs 100 enthalten, das ein dreidimensionales Drucken des Körpers 103 und ein Anschließendes Aufbringen der Beschichtung 503 auf den Körper 103 enthält. Das Aufbringen der Beschichtung 503 umfasst ein beliebiges geeignetes Applikationsverfahren, wie beispielsweise, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, Sprühen, Streichen, Galvanisieren, Tauchen, ein beliebiges sonstiges Abscheidungsverfahren oder eine Kombination von diesen.
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Das Verdichten der Verbundstofflagen 701 enthält, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, eine Schmelzinfiltration, eine chemische Gasphasenabscheidung oder andere geeignete Verdichtungsverfahren. Zum Beispiel enthält das Verdichten der Verbundstofflagen 701 in einer Ausführungsform ein Erwärmen der Verbundwerkstofflagen 701 bis auf eine Temperatur, die gleich oder größer als die Glasübergangstemperatur des dreidimensional gedruckten Körpers ist. In einer weiteren Ausführungsform enthält die Glasübergangstemperatur eines dreidimensional gedruckten Polymerkörpers z.B. eine Temperatur zwischen etwa 275°F und etwa 450°F, zwischen etwa 340°F und etwa 400°F, gleich oder mehr als 275°F, gleich oder mehr als 340°F, gleich oder mehr als 350°F, gleich oder mehr als 360°F, gleich oder mehr als 367°F, gleich oder mehr als 370°F oder eine beliebige Kombination, Teilkombination, einen beliebigen Bereich oder Teilbereich von diesen. In einer weiteren Ausführungsform bildet das Verdichten der Verbundstofflagen 701 das Verbundbauteil 200 über dem Verbundwerkzeug 100 aus, wobei das Verbundbauteil 200 eine Oberflächengeometrie enthält, die wenigstens einem Abschnitt des Verbundwerkzeugs 100 entspricht. Das Bilden des Verbundbauteils 200 entsprechend dem hierin offenbarten Verfahren verringert eine Porosität des Verbundbauteils 200 und/oder erhöht eine Faserfestigkeit in dem Verbundbauteil 200.
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Nach dem Erzeugen des Verbundbauteils 200 kann das Verfahren ein Entfernen des Verbundwerkzeugs 100 aus dem Verbundbauteil 200 enthalten. Zum Beispiel werden in einer Ausführungsform, wie in 8 veranschaulicht, sowohl der Körper 103 als auch die Beschichtung 503 des Verbundwerkzeugs 100 aus dem Verbundbauteil 200 entfernt. In einer weiteren Ausführungsform, wie sie in 9 veranschaulicht ist, wird der Körper 103 von dem Verbundbauteil 200 entfernt, während die Beschichtung 503 verbleibt. Ein Entfernen des Körpers 103 enthält, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, Ausschmelzen, Auswaschen, chemisches Entfernen oder eine Kombination von diesen. Das Körpermaterial kann entweder vor oder nach der Erzeugung des Verbundbauteils 200 entfernt werden. Wenn das Körpermaterial vor der Erzeugung des Verbundbauteils 200 entfernt wird, enthält die Beschichtung 503 eine Dicke von wenigstens 0,01 Zoll, wenigstens 0,015 Zoll, wenigstens 0,02 Zoll, zwischen etwa 0,01 und etwa 0,06 Zoll, zwischen etwa 0,01 und etwa 0,03 Zoll oder eine beliebige Kombination, Teilkombination, einen beliebigen Bereich oder Teilbereich von diesen. Alternativ verbleiben, wie in 10 veranschaulicht, sowohl der Körper 103 als auch die Beschichtung 503 im Inneren des Verbundbauteils 200.
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Außerdem kann das Verbundwerkzeug 100 kollabierende Einrichtungen, Füllungen, Querschnittseinrichtungen oder eine Kombination von diesen enthalten. Die kollabierenden Einrichtungen, die Füllung und/oder die Querschnittseinrichtungen können vor, während und/oder nach dem dreidimensionalen Druck des Körpers 103 durch ein beliebiges geeignetes Fertigungsverfahren erzeugt werden. Außerdem können die kollabierenden Einrichtungen, die Füllung und/oder die Querschnittseinrichtungen das gleiche oder ein anderes Material im Vergleich zu dem Körper 103 enthalten. Zum Beispiel können die kollabierenden Einrichtungen, die Füllung und/oder die Querschnittseinrichtungen mit dem Körper 103 dreidimensional gedruckt werden, oder der Körper 103 kann rings um die kollabierenden Einrichtungen, die Füllung und/oder die Querschnittseinrichtungen dreidimensional gedruckt werden. In einer Ausführungsform enthält die Füllung Versteifungen und/oder Rippen. In einer anderen Ausführungsform bieten die Querschnittseinrichtungen dem Verbundwerkzeug 100 eine Stütze, wie z.B. wenn der Körper 103 aus dem Inneren der Beschichtung 503 entfernt wird.
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Während die Erfindung unter Bezugnahme auf eine oder mehrere Ausführungsformen beschrieben worden ist, wird von Fachleuten auf dem Gebiet verstanden, dass Veränderungen vorgenommen und deren Elemente durch äquivalente Mittel ersetzt werden können, ohne dass von dem Umfang der Erfindung abgewichen wird. Außerdem können viele Modifikationen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne von deren wesentlichem Umfang abzuweichen. Folglich besteht die Absicht, dass die Erfindung nicht auf die spezielle Ausführungsform beschränkt sein soll, die als die beste Art, die zur Ausführung dieser Erfindung vorgesehen ist, offenbart ist, sondern dass die Erfindung alle Ausführungsformen umfasst, die in den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche fallen. Außerdem sollen alle nummerischen Werte, die in der detaillierten Beschreibung identifiziert sind, derart interpretiert werden, als wenn die genauen und die ungefähren Werte beide ausdrücklich identifiziert worden wären.
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Es sind ein Verbundwerkzeug 100 und ein Verfahren zur Erzeugung von Verbundbauteilen 200 geschaffen. Das Verbundwerkzeug 100 enthält einen dreidimensional gedruckten Polymerkörper 103, wobei der Körper 103 eine Geometrie aufweist, die wenigstens einer Oberfläche eines Gasturbinenbauteils entspricht, und eine über dem Körper 103 liegende Beschichtung 503, wobei die Beschichtung 503 dem gedruckten Polymerkörper 103 eine höhere Beständigkeit gegen Wärmebeanspruchung als ein unbeschichteter gedruckter Polymerkörper 103 verleiht. Das Verfahren zur Erzeugung eines Verbundbauteils 200 enthält ein Bereitstellen eines Verbundwerkzeugs 100, Auflegen mehrerer Verbundwerkstofflagen 701 auf eine Oberfläche des Verbundwerkzeugs 100, Verdichten der Verbundwerkstofflagen 701, um ein Verbundbauteil 200 zu bilden, und Entfernen des Verbundwerkzeugs 100 von dem Verbundbauteil 200. Das Verbundbauteil 200 enthält eine Oberflächengeometrie, die wenigstens einem Abschnitt des Verbundwerkzeugs 100 entspricht. Ferner ist ein Verfahren zur Erzeugung des Verbundwerkzeugs 100 geschaffen.
