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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Herstellung eines Bauteils, insbesondere unter Heranziehung einer porösen Hilfsstruktur, sowie ein entsprechend hergestelltes oder herstellbares Bauteil. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin eine entsprechende Vorrichtung für die additive Herstellung des Bauteils.
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Das Bauteil ist vorzugsweise für den Einsatz in einer Strömungsmaschine, vorzugsweise einer Gasturbine vorgesehen. Das Bauteil besteht vorzugsweise aus einer Nickel- oder Kobaltbasis-Legierung oder einer entsprechenden Superlegierung oder umfasst eine solche Legierung. Die genannte Legierung kann ausscheidungsgehärtet oder ausscheidungshärtbar sein. Das Bauteil kann alternativ oder zusätzlich eine hochtemperaturbeständige und/oder hochwarmfeste Legierung umfassen oder daraus bestehen.
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Vorzugsweise findet das Bauteil Anwendung in einem Heißgaspfad oder Heißgasbereich einer Strömungsmaschine, wie einer Gasturbine.
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Generative oder additive Herstellungsverfahren umfassen beispielsweise Strahlschmelz- und/oder Strahlschweißverfahren. Dazu gehören insbesondere das selektive Laserschmelzen (SLM: Englisch Abkürzung für „Selective Laser Melting“) und das Laserauftragschweißen (LMD: Englisch Abkürzung für „Laser Metal Deposition“), insbesondere Laserpulverauftragschweißen.
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Ein Verfahren zum Auftragschweißen ist beispielsweise bekannt aus
EP 2 756 909 A1 .
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Additive Fertigungsverfahren (Englisch: „additiv manufacturing“) haben sich als besonders vorteilhaft für komplexe oder kompliziert oder filigran designte Bauteile, beispielsweise labyrinthartige Strukturen, Kühlstrukturen und/oder Leichtbaustrukturen erwiesen.
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Insbesondere ist die additive Fertigung, insbesondere durch eine besonders kurze Kette von Prozessschritten vorteilhaft, da ein Herstellungs- oder Fertigungsschritt eines Bauteils direkt auf Basis einer entsprechenden CAD- oder computerlesbaren Konstruktionsdatei erfolgen kann. Weiterhin ist die additive Fertigung besonders vorteilhaft für die Entwicklung oder Herstellung von Prototypen, welche beispielsweise aus Kostengründen mittels konventioneller subtraktiver oder spanender Verfahren oder Gusstechnologie nicht oder nicht effizient hergestellt werden können.
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Ein Problem, welches im Zusammenhang mit der technologisch an Bedeutung gewinnenden additiven Fertigung von Bauteilen, insbesondere von Bauteilen aus Hochleistungsmaterialien, ist die Schwierigkeit, Innenräume oder interne Hohlstrukturen der Bauteile mit einer ausreichenden Genauigkeit und Güte herzustellen. Insbesondere ist es überhaupt schwierig innere oder innenliegenden Strukturen aufzubauen, da Überhänge oder Hinterschneidungen im Bauteil üblicherweise durch komplizierte Stützstrukturen modelliert werden müssen, welche nachträglich aufwendig wieder zu entfernen sind.
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Bei nicht allzu großen Überhängen kann unter Umständen auf Stützstrukturen verzichtet werden. Jedenfalls aber muss, insbesondere bei pulverbettbasierten Verfahren, das Pulver, welches zur Bildung der Innenräume gerade nicht aufgeschmolzen wird, nach dem Aufbau der Struktur des Bauteils wieder aus den Innenräumen entfernt werden. Dies ist je nach Geometrie des Innenraums im Nachhinein mitunter sehr schwierig oder unmöglich, da auch nicht aufgeschmolzenes Pulver durch die hohen beteiligten Temperaturen oder Temperaturgradienten beim SLM-Prozess häufig „ansintert“ und so ein (vollständiges) Entfernen des Pulvers zusätzlich erschwert oder verhindert wird.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Mittel anzugeben, die die genannten Probleme lösen. Insbesondere wird ein alternatives Verfahren zum additiven Aufbau von Bauteilen vorgestellt, womit Hohlräume in additiv aufzubauenden Bauteilen vereinfacht verwirklicht werden können. Das Verfahren kann vorzugsweise durch ein Laserauftragschweiß-Verfahren implementiert werden. Weiterhin wird eine entsprechende Vorrichtung zum Betrieb des genannten Verfahrens vorgestellt, mit welcher die genannten Probleme ebenfalls gelöst werden können.
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Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Herstellung eines Bauteils umfassend das additive Aufbauen einer Struktur aus einem Grundmaterial für das Bauteil mittels eines additiven Herstellungsverfahrens, vorzugsweise mittels Laserauftragschweißen oder dem sogenannten „Laser Cladding“, eine Sonderform des Laserauftragschweißens.
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Die genannte Struktur ist vorzugsweise eine, beispielsweise stoffschlüssig, zusammenhängende Struktur für das Bauteil.
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Das genannte Grundmaterial kann in Stabform oder, vorzugsweise, in Pulverform vorliegen. Weiterhin kann das Grundmaterial vorliegend synonym mit der Struktur bezeichnet sein, wobei dem Fachmann unmittelbar klar ist, dass sich die Zusammensetzung des pulverförmigen Grund- oder Ausgangsmaterials geringfügig von der verfestigten/aufgebauten Struktur unterscheiden kann.
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Das Verfahren umfasst weiterhin das Einbringen oder Aufbauen einer porösen Hilfsstruktur in einen Innenraum der Struktur während des additiven Aufbaus der Struktur, um einen Funktionsbereich für das Bauteil in dem Innenraum zu definieren.
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Der Fusionsbereich kann einen Hohlraum für das fertig hergestellte Bauteil bezeichnen.
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Das Verfahren umfasst weiterhin das Abbauen oder Entfernen, insbesondere Schmelzen, Verflüssigen oder Zerstören der Formstabilität der porösen Hilfsstruktur derart, dass diese aus dem Funktionsbereich durch Erwärmen entfernt und der der Funktionsbereich von der Hilfsstruktur befreit wird. Es befindet sich in dem Funktionsbereich, welcher beispielsweise einen Kühlkanal im fertigen Bauteil darstellen kann, also vorzugsweise keine Hilfsstruktur mehr. Die Hilfsstruktur wird vorzugsweise gleichzeitig zumindest partiell aus Bereichen des Innenraums entfernt oder abgebaut, um den Funktionsbereich zu bilden. Die poröse Hilfsstruktur kann vorteilhafterweise während der additiven Herstellung der eigentlichen Struktur für das Bauteil und/oder in-situ in den additiven Aufbau eingebracht, und so schon während der Herstellung ein möglicher Funktionsbereich oder Hohlraum im Innenraum des Bauteils definiert werden. Die Hilfsstruktur ist weiterhin vorteilhafterweise so beschaffen, dass sie durch das beschriebene Entfernen auf einfache Weise zumindest aus dem Funktionsbereich entfernt werden kann. Nicht notwendigerweise muss die Hilfsstruktur dabei komplett aus dem Innenraum entfernt werden.
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In einer Ausgestaltung werden Teile der Struktur und der Hilfsstruktur schichtweise abwechselnd (additiv) aufgebaut. Durch diese Ausgestaltung kann das Bauteil vorzugsweise mit einem besonders komplizierten oder filigranen Funktionsbereich oder Hohlraum versehen werden. Ausführbar ist diese Ausgestaltung dadurch, dass vorzugsweise beim Laserauftragschweißen ein entsprechendes Ausgangsmaterial für den Aufbau der Struktur bzw. Hilfsstruktur (schichtweise) gewechselt und eine Vorrichtung dafür entsprechend „umgeschaltet“ wird.
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Gemäß einer Ausgestaltung können auch zunächst beispielsweise mehrere Schichten der Struktur nacheinander aufgebaut werden, wobei die Hilfsstruktur nach dem entsprechenden Aufbau in den definierten Innenraum eingebracht werden kann, beispielsweise bevor Überhänge oder Hinterschneidungen der Struktur verfestigt werden.
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In einer Ausgestaltung wird die Hilfsstruktur derart in den Innenraum eingebracht oder darin, beispielsweise schichtweise, aufgebaut, dass die Hilfsstruktur die Struktur für das Bauteil stützt. Dementsprechend kann mit Vorteil auf zusätzliche Stützstrukturen, beispielsweise solche, die nachträglich nicht auf einfache Weise entfernt werden können, verzichtet werden. Die Struktur kann demgemäß vorgesehen, insbesondere angeordnet und ausgebildet sein, um eine Formstabilität des Bauteils oder seiner Struktur während der additiven Herstellung zu gewährleisten.
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In einer Ausgestaltung wird das additive Aufbauen der Struktur und/oder das Einbringen bzw. Aufbauen der Hilfsstruktur mittels Laserauftragschweißens bzw. „Micro Cladding“ durchgeführt. Diese Ausgestaltung ermöglicht besonders zweckmäßig und vorteilhaft eine Ausführung des beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In einer Ausgestaltung werden das additive Aufbauen der Struktur und das Aufbauen der Hilfsstruktur in derselben Vorrichtung (siehe unten) durchgeführt. Diese Ausgestaltung ermöglicht darüber hinaus eine besonders einfache und zeiteffiziente Durchführung des Verfahrens. Dies ist insbesondere notwendig oder gefordert, da die additive Herstellung trotz ihrer bekannten Vorteile und zunehmenden technologischen Bedeutung verhältnismäßig lange Aufbauzeiten, von beispielsweise vielen Stunden, Tagen oder sogar Wochen, in Anspruch nimmt.
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In einer Ausgestaltung wird die poröse Hilfsstruktur aus einem Metallschaum gebildet.
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In einer Ausgestaltung hat die poröse Hilfsstruktur und/oder der genannte Metallschaum eine Porosität von 30 %, 40 %, 60 % oder 70 %. Besonders bevorzugt beträgt die Porosität 50 %.
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In einer Ausgestaltung wird zur Bildung der Hilfsstruktur ein, insbesondere metallisches Material, beispielsweise ein Lotmaterial, mit einem Porenbildner, insbesondere einem Metallhydrid, beispielsweise einem Titanhydrid, gemischt.
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In einer Ausgestaltung ist das genannte, insbesondere metallische Material ein Lotmaterial, vorzugsweise ein Hochtemperaturlot.
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In einer Ausgestaltung wird die genannte Mischung zur Bildung der Hilfsstruktur über den Schmelzpunkt des insbesondere metallischen Materials erwärmt und der Porenbildner dadurch verdampft. Auf diese Art werden die Poren für das poröse (Schaum-)Material gebildet.
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Die genannte Erwärmung oder Wärme wird erfindungsgemäß durch den beschriebenen Strahlschmelz- oder Strahlschweißprozess für den additiven Aufbau der Struktur, insbesondere die Laser- oder Elektronenstrahlwärme eines Auftragschweiß- oder Bearbeitungskopfes zur Verfügung gestellt. Dies erfolgt vorzugsweise schichtweise und direkt am Ort des additiven Aufbaus („in situ“).
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In einer Ausgestaltung verbleibt ein (Hilfs-)Material der Hilfsstruktur, vorzugsweise nach Fertigstellung des Bauteils zumindest teilweise, in dem Innenraum. Mit anderen Worten wird die poröse Hilfsstruktur zwar durch eine Erwärmung und das entsprechende Schmelzen oder Verflüssigen des Materials der Hilfsstruktur aus dem Funktionsbereich entfernt. Jedoch kann es je nach Geometrie des Innenraums und/oder des Funktionsbereich schwierig sein, das genannte Strukturmaterial ebenfalls aus dem Innenraum zu entfernen. Entsprechend der eingestellten Porosität kann dann mehr oder weniger Volumen für den Funktionsbereich zur Verfügung stehen.
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In einer Ausgestaltung wird die Struktur für das Bauteil derart aufgebaut, dass das Bauteil mindestens einen Ein- und/oder Auslass aufweist, welcher mit dem Innenraum fluidisch in Verbindung steht. Dies ist insbesondere zweckmäßig, wenn der Fusionsbereich einen Kühlkanal oder Strömungskanal für das Bauteil darstellt, welcher für die entsprechende Kühlungsfunktion während des Betriebs des Bauteils mit einem Kühlfluid durchströmt werden muss.
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In einer Ausgestaltung wird die Struktur derart ausgebildet, dass die Hilfsstruktur, vorzugsweise nach dem additiven Aufbau der Struktur, durch Schmelzen und/oder Verflüssigen und anschließendes Herausfließen einfach aus dem Innenraum entfernt werden kann. Mit anderen Worten kann eine Aufbaurichtung für den additiven Aufbau und/oder die Bauteilgeometrie im Vorfeld, beispielsweise durch Berücksichtigung bereits in einem entsprechenden Datenmodell, so gewählt werden, dass ein oder mehrere Ein- oder Auslässe für den Funktionsbereich gleichzeitig als Auslässe für das (eingeschmolzene oder verflüssigte) Strukturmaterial dienen.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Bauteil, welches nach dem beschriebenen Verfahren hergestellt und/oder herstellbar ist. In einer Ausgestaltung ist das Bauteil ein hochtemperaturbeständiges und/oder hochwarmfestes Bauteil, insbesondere für den Einsatz in einer Strömungsmaschine, wie einer Gasturbine.
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In einer Ausgestaltung ist der Funktionsbereich zur Durchströmung mit einem Fluid, insbesondere zur Kühlung, vorgesehen, d. h. beispielsweise entsprechend angeordnet und ausgebildet, wobei der Funktionsbereich weiterhin zumindest teilweise durch das, insbesondere metallisches, Material definiert ist. Bei dem, insbesondere metallischen Material handelt es sich vorzugsweise um das oben genannte Lot- oder Hilfsstrukturmaterial für die Hilfsstruktur. Dieses ist vorzugsweise ein von dem Grundmaterial für die Struktur verschiedenes Material. Vorzugsweise weist das genannte, insbesondere metallische Material einen niedrigeren Schmelzpunkt auf als das Grund- oder Strukturmaterial für das Bauteil.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die additive Herstellung des Bauteils umfassend ein Reservoir zum separaten oder getrennten Bevorraten des, insbesondere pulverförmigen Grundmaterials für das Bauteil, sowie des, insbesondere metallischen Materials und eines weiteren Materials. Bei dem weiteren Material kann es sich um ein funktionales Material, vorzugsweise den genannten Porenbildner, handeln.
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In einer Ausgestaltung umfasst das Reservoir drei Teilreservoire, wobei jedes Teilreservoir jeweils nur eines der genannten Materialien, gewählt aus Grundmaterial, insbesondere metallischem Material und weiterem Material, hält oder beinhaltet.
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Die Vorrichtung umfasst weiterhin einen Bearbeitungskopf, welcher mit dem Reservoir oder den Teilreservoiren verbunden ist, wobei der Bearbeitungskopf weiterhin zum Führen eines Schweißstrahls, insbesondere eines Laser- oder Elektronenstrahls, ausgebildet ist. Der Bearbeitungskopf ist weiterhin derart ausgebildet, dass Grundmaterial, dass, insbesondere metallische Material und/oder das weitere Material selektiv auf ein Bearbeitungsfläche oder ein Substrat aufzutragen und für den additiven Aufbau aufzuschmelzen.
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Die genannten Materialien können in dem Bearbeitungskopf gemischt werden.
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Wie aus dem Stand der Technik bekannt sein dürfte, kann der genannte Aufbauprozess weiterhin unter einer Inertgas-Atmosphäre durchgeführt werden.
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In einer Ausgestaltung umfasst der Bearbeitungskopf einen Schweiß- oder Schmelzkopf mit einer Pulverzuführung oder Pulverdüse sowie eine Laser- oder Elektronenstrahloptik, vorzugsweise in koaxialer Anordnung.
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In einer Ausgestaltung ist die Vorrichtung eine Strahlschweißvorrichtung und/oder eine Strahlschmelzvorrichtung, insbesondere zum Laserauftragschweißen, besonders bevorzugt zum Laserpulverauftragschweißen.
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In einer Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung eine Fördereinrichtung zum insbesondere vollautomatischen oder semiautomatischen selektiven Befördern des Grundmaterials, des insbesondere metallischen Materials und/oder des weiteren Materials in den Bearbeitungskopf.
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In einer Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung eine, insbesondere induktive Erwärmungseinrichtung, welche ausgebildet ist, eine Struktur des Bauteils auf eine Temperatur von mindestens 800 °C zu erwärmen. Gemäß dieser Ausgestaltung kann das Material der Hilfsstruktur besonders zweckmäßig, beispielsweise durch Einschmelzen, aus dem Funktionsbereich entfernt werden.
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Ausgestaltungen, Merkmale und/oder Vorteile, die sich vorliegend auf das Verfahren oder das Bauteil beziehen, können ferner die Vorrichtung betreffen oder umgekehrt.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren beschrieben.
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1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung und deutet anhand einer Querschnittsansicht eines Bauteils Verfahrensschritte eines erfindungsgemäßen mit der Vorrichtung durchgeführten Verfahrens an.
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2 zeigt schematisch eine Hilfsstruktur für den additiven Aufbau des Bauteils.
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3 deutet schematisch einen weiteren Verfahrensschritt des Verfahrens an.
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4 zeigt exemplarisch ein gemäß dem Verfahren hergestelltes Bauteil.
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5 zeigt ein vereinfachtes Flussdiagramm, welches erfindungsgemäß Verfahrensschritte andeutet.
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In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche oder gleich wirkende Elemente jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben dick oder groß dimensioniert dargestellt sein.
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1 deutet im oberen Teil der Darstellung vereinfacht eine erfindungsgemäße Vorrichtung 20 an. Im unteren Teil der Darstellung ist der additive Aufbau eines Bauteils in einer Querschnittsansicht als Teil eines erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch dargestellt. Mittels der Vorrichtung 20 wird insbesondere eine Struktur 1 für das erfindungsgemäße Bauteil 100 (vergleiche 3 unten) beispielhaft angedeutet. Der Verfahrensschritte des additiven Aufbaus der Struktur 1 ist weiterhin vereinfacht im Flussdiagramm der 5 mit dem Verfahrensschritt a) bezeichnet.
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Bei dem Bauteil 100 handelt es sich vorzugsweise um ein Bauteil aus einer Nickelbasis- oder Superlegierung oder ein anderes insbesondere hochwarmfestes oder hochtemperaturbeständiges Bauteil, insbesondere für den Einsatz in einer Strömungsmaschine, wie einer Gasturbine.
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Die Vorrichtung 20 ist vorzugsweise dem Grunde nach eine Strahlschweiß- und/oder Strahlschmelz-Vorrichtung, insbesondere eine Vorrichtung zum Laserauftragschweißen, besonders bevorzugt zum Laserpulverauftragschweißen oder „Microsoft Cladding“.
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Die Vorrichtung 20 umfasst ein Reservoir 21. Das Reservoir 21 hält oder bevorratet vorzugsweise pulverförmige Ausgangs- und Hilfsmaterialien für den additiven Aufbau der Struktur 1 mittels der Vorrichtung 20. Das Reservoir 21 kann, wie dargestellt, in drei separate oder voneinander getrennte Teilreservoire es 21a, 21b und eine 21c unterteilt sein, wobei jedes Teilreservoir lediglich ein Material beinhaltet. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit kann beispielsweise das Teilreservoir 21a ein Grundmaterial für die Struktur 1 bzw. das Bauteil 100 halten.
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Das Teilreservoir 21b hält oder beinhaltet beispielsweise ein, vorzugsweise metallisches Hilfsmaterial 3. Bei dem Hilfsmaterial 3 kann es sich um ein Zusatzmaterial handeln, welches artgleich oder artähnlich zu dem Grundmaterial für die Struktur 1 ist. Beispielsweise können beide Materialen, d.h. das Grundmaterial als auch das Hilfsmaterial 3 metallisch sein. Vorzugsweise sind die jeweiligen Schmelzpunkte jedoch verschieden. Bevorzugt ist der Schmelzpunkt des Hilfsmaterials 3 niedriger als der Schmelzpunkt des Grundmaterials unter Normaldruckverhältnissen.
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Das Teilreservoir 21c beinhaltet beispielsweise ein weiteres Material. Bei dem weiteren Material kann es sich ebenfalls um ein Hilfsmaterial und/oder um ein funktionales Material (nicht explizit gekennzeichnet) handeln. Insbesondere ist das funktionale oder weitere Material ein Porenbildner, mit welchem metallische Schäume und/oder poröse Strukturen im Zusammenwirken mit dem Hilfsmaterial 3 hergestellt werden können. Das funktionale oder weitere Material kann beispielsweise ebenfalls pulverförmigen oder aber auch flüssig sein.
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Die Vorrichtung 20 umfasst weiterhin einen Bearbeitungskopf 23, der in 1 schematisch angedeutet ist. Der Bearbeitungskopf 23 ist vorzugsweise zum Führen eines Schweißstrahls 25, beispielsweise eines Laser- oder Elektronenstrahls, mit einer Optik 26 ausgestattet. Der Bearbeitungskopf 23 ist weiterhin mit dem Reservoir 21, genauer mit jedem der Teilreservoire 21a, 21b, 21c verbunden, sodass Material aus einem entsprechenden Reservoir in den Bearbeitungskopf befördert oder diesem (für den additiven Aufbau) zugeführt werden kann. Dies wird vorzugsweise mittels einer Fördereinrichtung 22, beziehungsweise jeweils separaten Fördereinrichtungen 22 für jedes Teilreservoir, ermöglicht, wobei das entsprechende Material vorzugsweise selektiv und unabhängig von der Förderung eines anderen Materials in den Bearbeitungskopf 23 befördert werden kann. Dies kann durch dem Fachmann bekannte Mittel, beispielsweise gängige Pulverförder-Methoden, insbesondere pneumatische Einrichtungen, Pumpen oder andere Mittel erreicht werden.
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Durch die Fördereinrichtung(en) 22, die Reservoir(e) 21, unter Umständen samt einer entsprechenden Steuerung, können vorteilhafterweise voneinander getrennte vollautomatisch oder semi- automatisch geregelte Förderstrecken eingerichtet werden, welche die beschriebenen Materialien für den additiven Aufbau des Bauteils 100 selektiv über die Pulverdüse 24 einem Schmelzbad zuführen.
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Vorzugsweise werden die Materialien für den additiven Aufbau erst in dem Bearbeitungskopf 23 gemischt und anschließend durch eine Pulverdüse 24 analog zum konventionellen Laserauftragschweißen auf einer Bearbeitungsfläche oder auf einem Substrat (vergleiche Bezugszeichen 6) aufgetragen und für den Aufbau mittels des Schweißstrahls 25 aufgeschmolzen.
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In 1 ist die Struktur 1 für das Bauteil 100 bereits (nahezu) vollständig auf dem Substrat 6 aufgebaut gezeigt.
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Die Struktur 1 wurde mit anderen Worten gemäß dem beschriebenen Verfahren mittels der Vorrichtung 20 entlang einer Aufbaurichtung AB, vorzugsweise schichtweise, aufgebaut. Die gestrichelten horizontalen Linien im unteren Bereich der Struktur 1 in 1 deuten dabei die einzelnen Schichten an. Die genannten Schichten können beispielsweise bereits in einem Datenmodell (beispielsweise CAD- und/oder CAM-Modell) für die Konstruktion des Bauteils („slicing“) relativ zu seiner Struktur 1 abgebildet oder vorhanden gewesen sein.
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Gemäß dem vorgestellten Verfahren (vergleiche ebenfalls 5) wird oder wurde die Struktur 1 aus einem entsprechenden pulverförmigen Grundmaterial mittels Laserauftragschweißen auf dem Substrat 6 aufgebaut.
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Während des additiven Aufbaus wird in einem mit Bezugszeichen I bezeichneten Innenraum der Struktur 1 oder des Bauteils 100 eine Hilfsstruktur 2 vorzugsweise bestehend aus einem Metallschaum eingebracht oder aufgebaut. Das Einbringen der Hilfsstruktur 2 ist weiter unten in 5 mit dem Bezugszeichen b) angedeutet, wobei der genannte Verfahrensschritt, beispielsweise gleichzeitig oder schichtweise mit dem Aufbau der Struktur 1 als auch anschließend an diesen erfolgen kann.
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Dadurch wird mit Vorteil ein Funktionsbereich FB, welcher später für das Bauteil oder seine Funktion im Betrieb notwendig wird, definiert oder abgegrenzt. Dies kann ebenso wie der eigentliche Aufbau der Struktur 1 schichtweise (additiv) erfolgen, wobei das Material schichtweise für den entsprechenden Aufbau der Schicht, unter Umständen über eine entsprechende Steuerung und das entsprechende Ansteuern der Pulverfördereinrichtungen 22 gewechselt werden muss. Dazu kann insbesondere ein besonders schnelles „Ansprechen“ der Pulverdüse 24, der Fördereinrichtungen in 22 und/oder des Bearbeitungskopfes 23 insgesamt erforderlich sein. Alternativ kann auch zunächst quasi-dreidimensional eine Mehrzahl von Schichten der Struktur 1 additiv aufgebaut werden und ein dadurch definierter Innenraum oder Innenbereich I anschließend mit dem Hilfsmaterial 3 gefüllt werden, beispielsweise bis zu dem Zeitpunkt, zudem ein Überhang 8 in der Struktur gefertigt werden muss.
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Anhand der karierten Darstellung der Hilfsstruktur 2 ist zu erkennen, dass es sich dabei um ein poröses Material handelt, welches beispielsweise eine Porosität von 50 % oder mehr aufweist. Die Hilfsstruktur 2 hat insbesondere den Zweck, die eigentliche Struktur 1 für das Bauteil für die erforderliche Formstabilität während der additiven Herstellung über dem Innenbereich I zu stützen. Dementsprechend kann die Porosität gewählt werden und beispielsweise 30 %, 40 %, 60 %, 70 % oder mehr betragen.
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2 zeigt eine beispielhafte Struktur der genannten Hilfsstruktur mit einer für diese gemäß der vorliegenden Erfindung zweckmäßigen Porosität. Gemäß der Darstellung der 2 kann die Porosität 50 % betragen.
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Die poröse Hilfsstruktur 2 wird insbesondere dadurch gebildet oder aufgebaut, dass das genannte, insbesondere metallische, Hilfsmaterial 3 mit dem Porenbildner, beispielsweise einem Metallhydrid, in dem Bearbeitungskopf 23 gemischt und die entsprechende Mischung zur Bildung der Hilfsstruktur 2 über den Schmelzpunkt des Hilfsmaterial 3 erwärmt wird. Dabei verdampft vorzugsweise der Porenbildner und erzeugt die gewünschte Porosität der Hilfsstruktur 2. Insbesondere kann die Porosität das Mischungsverhältnis von Hilfsmaterial 3 und Porenbildner sowie durch die entsprechend eingebrachte thermische Energie (Laserleistung) eingestellt werden.
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Das genannte Hilfsmaterial 3 ist vorzugsweise ein Lotmaterial, insbesondere ein Hochtemperaturlot, welches in einem nachfolgenden Temperaturschritt des beschriebenen Verfahrens wieder abgebaut und verflüssigt werden kann (siehe 5). Das genannte Hochtemperaturlot kann Cu-, Co, oder Ni enthalten.
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Entsprechend der Darstellung der 2 (vergleiche unterer Bereich) ist das Bauteil derart aufgebaut, dass in eine einfache rechteckige oder quaderförmigen Geometrie der Struktur 1, eine bogenartige Hilfsstruktur 2 in einen Innenbereich I eingebracht wurde. Die Hilfsstruktur 2 und vorzugsweise dementsprechende Innenbereich I weist darüber hinaus sich horizontal erstreckende Abschnitte oder Arme auf, welche entsprechend Überhänge der Struktur 1 definieren.
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Zweckmäßigerweise wird der Innenraum I bzw. die Hilfsstruktur 2 in einer späten Aufbauphase bis zur Fertigstellung wieder mit dem eigentlichen Grundmaterial bedeckt (vergleiche oberer Bereich des Bauteils 100 in 1)
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Abweichend von der Darstellung der 1 kann das Bauteil 100, deren Struktur 1 und/oder die in den Innenbereich I bzw. der Fusionsbereich FB eingebrachte Hilfsstruktur 2 jede individuell gewünschte Form oder Geometrie aufweisen, beispielsweise eine bereits durch die Konstruktion des Bauteils vorbestimmte Form. Insbesondere kann der Innenbereich I, welcher gemäß der vorliegenden Erfindung zwischenzeitlich, d. h. während der Herstellung vorzugsweise vollständig von der Hilfsstruktur 2 eingenommen wird für eine Kühlkanalstruktur (nicht explizit gekennzeichnet) vorgesehen sein, über welche das Bauteil 100 im Betrieb zweckmäßigerweise zur Kühlung von einem Kühlfluid durchströmt werden kann. Zu diesem Zweck wird die Struktur 1 vorzugsweise derart aufgebaut, dass ein Fluideinlass und/oder ein entsprechender Auslass für das Bauteil vorgesehen ist.
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Das Verfahren umfasst weiterhin das Abbauen oder Entfernen (vergleiche Verfahrensschritt c) in 5), insbesondere das Schmelzen oder Herausschmelzen des porösen Materials der Hilfsstruktur aus dem Fusionsbereich FB durch Erwärmen der Hilfsstruktur, insbesondere nachdem die Struktur 1 fertig aufgebaut wurde, sodass der Funktionsbereich FB von der Hilfsstruktur befreit wird.
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Dazu kann die Vorrichtung 20 eine Erwärmungseinrichtung 27 aufweisen, welche schematisch ebenfalls im unteren Bereich der 1 angedeutet ist. Bei der Erwärmungseinrichtung 27. 20 kann es sich um eine induktive Einrichtung, beispielsweise ein Induktionsofen handeln, um die Struktur 1, insbesondere jedoch die Hilfsstruktur 2 nach dem beschriebenen additiven Aufbauen auf zweckmäßig hohe Temperaturen zu erwärmen, beispielsweise derart dass die Hilfsstruktur eingeschmolzen werden kann. Vorzugsweise werden für das Entfernen der Hilfsstruktur aus dem Funktionsbereich FB Temperaturen von über 700 °C, vorzugsweise von über 800 °C besonders bevorzugt von über 900 °C oder mehr erreicht.
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Alternativ kann die Erwärmungseinrichtung eine von der beschriebenen Vorrichtung 20 separate Einrichtung sein.
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3 zeigt das Bauteil 100 bzw. seine Struktur 1, wobei durch das beschriebene Entfernen, insbesondere mittels einer Hochtemperaturbehandlung oder Hochtemperaturlöten, die Hilfsstruktur 3 aus dem Funktionsbereich FB durch Verflüssigen entfernt wurde (vergleiche Verfahrensschritte c) in 5). Entsprechend ist in 3 vorzugsweise ein kompletter oder weitgehend fertig hergestellter Zustand des Bauteils 100 gezeigt.
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Durch das beschriebene Einschmelzen der Hilfsstruktur 2 verliert diese notwendigerweise ihre Formstabilität, ihr ursprüngliches Volumen und auch ihre für die Struktur 1 stützende Wirkung. Das eingeschmolzene Material der Hilfsstruktur 2 kann beispielsweise an oder in Abschnitten des Innenbereichs I verbleiben. Dementsprechend ist der Funktionsbereich FB vorzugsweise vollständig in dem Innenbereich angeordnet und/oder stellt ein Teilbereich des Innenbereichs I da.
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Je größer die Porosität, umso größer kann nachher der Funktionsbereich FB ausfallen, da mehr Volumen (Gasvolumen) aufgrund der größeren Porosität zur Bildung des Hohl- oder Funktionsbereichs FB zur Verfügung steht.
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Es ist insbesondere durch die gestrichelten Linien in 3 angedeutet, dass das, insbesondere metallische Hilfsmaterial 3, d. h. das eingeschmolzene Material der Hilfsstruktur an inneren Wänden der Struktur 1 beziehungsweise des Innenbereichs I zurückbleibt oder sich dort anlagert. Alternativ oder zusätzlich kann das Hilfsmaterial 3 zumindest teilweise in dafür vorgesehenen Bereichen „Taschen“ (ebenfalls gestrichelt und mit Bezugszeichen 4 gekennzeichnet in 3) aufgenommen werden, in die es beispielsweise nach dem Verflüssigen durch den Einfluss der Gravitation hineinfließt.
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Alternativ kann der komplette Aufbau der Struktur 1 für das Bauteil 100 erfindungsgemäß derart durchgeführt werden, dass das Bauteil 100 mindestens einen Ein- und/oder Auslass 4 aufweist, welcher mit dem Innenraum I fluidisch in Verbindung steht. Vorzugsweise kann dann das Hilfsmaterial ebenfalls durch die in der Struktur vorgesehenen Ein- und/oder Auslässe 4 aus dem Innenbereich I entfernt und so ein noch größeres Volumen für den Fusionsbereich zur Verfügung gestellt werden.
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Der genannte Ein- und/oder Auslass 4 kann an der/den Positionen der Taschen oder Aufnahmebereiche vorgesehen werden.
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4 zeigt lediglich als beispielhafte Ausgestaltung eine Turbinenschaufel, beispielsweise eine Leit- oder Laufschaufel einer Gasturbine, als Bauteil 100. An der Spitze des Bauteils 100 ist ein Innenbereich oder Hohlraum gezeigt, welcher den beschriebenen Funktionsbereich FB darstellt. In diesem Sinne, kann die gezeigte Turbinenschaufel mit dem beschriebenen Verfahren mit einem inneren Kühlkanal oder Hohlraum versehen werden, sodass die Schaufel beispielsweise für einen Betrieb der Gasturbine zweckmäßig gekühlt werden kann.
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Alternativ zu der gezeigten Turbinenschaufel kann das Bauteil 100 beispielsweise ein anderes im Heißgaspfad einer Gasturbine angewendetes Bauteil, beispielsweise ein Brennerbauteil oder ein Teil einer Brennkammerwand der Turbine sein.
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Obwohl dies nicht explizit in den vorliegend beschriebenen Figuren gezeigt ist, kann das beschriebene Verfahren und/oder das entsprechende Bauteil durch die additive Abscheidung von weiteren Materialien, beispielsweise Oxidationsschutz-(MCrAlX) und/oder Wärmedämmschichten gekennzeichnet sein.
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Weiterhin können im Rahmen der beschriebenen Erfindung – als Alternative zu den beschriebenen Schweißverfahren – weitere Beschichtungsverfahren, wie z. B. Elektronenstrahlverdampfen (EB-PVD) oder atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD verwendet werden, sofern darauf das beschriebene erfinderische Konzept mit metallischem Schaum als poröser Hilfsstruktur anwendbar ist.
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Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt, sondern umfasst jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen. Dies beinhaltet insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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