DE102016203680A1

DE102016203680A1 - Vorrichtung zur Durchführung eines Selective Laser Melting Prozesses sowie damit hergestelltes Bauteil

Info

Publication number: DE102016203680A1
Application number: DE102016203680.7A
Authority: DE
Inventors: Christian Brunhuber; Jonas Eriksson; Moritz Fischle; Andreas Graichen; Stefan Lampenscherf; Steffen Walter
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2016-03-07
Filing date: 2016-03-07
Publication date: 2017-09-07
Also published as: WO2017153313A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung eines Selective Laser Melting(SLM)-Herstellungsverfahrens, insbesondere zur Herstellung von Komponenten mit komplexen inneren Strukturen und/oder vielen Einzelteilen für Turbinen, insbesondere für Gasturbinen. Die Erfindung offenbart erstmals ein Bauteil mit komplexen feinen inneren dünnwandigen Elementen, das durch dickwandige Elemente Außenkonturen und mechanische Stabilität erhält, wobei die beiden Elemente des Bauteils durch generative Verfahren wie SLM und LMD herstellbar sind und sinnvollerweise auch noch durch vorgefertigte beispielsweise gegossene Teile ergänzt werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung eines Selective Laser Melting(SLM)-Herstellungsverfahrens, insbesondere zur Herstellung von Komponenten mit komplexen inneren Strukturen und/oder vielen Einzelteilen für Turbinen, insbesondere für Gasturbinen.
Bekannt ist beispielsweise das SLM-Verfahren, bei dem mittels Laserstrahlen in einem Pulverbett selektiv dreidimensional Metalle geschmolzen und durch Absenken des Pulverbetts Bauteile im Sinne des Wortes „errichtet“ werden. Dabei können sehr feine Strukturen, die Wandstärken im Bereich von 20 bis 100 µm umfassen dargestellt werden. Allerdings ist im SLM-Verfahren die Aufbaurichtung des Bauteils von Anfang an festgelegt. Nachteilig an dem Verfahren ist deshalb, dass ein anisotropes Materialverhalten bei über den SLM-Prozess hergestellten Bauteilen resultiert und insbesondere auch, dass die Herstellung überhängender Strukturen im SLM-Prozess nur mittels Hilfsstrukturen möglich ist. Beispielsweise wurde festgestellt, dass die Kriechbeständigkeit der im SLM-Prozess hergestellten Bauteile im Vergleich zu getriebenen Bauteilen stark verringert ist.
Deshalb ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein damit produziertes Bauteil zu schaffen, durch das die Nachteile des Standes der Technik bei SLM-produzierten Bauteilen überwunden werden.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, wie er in den Ansprüchen und den Figuren offenbart ist, gelöst.
Gegenstand der Erfindung ist demnach eine Vorrichtung zur Durchführung eines Selective Laser Melting(SLM-)Prozesses, wobei eine ein Pulverbett, eine Inertgaskammer und einen Laserstrahl umfassende SLM-Vorrichtung, die in eine Vorzugsrichtung ein Bauteil aufbaut durch zumindest eine Laser Metal Deposition Vorrichtung, die einen Laserstrahl und ein Pulverspray umfasst, ergänzt ist, derart, dass zumindest eine Laser Metal Deposition Vorrichtung quer zur Vorzugsrichtung des SLM-Aufbaus angeordnet ist. Außerdem ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Bauteil, dünnwandige und dickwandige Elemente umfassend, wobei dünnwandige Elemente mittels selective laser melting und dickwandige Elemente mittels Laser metal deposition gemacht sind, derart, dass die dünnwandigen Elemente für SLM-hergestellte Bauteile typische Merkmale wie Dimensionen der Wandstärken zwischen 20 und 200 µm und ein anisotropes Eigenschaftsprofil des Materials, sowie verminderte Kriechfestigkeit zeigen, wohingegen dickwandige Elemente Wandstärken größer 150µm, insbesondere größer 200µm und besonders bevorzugt größer 300µm haben, keinerlei Vorzugsrichtung und ein isotropes Eigenschaftsprofil zeigen.
Durch die Erfindung wird es möglich, die Nachteile der SLM-hergestellten Bauteile zu überwinden, weil die schwachen, dünnwandigen Strukturen des SLM-Produktes durch starke Strukturen, die über LMD herstellbar sind, ergänzt werden.
Beispielsweise ist ein Prototyp eines Turbinenblatts eine bevorzugte Ausführungsform des Bauteils gemäß der Erfindung, indem die inneren, feinen, komplexen und für die Kühlung verantwortlichen dünnwandigen Strukturen typische SLM-Bauteile und die dickwandigen tragenden Außenkonturen typische LMD Bauteile sind.
Insbesondere können über die Kombination des SLM mit dem LMD-Verfahren auch hybride Bauteile verschiedener Materialkombinationen hergestellt werden, die trotzdem die inneren feinen SLM-Strukturen aufweisen. Dazu liegt beispielsweise eine innere Struktur aus einem ersten Material, das für die Herstellung feiner Kühlstrukturen geeignet ist, vor und eine äußere Struktur, die aus einem oder mehreren Materialien gemacht ist und die dickwandige gröbere Strukturen mit Auflösungen von über 200µm zeigt.
Dabei ist es beispielsweise möglich, dass die dickwandigen Strukturen während des Aufbaus der dünnwandigen feineren und bevorzugt innen liegenden Strukturen als Hilfsstrukturen dienen, so dass auch überhängende dünnwandige Strukturen ohne Hilfsstrukturen im SLM-Prozess herstellbar sind.
Nach einer Ausführungsform des Bauteils liegen die dickwandigen groben Elemente quer zu den feinen dünnwandigen Elementen vor, soweit die Aufbaurichtung der Herstellung der Elemente erkennbar ist.
Insbesondere können auch voluminöse Elemente aus feinen Strukturen, die über SLM herstellbar sind, wie beispielsweise die Kühlstrukturen von Turbinenblättern oder Turbinenschaufeln als Basis oder Bodenplatte für die Aufbringung und Herstellung gröberer und dickwandigerer Elemente wie Gehäuse von Turbinenschaufel dienen, so dass an der Verbindung von innerer Kühlstruktur und äußerer Schale oder Gehäuse nachweisbar ist, wie das jeweilige Element per rapid prototyping aufgebracht wurde.
Schließlich kann ein Bauteil nach der Erfindung, dünnwandige und dickwandige, über generative Herstellungsmethoden erzeugte Elemente umfassend mit gegossenen, gehämmerten, getriebenen, oder sonstwie herkömmlich produzierten Elementen zu einem Bauteil kombiniert werden.
Im Folgenden wird die Erfindung noch anhand beispielhafter Ausführungsformen, die in den Figuren schematisch dargestellt sind, näher erläutert:
1 zeigt links oben ein Bauteil nach einer Ausführungsform der Erfindung, das dünnwandige und dickwandige Strukturen hat und rechts unten den Aufbau eines solchen Bauteils, wobei zum einen die Aufbaurichtung der dünnwandigen Elemente, die vorzugsweise über einen SLM-Prozess herstellbar sind und zum zweiten die Aufbaurichtung der dickwandigen Elemente, die vorzugsweise im LMD-Prozess herstellbar sind, gezeigt werden.
1 zeigt einen Flügel 1 eines Rotors, der im Inneren Zellen 2 mit hochkomplexen und deshalb feinstrukturierten Kühlelementen hat. Diese inneren Zellen 2 umfassen beispielsweise und bevorzugt komplexe Kühlkonstruktionen wie Kühlkanäle, -spiralen, -schleifen, -gitterstrukturen, periodische und nicht periodische -raster, die in dünnwandigen dreidimensionalen Strukturen realisierbar sind. Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn diese dünnwandigen Strukturen Wandstärken von kleiner/gleich als 200 µm, insbesondere von kleiner als 150µm und insbesondere bevorzugt von kleiner als 100 mm aufweisen.
Diese inneren Zellen 2 liegen in einem Gehäuse 3, das die nötige mechanische Stabilität für den Betrieb eines Rotorblattes zeigt. Das Gehäuse hat eine äußere Wand, die in dickeren Wandstärken realisiert ist, beispielsweise mit einer Wandstärke im Millimeterbereich, insbesondere auch Wandstärken von ... bis.
In der 2 ist ein Bauteil nach einer Ausführungsform der Erfindung im Detail gezeigt, wobei eine beispielhafte Lage der zumindest zwei Aufbaurichtungen 4, 5 der beiden Komponenten eines Bauteils nach der Erfindung zueinander, des dünnwandigen Elements 2 einerseits und des dickwandigen Elements 3 andererseits, gezeigt ist. Die beiden Aufbaurichtungen 4 des dünnwandigen Elements 2 und Aufbaurichtung 5 des dickwandigen Elements 3 liegen hier senkrecht zueinander.
Neben dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel können die beiden Aufbaurichtungen 4 und 5 aber in anderen Ausführungsformen der Erfindung beliebige Winkel zueinander einschließen, da durch eine LMD-Vorrichtung beispielsweise um 5 Achsen und/oder per Roboter drehbar durch Materialauftrag auf eine Basisplatte ein komplettes dreidimensionales Element herstellbar ist.
In 2 sind zwei essentielle Elemente des in 1 gezeigten Rotorblattes dargestellt. Dabei wird der Blicke von außen auf die Gehäusewand 3 wiedergegeben. Die dünnwandigen Elemente 2 befinden sich hinter der Gehäusewand 3.
Zu erkennen ist die Aufbaurichtung 4, beispielsweise der dünnwandigen Strukturen, wie der im SLM-Prozess hergestellten Kühlzellen und die Aufbaurichtung 5 einer dickwandigen Struktur, beispielsweise der Gehäuseaußenwand 3 des Rotorblattes 1 aus 1, die mittels LMD-Verfahren herstellbar ist. Dieses dickwandige Element 3 wird beispielsweise in Aufbaurichtung 5 hergestellt, wobei als Basisplatte oder Grundfläche ein Teil, beispielsweise eine Seitenwand, einer dünnwandigen, im SLM-Verfahren hergestellten, dreidimensionalen Kühlelements 2 genutzt ist.
Das Gehäuse 3 ist entweder teilweise oder ganz im LMD-Verfahren herstellbar, es kann aber auch auf einem Sockel, der beispielsweise gegossen ist, eine LMD-Gehäuse aufgebaut werden, dass auch Bestandteile umfasst, die wiederum auf den dünnwandigen Strukturen 2 aufgebaut sind.
Das Bauteil gemäß der Erfindung umfasst Elemente, die jeweils über verschiedene Herstellungsmethoden erhältlich sind, wobei die dünnwandigen Elemente zumindest zum Teil über SLM-Verfahren erhältlich sind und die dickwandigen Elemente zumindest zum Teil über LMD-Verfahren herstellbar sind. Weitere Elemente des Bauteils, die über herkömmliche und andere Herstellungsverfahren können dabei das Bauteil vervollständigen.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung wobei ein Bauteil in einem core-shell-Aufbau als Längs-Querschnitt gezeigt ist.
Eine innere Gitterstruktur mit Kühlelementen bereits in Flügel- oder Schaufelform für beispielsweise eine Gasturbinenschaufel, umfasst dünnwandige Elemente 6, die von einer Schale aus mechanisch stabileren, dickwandigen Elementen 7 umgeben sind. Bei der in 3 gezeigten Ausführungsform zeichnet sich die gezeigte Schaufel dadurch aus, dass um einen gegossenen Schaufelkern mit einer inneren Rotorblatt oder Turbinenschaufelform 8 im SLM-Verfahren dünnwandige komplexe und feine Kühlstrukturen 6 aufgebracht werden, die ihrerseits mittels LMD-Verfahren mit einer mechanisch stabilen Schale 7 umgeben sind.
4 schließlich zeigt den Aufbau aus 3 im Querschnitt in der Vorderansicht. Man erkennt wieder den gegossenen Kern 8, beispielsweise als vorgefertigtes Element für rapid Prototyping, darum befinden sich dünnwandige feine Kühlstrukturen 6, die ihrerseits von einer LMD-gefertigten Schale 7 umgeben sind.
Die Erfindung offenbart erstmals ein Bauteil mit komplexen feinen inneren dünnwandigen Elementen, das durch dickwandige Elemente Außenkonturen und mechanische Stabilität erhält, wobei die beiden Elemente des Bauteils durch generative Verfahren wie SLM und LMD herstellbar sind und sinnvollerweise auch noch durch vorgefertigte beispielsweise gegossene Teile ergänzt werden.

Claims

Vorrichtung zur Durchführung eines Selective Laser Melting(SLM-)Prozesses, wobei eine ein Pulverbett, eine Inertgaskammer und einen Laserstrahl umfassende SLM-Vorrichtung, die in eine Vorzugsrichtung ein Bauteil aufbaut durch zumindest eine Laser Metal Deposition Vorrichtung, die einen Laserstrahl und ein Pulverspray umfasst, ergänzt ist, derart, dass zumindest eine Laser Metal Deposition Vorrichtung quer zur Vorzugsrichtung des SLM-Aufbaus angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der eine Inertgaskammer vorgesehen ist, in der abwechselnd ein Laserstrahl zur Durchführung des SLM Prozesses und ein Laserstrahl zur Durchführung des LMD Prozesses aktivierbar ist.
Bauteil, dünnwandige und dickwandige Elemente umfassend, wobei dünnwandige Elemente mittels selective laser melting und dickwandige Elemente mittels Laser metal deposition gemacht sind, derart, dass die dünnwandigen Elemente für SLM-hergestellte Bauteile typische Merkmale wie Dimensionen der Wandstärken zwischen 20 und 200 µm und ein anisotropes Eigenschaftsprofil des Materials, sowie verminderte Kriechfestigkeit zeigen, wohingegen dickwandige Elemente Wandstärken größer 150µm, insbesondere größer 200µm und besonders bevorzugt größer 300µm haben, keinerlei Vorzugsrichtung und ein isotropes Eigenschaftsprofil zeigen.
Bauteil nach Anspruch 3, das im core-shell Prinzip aufgebaut ist, wobei innen die dünnwandigen Elemente und als Schale die dickwandigen Elemente vorgesehen sind.
Bauteil nach Anspruch 3 oder 4, wobei ein Schichtaufbau von innen nach außen vorgesehen ist, derart, dass auf einem inneren Kern aus einem gegossenem Material dünnwandige Elemente, die mittels SLM-Verfahren herstellbar sind, liegen und darauf dann eine Lage mit dickwandigen Elementen, die mittels LMD-Verfahren herstellbar sind.
Bauteil nach einem der Ansprüche 3 bis 5, das eine Turbinenschaufel oder ein Turbinenblatt oder ein Rotorblatt darstellt.
Bauteil nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei die dünnwandigen, im SLM-Verfahren hergestellten Elemente komplexe innere Kühlstrukturen einer Turbinenschaufel oder eines Turbinenblatts darstellen.