DE102018202685A1

DE102018202685A1 - Bauteil sowie Verfahren zum Herstellen eines Bauteils mittels additiven Fertigungsverfahren

Info

Publication number: DE102018202685A1
Application number: DE102018202685.8A
Authority: DE
Inventors: Falk Elsner; Stefan Schneider; Ronny Zieschank
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Mobility GmbH
Priority date: 2018-02-22
Filing date: 2018-02-22
Publication date: 2019-08-22
Also published as: WO2019161959A1; EP3731984A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bauteil (1) umfassend wenigstens ein inneren Füllkörper (2) und ein den inneren Füllkörper (2) wenigstens teilweise umschließenden äußeren Körper (3). Der äußere Körper (3) ist dabei durch ein additives Fertigungsverfahren hergestellt. Desweiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Bauteils (1).

Description

Unter additiven Fertigungsverfahren, werden verschiedene Herstellungsverfahren zusammen gefasst, die alle einen dreidimensionalen Aufbau aufweisen. Häufig werden additive Fertigungsverfahren auch mit dem Begriff „additive manufacturing“ oder „3D Druck“ bezeichnet. Bei den additiven Fertigungsverfahren unterscheidet man prinzipiell zwischen zwei grundsätzlich unterschiedlichen Verfahren nämlich dem Freiraumverfahren worunter zum Beispiel das Auftragsschweißen oder Kaltgasspritzen zählt und dem Pulverbettverfahren welches insbesondere das selektive Laserschmelzen (SLM) und das selektive Lasersintern (SLS) umfasst. Die additiven Fertigungsverfahren sind eine recht neue Fertigungstechnik, welche es erlaubt sehr komplexe Geometrien, die bislang nur schwer oder gar nicht herstellbar waren zu fertigen. Der wesentliche Nachteil der additiven Fertigungsverfahren sind jedoch die hohen Fertigungskosten (derzeit ca. 2.000 Euro je Kilogramm) und die langen Fertigungszeiten.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Bauteil bereit zu stellen, welches schnell und kostengünstig mittels additiven Fertigungsverfahren hergestellt werden kann. Desweiteren ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Bauteils bereit zu stellen.
Die Aufgabe wird hinsichtlich des Bauteils durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Hinsichtlich des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Aufgabe durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 9 gelöst.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung, die einzeln oder in Kombination miteinander einsetzbar sind, sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße Bauteil umfassend wenigstens einen inneren Füllkörper und einen den inneren Füllkörper wenigstens teilweise umschließenden äußeren Körper, zeichnet sich dadurch aus, dass der äußere Körper durch ein additives Fertigungsverfahren hergestellt ist. Dadurch, dass nur der äußere Körper durch ein additives Fertigungsverfahren hergestellt ist, muss nicht das komplette Bauteil mittels additiven Fertigungsverfahren hergestellt werden, wodurch sich zum einen die Kosten für das Material deutlich reduzieren und zum anderen die Fertigungszeit deutlich verringert. Das additive Herstellungsverfahren wird dabei nur für die Herstellung der komplexen Endform des Bauteiles eingesetzt. Die Grundstruktur des Bauteils kann durch den inneren Füllkörper bereits vorgegeben werden und der innere Füllkörper kann schnell und einfach mittels bekannter Verfahren hergestellt werden.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Materialstärke des äußeren Körpers nur so dick ist, wie es für die Ausbildung einer vorgegebenen Außenkontur (Endform) und für die Funktion des Bauteils notwendig ist. Hierdurch können die Fertigungskosten und Fertigungszeit auf ein Minimum reduziert werden, ohne das Funktionseinschränkungen gegenüber einem Bauteil, welches vollständig durch ein additives Fertigungsverfahren hergestellt ist, in Kauf genommen werden müssen.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der innere Füllkörper durch ein konventionelles Herstellungsverfahren, insbesondere durch Giesen oder durch ein spanendes Verfahren hergestellt ist. Giesen oder spanende Herstellungsverfahren stellen eine besonders einfache, kostengünstige und zeitoptimierte Möglichkeit zur Herstellung des inneren Füllkörpers dar.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der innere Füllkörper in Leichtbauweise, insbesondere mittels einer Wabenstruktur oder einem porösen Material ausgebildet ist. Hierdurch wird neben dem Kosten- und dem Zeitvorteil bei der Fertigung auch ein gewichtsoptimiertes Bauteil ermöglicht. Neben der Gewichtsersparnis kann das Material auch hinsichtlich anderer Anforderungen beispielsweise einer Schwingungsdämpfung optimiert werden.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der innere Füllkörper eine zusätzliche Skelettstruktur umfasst. Die Skelettkontur vereinfacht zum einen den Aufbau des Füllkörpers und verleiht diesem zusätzliche Festigkeit.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der äußere Körper separat als Hohlkörper hergestellt und mittels eines Fügeverfahrens mit dem inneren Körper verbunden ist. Zur Herstellung des äußeren Körpers eignen sich hierbei insbesondere Pulverbettverfahren wie das SLM oder das SLS.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der äußere Körper unmittelbar mittels eines additiven Herstellungsverfahrens auf den inneren Füllkörper aufgebracht ist. Hierbei eignen sich insbesondere Freiraumverfahren für die additive Herstellung des äußeren Körpers.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Bauteil eine Turbinenschaufel, insbesondere eine Turbinenschaufel einer Dampfturbine ist. Dampfturbinenschaufeln weisen eine komplexe Endkontur auf und eignen sich somit besonders gut für additives Fertigungsverfahren.
Nachfolgend soll die Erfindung und weitere Vorteile der Erfindung an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigt:

- 1: ein erstes erfindungsgemäßes Bauteil, in einer Seitenansicht;
- 2: eine Schnittdarstellung des in 1 gezeigten Bauteils entlang der Linie A-A;
- 3: eine Schnittdarstellung eines zweiten erfindungsgemäßen Bauteils, mit einer zu 1 identischen Außenkontur, entlang der Linie A-A aus 1;
- 4: ein drittes erfindungsgemäßes Bauteil in einer Seitenansicht, mit einer zusätzlichen Skelettkontur.

Die Figuren zeigen jeweils vereinfachte Darstellungen der Erfindung, wobei im Wesentlichen nur die zur Erfindung notwendigen Bauteile dargestellte sind. Die Figuren zeigen nicht zwangsweise eine maßstabgetreue Wiedergabe des Bauteils. Gleiche bzw. funktionsgleiche Teile sind figurübergreifend mit denselben Bezugszeichen versehen.
1 zeigt ein erstes erfindungsgemäßes Bauteil 1. Bei dem Bauteil 1 handelt es sich um eine Turbinenschaufel, insbesondere eine Dampfturbinenschaufel. Die Turbinenschaufel umfasst ein Schaufelblatt 5 und einen Schaufelfuß 6. Aus 2 wird der Aufbau des Schaufelblatts 5 ersichtlich. 2 zeigt dabei einen Schnitt entlang der Linie A-A in 1. Das Schaufelblatt 5 umfasst einen inneren Füllkörper 2 und einen den inneren Füllkörper 2 wenigstens teilweise umschließenden äußeren Körper 3. Der innere Füllkörper 2 kann dabei separat oder einstückig mit dem Schaufelfuß 6 ausgebildet sein. Der innere Füllkörper 2 ist mittels eines konventionellen Herstellungsverfahrens beispielsweise durch Gießen oder durch ein spanendes Verfahren hergestellt. Der äußere Körper 3 ist durch ein additives Fertigungsverfahren hergestellt. Dabei ist die Schichtdicke des äußeren Körpers 3 nur so dick, wie es für die Ausbildung einer vorgegebenen Außenkontur/Endform und für die Funktion des Bauteils 1 notwendig ist. Die komplexe Endform der Turbinenschaufel wird somit durch das additive Fertigungsverfahren und den äußeren Körper 3 ausgebildet. Der innere Füllkörper 2 kann auf einfache und kostengünstige Weise hergestellt werden. Dabei sind keine hohen Anforderungen an die Form und Oberflächengüte zu stellen. Durch die Verwendung des inneren Füllkörpers 2 kann der Fertigungsprozess mittels des additiven Fertigungsverfahrens deutlich verkürzt werden, da lediglich die Endform durch das additive Fertigungsverfahren auszubilden ist. Hierdurch wird auch der Materialbedarf und die materialkosten für das additive Fertigungsverfahren erheblich reduziert. Durch die Verwendung des inneren Füllkörpers 2 wird das Herstellen der Turbinenschaufel mittels des additiven Fertigungsverfahrens erstmalig wirtschaftlich und konkurrenzfähig zu den bislang herkömmlich gefertigten Bauteilen.
3 zeigt ein drittes erfindungsgemäßes Bauteil in einer Seitenansicht, mit einer zusätzlichen Skelettkontur. Im Gegensatz zur Turbinenschaufel nach 1 und 2 ist der innere Füllkörper 2 in Leichtbauweise hergestellt. Die Leichtbauweise lässt sich beispielsweise mittels einer Wabenstruktur oder mittels eines porösen Materials ausbilden. Das Material für den inneren Füllkörper 2 kann auch nach weiteren Kriterien und Anforderungen ausgewählt werden, so kann beispielsweise die Schwingungsdämpfung durch eine geeignete Auswahl des Werkstoffs für den inneren Füllkörper 2 positive beeinflusst werden.
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Turbinenschaufel in einem Teilschnitt Ausbruch). Der innere Füllkörper 2 weist eine zusätzliche Skelettstruktur 4 auf, die im Ausführungsbeispiel einstückig mit dem Schaufelfuß 6 ausgebildet ist. Die Skelettstruktur 4 erleichtert das Ausbilden des inneren Füllkörpers 2 und sorgt zusätzlich für eine Stabilisierung des Füllkörpers 2. Der äußere Köper 3 umschließt den inneren Füllkörper 2 im Bereich des Schaufelblatts 5. Der äußere Körper 3 ist dabei durch ein additives Fertigungsverfahren hergestellt. Auch in diesem Ausführungsbeispiel ist die Schichtdicke des äußeren Körpers 3 vorzugsweise nur so dick, wie dies für die Ausbildung einer vorgegebenen Endform/Außenkontur und die Funktion des Bauteils 1 notwendig ist.
Zur Herstellung des Bauteils 1 eignen sich im Wesentlichen zwei unterschiedliche Verfahren, die nachfolgend kurz beschrieben werden sollen.
Ein erstes Verfahren zum Herstellen der Turbinenschaufel sieht vor, dass zunächst der innere Füllkörper 2 ausgebildet wird. Dabei kann der innere Füllkörper 2 den Schaufelfuß 6 umfassen oder die beiden Bauteile sind als separate Bauteile ausgebildet und werden anschließend miteinander verbunden. Anschließend wird der äußere Körper 3 unmittelbar, mittels eines additiven Fertigungsverfahrens, auf den inneren Füllkörper 2 aufgebracht. Das Aufbringen des äußeren Körpers 3 auf den inneren Füllkörper 2 kann insbesondere mit den bekannten Freiraumverfahren wie dem Auftragsschweißen oder dem Kaltgasspritzen erfolgen. Die äußere Form des Turbinenblatts 5 wird dabei durch das additive Fertigungsverfahren ausgebildet. Der innere Füllkörper 2 kann auf konventionelle Weise beispielsweise durch Gießen oder ein spanendes Verfahren oder auch in Leichtbauweise beispielsweise durch eine Wabenstruktur oder durch ein poröses Material ausgebildet werden.
Beim einem zweiten Verfahren zum Herstellen der Turbinenschaufel wird der äußere Körper 3 zunächst separat als Hohlkörper hergestellt und anschließend mittels eines Fügeverfahrens mit dem Füllkörper 2 verbunden. Das Herstellen des separaten Hohlkörpers kann Vorzugsweise im Pulverbettverfahren beispielsweise dem SLM oder SLS erfolgen. Da beim zusammenfügen des äußeren Körpers 3 mit dem Füllkörper 2 keine hohe Temperaturen auftreten, eignet sich diese Verfahren auch für Füllkörpermaterialien die hitzeempfindlich sind.
Zusammenfassen lässt sich festhalten, dass die Erfindung vorsieht, dass das additive Fertigungsverfahren nur für die Herstellung der komplexen Endform einzusetzt und dass die Grundstruktur des Bauteils durch einen inneren Füllkörper realisiert wird. Dieser lässt sich schnell, einfach und kostengünstig herstellen. Hierdurch werden die Fertigungskosten deutlich reduziert und die Fertigungszeiten erheblich verringert. Durch eine geeignete Auswahl des Werkstoffes für den inneren Füllkörper können die Eigenschaften des Bauteils beispielsweise im Hinblick auf Gewicht und Schwingungsdämpfung optimiert werden.

Claims

Bauteil (1) umfassend wenigstens einen inneren Füllkörper (2) und einen den inneren Füllkörper (2) wenigsten teilweise umschließenden äußeren Körper (3), dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Körper (3) durch ein additives Fertigungsver fahren hergestellt ist.
Bauteil (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke des äußere Körper (3) nur so dick ist, wie es für Ausbildung einer vorgegebenen Außenkontur und die Funktion des Bauteils (1) notwendig ist.
Bauteil (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der inneren Füllkörper (2) durch ein konventionelles Herstellungsverfahren, insbesondere durch Gießen oder durch ein spanendes Verfahren hergestellt ist.
Bauteil (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Füllkörper (2) in Leichtbauweise, insbesondere mittels Wabenstruktur oder einem porösen Material ausgebildet ist.
Bauteil (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Füllkörper (2) eine zusätzliche Skelettstruk tur (4) umfasst.
Bauteil (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Körper (3) separat als Hohlkörper hergestellt und mittels eines Fügeverfahrens mit dem inneren Füll körper (2) verbunden ist.
Bauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Körper (3) unmittelbar mittels eines additiven Herstellungsverfahrens auf den inneren Füllkörper (2) aufgebracht ist.
Bauteil (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (1) eine Turbinenschaufel, insbesondere einer Dampfturbinenschaufel ist.
Verfahren zum Herstellen eines Bauteils (1), gekennzeichnet durch die nachfolgenden Verfahrensschrit: - Herstellen eines inneren Füllkörper (2) - Herstellen eines äußeren Körpers (3), welcher den inneren Füllkörper (2) zumindest teilweise umschließt, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Körper (3) mittels eine additiven Herstellungsverfahrens hergestellt wird.
Verfahren zum Herstellen eines Bauteils (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke des äußeren Körpers (3) nur so dick ausgebildet wir, wie es für die Ausbildung einer vor gegebenen Außenkontur und die Funktion des Bauteils (1) notwendig ist.
Verfahren zum Herstellen eines Bauteils (1) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Füllkörper (2) durch ein konventionelles Herstellungsverfahren, insbesondere durch Gießen oder durch ein spanendes Verfahren hergestellt wird.
Verfahren zum Herstellen eines Bauteils (1) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Füllkörper (2) in Leichtbauweise, insbesondere mittels Wabenstruktur oder einem porösen Material ausgebildet wird.
Verfahren zum Herstellen eines Bauteils (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Füllkörper (2) auf eine Skelettstruktur (4) aufgebracht wird.
Verfahren zum Herstellen eines Bauteils (1) nach Anspruch 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Körper (3) unmittelbar mittels eines additiven Fertigungsverfahrens auf den inneren Füllkörper (2) aufgetragen wird.
Verfahren zum Herstellen eines Bauteils (1) nach Anspruch 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Körper (3) separat als Hohlkörper hergestellt und anschließend mittels eines Fügeverfahrens mit dem Füllkörper (2) verbunden wird.