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Die vorliegende Erfindung betrifft die Bearbeitung von bestehenden Bauteilen unter Einsatz von Vorrichtungen zur additiven Fertigung. Ferner betrifft die vorliegende Anmeldung eine Vorrichtung zur additiven Fertigung zur Durchführung dieses Verfahrens. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Kompositstruktur, welche im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt wird.
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Die additive Fertigung von Bauteilen ist bekannt. Beispielsweise behandelt die
DE 10 2009 048 665 A1 die Herstellung einer Turbinenschaufel, bei der im Inneren ein dreidimensional sich ausdehnendes Gitter enthalten ist. Der Innenraum ist von einer Wandung umgeben, wobei in dieser Wandung Löcher vorgesehen werden können, die den Innenraum mit einer Oberfläche der Turbinenschaufel verbinden. Wie beispielsweise der
DE 10 2009 033 753 A1 zu entnehmen ist, können solche Öffnungen beispielsweise Verwendung finden, um Kühlgas aus dem Innenraum der Schaufel zu ihrer Oberfläche zu transportieren. Auf diesem Weg ist eine Filmkühlung der Schaufel mit dem Kühlgas möglich.
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Zwar bietet die additive Fertigung die Möglichkeit flexibel Bauteile mit unterschiedlichster Geometrie zu erstellen, jedoch bringt der schichtweise Aufbau der Bauteile einen hohen Zeitbedarf mit sich. Zugleich ist das hierbei verwendete Pulver aufgrund der hohen Qualitätsanforderungen sehr teuer. Der Einsatz zur Reparatur oder Modifikation von bestehenden Bauteilen bringt weitere Probleme mit sich.
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Beispielsweise wird die additiv gefertigte Struktur an einer definierten Stelle des Raumes innerhalb der Vorrichtung zur additiven Fertigung aus einem Pulverbett aufgebaut. Damit eine additiv gefertigte Struktur bereits während der additiven Fertigung mit einem bestehenden Bauteil verbunden werden kann, muss dieses Bauteil in das Pulverbett eingebracht werden und dort hochgenau auf der zu bearbeitenden Oberfläche des Bauteils mit dem Aufbau der Struktur begonnen werden. Hierzu ist es jedoch beispielsweise erforderlich, dass die Position und Ausrichtung des bestehenden Bauteils exakt bekannt ist. Eine hochpräzise Ausrichtung des Bauteils in der Anlage ist jedoch nicht immer umsetzbar, weil beispielsweise zu ungenau, und erfordert zumindest einen hohen Zeitbedarf, in dem die Vorrichtung zur additiven Fertigung nicht zur Produktion genutzt werden kann. Auch kann ein reales Bauteil beispielsweise in seiner Form von den theoretischen Referenzdaten seiner Form abweichen. Da anders als bei bestehenden Verfahren wie dem Laserschweißen nicht ein deutlicher Überschuss an Material aufgetragen werden soll, müssten auch diese Abweichungen in die additive Fertigung einfließen. Andernfalls können keinen hochpräzisen Strukturen auf der Oberfläche des bestehenden Bauteils aufgebracht werden, ohne dass nach der Fertigung infolge der Abweichung eventuell die aufgebaute Struktur wieder entfernt und neu erstellt werden muss.
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Bestehende Vorrichtungen zur additiven Fertigung bieten hierzu noch keine Lösung an, so dass die additive Fertigung in diesem Bereich noch immer nicht als Ergänzung oder als Ersatz bestehender Verfahren genutzt werden kann. Insbesondere ist es noch nicht möglich die besonderen Vorteile der additiven Fertigung zu nutzen, wie die Möglichkeit durch Aufbringung einer neuartigen Struktur eine Modifikation eines bestehenden Bauteils im Sinne eines Upgrades durchzuführen. Hierbei wird angesichts der mangelnden Möglichkeiten oder zumindest angesichts des Aufwands und des somit resultierendes Preises eine Neufertigung entsprechender Bauteile vorgezogen. Insbesondere wäre es vorteilhaft bestehende Anlagen einfach nachrüsten zu können, um diese Ressourcen nutzen zu können.
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Daher besteht der Bedarf nach einem verbesserten Verfahren, das eine Integration der additiven Fertigung in die derzeitige Produktionstechnik, Wartungstechnik und Reparaturtechnik erlaubt, wobei möglichst geringe Anpassungen an bestehende Vorrichtungen zur additiven Fertigung vorgenommen werden sollen. Ferner besteht ein Bedarf an derart modifizierten Vorrichtungen und Hilfsmitteln zur Umsetzung eines derartigen Verfahrens. Diese Aufgaben und weitere nicht explizit aufgeführte Aufgaben werden gelöst durch die in den Ansprüchen und der Beschreibung offenbarte Erfindung und die spezifischen Ausführungsformen, die hiernach offenbart sind.
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Gemäß einem Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur additiven Fertigung einer Struktur auf mindestens einer zu bearbeitenden Oberfläche eines Bauteil in einer Vorrichtung zur additiven Fertigung, wobei die Vorrichtung zur additiven Fertigung eine Arbeitsplatte aufweist, umfassend folgende Schritte
- a) Bereitstellen einer Hilfsplatte geeignet für die Befestigung an der Arbeitsplatte, wobei die Hilfsplatte mindestens eine Referenzmarkierung aufweist,
- b) Befestigung des Bauteils auf der Hilfsplatte, vorzugsweise wobei die mindestens eine zu bearbeitende Oberfläche aufwärts gerichtet ist,
- c) optional Bearbeitung der mindestens einen zu bearbeitenden Oberfläche zur Bereitstellung einer zur Arbeitsebene der Vorrichtung zur additiven Fertigung im Wesentlichen parallelen Oberfläche,
- d) Vermessen der mindestens einen Referenzmarkierung und des Bauteils, wobei die Position des Bauteils in Bezug auf die mindestens eine Referenzmarkierung erfasst wird,
- e) Einbringen der Hilfsplatte mit der mindestens einen Referenzmarkierung und dem Bauteil in die Vorrichtung zur additiven Fertigung und lösbares Befestigen der Hilfsplatte an der Arbeitsplatte und
- f) Bearbeitung des Bauteils in der Vorrichtung zur additiven Fertigung mittels Arbeitsdaten basierend auf Messdaten des Schritts d). Der Begriff „aufwärts“ im Sinne der vorliegenden Erfindung bezeichnet eine Orientierung, bei der die zu bearbeitende Oberfläche von der Hilfsplatte weg zeigt. Hierbei erfolgen die vorgenannten Schritte in der vorgenannten Reihenfolge, wobei auch weitere hiernach genannte oder nicht genannte Zwischenschritte erfolgen können.
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Das vorliegende Verfahren ermöglicht die Verwendung von bestehenden Vorrichtungen zur additiven Fertigung, indem eine minimale Änderung an der Vorrichtung vorgenommen wird und die Messung zur Bestimmung der erforderlichen Daten aus der Vorrichtung zur additiven Fertigung verlagert wird. Als Bindestelle zwischen dem Bezugssystem der Messvorrichtung aus Schritt d) und dem Bezugssystem der Vorrichtung zur additiven Fertigung dient die mindestens eine Referenzmarkierungen, die als Bezugspunkt für das Bezugssystem der Vorrichtung definiert sind. Hierdurch wird eine Verwendung der außerhalb der Vorrichtung gewonnenen Daten in der Vorrichtung ermöglicht.
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Der Begriff „Referenzmarkierung“ im Sinne der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf eine detektierbare Markierung der Hilfsplatte, die eine bekannte Position in der Vorrichtung zur additiven Fertigung darstellt. Derartige Referenzmarkierungen können beispielsweise durch Fertigung der Referenzmarkierung in der Vorrichtung zur additiven Fertigung hergestellt werden, so dass aus den Daten der Fertigung dieser Referenzpunkte eine Zuordnung der Position in der Vorrichtung zu dem Ort der Referenzmarkierung auf der Hilfsplatte erfolgen kann. Als Referenzmarkierungen können beispielsweise Einbuchtungen in der Oberfläche der Hilfsplatte, Oberflächenmodifikation der Hilfsplatte wie Markierungen oder Körper auf der Oberfläche der Hilfsplatte genutzt werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur additiven Fertigung umfassend eine Arbeitsplatte und eine Hilfsplatte zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei die Arbeitsplatte geeignet ist die Hilfsplatte an der Arbeitsplatte lösbar zu befestigen, und wobei die Hilfsplatte mindestens eine Referenzmarkierung aufweist und geeignet ist lösbar mit der Arbeitsplatte verbunden zu werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Kompositstruktur zum Einsatz in einem erfindungsgemäßen Verfahren umfassend
- - eine Hilfsplatte geeignet für die Befestigung an der Arbeitsplatte der Vorrichtung zur additiven Fertigung,
- - mindestens ein Bauteil zur Bearbeitung mittels additiver Fertigung, wobei das Bauteil an der Hilfsplatte befestigt ist, und
- - mindestens eine Referenzmarkierung die an der Hilfsplatte befestigt ist, wobei die mindestens eine Referenzmarkierung geeignet ist als Bezugspunkt für die Positionsbestimmung des mindestens einen Bauteils genutzt zu werden.
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Für ein vollständigeres Verständnis der vorliegenden Erfindung wird auf die nachfolgende ausführliche Beschreibung und der in Verbindung hiermit beschriebenen Abbildungen verwiesen. Die Abbildungen sind hierbei jedoch nur als Verdeutlichung der Erfindung zu verstehen und stellen nur besonders bevorzugte Ausführungsformen und keine Einschränkung der Erfindung dar.
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zeigt den Ausschnitt einer schematischen Seitenansicht aus einer Vorrichtung zur additiven Fertigung während Schritt f) des Verfahrens.
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zeigt den Ausschnitt einer schematischen Seitenansicht aus einer Vorrichtung zur additiven Fertigung während eines späteren Zeitpunkts von Schritt f) des Verfahrens.
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zeigt eine schematische Darstellung aus Schritt d) des bereits in dargestellten Verfahrens.
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zeigt die Fertigung einer Hilfsplatte 3 in der Vorrichtung 8 zur additiven Fertigung, welche auch in dargestellt ist.
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zeigt einen schematischen Ablauf eines auch in den und dargestellten Verfahrens. Hierbei werden die Schritte a) bis f) durchlaufen.
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Gemäß einem Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung das vorgenannte Verfahren zur additiven Fertigung einer Struktur auf mindestens einer zu bearbeitenden Oberfläche eines Bauteil in einer Vorrichtung zur additiven Fertigung
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Das Bauteil kann hierbei beispielsweise direkt mit der Hilfsplatte verbunden werden oder mittels Befestigungselementen an der Hilfsplatte befestigt sein. Dies ist insbesondere vorteilhaft, da hiermit auch Bauteile sicher und fest an der Hilfsplatte befestigt werden können, die beispielsweise wenig Grundfläche zum Kontakt mit der Hilfsplatte aufweisen. Auch kann hiermit ein Bauteil wie beispielsweise eine Turbinenschaufel zwischen mehreren Befestigungselementen festgeklemmt werden. Eine lösbare Befestigung des Bauteils an gegebenenfalls vorhandenen Befestigungselementen ist hierbei typischerweise bevorzugt. Somit entfällt beispielsweise ein nachfolgender Schritt, um Reste einer Schweißnaht oder Vergleichbares als Reste einer unlösbaren Verbindung von Bauteil und Hilfsplatte oder Bauteil und Befestigungselement zu entfernen. Die Befestigungselemente können hierbei lösbar oder unlösbar an der Hilfsplatte befestigt werden. Vorzugsweise wird ein Befestigungselement, mehr bevorzugt mehrere Befestigungselemente, lösbar an der Hilfsplatte befestigt, beispielsweise verschraubt, um eine schnelle und einfache Befestigung des Befestigungselements zu ermöglichen. Dies ermöglicht nicht nur den schnellen Austausch der Befestigungselemente, sondern auch beispielsweise das schnelle Befestigen des Bauteils insbesondere durch Einklemmen zwischen mehreren Befestigungselementen ohne großen technischen Aufwand.
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Die Arbeitsplatte ist eine vorzugsweise eine lösbar mit der Vorrichtung zur additiven Fertigung verbundene Komponente, die geeignet ist hieran die Hilfsplatte zu befestigen. Dies erlaubt bei einer Abnutzung der Befestigungen für die Hilfsplatte, die Arbeitsplatte zu ersetzen und somit eine dauerhaft hochgenaue Befestigung der Hilfsplatte ohne merkliche Stillstandszeiten der Vorrichtung zu ermöglichen.
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Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Arbeitsplatte Bestandteil einer Plattform ist, die geeignet ist auf ihr das Pulverbett für die additive Fertigung aufzubringen und stufenweise abgesenkt zu werden.
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Die Phrase „zur Arbeitsebene der Vorrichtung zur additiven Fertigung im Wesentlichen parallelen Oberfläche“ im Sinne der vorliegenden Erfindung bezeichnet eine Oberfläche, die nicht wesentlich von einer theoretischen Ebene parallel zur Arbeitsebene abweicht. Vorzugsweise weicht eine derartige in Schritt c) erhaltene im Wesentlichen parallele Oberfläche höchstens 0,5 mm, mehr bevorzugt höchstens 0,2 mm, noch mehr bevorzugt höchstens 0,1 mm, insbesondere bevorzugt höchstens 0,04 mm, von einer theoretischen Ebene parallel zur Arbeitsebene ab, welche mittig zwischen höchstem und niedrigstem Punkt der entsprechenden Oberfläche angeordnet ist, welche die in Schritt f) zu bearbeitende Oberfläche darstellt.
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Der Begriff „Arbeitsebene“ im Sinne der vorliegenden Erfindung bezeichnet die theoretische Ebene, in der eine Schicht in der Vorrichtung zur additiven Fertigung aufgebaut wird. Beispielsweise ist dies im Falle des selektiven Laserschmelzens unter Einsatz eines Metalllegierungspulvers die Ebene des aufgerakelten Metalllegierungspulver, aus dem die entsprechende Schicht des Bauteils aufgebaut wird.
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Die erstellten Arbeitsdaten beinhalten für die Vorrichtung zur additiven Fertigung erforderliche Daten, um eine gewünschte finale Form des Bauteils zu erzeugen. Hierbei dienen die Referenzmarkierungen als Bezugspunkte, damit die Vorrichtung zur additiven Fertigung die notwendigen Schritte zum Aufbau der gewünschten Strukturen durchführen kann. Dies kann insbesondere ohne Vermessung des Bauteils in der Vorrichtung zur additiven Fertigung erfolgen.
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Bei weiteren Ausführungsformen betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren, wobei die Arbeitsdaten nach Schritt d) basierend auf der räumlichen Anordnung der zu bearbeitenden Oberfläche zu der mindestens einen Referenzmarkierung erzeugt werden, wobei die Vorrichtung zur additiven Fertigung basierend auf diesen Arbeitsdaten in Schritt f) die additive Fertigung der Struktur derart steuert, dass sich die Struktur an die zu bearbeitende Oberfläche anschließt und fest mit dem Bauteil verbunden ist. Die Hilfsplatte dient als Basis, um die in der Messvorrichtung bestimmten Relationen von Bauteil und Referenzmarkierung zueinander in die Vorrichtung zur additiven Fertigung übertragen zu können. Gleichzeitig ermöglicht ihre präzise Befestigung an der Arbeitsplatte in der Vorrichtung, dass die Referenzmarkierungen an der zugeordneten Position innerhalb der Vorrichtung liegen und somit die Platzierung des Bauteils infolge der Messdaten aus Schritt d) indirekt bekannt ist. Die Auswertung der Messdaten und Erzeugung der Arbeitsdaten kann hierbei automatisch erfolgen. Dies ist insbesondere bevorzugt, wenn eine größere Anzahl an Bauteilen automatisiert bearbeitet werden soll.
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Typischerweise ist es bevorzugt, dass die Arbeitsdaten auch die Daten der zu fertigenden Struktur beinhalten. Die Zusammenfassung der zur Bearbeitung erforderlichen Daten reduziert beispielsweise die Gefahr einer Verwechslung bei der industriellen Bearbeitung einer großen Zahl an Bauteilen.
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Ferner ist es vorteilhaft die Hilfsplatte mit einer maschinenlesbaren Kennzeichnung wie einem Barcode zu versehen. Hierdurch können Messdaten den spezifischen Bauteilen zugeordnet und die Gefahr einer Verwechslung nahezu ausgeschlossen werden.
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Bei weiteren Ausführungsformen betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren, wobei nach Schritt d) gemessene Daten des Bauteils mit Referenzdaten des Bauteils abgeglichen werden, Abweichungen zwischen den gemessenen Daten des Bauteils und den Referenzdaten des Bauteils ermittelt werden, die Notwendigkeit einer Anpassung von Referenzdaten der Struktur ermittelt wird und gegebenenfalls basierend auf den Abweichungen der gemessenen Daten des Bauteils die Referenzdaten der Struktur angepasst werden und Arbeitsdaten mit Daten einer angepassten Struktur erstellt werden. Beispiele für Referenzdaten, welche hierbei genutzt werden können sind CAD-Daten, die beispielsweise die originalen CAD-Daten des Bauteils darstellen oder CAD-Daten, die in Bezug auf die aufzubringenden Strukturen abgeändert wurden. Dies hat den Vorteil, dass hiermit Abweichungen von der theoretischen Form des Bauteils erfasst werden und in die Bearbeitung einfließen können. So können hierdurch beispielsweise bei Verformungen des Bauteils Anpassungen vorgenommen werden, um einen gleichmäßigen Oberflächenverlauf des fertig bearbeiteten Bauteils sicherzustellen und beispielsweise unerwünschte Nominalgeometrieabweichungen im Bauteil zu verhindern.
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Bei weiteren Ausführungsformen betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren, wobei die Hilfsplatte in Schritt e) an einer vorbestimmten Position mit vorbestimmter Ausrichtung auf der Arbeitsplatte befestigt wird. Durch die Möglichkeit die Hilfsplatte lösbar an einer vorbestimmten Position mit vorbestimmter Ausrichtung auf der Arbeitsplatte zu befestigen wird eine einfache und dennoch genaue Möglichkeit geschaffen die Daten aus der Vermessung in Schritt d) auf das Bezugssystem der Vorrichtung zur additiven Fertigung zu übertragen. Dies ermöglicht insbesondere bestehende Vorrichtungen zur additiven Fertigung ohne zusätzliche Messtechnik im Inneren zu nutzen, wobei hochpräzise Strukturen auf beliebigen Bauteilen aufgebracht werden können. Angesichts der Preise der Vorrichtungen und der Flexibilität der in der vorliegenden Erfindung offenbarten Möglichkeit kann die Effizienz der Nutzung bestehender Anlagen drastisch erhöht werden.
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Bei weiteren Ausführungsformen betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren, wobei die genaue Position und Ausrichtung der Hilfsplatte durch ein Detektionsverfahren nach Befestigung an der Arbeitsplatte bestimmt wird. Eine Bestimmung der genauen Position und Ausrichtung kann auch beispielsweise erfolgen, indem die Position verschiedener Referenzpunkte der Hilfsplatte oder auch der mindestens einen Referenzmarkierung erfasst wird. Zusätzlich oder alternativ kann beispielsweise die Lage einer definierten Seite der Hilfsplatte mittels einer Messvorrichtung bestimmt werden, die analog einer Messuhr, insbesondere digitalen Messuhr, oder analog einem Messfühler, digital oder analog, funktioniert oder eine Messuhr, vorzugsweise digitale Messuhr, und/oder einen Messfühler, vorzugsweise digitalen Messfühler, umfasst. Hierbei ist es erforderlich, dass im Inneren der Vorrichtung zur additiven Fertigung eine entsprechende Messtechnik integriert ist. Da jedoch nur beispielsweise wenige Punkte der definierten Hilfsplatte bestimmt werden müssen, ist hierzu eine sehr einfache Messtechnik ausreichend und die Messung schnell durchzuführen. Die eigentliche hochgenaue Vermessung der exakten Position und/oder Form des Bauteils wird dennoch auf Schritt d) und somit aus der Vorrichtung zur additiven Fertigung hinaus verlagert.
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Bei weiteren Ausführungsformen betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren, wobei die mindestens eine Referenzmarkierung auf der Hilfsplatte befestigte 3-dimensionale Körper umfasst. Derartige Referenzmarkierungen lassen sich typischerweise sehr gut mit den gebräuchlichen Messmethoden in Schritt d) vermessen, so dass vorzugsweise auch die Lage von mindestens einer Referenzmarkierung gleichzeitig zur Lage des Bauteils bestimmt werden kann. Hierdurch kann vermieden werden, dass beispielsweise die Position einer Referenzmarkierung und des Bauteil auf der Hilfsplatte getrennt bestimmt werden, wonach hieraus indirekt der Lage des Bauteils in Relation zur Referenzmarkierung berechnet wird. Vielmehr kann direkt die exakte Position eines Bauteils in Relation zu mindestens einer Referenzmarkierung erhalten werden, welche als Verknüpfung zum Bezugssystem der Vorrichtung zur additiven Fertigung dient.
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Zur Vereinfachung des Messens und/oder Erhöhung der Messgenauigkeit ist typischerweise die Verwendung 3-dimensionaler Körper vorteilhaft, welche mindestens eine Kante, mehr bevorzugt 2 Kanten, aufweisen. Beispielsweise handelt es sich um Zylinder auf der Hilfsplatte mit kreisrunder Grundfläche, wobei die obere Kreisfläche eine Kante zur Vereinfachung der Messung bereitstellt.
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Auch ist es typischerweise vorteilhaft, wenn mindestens ein 3-dimensionale Körper als Referenzmarkierung eingesetzt wird, wobei der 3-dimensionale Körper eine Höhe von mindestens 0,5 cm, vorzugsweise mindestens 1 cm, aufweist.
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Bei weiteren Ausführungsformen betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren, wobei die mindestens eine Referenzmarkierung mit dem gleichen Verfahren vermessen wird wie das Bauteil. Durch eine entsprechende Wahl der Referenzmarkierung wird es ermöglicht, dass zusätzliche Arbeitsschritte vermieden werden. Insbesondere der Transfer des geträgerten Bauteils in eine andere Messvorrichtung erfordert zusätzliche Zeit. Zudem entfällt das Risiko eines Unfalls beim Transfer zwischen den Messvorrichtungen, wodurch sich die Lage des mindestens einen Bauteils verändert und somit erneut ausgemessen werden muss. Ferner verhindert dies die Falschzuordnung von Messdaten verschiedener Hilfsplatten.
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Vorzugsweise wird ein Bauteil, optional mehrere Bauteile, und mindestens eine Referenzmarkierung gleichzeitig vermessen. Ferner kann beispielsweise zunächst eine Messung durchgeführt werden, wobei die Daten von mindestens einem Bauteil und mindestens einer Referenzmarkierung erhalten werden. Nachfolgend kann beispielsweise im Fall von mehreren Bauteilen auf der Hilfsplatte auch die Relation von Bauteil zu Bauteil gemessen werden, um indirekt eine Bezug auf die mindestens eine Referenzmarkierung zu erhalten.
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Bei weiteren Ausführungsformen betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren, wobei das Bauteil ein Bestandteil einer Turbine, mehr bevorzugt einer Gasturbine, ist. Derartige Bauteile profitieren besonders von den Möglichkeiten des erfindungsgemäßen Verfahrens. So können angesichts der flexiblen Fertigungsmöglichkeiten verschiedenste Strukturen auf bestehenden Bauteilen aufgebaut werden. Dies ist besonders vorteilhaft für Turbinenbauteile, insbesondere Gasturbinenbauteile, deren Preis die Reparatur sinnvoll macht und bei denen im Rahmen eines Upgrades Anpassungen zur weiteren Optimierung der bestehenden Anlage durchgeführt werden sollen. Ferner können hiermit auch direkt additiv gefertigte Strukturen auf neue konventionell gefertigte Bauteile aufgebracht werden, um kostengünstiger Neubauteile mit additiv gefertigten Bestandteilen anbieten zu können. Auch ermöglicht dies die direkte Reparatur von additiv gefertigten Bauteilen, die einerseits eine verstärkte Bedeutung in diesen Bereichen erhalten und andererseits zumindest teilweise nicht mit konventionellen Verfahren repariert werden können.
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Insbesondere bevorzugt ist das mindestens eine Bauteil eine Schaufel wie eine Leitschaufel oder Laufschaufel oder ein Hitzeschild wie es im Schaufelbereich oder im Bereich der Brennkammer vorhanden ist. Besonders vorteilhaft hat sich das Verfahren für Strukturen auf Schaufeln erwiesen. Beispielsweise bei Strukturen an den Enden der Schaufeln muss hierbei das jeweilige Bauteil am anderen Ende in eine Halterung eingeklemmt werden, wobei die Befestigung bislang bestenfalls mit großem Aufwand in vordefinierter hochgenauer Orientierung erfolgen kann.
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Bei weiteren Ausführungsformen betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren, wobei in Schritt b) mindestens zwei Bauteile, mehr bevorzugt mindestens vier Bauteile, noch mehr bevorzugt mindestens acht Bauteile, mit jeweils mindestens einer zu bearbeitenden Oberfläche an der Hilfsplatte befestigt werden. Überraschenderweise zeigte sich, dass auch eine Mehrzahl von Bauteilen auf der Hilfsplatte aufgebracht werden kann, wobei die Messdaten ausreichend Information zur Bearbeitung bieten. Zwar verdecken bei entsprechenden Messungen in Schritt d) einige Bauteile Teile anderer Bauteile, jedoch ist der verbleibende sichtbare Bereich der Bauteile in Verbindung mit der Möglichkeit hochgenauer Messungen ausreichend, um die benötigten Daten zur Erstellung der Arbeitsdaten zu erhalten. Ferner kann in einer separierten Messanlage sehr viel einfacher Position und Abstand der Messvorrichtung zum Bauteil verändert werden, um das Erhalten ausreichender Messdaten sicherzustellen. Dies ist insbesondere vorteilhaft für additive Fertigungsverfahren, die in einem Pulverbett erfolgen, wie das selektive Laserschmelzen. Die Möglichkeit gleichzeitig mehrere Bauteile bearbeiten zu können führt zu einer drastischen Erhöhung der Effizienz.
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Der Begriff „additive Fertigung“ bezieht sich auf die dem Fachmann gebräuchlichen Fertigungsverfahren. Hierbei wird aus einem formlosen Stoffen wie Flüssigkeiten, Gelen oder Pulvern oder formneutralen Stoffen wie bandförmigen, drahtförmigen oder blattförmigen Stoffen auf Basis eines Datenmodells wie CAD-Daten ein Bauteil aufgebaut. Vorzugsweise werden hierbei formlose oder formneutrale Stoffe aus Metallen, Metalllegierungen und Keramikmaterialien, vorzugsweise Metallen und Metalllegierungen, ausgewählt.
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Beispiele dieser Verfahren sind das selektive Laserschmelzen (SLM), Elektronenstrahlschmelzen (EBM), selektive Lasersintern (SLS) und Binder Jetting aus denen bei einer weiteren Ausführungsform vorzugsweise das additive Fertigungsverfahren ausgewählt wird. Insbesondere bevorzugt sind das selektive Laserschmelzen, Elektronenstrahlschmelzen und selektive Lasersintern, mehr bevorzugt das selektive Laserschmelzen und Elektronenstrahlschmelzen. Derartige Verfahren erwiesen sich als besonders geeignet für den Einsatz im erfindungsgemäßen Verfahren. Hierbei können beispielsweise flexible 3D-Strukturen auf hochpreisigen Bauteilen mit hoher Präzision und Zuverlässigkeit aufgebaut werden.
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Für spezielle Einsatzgebiete insbesondere mit Fokus auf eine besonders hohe Temperaturbeständigkeit haben sich insbesondere additive Fertigungsverfahren wie das selektive Lasersintern und das Binder Jetting, insbesondere das selektive Lasersintern als vorteilhaft erwiesen.
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Für weitere Ausführungsformen hat sich insbesondere das Binder Jetting als vorteilhaft erwiesen, wenn beispielsweise hohe Stückzahlen bei niedrigen Kosten bearbeitet werden sollen.
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Bei weiteren Ausführungsformen betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren, wobei die Struktur auf dem Bauteil aus einem Metall, einer Metalllegierung oder einem Keramikmaterial, vorzugsweise einem Metall oder einer Metalllegierung, gefertigt wird. Vorzugsweise wird ein hochwarmfestes Metall oder eine hochwarmfeste Metalllegierung verwendet wie eine Nickelsuperlegierung. Dies ist besonders vorteilhaft, da hiermit beispielsweise hochbelastbare Strukturen auf Bauteilen aufgebaut werden können. Diese stehen beispielsweise bei Turbinenbauteilen dem Originalmaterial hinsichtlich der Zuverlässigkeit nicht nach und erlauben auch ein flexibles Upgrade von beispielsweise bestehenden Turbinenschaufelsätzen.
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Bei weiteren Ausführungsformen betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren, wobei die Messung in Schritt d) mittels eines optischen Detektionsverfahrens, mehr bevorzugt mit einem optischen 3D-Scanner, noch mehr bevorzugt mit einem blue light scanner, erfolgt. Derartige Systeme basieren vorzugsweise auf der Streifenprojektion, um mittels Bildsequenzen die 3-dimensionale Erfassung der Oberfläche der gescannten Objekte zu bestimmen. Diese Verfahren sind besonders vorteilhaft, da hiermit mit sehr hoher Genauigkeit und hoher Geschwindigkeit die Messungen in Schritt d) durchgeführt werden können. Dies ist insbesondere erforderlich für Wartungsarbeiten, bei denen innerhalb eines engen Zeitfensters beispielsweise komplette Turbinenschaufelsätze einer Gasturbine überarbeitet werden müssen.
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Bei weiteren Ausführungsformen betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren, wobei die mindestens eine Referenzmarkierung zumindest teilweise mittels additiver Fertigung auf der Hilfsplatte aufgebracht wird. Die zumindest teilweise Aufbringung der Referenzmarkierung mittels additiver Fertigung ermöglicht auf einfache Weise das räumliche Bezugssystem innerhalb der Vorrichtung zur additiven Fertigung mit dem Koordinatensystem einer in Schritt d) genutzten Messvorrichtung in Verbindung zu bringen.
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Bei weiteren Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass mindestens eine Referenzmarkierung vollständig, mehr bevorzugt alle Referenzmarkierungen vollständig, mittels additiver Fertigung aufgebracht werden und nachfolgend lediglich ein optionaler Bearbeitungsschritt unter Materialabtrag vor dem Vermessen in Schritt d) erfolgt. Dies benötigt zwar einen größeren Zeitbedarf in der Vorrichtung zur additiven Fertigung, vermeidet jedoch beispielsweise einen zusätzlichen Prozessschritt, bei dem basierend auf der Lage von teilweise aufgebrachten Referenzmarkierungen weiteres Material aufgetragen wird. Der vorgenannte Materialabtrag kann beispielsweise spanend erfolgen. Hierbei können insbesondere beispielsweise eine oder mehrere Kanten erzeugt werden.
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Ferner kann eine mittels additiver Fertigung vorbereitete Hilfsplatte umfassend die erforderlichen Referenzkörper vermessen werden und als Grundlage für Kopien hierfür dienen. Hierbei werden Hilfsplatten umfassend identische Referenzmarkierungen an identischen Stellen hochgenau beispielsweise mittels spanenden Verfahren gefertigt. Bei weiteren Ausführungsformen erfolgt daher die Aufbringung der Referenzmarkierungen mittels additiver Fertigung wie oben ausgeführt oder sie werden außerhalb einer Vorrichtung zur additiven Fertigung als Kopie einer derartigen Hilfsplatte mit Referenzmarkierungen hergestellt, wobei Standardverfahren wie spanende Fertigungsschritte eingesetzt werden. Als Standardverfahren werden dem Fachmann bekannte Fertigungsverfahren bezeichnet, die vorzugsweise nicht das selektive Laserschmelzen, Elektronenstrahlschmelzen oder selektive Lasersintern umfassen. Beispielsweise kann eine Kombination mindestens eines materialauftragenden Verfahrens wie das Auftragsschweißen beispielsweise Laserauftragsschweißen mit mindestens einem materialabtragenden Verfahren wie einer spanenden Bearbeitung genutzt werden. Dies ermöglicht die einfache und schnelle Bereitstellung der vorrichtungsspezifischen Bezugspunkte ohne größere Mengen der Betriebszeit der entsprechenden Vorrichtung zur additiven Fertigung für die Herstellung der markierten Hilfsplatten aufwenden zu müssen.
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Bei weiteren Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass mittels additiver Fertigung mindestens ein Bezugspunkt zur exakten Ausrichtung eines nachfolgend aufgebauten Referenzkörpers aufgebracht wird. Dies hat den Vorteil, dass die Zeit deutlich verringert wird, in der die Hilfsplatte in der Vorrichtung zur additiven Fertigung bearbeitet werden muss, was typischerweise der zeitlich limitierende Faktor ist. Ein derartiger Bezugspunkt kann beispielsweise auf einem Blindkörper erfolgen. Der Begriff „Blindkörper“ im Sinne der vorliegenden Erfindung bezeichnet einen Körper, der auf der Hilfsplatte an dem Zielort der mindestens einen Referenzmarkierung befestigt ist und der einen größeren Rauminhalt aufweist als die nachfolgend erforderliche Referenzmarkierung. Die ungenaue Platzierung und Ausrichtung des Referenzkörpern wird nachfolgend dadurch ausgeglichen, dass basierend auf dem mittels additiver Fertigung aufgebrachten Referenzpunkt Material von dem Blindkörper abgetragen wird, vorzugsweise spanend, so dass der Referenzkörper mit definierter Platzierung, Form und Orientierung auf der Hilfsplatte resultiert. Zusätzlich oder alternativ hierzu kann auch ein Bezugspunkt auf der Hilfsplatte erstellt werden und räumlich beabstandet hiervon mindestens ein Referenzkörper aufgebaut werden.
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Bei weiteren Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass während Schritt e) mindestens ein Zentrierelement der Arbeitsplatte mit einem Gegenstück der Hilfsplatte oder mindestens ein Zentrierelement der Hilfsplatte mit einem Gegenstück der Arbeitsplatte kombiniert werden. Hierbei kann das Zentrierelement beispielsweise aus bekannten Nullpunktspannsystemen ausgewählt werden. Vorzugsweise handelt es sich um aus der jeweiligen Oberfläche herausragende Elemente, welche sich zumindest teilweise zu ihrem Ende hin verjüngen. Als Ende wird hierbei die der Platte aufweisend das Zentrierelement abgewandten Seite betrachtet. Beispielsweise weist ein derartiges Zentrierelement vorzugsweise an seinem Ende eine Schräge oder Krümmung auf, die beim Verbinden von Arbeitsplatte und Hilfsplatte die Hilfsplatte auf die exakte Position lenkt. Das Gegenstück der jeweils anderen Platte stellt hierbei eine Öffnung dar, in die das Zentrierelement eingreift und somit eine definierte Ausrichtung einstellt. Insbesondere ist es bevorzugt, dass die Arbeitsplatte zumindest ein derartiges Zentrierelement aufweist.
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Bei weiteren Ausführungsformen betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren, wobei Schritt a) folgende Schritte umfasst
- a1) Befestigung der Hilfsplatte an der Arbeitsplatte der Vorrichtung zur additiven Fertigung, und
- a2) Aufbringen von mindestens einem 3-dimensionalen Körper als Referenzmarkierung auf der Hilfsplatte mittels additiver Fertigung.
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Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung die vorgenannte Vorrichtung zur additiven Fertigung umfassend eine Arbeitsplatte und eine Hilfsplatte zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Bei weiteren Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass die Arbeitsplatte lösbar mit der Vorrichtung zur additiven Fertigung verbunden ist. Dies erleichtert den Austausch bei Abnutzung der Befestigungen für die Hilfsplatte.
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Alternativ kann die Arbeitsplatte auch in der Vorrichtung zur additiven Fertigung fest eingebaut sein. Durch Modifikation einer fest eingebauten Arbeitsplatte werden zwar typischerweise die benötigten Zeiten bei einer Wartung deutlich verlängert. Jedoch kann hiermit typischerweise eine noch höhere Genauigkeit der Positionierung der Arbeitsplatte und somit der hieran befestigten Hilfsplatte erzielt werden.
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Ferner umfasst die Vorrichtung zur additiven Fertigung vorzugsweise eine Komponente zur Pulverförderung, die geeignet ist ein Metallpulver, Metalllegierungspulver oder Keramikmaterialpulver, vorzugsweise Metallpulver oder Metalllegierungspulver, in den Fertigungsbereich der Vorrichtung zur additiven Fertigung zu fördern.
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Als vorteilhaft haben sich insbesondere Vorrichtungen zur additiven Fertigung gezeigt, die eine Komponente zur Erzeugung und Steuerung eines Laserstrahls und/oder Elektronenstrahl aufweisen, wobei der Laserstrahl und/oder Elektronenstrahl geeignet ist ein Metallpulver oder Metalllegierungspulver für die additive Fertigung aufzuschmelzen oder ein Keramikmaterialpulver zu sintern, vorzugsweise ein Metallpulver oder Metalllegierungspulver für die additive Fertigung aufzuschmelzen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung die vorgenannte Kompositstruktur zum Einsatz in einem erfindungsgemäßen Verfahren.
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Bei weiteren Ausführungsformen ist es bevorzugt, dass die Kompositstruktur ferner Befestigungselemente für das Bauteil aufweist. Die ist insbesondere vorteilhaft um eine stabile Verbindung mit der Hilfsplatte zu ermöglichen.
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Nachfolgend soll die Erfindung anhand einzelner Figuren im Detail näher beschrieben werden. Hierbei ist darauf hinzuweisen, dass die Abbildungen lediglich schematisch zu verstehen sind, und daraus keine mangelnde Ausführbarkeit der Erfindung ableitbar ist. Insbesondere sind sie nicht als Einschränkung der Erfindung zu verstehen, deren Umfang lediglich durch die Ansprüche spezifiziert wird.
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Weiterhin ist darauf hinzuweisen, dass die nachfolgend dargestellten technischen Merkmale in beliebiger Kombination miteinander beansprucht werden sollen, soweit diese Kombination eine Lösung der Erfindungsaufgabe erreichen kann.
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zeigt den Ausschnitt einer schematischen Seitenansicht aus einer Vorrichtung 8 zur additiven Fertigung während Schritt f) des Verfahrens. Zur additiven Fertigung wird hierbei das selektive Laserschmelzen genutzt. Hierbei ersichtlich ist die Kompositstruktur 10 umfassend eine Hilfsplatte 3, eine Referenzmarkierung 4 und ein Bauteil 5. Zur Befestigung des Bauteils 5 an der Hilfsplatte 3 werden zwei Befestigungselemente 6 verwendet, die trotz der Tannenbaumzahnung am unteren Ende des Bauteils 5 eine sichere Befestigung in definierter Position auf der Hilfsplatte 3 ermöglichen. Dies erlaubt die Ausrichtung der Bauteils 5, so dass die zu bearbeitende Oberfläche 1 aufwärts gerichtet ist. Das Bauteil 5 ist im eine Turbinenschaufel, die einen Bestandteil einer Gasturbine darstellt.
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Die Kompositstruktur 10 ist nach der Vermessung in Schritt d) während Schritt e) in die Vorrichtung 8 zur additiven Fertigung eingebracht worden und wurde an vorbestimmter Position und in vorbestimmter Ausrichtung an der Arbeitsplatte 2 lösbar befestigt. Arbeitsplatte 2 wird während der Bearbeitung gemäß Schritt f) stufenweise absenkt. Nach dem jeweiligen Absenken der Arbeitsplatte 2 sowie der daran verbundenen Kompositstruktur 10 kann eine neue Pulverschicht aufgebracht werden, bevor eine weitere Schicht der Struktur erzeugt wird. Als Pulver wird im Fall dieses speziellen Beispiels das Pulver einer Nickel-Superlegierung verwendet, um eine hochwarmfeste Struktur zur gewährleisten.
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Bei der Steuerung der Vorrichtung 8 zur additiven Fertigung werden Arbeitsdaten verwendet, die aus Messdaten des Schritts d) des Verfahrens erhalten wurden. Hierbei wird die Vorrichtung 8 zur additiven Fertigung derart gesteuert, dass sich die additiv gefertigte Struktur an die zu bearbeitende Oberfläche 1 anschließt und fest hiermit verbunden ist.
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Die sichtbare Referenzmarkierung 4 hat die Form eines Zylinders mit kreisrunder Grundfläche, der an der Hilfsplatte 3 befestigt ist. Als Referenzmarkierung 4 dient somit ein 3-dimensionaler Körper. Sie ist in vollständig im Pulverbett 7 versenkt, aus dem in der Vorrichtung 8 zur additiven Fertigung die Struktur auf der zu bearbeitenden Oberfläche 1 des Bauteils 5 aufgebaut wird.
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zeigt wie den Ausschnitt einer schematischen Seitenansicht aus einer Vorrichtung 8 zur additiven Fertigung in dem bereits in dargestellten Verfahren. stellt jedoch einen späteren Zeitpunkt dar, in dem bereits die Struktur 9 auf der zu bearbeitenden Oberfläche 1 aufgebaut worden ist.
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zeigt eine schematische Darstellung aus Schritt d) des bereits in dargestellten Verfahrens mit der darin gezeigten Kompositstruktur 10. Aufgrund der perspektivischen Ansicht der Kompositstruktur 10 sind in drei Referenzmarkierungen 4 sichtbar. Das Bauteil 5 ist mittels zweier Befestigungselemente 6 auf der Hilfsplatte 3 befestigt. Wie bereits in darstellt ist die zu bearbeitende Oberfläche 1 aufwärts gerichtet. Die drei sichtbaren Referenzmarkierungen 4 sind Zylinder mit kreisrunder Grundfläche und somit 3-dimensionale Körper, welche an der Hilfsplatte 3 befestigt sind. Das stilisierte Auge repräsentiert der optischen Messvorrichtung, in diesem Fall einem blue light scanner.
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Die Kompositstruktur 10 wird mittels eines optischen Detektionsverfahrens vermessen, das im vorliegenden Fall ein blue light scanner ist, der mittels Streifenlicht die Form und Position des Bauteils 5 und der Referenzkörper aufzeichnet. Hierbei werden Referenzmarkierungen 4 und Bauteil 5 mit dem gleichen Verfahren vermessen.
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Hierbei werden die erhaltenen Messdaten genutzt, um die Form des Bauteils 5 zu bestimmen und nachfolgend mit Referenzdaten abzugleichen. Hierauf basierend erfolgt gegebenenfalls eine Anpassung der Daten der additiv aufzubauenden Struktur 9, wobei die angepassten Daten als Arbeitsdaten an die Vorrichtung 8 weitergeleitet werden.
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Zusätzlich wird die exakte räumliche Anordnung der zu bearbeitenden Oberfläche 1 zu mindestens einer der Referenzmarkierungen 4 erfasst. Diese Messdaten ermöglichen nachfolgend die exakte Ansteuerung der zu bearbeitenden Oberfläche 1 des Bauteils 5 in der Vorrichtung 8, ohne dass diese eigene Messtechnik im Inneren aufweisen muss. Hierbei wird aus der bekannten Lage der Referenzmarkierung 4 in der Vorrichtung 8 und der vorgenannten räumlichen Anordnung von Referenzmarkierung 4 und zu bearbeitender Oberfläche 1 die Position und Ausrichtung der zu bearbeitenden Oberfläche 1 in der Vorrichtung 8 indirekt bestimmt. Sobald die Hilfsplatte 3 somit an der Arbeitsplatte 2 an einer vorbestimmten Position mit vorbestimmter Ausrichtung lösbar befestigt wird, kann die Struktur 9 mittels additiver Fertigung aufgebaut werden, wobei sich die Struktur 9 an die zu bearbeitende Oberfläche 1 anschließt und fest mit dem Bauteil 5 verbunden ist.
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zeigt die Fertigung einer Hilfsplatte 3 in der Vorrichtung 8 zur additiven Fertigung, welche auch in dargestellt ist. Hierbei ist bereits ein Teil zweier Referenzmarkierungen 4 aufgebaut. Die Hilfsplatte 3 ist an einer vorbestimmten Position mit vorbestimmter Ausrichtung auf der Arbeitsplatte 2 lösbar befestigt. Da die Referenzmarkierung 4 an einer spezifizierten Stelle additiv in der spezifischen Vorrichtung gefertigt wird, enthalten die Steuerungsdaten der Vorrichtung 8 zur Herstellung der Hilfsplatte 3 mit der Referenzmarkierung 4 einen Referenzmöglichkeit zwischen nachfolgenden Messungen wie in Schritt d) und dem Bezugssystem der Steuerung der Vorrichtung 8. Somit kann indirekt bestimmt werden, welcher Ort innerhalb der Vorrichtung 8 angesteuert werden muss, sofern die Lage in Relation zur Referenzmarkierung 4 bekannt ist. Die in hergestellte Hilfsplatte 3 wird nachfolgend direkt im Verfahren der und eingesetzt. Alternativ hierzu kann beispielsweise wie in der Beschreibung ausgeführt diese Hilfsplatte 3 jedoch auch beispielsweise mittels konventioneller Verfahren wie spanender Arbeitsschritte außerhalb der Vorrichtung 8 reproduziert werden.
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zeigt einen schematischen Ablauf des auch in den und dargestellten Verfahrens. Hierbei werden die Schritte a) bis f) durchlaufen. Hierbei kann das Verfahren entweder i) mit Schritts c) oder ii) ohne Schritt c) erfolgen.
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In Schritt d) werden Messdaten zu Bauteil und mindestens einer Referenzmarkierung erhalten. Diese werden genutzt, um Arbeitsdaten für die Steuerung der Vorrichtung zu erstellen. Ferner wird zur Steuerung der Vorrichtung die Information der bekannten Position der mindestens einen Referenzmarkierung in der Vorrichtung zur additiven Fertigung bei bekannter Position und Ausrichtung der Hilfsplatte in der Vorrichtung genutzt. Vorzugsweise wird die Information der bekannten Position der mindestens einen Referenzmarkierung in der Vorrichtung zur additiven Fertigung direkt genutzt, um zusammen mit den Messdaten aus Schritt d) einen Datensatz zur Steuerung der Vorrichtung zu generieren. Dies erlaubt die typischerweise geringere Rechenkapazität einer Steuervorrichtung einer Vorrichtung zur additiven Fertigung als begrenzenden Faktor zu vermeiden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009048665 A1 [0002]
- DE 102009033753 A1 [0002]
