DE102018210397A1 - Method for additive manufacturing of a structure with coolant guidance, component and device - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur additiven Herstellung einer Struktur (10, 10'), insbesondere durch ein Pulverbett-Verfahren angegeben. Das Verfahren umfasst schichtweise, a), das Auftragen einer Schicht (S) eines, insbesondere pulverförmigen, Grundmaterials (P) auf eine Herstellungsfläche (HF), b), das additive Aufbauen der Struktur durch selektives Bestrahlen der aufgetragenen Schicht gemäß einer vorbestimmten Strukturgeometrie, wobei innerhalb eines Querschnitts der Struktur (10, 10') ein Bereich (B1,B2,204) von der Bestrahlung freigelassen wird, in welchem während des additiven Aufbaus der Struktur (10) ein Kühlmittel (210) geführt wird, um die Schicht bzw. die aufgebaute Struktur zu kühlen. Weiterhin wird ein entsprechend hergestelltes Bauteil sowie eine entsprechende Vorrichtung angegeben.A method for additively producing a structure (10, 10 ') is specified, in particular by means of a powder bed method. The method comprises in layers: a) the application of a layer (S) of a, in particular powdery, base material (P) to a production surface (HF), b), the additive construction of the structure by selective irradiation of the applied layer in accordance with a predetermined structural geometry, wherein within a cross section of the structure (10, 10 ') an area (B1, B2, 204) is left free from the radiation, in which a coolant (210) is guided during the additive construction of the structure (10) in order to remove the layer or to cool the built structure. Furthermore, a correspondingly manufactured component and a corresponding device are specified.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur schichtweisen additiven Herstellung einer Struktur, insbesondere durch ein pulverbett-basiertes Verfahren, wobei während des additiven Aufbaus der Struktur ein Kühlmittel und/oder Wärmeleitmittel zur Kühlung der Struktur vorgesehen ist. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein entsprechend herstellbares oder hergestelltes Bauteil sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.The present invention relates to a method for the layer-by-layer additive production of a structure, in particular by a powder bed-based method, a coolant and / or heat-conducting medium for cooling the structure being provided during the additive construction of the structure. Furthermore, the present invention relates to a correspondingly producible or manufactured component and a device for performing the method.

Das Bauteil ist vorzugsweise für den Einsatz in einer Strömungsmaschine, vorzugsweise im Heißgaspfad einer Gasturbine, vorgesehen. Das Bauteil besteht demgemäß vorzugsweise aus einer Superlegierung, insbesondere einer nickel- oder kobaltbasierten Superlegierung.The component is preferably intended for use in a turbomachine, preferably in the hot gas path of a gas turbine. The component accordingly preferably consists of a super alloy, in particular a nickel or cobalt-based super alloy.

Die Legierung kann ausscheidungs- oder dispersionsgehärtet sein.The alloy can be precipitation hardened or dispersion hardened.

Das Bauteil kann auch aus einem titan-, aluminium- oder eisenbasierten Material hergestellt sein und für Anwendungen in der Automobil- oder Luftfahrtindustrie vorgesehen sein. Vorzugsweise bezeichnet das Bauteil gemäß der vorliegenden Erfindung ein Bauteil oder eine Struktur mit einem Hohlraum oder einer Kavität, beispielsweise eine im Betrieb zu kühlende Komponente.The component can also be made of a titanium, aluminum or iron-based material and be intended for applications in the automotive or aerospace industry. The component according to the present invention preferably designates a component or a structure with a cavity or a cavity, for example a component to be cooled during operation.

In Gasturbinenanlagen wird thermische Energie und/oder Strömungsenergie eines durch Verbrennung eines Brennstoffs, z.B. eines Gases, erzeugten Heißgases beispielsweise in kinetische Energie einer Welle oder eines Turbinenläufers umgewandelt. Dazu ist in der Gasturbine ein Strömungskanal ausgebildet, in dessen axialer Richtung die Welle gelagert ist. Die Welle weist eine Anzahl von Radscheiben auf, an deren radial äußeren Stirnflächen eine Anzahl von Laufschaufeln in Form eines Schaufelkranzes angeordnet ist. Die Laufschaufeln sind meistens mittels ihrer Schaufelfüße in Nuten der Stirnflächen eingesetzt. Moderne Gasturbinen sind Gegenstand stetiger Verbesserung und Weiterentwicklung, um ihre Effizienz zu steigern. Effizienzsteigerungen bedeuten meistens höhere Temperaturen im Heißgaspfad gemäß derer die Komponenten entsprechend ausgelegt werden müssen, sei es hinsichtlich des Materials und/oder der Geometrie, beispielsweise umfassend Kühlkanäle. Weiterhin gibt es Bestrebungen, metallische Materialien für Turbinenlaufschaufeln bezüglich ihrer Festigkeit, Kriechbelastung bei hohen Temperaturen sowie thermomechanischer Ermüdung zu verbessern.In gas turbine plants, thermal energy and / or flow energy is generated by burning a fuel, e.g. of a gas, hot gas generated, for example, converted into kinetic energy of a shaft or a turbine rotor. For this purpose, a flow channel is formed in the gas turbine, in the axial direction of which the shaft is supported. The shaft has a number of wheel disks, on the radially outer end faces of which a number of moving blades are arranged in the form of a blade ring. The blades are mostly inserted into the grooves of the end faces by means of their blade feet. Modern gas turbines are subject to constant improvement and further development in order to increase their efficiency. Increases in efficiency usually mean higher temperatures in the hot gas path according to which the components must be designed accordingly, be it with regard to the material and / or the geometry, for example comprising cooling channels. There are also efforts to improve metallic materials for turbine blades with regard to their strength, creep load at high temperatures and thermomechanical fatigue.

Die generative oder additive Fertigung wird aufgrund ihres für die Industrie disruptiven Potenzials zunehmend interessant auch für die industrielle Serienherstellung der oben genannten Turbinenkomponenten, wie beispielsweise Turbinenschaufeln oder Brennerkomponenten.Generative or additive manufacturing is becoming increasingly interesting due to its disruptive potential for industry and also for the industrial series production of the above-mentioned turbine components, such as turbine blades or burner components.

Additive Herstellungsverfahren umfassen beispielsweise als Pulverbettverfahren das selektive Laserschmelzen (SLM) oder Lasersintern (SLS), oder das Elektronenstrahlschmelzen (EBM).Additive manufacturing processes include, for example, as a powder bed process, selective laser melting (SLM) or laser sintering (SLS), or electron beam melting (EBM).

Ein Verfahren zum selektiven Laserschmelzen ist beispielsweise bekannt aus EP 2 601 006 B1 .A method for selective laser melting is known for example from EP 2 601 006 B1 ,

Ein Verfahren zur additiven Herstellung eines Bauteils umfassend das Beeinflussen oder Erfassen von Eigenschaften des Bauteils während des additiven Aufbaus ist beispielsweise beschrieben in DE 10 2015 225 652 .A method for additive manufacturing of a component comprising influencing or detecting properties of the component during the additive construction is described for example in DE 10 2015 225 652 ,

Additive Fertigungsverfahren (englisch: „additive manufacturing“) haben sich weiterhin als besonders vorteilhaft für komplexe oder kompliziert oder filigran designte Bauteile, beispielsweise labyrinthartige Strukturen, Kühlstrukturen und/oder Leichtbau-Strukturen erwiesen. Insbesondere ist die additive Fertigung durch eine besonders kurze Kette von Prozessschritten vorteilhaft, da ein Herstellungs- oder Fertigungsschritt eines Bauteils direkt auf Basis einer entsprechenden CAD-Datei und der Wahl entsprechender Fertigungsparameter erfolgen kann.Additive manufacturing processes (English: "additive manufacturing") have also proven to be particularly advantageous for complex or complex or filigree designed components, such as labyrinthine structures, cooling structures and / or lightweight structures. Additive manufacturing through a particularly short chain of process steps is particularly advantageous, since a manufacturing or manufacturing step of a component can take place directly on the basis of a corresponding CAD file and the selection of corresponding manufacturing parameters.

Obwohl in den Designfreiheitsgraden, welche die additive Fertigung bietet, großes Potenzial auch für die industrialisierte Herstellung von Bauteilen liegt, bestehen Einschränkungen hinsichtlich der Materialstruktur von additiv gefertigten Bauteilen. Insbesondere stehen die additiv hergestellten Komponenten jenen durch Gussverfahren hergestellten, konventionellen Komponenten hinsichtlich Festigkeit und Kriecheigenschaften deutlich nach. Das liegt unter anderem an den den Pulverbettverfahren inhärenten hohen Temperaturgradienten im Prozess, entsprechender Rissneigung des aufgebauten Materials sowie nachteilhaften, insbesondere polykristallinen, Materialeigenschaften.Although the degree of design freedom offered by additive manufacturing also offers great potential for the industrial manufacture of components, there are restrictions with regard to the material structure of additively manufactured components. In particular, the additively manufactured components are significantly inferior to the conventional components produced by casting processes in terms of strength and creep properties. This is due, among other things, to the high temperature gradients inherent in the powder bed process, the corresponding tendency of the built-up material to crack, and disadvantageous, in particular polycrystalline, material properties.

Insbesondere haben die hohen am SLM-Schweißprozess beteiligten Temperaturgradienten während des additiven Aufbaus sehr häufig Heiß- bzw. Erstarrungsrisse zur Folge. Das beschriebene Problem besteht insbesondere bei nicht oder nur schwer schweißbaren Superlegierungen, beispielsweise nickel- oder kobaltbasierten Legierungen mit großem Anteil an intermetallischer Phase, beispielsweise γ- und/oder γ'-Phasen.In particular, the high temperature gradients involved in the SLM welding process very often result in hot or solidification cracks during the additive construction. The problem described exists in particular in the case of superalloys which are difficult or difficult to weld, for example nickel-based or cobalt-based alloys with a large proportion of intermetallic phase, for example γ and / or γ 'phases.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Mittel anzugeben, welche die oben beschriebenen Probleme lösen, insbesondere die Entstehung von Heiß- und/oder Erstarrungsrissen in der additiven Herstellung von hochtemperaturbelasteten Bauteilen zu verhindern.It is therefore an object of the present invention to provide means which solve the problems described above, in particular to prevent the formation of hot and / or solidification cracks in the additive production of components exposed to high temperatures.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. This object is achieved by the subject matter of the independent claims. Advantageous refinements are the subject of the dependent claims.

Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur, insbesondere schichtweisen, additiven Herstellung einer Struktur beziehungsweise eines Bauteils, insbesondere durch ein Pulverbett-Verfahren. Das Verfahren umfasst, vorzugsweise schicht- oder lagenweise, das Auftragen einer Schicht eines, insbesondere pulverförmigen, Grundmaterials auf einer Herstellungsfläche.One aspect of the present invention relates to a method for, in particular layer by layer, additive manufacture of a structure or a component, in particular by means of a powder bed method. The method comprises, preferably in layers or layers, the application of a layer of a, in particular powdery, base material on a production surface.

Die Herstellungsfläche kann beispielsweise durch die Oberfläche einer Bauplattform, die Oberfläche eines entsprechenden Pulverbettes und/oder die Oberfläche einer bereits aufgebauten Struktur, welche beispielsweise bündig mit dem Pulverbett abschließen kann, definiert oder dargestellt sein.The production area can be defined or represented, for example, by the surface of a building platform, the surface of a corresponding powder bed and / or the surface of a structure that has already been set up, which can be flush with the powder bed, for example.

Das Verfahren umfasst weiterhin das additive Aufbauen der Struktur durch selektives Bestrahlen der aufgetragenen Schicht gemäß einer vorbestimmten Struktur- bzw. Bauteilgeometrie, beispielsweise mittels selektiven Laserschmelzens oder Elektronenstrahlschmelzens.The method further comprises additively building up the structure by selectively irradiating the applied layer in accordance with a predetermined structure or component geometry, for example by means of selective laser melting or electron beam melting.

Nach dem additiven Aufbau kann das Verfahren ein Absenken einer Bauplattform, zweckmäßigerweise um ein in etwa einer Schichtdicke der Schicht entsprechendes Maß, umfassen.After the additive construction, the method can include lowering a construction platform, expediently by an amount corresponding approximately to a layer thickness of the layer.

Bei dem additiven Aufbau wird innerhalb eines Querschnitts der Struktur in der Schicht ein Bereich von der Bestrahlung freigelassen, in welchem während des additiven Aufbaus der Struktur ein Kühlmittel geführt wird, um die Schicht und/oder die aufgebaute Struktur zu kühlen. In dem freigelassenen Bereich wird die Schicht also bewusst nicht bestrahlt, um selektiv keine Struktur aufzubauen, sondern gerade einen Hohlraum bzw. Pfad zur Kühlmittelführung zu bilden.In the case of the additive structure, an area is left free of the radiation within a cross section of the structure in which a coolant is guided during the additive structure of the structure in order to cool the layer and / or the built-up structure. In the area left free, the layer is therefore deliberately not irradiated in order not to selectively build up a structure, but rather to form a cavity or path to the coolant guide.

Der genannte Bereich wird vorzugsweise von der Struktur definiert.The area mentioned is preferably defined by the structure.

Das Kühlmittel beschreibt vorliegend vorzugsweise jegliches zur Entwärmung oder zur Wärmeabfuhr geeignete Medium oder Mittel, beispielsweise ein paströses Wärmeleitmittel oder Füllmaterial, welches vorzugsweise eine besonders große Wärmekapazität als auch eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist. Alternativ kann das Kühlmittel ein im Betrieb granulares und/oder flüssiges Material bezeichnen.In the present case, the coolant preferably describes any medium or agent suitable for cooling or heat dissipation, for example a pasty heat-conducting agent or filler material, which preferably has a particularly large heat capacity as well as good thermal conductivity. Alternatively, the coolant can refer to a granular and / or liquid material during operation.

Das vorgestellte Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass vorteilhafterweise eine aktive und/oder zielgerichtete Kühlung einer additiv aufgebauten Struktur bzw. des Bauteils, vorzugsweise bis hin zum Ort des eigentlichen Schmelzbades, ermöglicht wird. Dadurch wird erstmals eine gezielte und effiziente Kontrolle und/oder Beeinflussung der Temperatur der Struktur während seiner additiven Herstellung unabhängig von der Bauhöhe (Z-Richtung) möglich. Insbesondere kann durch die vorliegende Erfindung ein intelligentes „Wärmemanagement“ durchgeführt werden und pulverbett-basierte Prozesse („powder bed fusion“) dahingehend entscheidend verbessert werden, dass eine Prozessierbarkeit von gegenwärtig nicht schweißbaren Legierungen möglich wird.The method presented is characterized in that it advantageously enables active and / or targeted cooling of an additively constructed structure or of the component, preferably right down to the location of the actual melt pool. This enables targeted and efficient control and / or influencing of the temperature of the structure during its additive manufacturing for the first time, regardless of the overall height (Z direction). In particular, the present invention enables intelligent “heat management” to be carried out and powder bed-based processes (“powder bed fusion”) to be decisively improved in such a way that it is possible to process alloys that are not currently weldable.

Eine effiziente und maßgeschneiderte Kühlung in additiven Prozessen ist deshalb so wichtig, da dadurch eine besonders günstige Materialstruktur oder Materialphase in dem Bauteil oder dessen Struktur ausgebildet, hervorgerufen oder provoziert werden kann. Dies ist insbesondere entscheidend bei Hochleistungslegierungen, wie Superlegierungen, welche zum Teil heutzutage wegen einer starken Neigung zu Heiß- und/oder Erstarrungsrissen während des additiven Aufbaus nicht in ausreichender Strukturqualität aus dem Pulverbett aufgebaut werden können. Folglich kann die vorliegende Erfindung die additive Fertigungsroute bestimmter schwer oder bisher noch gar nicht schweißbarer Verbindungen, wie beispielsweise sogenanntem „Alloy 247“ überhaupt erst eröffnen, in dem durch die durch die Kühlung hervorgerufenen Temperaturgradienten Erstarrungsbedingungen im Grundmaterial und/oder im Schmelzbad derart begünstigen, dass eine übermäßige Rissbildung während des Aufbaus verhindert wird.Efficient and tailor-made cooling in additive processes is so important because it enables a particularly favorable material structure or material phase to be formed, caused or provoked in the component or its structure. This is particularly important in the case of high-performance alloys, such as superalloys, which cannot be built up in sufficient structural quality from the powder bed due to a strong tendency to hot and / or solidification cracks during the additive construction. As a result, the present invention can only open the additive manufacturing route of certain connections that are difficult or not yet weldable, such as so-called “Alloy 247”, in which the temperature gradients caused by the cooling favor solidification conditions in the base material and / or in the weld pool in such a way that excessive cracking is prevented during assembly.

Insbesondere im Fall von schwer oder noch gar nicht schweißbaren Nickelbasis-Superlegierungen, erlaubt das vorgestellte Verfahren durch die Kühlfunktionalität eine effiziente Unterdrückung der Bildung oder Ausscheidung der sogenannten γ- und/oder γ'-Phase, welche insbesondere für die dargelegte Rissbildung verantwortlich ist. Bei der genannten Phase kann es sich um eine metastabile und/oder intermetallische Phase handeln.In particular in the case of nickel-base superalloys that are difficult or not yet weldable, the method presented allows, through the cooling functionality, an efficient suppression of the formation or elimination of the so-called γ- and / or γ'-phase, which is particularly responsible for the crack formation described. The phase mentioned can be a metastable and / or intermetallic phase.

Eine „intermetallische Phase“ bezeichnet vorliegend vorzugsweise eine Mischbindung in einer Legierung mit einem metallischen Bindungsanteil und geringeren Atombindungs- bzw. Ionenbindungsanteilen. Intermetallische Verbindungen sind vorzugsweise härter, fester, korrosionsbeständiger und weisen einen höheren Schmelzpunkt auf als chemisch homogene Metalle oder Legierungen.In the present case, an “intermetallic phase” preferably denotes a mixed bond in an alloy with a metallic bond component and lower atomic bond or ion bond proportions. Intermetallic compounds are preferably harder, stronger, more corrosion-resistant and have a higher melting point than chemically homogeneous metals or alloys.

Es versteht sich, dass die Temperatur und auch eine Neigung zu Rissen im additiven Prozess stark von dem zugrunde liegenden Material, den Bestrahlungsparametern, aber auch der Geometrie der Struktur bzw. des Bauteils abhängt.It goes without saying that the temperature and also a tendency to cracks in the additive process strongly depend on the underlying material, the radiation parameters, but also on the geometry of the structure or the component.

In einer Ausgestaltung wird nach dem additiven Aufbau der Struktur eine Wärmebehandlung durchgeführt, welche intermetallische Ausscheidungen, insbesondere γ- und/oder γ'-(Phasen-)Ausscheidungen, in der Struktur bewirkt. Die Wärmebehandlung, welche ein Lösungs- oder Diffusionsglühen, ein Auslagern oder Ausscheiden der beschriebenen Phasen darstellen oder umfassen kann, ist vorzugsweise dazu geeignet, die entsprechenden Ausscheidungen in der Struktur hervorzurufen. In one embodiment, after the additive structure of the structure, a heat treatment is carried out, which effects intermetallic precipitates, in particular γ- and / or γ '- (phase) precipitates, in the structure. The heat treatment, which may or may include solution or diffusion annealing, aging or removal of the phases described, is preferably suitable for causing the corresponding deposits in the structure.

Durch das vorgestellte Verfahren wird vorteilhafterweise eine Ausscheidung intermetallischer Phasen zunächst unterdrückt, das Risiko der Rissbildung während des eigentlichen additiven Aufbaus also stark vermindert. Um jedoch, beispielsweise im Fall von Superlegierungen für hochtemperaturbelastete Bauteile, eine erforderliche Festigkeit in der Struktur zu gewährleisten, kann nachfolgend die beschriebene Wärmebehandlung durchgeführt werden, welche erst die Ausscheidung der intermetallischen Phasen bewirkt. Im Gegensatz zu dem additiven Aufbauprozess besteht beim Lösungsglühen bzw. der Wärmebehandlung nicht das Risiko des Auftretens von Heiß- oder Erstarrungsrissen, insbesondere durch die wesentlich kleineren beteiligten Temperaturgradienten.The method presented advantageously initially suppresses elimination of intermetallic phases, thus greatly reducing the risk of crack formation during the actual additive structure. However, in order to ensure the required strength in the structure, for example in the case of superalloys for components exposed to high temperatures, the heat treatment described can be carried out below, which only causes the intermetallic phases to separate. In contrast to the additive build-up process, there is no risk of hot or solidification cracks occurring in solution annealing or heat treatment, especially due to the much smaller temperature gradients involved.

In einer Ausgestaltung wird die Struktur derart aufgebaut, dass die schichtweise freigelassenen Bereiche in der Struktur einen zusammenhängenden Kühlkanal bilden. Mit anderen Worten kann der Kühlkanal durch die freigelassenen Bereiche definiert sein.In one configuration, the structure is constructed in such a way that the regions in the structure that are left free in layers form a coherent cooling channel. In other words, the cooling channel can be defined by the areas left free.

In einer Ausgestaltung wird der Kühlkanal derart gebildet, dass er sich parallel zu einer Aufbaurichtung, beispielsweise der vertikalen Z-Richtung, der Struktur erstreckt. Einzelne Schichten oder Querschnitte der Struktur definieren dabei vorzugsweise jeweils nur einen einer Schichtdicke entsprechenden Teil des Kühlkanals.In one configuration, the cooling channel is formed in such a way that it extends parallel to a mounting direction, for example the vertical Z direction, of the structure. Individual layers or cross sections of the structure preferably define only a part of the cooling channel corresponding to a layer thickness.

In einer Ausgestaltung wird der Kühlkanal sukzessive, d.h. schritt-, schichtweise oder allmählich von unten über eine Bauplattform mit dem Kühlmittel gefüllt oder durchströmt.In one embodiment, the cooling channel is successively, i.e. Gradually, layer by layer or gradually filled with the coolant from below on a construction platform or through.

In einer Ausgestaltung wird verdrängtes oder entferntes Kühlmittel und/oder Grundmaterial (Pulver) an der Herstellungsfläche, insbesondere sukzessive entfernt, beispielsweise von einer Entfernungseinrichtung.In one embodiment, displaced or removed coolant and / or base material (powder) is removed, in particular successively, on the production surface, for example by a removal device.

Durch diese Ausgestaltung(en) kann die Kühlung insbesondere kontrolliert erfolgen und damit auch eine Materialstruktur schichtweise, ortsaufgelöst und/oder zweckmäßig durchgeführt werden.With this configuration (s), the cooling can take place in a controlled manner and thus a material structure can also be carried out in layers, in a locally resolved manner and / or appropriately.

In einer Ausgestaltung bildet das Kühlmittel an der Herstellungsfläche eine Grenzschicht oder Grenzfläche zu der (aufgetragenen) Schicht des Grundmaterials. Durch diese Ausgestaltung kann die Kühlung vorteilhafterweise (in-situ) dort erfolgen, wo der Bedarf am größten ist, nämlich in der Nähe des Schmelzbades. Weiterhin kann durch diese Ausgestaltung eine Entfernung überschüssigen oder Restpulvers aus Hohlräumen des Bauteils vereinfacht werden.In one configuration, the coolant forms an interface or interface with the (applied) layer of the base material on the production surface. With this configuration, the cooling can advantageously take place (in-situ) where the need is greatest, namely in the vicinity of the melting bath. Furthermore, this configuration makes it possible to simplify removal of excess or residual powder from cavities in the component.

In einer Ausgestaltung umfasst die Struktur den Aufbau von zwei oder mehr Bauteilen, wobei zwei oder mehrere dieser Bauteile den Kühlkanal definieren. Beispielsweise können gemäß dieser Ausgestaltung zwei oder mehr Bauteile auf der Bauplattform nebeneinander und entlang einer gemeinsamen Aufbaurichtung derart aufgebaut werden, dass in einem Zwischenraum zwischen den Bauteilen der Kühlkanal gebildet wird.In one configuration, the structure comprises the construction of two or more components, with two or more of these components defining the cooling channel. For example, according to this embodiment, two or more components can be built on the construction platform next to one another and along a common construction direction in such a way that the cooling channel is formed in an intermediate space between the components.

In einer Ausgestaltung wird der Kühlkanal zumindest teilweise von einer Bauraumwandung einer additiven Herstellungsanlage definiert oder gebildet. Gemäß dieser Ausgestaltung kann eine Kühlung besonders zweckmäßig am Rand der Bauplattform durchgeführt werden.In one embodiment, the cooling channel is at least partially defined or formed by a space in the wall of an additive manufacturing system. According to this configuration, cooling can be carried out particularly expediently at the edge of the construction platform.

In einer Ausgestaltung umfasst das Kühlmittel eine Wärmeleitpaste, beispielsweise FEROTHERM®. Durch die Wärmeleitpaste des Kühlmittels kann insbesondere die Entwärmung oder Kühlung der Struktur besonders zweckmäßig erfolgen. Insbesondere kann die Wärmeleitpaste das Kühlmittel darstellen. Alternativ kann die Wärmeleitpaste dem Kühlmittel zugegeben sein, um beispielsweise eine Wärmeübertragung von der Struktur auf das Kühlmedium oder -mittel zu verbessern.In one configuration, the coolant comprises a thermal paste, for example FEROTHERM®. The heat-conducting paste of the coolant makes it particularly expedient for the structure to be cooled or cooled. In particular, the thermal paste can represent the coolant. Alternatively, the thermal paste can be added to the coolant, for example to improve heat transfer from the structure to the coolant or medium.

In einer Ausgestaltung wird als Kühlmittel eine Wärmeleitpaste verwendet.In one embodiment, a thermal paste is used as the coolant.

In einer Ausgestaltung umfasst das Grundmaterial eines oder mehrere der folgenden Materialien: PWA795, Merl72, MAR-509, Stellite-31, Hastelloy X, Haynes 230, Haynes 625, IN939, IN738, IN713, IN792, IN718, Alloy 247 und Rene 80. Diese Materialien kommen insbesondere bei im Heißgaspfad von Strömungsmaschinen eingesetzten Bauteilen zum Einsatz. Das vorgestellte Verfahren eignet sich insbesondere für den additiven Aufbau der zuletzt genannten Materialien, da eine verlässliche und reproduzierbare Fertigung dieser Materialien auf additivem Wege, welche bisher kaum möglich war, durch das beschriebene Verfahren ermöglicht wird.In one embodiment, the base material comprises one or more of the following materials: PWA795, Merl72, MAR-509, Stellite-31, Hastelloy X, Haynes 230, Haynes 625, IN939, IN738, IN713, IN792, IN718, Alloy 247 and Rene 80. These materials are used particularly in the components used in the hot gas path of turbomachines. The method presented is particularly suitable for the additive construction of the materials mentioned last, since a reliable and reproducible production of these materials by means of an additive method, which was previously hardly possible, is made possible by the method described.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Bauteil, welches durch das beschriebene Verfahren herstellbar oder hergestellt ist. Das Bauteil umfasst weiterhin die Struktur, wobei das Bauteil weiterhin für den Einsatz im Heißgaspfad einer Gasturbine vorgesehen ist, beispielsweise als metallisches hochtemperaturbeständiges Bauteil.Another aspect of the present invention relates to a component that can be produced or produced by the described method. The component also includes the structure, whereby the The component is also intended for use in the hot gas path of a gas turbine, for example as a metallic, high-temperature-resistant component.

Das fertige Bauteil kann beispielsweise aus der additiv aufgebauten Struktur hervorgehen. Demgemäß unterscheidet sich das Bauteil vorzugsweise lediglich dadurch von der Struktur, dass mechanische Nachbearbeitungschritte und eine Entfernung von überschüssigem Pulvermaterial vorgenommen wurden.The finished component can, for example, emerge from the additively constructed structure. Accordingly, the component preferably differs from the structure only in that mechanical post-processing steps and removal of excess powder material have been carried out.

In einer Ausgestaltung ist das Bauteil aus einer, insbesondere nickel- oder kobaltbasierten, Superlegierung und weist, beispielsweise im Vergleich zu einem Bauteil des Standes der Technik, eine niedrigere Dichte an Strukturdefekten, wie Heißrissen oder Erstarrungsrissen auf.In one configuration, the component is made of a superalloy, in particular nickel- or cobalt-based, and has, for example in comparison to a component of the prior art, a lower density of structural defects, such as hot cracks or solidification cracks.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens, weiterhin umfassend einen Kühlmittelvorratsbehälter, einen Kühlmittelanschluss und eine Steuerungseinheit, wobei die Vorrichtung weiterhin ausgebildet ist, das Kühlmittel, beispielsweise über ein Ventil und/oder eine Bohrung durch oder über eine Bauplattform einer (konventionellen) additiven Herstellungsanlage, in einen Bauraum oder auf eine entsprechende Herstellungsfläche zu führen. Die Steuerungseinheit kann beispielsweise einen Computer oder eine Datenverarbeitungseinrichtung umfassen und insbesondere ausgelegt sein, den Verfahrensschritt des sukzessiven Füllens des Kühlkanals mit dem Kühlmittel zu kontrollieren oder zu optimieren.A further aspect of the present invention relates to a device for carrying out the described method, further comprising a coolant reservoir, a coolant connection and a control unit, the device being further designed to provide the coolant, for example via a valve and / or a bore through or via a construction platform a (conventional) additive manufacturing system, into an installation space or onto a corresponding manufacturing area. The control unit can, for example, comprise a computer or a data processing device and in particular be designed to control or optimize the method step of successively filling the cooling channel with the coolant.

In einer Ausgestaltung ist die Vorrichtung ein Nachrüstsatz für herkömmliche additive Herstellungsanlagen. In one embodiment, the device is a retrofit kit for conventional additive manufacturing plants.

Ausgestaltungen, Merkmale und/oder Vorteile, die sich vorliegend auf das Verfahren oder das Bauteil beziehen, können ferner die Vorrichtung betreffen, oder umgekehrt.Refinements, features and / or advantages, which in the present case relate to the method or the component, can also concern the device, or vice versa.

Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Alle bisher und im Folgenden beschriebenen Merkmale sind dabei sowohl einzeln als auch in Kombination miteinander vorteilhaft. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die folgende Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert.Further features, properties and advantages of the present invention are explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments with reference to the attached figures. All the features described so far and below are advantageous both individually and in combination with one another. It is understood that other embodiments may be used and structural or logical changes may be made without departing from the scope of the present invention. The following description is, therefore, not to be taken in a limiting sense, and the scope of the present invention is defined by the appended claims.

Der hier verwendete Ausdruck „und/oder“, wenn er in einer Reihe von zwei oder mehreren Elementen benutzt wird, bedeutet, dass jedes der aufgeführten Elemente alleine verwendet werden kann, oder es kann jede Kombination von zwei oder mehr der aufgeführten Elemente verwendet werden.The term "and / or" used here when used in a series of two or more elements means that each of the listed elements can be used alone, or any combination of two or more of the listed elements can be used.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren beschrieben.

  • 1 deutet anhand einer schematischen Schnittansicht einen pulverbett-basierten additiven Herstellungsprozess eines Bauteils an,
  • 2 deutet erfindungsgemäße Verfahrensschritte sowie eine erfindungsgemäße Vorrichtung an,
  • 3 deutet erfindungsgemäße Verfahrensschritte im Detail an,
  • 4 deutet alternativ zur 3 erfindungsgemäße Verfahrensschritte im Detail an.
Further details of the invention are described below with reference to the figures.
  • 1 indicates a powder bed-based additive manufacturing process of a component on the basis of a schematic sectional view,
  • 2 indicates method steps according to the invention and a device according to the invention,
  • 3 indicates process steps according to the invention in detail,
  • 4 alternatively to 3 Method steps according to the invention in detail.

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.In the exemplary embodiments and figures, elements that are the same or have the same effect can each be provided with the same reference symbols. The elements shown and their size relationships among one another are fundamentally not to be regarded as true to scale; rather, individual elements can be shown in an exaggeratedly thick or large size for better representation and / or for better understanding.

1 zeigt in einer schematischen Schnitt- oder Seitenansicht eine additive Herstellungsanlage 100. Die Anlage 100 ist vorzugsweise eine Vorrichtung zum additiven Herstellen eines Bauteils 10 aus einem Pulverbett P, beispielsweise durch selektives Laserschmelzen oder Elektronenstrahlschmelzen. Die Anlage 100 weist eine Substratplatte oder Bauplattform 1 auf. Auf der Bauplattform 1 wird eine Struktur 10 aufgebaut, d.h. vorzugsweise auch direkt stoffschlüssig mit der Bauplattform verbunden bzw. „verschweißt“. 1 shows a schematic sectional or side view of an additive manufacturing system 100 , The attachment 100 is preferably a device for additive manufacturing of a component 10 from a powder bed P, for example by selective laser melting or electron beam melting. The attachment 100 has a substrate plate or build platform 1 on. On the build platform 1 becomes a structure 10 built up, ie preferably also directly bonded or "welded" to the construction platform.

Das Bauteil (der Einfachheit und Übersichtlichkeit halber ebenfalls mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet) wird vorzugsweise in einem Bauraum BR aufgebaut.The component (for simplicity and clarity also with the reference number 10 is preferably built in a space BR.

Die Struktur 10 ist vorzugsweise für das Bauteil vorgesehen, bei welchem es sich vorzugsweise um ein Bauteil handelt, das im Heißgaspfad einer Strömungsmaschine, beispielsweise einer Gasturbine, eingesetzt wird. Insbesondere kann das Bauteil eine Lauf- oder Leitschaufel, ein Segment oder Ringsegment, ein Brennerteil oder eine Brennerspitze, eine Zarge, eine Schirmung, ein Hitzeschild, eine Düse, Dichtung, einen Filter, eine Mündung oder Lanze, einen Resonator, Stempel oder einen Wirbler bezeichnen, oder einen entsprechenden Übergang, Einsatz, oder ein entsprechendes Nachrüstteil.The structure 10 is preferably provided for the component, which is preferably a component that is used in the hot gas path of a turbomachine, for example a gas turbine. In particular, the component can be a moving or guide vane, a segment or ring segment, a burner part or a burner tip, a frame, a shield, a heat shield, a nozzle, seal, a filter, a mouth or lance, a resonator, stamp or a swirler designate, or a corresponding transition, use, or a corresponding retrofit part.

Das Bauteil 10 ist in 1 der Einfachheit halber nur teilweise aufgebaut dargestellt, beispielsweise aus lediglich zwei Schichten S eines Bauteilmaterials P.The component 10 is in 1 shown for the sake of simplicity only partially constructed, for example from only two layers S of a component material P ,

Bei dem Bauteilmaterial P handelt es sich vorzugsweise um ein Pulver einer γ- und/oder γ'-gehärteten, nickel- oder kobaltbasierten Superlegierung.With the component material P it is preferably a powder of γ- and or γ ' -Hardened, nickel or cobalt based super alloy.

Einzelne Schichten des Materials P für die Schichten S des Bauteils werden vorzugsweise über eine Beschichtungsvorrichtung 30 in einem Bauraum BR auf eine Herstellungsfläche HF aufgetragen und anschließend mittels eines Energiestrahls 21 für den Aufbau des Bauteils 10 selektiv aufgeschmolzen und verfestigt. Der Energiestrahl wird vorzugsweise von einer Bestrahlungseinrichtung 20, beispielsweise darstellend oder umfassend einen Elektronenstrahl- oder eine Laserquelle, emittiert.Individual layers of the material P for the layers S of the component are preferably via a coating device 30 in one space BR on a manufacturing area HF applied and then by means of an energy beam 21 for the assembly of the component 10 selectively melted and solidified. The energy beam is preferably from an irradiation device 20 , for example representing or comprising an electron beam or a laser source.

Nachdem eine Schicht S aufgebaut wurde, wird die Substratplatte 11 vorzugsweise um ein der Schichtdicke S entsprechendes Maß SD abgesenkt. Anschließend wird eine neue Pulverschicht für den Aufbau des Bauteils 10 aufgetragen, beispielsweise ausgehend von einem Pulvervorrat 40, welcher auf der linken Seite in 1 gezeigt ist.After a layer S has been built up, the substrate plate 11 preferably lowered by a dimension SD corresponding to the layer thickness S. Then a new powder layer is used to build the component 10 applied, for example starting from a powder supply 40 which is on the left in 1 is shown.

Der additive Aufbauprozess wird vorzugsweise unter einer Inert- oder Schutzgasatmosphäre oder wenigstens in einer Atmosphäre mit reduziertem Sauerstoffgehalt durchgeführt, um Korrosion, Oxidation oder weitere Einflüsse, welche die Qualität des Bauteilmaterials, also des Pulvers P, oder des final hergestellten Bauteils 10 beeinflussen, zu vermeiden.The additive build-up process is preferably carried out under an inert or protective gas atmosphere or at least in an atmosphere with a reduced oxygen content, in order to prevent corrosion, oxidation or other influences affecting the quality of the component material, that is to say the powder P, or the finally produced component 10 influence, avoid.

Eine Aufbaurichtung AR für das Bauteil 10 entspricht in 1 einer vertikal nach oben zeigenden Richtung (vertikale Z-Richtung).A mounting direction AR for the component 10 corresponds to in 1 a vertical upward direction (vertical Z direction).

2 zeigt in einer schematischen Schnitt- oder Seitenansicht ähnlich zur Darstellung der 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung 200. Die Vorrichtung 200 kann beispielsweise als Nachrüstsatz oder Ersatzteil-Kit in herkömmliche additive Herstellungsanlagen (vergleiche Bezugszeichen 100) eingebaut werden. Weiterhin deutet 2 Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens an. 2 shows in a schematic sectional or side view similar to the illustration of the 1 a device according to the invention 200 , The device 200 can be used, for example, as a retrofit kit or spare parts kit in conventional additive manufacturing systems (see reference numerals 100 ) to be built in. Still points 2 Steps of a method according to the invention.

Die Vorrichtung 200 ermöglicht es, durch das beschriebene erfindungsgemäße Verfahren, ein Kühlmedium oder ein Kühlmittel 210 in den Bauraum BR der Anlage 100 zu leiten oder zu führen, um eine Schicht oder aufgebaute Struktur 10 zweckmäßig und effizient zu kühlen. Die Vorrichtung 200 umfasst dazu einen Kühlmittelvorratsbehälter 201, einen Kühlmittelanschluss bzw. ein Ventil 202 und eine Steuerungseinheit 50, welche vorzugsweise an das Ventil 202 gekoppelt und ausgelegt ist, eine Kühlmittelzufuhr zu regulieren. Dies kann beispielsweise durch Interaktion mit einem Techniker oder Benutzer der Anlage 100 und eine entsprechende grafische Benutzerschnittstelle erfolgen.The device 200 enables a cooling medium or a coolant by the described method according to the invention 210 in the installation space BR the plant 100 to lead or lead to a layer or built structure 10 to cool appropriately and efficiently. The device 200 includes a coolant reservoir 201 , a coolant connection or a valve 202 and a control unit 50 , which preferably to the valve 202 is coupled and designed to regulate a coolant supply. This can be done, for example, by interacting with a technician or user of the system 100 and a corresponding graphical user interface.

Vorzugsweise ist die Bauplattform 1 mit einer Öffnung oder einer Bohrung (nicht explizit gekennzeichnet) versehen. In der Bohrung ist vorzugsweise das Ventil 202 angeordnet, über welches ein vorgegebenes Kühlmittelvolumen, vorzugsweise sukzessive oder schichtweise und kontrolliert durch die Steuerungseinheit 50, durch die Bauplattform 1 in den Bauraum geführt werden kann.The construction platform is preferred 1 provided with an opening or a hole (not explicitly marked). The valve is preferably in the bore 202 arranged, via which a predetermined coolant volume, preferably successively or in layers and controlled by the control unit 50 , through the build platform 1 can be guided into the installation space.

Das Kühlmittel 210 kann beispielsweise ein Wärmeleitmedium umfassen oder dieses darstellen. Das Wärmeleitmedium kann eine Wärmeleitpaste, beispielsweise FEROTHERM® X (FEROTHERM® X, insbesondere FEROTHERM® X, FEROTHERM®1, FEROTHERM®3, FEROTHERM®4, FEROTHERM®10-U, FEROTHERM®BG, FEROTHERM®5, FEROTHERM®6, FEROTHERM®5-n * und/oder FEROTHERM®6-300 *) darstellen.The coolant 210 can, for example, comprise or represent a heat conducting medium. The heat conducting medium can be a thermal paste, for example FEROTHERM® X (FEROTHERM® X, in particular FEROTHERM® X, FEROTHERM®1, FEROTHERM®3, FEROTHERM®4, FEROTHERM®10-U, FEROTHERM®BG, FEROTHERM®5, FEROTHERM®6 FEROTHERM®5-n * and / or FEROTHERM®6-300 *).

Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst schichtweise (vergleiche ebenfalls 3 und 4 weiter unten), a), das Auftragen einer Schicht S eines, insbesondere pulverförmigen, Grundmaterials P auf eine Herstellungsfläche HF (vergleiche auch 1).The method according to the invention comprises layers (compare also 3 and 4 below), a), applying a layer S one, in particular powdery, base material P on a manufacturing area HF (compare also 1 ).

Das Verfahren umfasst weiterhin, b), das additive Aufbauen der Struktur des Bauteils durch selektives Bestrahlen der aufgetragenen Schicht gemäß einer vorbestimmten Strukturgeometrie, wobei innerhalb eines Querschnitts der Struktur 10 ein Bereich B von der Bestrahlung freigelassen oder selektiv ausgenommen wird, in welchem während des additiven Aufbaus der Struktur 10 ein Kühlmittel 210 geführt wird, um die Schicht S bzw. die aufgebaute Struktur 10 zu kühlen.The process also includes b ), the additive construction of the structure of the component by selective irradiation of the applied layer in accordance with a predetermined structure geometry, being within a cross section of the structure 10 an area B is released from the radiation or is selectively excluded, during which during the additive construction of the structure 10 a coolant 210 is led to the layer S or the built structure 10 to cool.

Durch die freigelassenen Bereiche B bzw. die entsprechenden nicht bestrahlten Bereiche einer Schicht oder eines Querschnitts für das Bauteil 10 wird während des additiven Aufbaus vorzugsweise allmählich ein Kanal 204 oder Kühlkanal gebildet, welcher sich vorzugsweise kontinuierlich oder zusammenhängend von der Bauplattform 1 bis zu der Herstellungsfläche HF erstreckt.Through the blank areas B or the corresponding non-irradiated areas of a layer or a cross section for the component 10 preferably becomes a channel gradually during additive construction 204 or cooling channel formed, which is preferably continuous or continuous from the construction platform 1 down to the manufacturing area HF extends.

Vorzugsweise erstreckt sich der Kanal 204 zumindest hauptsächlich parallel zu der Aufbaurichtung AR der Struktur.The channel preferably extends 204 at least mainly parallel to the direction of construction AR the structure.

An der Herstellungsfläche HF bildet das in dem Kanal 204 befindliche pulverförmige Grundmaterial (Pulver) vorzugsweise eine Grenzschicht 203 zu jeder neu aufgetragenen Schicht S für das Bauteil 10.On the manufacturing area HF that forms in the channel 204 powdery Base material (powder) preferably an interface 203 for each newly applied layer S for the component 10 ,

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist das Pulver oder Grundmaterial P beispielsweise gewählt aus mindestens einem der folgenden bekannten Legierungsmaterialien: PWA795, Merl72, MAR-509, Stellite-31, Hastelloy X, Haynes 230, Haynes 625, IN939, IN738, IN713, IN792, IN718, Alloy 247 und Rene 80.According to the present invention, the powder or base material P is selected, for example, from at least one of the following known alloy materials: PWA795, Merl72, MAR-509, Stellite-31, Hastelloy X, Haynes 230, Haynes 625, IN939, IN738, IN713, IN792, IN718 , Alloy 247 and Rene 80.

Im rechten Teil der 2 ist zumindest ein Teil des Kanals 204 vergrößert dargestellt. Es ist zu erkennen, dass der Kanal sich vertikal parallel zu der Aufbaurichtung AR erstreckt und mit dem Kühlmittel 210 und Pulver, als Grundmaterial für die Struktur 10 gefüllt ist. Das Pulver kann als Bindemittel für das Kühlmittel dienen und beispielsweise zur besseren Fließbarkeit und somit zu einer kontrollierten Kühlung an einer Grenzfläche 203 beitragen. Weiterhin sind im rechten Teil der 2 Bereiche B1, B2 gezeigt. Der zweite Bereich B2 ist oberhalb des Bereichs B1 dargestellt. Pro Schicht wird also vorzugsweise je ein Bereich mit einer Ausdehnung SD in Aufbaurichtung AR von der Bestrahlung ausgenommen, um den Kühlkanal zu bilden.In the right part of the 2 is at least part of the channel 204 shown enlarged. It can be seen that the channel extends vertically parallel to the mounting direction AR and with the coolant 210 and powder, as the base material for the structure 10 is filled. The powder can serve as a binder for the coolant and, for example, for better flowability and thus for controlled cooling at an interface 203 contribute. Furthermore, in the right part of the 2 areas B1 . B2 shown. The second area B2 is above the range B1 shown. For each layer there is therefore preferably an area with an extension SD in the direction of assembly AR excluded from the radiation to form the cooling channel.

Im rechten Teil der 2 ist weiterhin zu erkennen dass die Vorrichtung 200 eine Entfernungseinrichtung 205 aufweist, beispielsweise eine Rakel oder einen Pulverschieber. Mittels dieser Entfernungseinrichtung 205 kann beispielsweise nach oben gedrängtes Material, umfassend das Pulver P sowie Kühlmittel 210 auf der Herstellungsfläche seitlich abgeführt oder entfernt werden. Dabei wird insbesondere der Bereich der Grenzfläche 203, welcher sich vorzugsweise in derselben Schichtebene wie ein Schmelzbad derjenigen Schicht, welche aktuell selektiv bestrahlt wird, befindet, effizient gekühlt bzw. übermäßige Wärme abgeführt. Auf diese Weise kann die Ausbildung von ungünstigen Materialphasen mit Vorteil unterdrückt werden, sodass weiterhin durch die Verhinderung der Ausscheidung intermetallischer Phasen auch eine Rissbildung, insbesondere Heiß- oder Erstarrungsrisse, vorteilhafterweise verhindert werden kann.In the right part of the 2 it can also be seen that the device 200 a removal device 205 has, for example a squeegee or a powder pusher. By means of this removal device 205 can, for example, upward material comprising the powder P as well as coolant 210 be removed or removed laterally on the manufacturing surface. In particular, the area of the interface 203 , which is preferably in the same layer plane as a molten bath of the layer which is currently selectively irradiated, is efficiently cooled or excess heat is removed. In this way, the formation of unfavorable material phases can advantageously be suppressed, so that cracking, in particular hot or solidification cracks, can furthermore advantageously be prevented by preventing the separation of intermetallic phases.

Komponenten, welche sich insbesondere für die industrielle additive Herstellung (und nicht lediglich für die Herstellung von Prototypen) eignen, weisen meistens komplexe Strukturen, umfassend innere Hohlräume oder Kavitäten auf. Durch das beschriebene Verfahren können diese Hohlräume vorteilhafterweise zur Kühlung während des Herstellungsprozesses verwendet werden. Lediglich beispielhaft ist zu diesem Zweck in 2 eine Turbinenschaufel, mit dem Kühlkanal 204 als Hohlraum, lediglich exemplarisch dargestellt. Die Führung des Kühlmittels durch den Kanal 204 gemäß dem beschriebenen Verfahren bedeutet also in vielen Fällen keine bedeutende Einschränkung des Designs des Bauteils 10, sodass das vorgestellte Verfahren in sehr vielen Fällen anwendbar ist.Components that are particularly suitable for industrial additive manufacturing (and not only for the production of prototypes) usually have complex structures, including internal cavities or cavities. By means of the described method, these cavities can advantageously be used for cooling during the manufacturing process. For this purpose, in 2 a turbine blade, with the cooling channel 204 as a cavity, shown only as an example. The flow of coolant through the channel 204 according to the method described, in many cases this means that there is no significant restriction on the design of the component 10 , so that the method presented can be used in very many cases.

Gemäß dem beschriebenen Verfahren wird der Kühlkanal 204 vorzugsweise sukzessive oder schichtweise während der additiven Herstellung der Struktur 10 von unten über eine Bauplattform 1 mit dem Kühlmittel 210 gefüllt (vgl. Bezugszeichen c) in den 3 und 4).According to the method described, the cooling channel 204 preferably successively or in layers during the additive production of the structure 10 from below over a construction platform 1 with the coolant 210 filled (see reference number c ) in the 3 and 4 ).

Weiterhin muss verdrängtes Kühlmittel 210 sowie verdrängtes Grundmaterial P dann entsprechend sukzessive an der Herstellungsfläche HF entfernt werden (vgl. Bezugszeichen d) in den 3 und 4).Furthermore, displaced coolant 210 as well as displaced basic material P then successively on the manufacturing surface HF be removed (see reference number d ) in the 3 and 4 ).

Sofern eine aufzubauende Bauteilgeometrie keine ausreichende innere Hohlstruktur vorsieht, also das erfindungsgemäß beschriebene Verfahren nicht oder nur schwer angewendet werden kann, kann eine aufzubauende Struktur 10 beispielsweise zwei oder mehr Bauteilen umfassen, wobei dann zwei oder mehrere dieser Bauteile den Kühlkanal 204 definieren. Diese Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist durch die abweichenden Bezugszeichen 10 und 10' der Strukturen bzw. Bauteile in 2 angedeutet. Mit anderen Worten werden also Strukturen für 2 Bauteile 10 und 10' aufgebaut.If a component geometry to be built does not provide a sufficient internal hollow structure, that is to say the method described according to the invention cannot be used or can only be used with difficulty, a structure to be built can be used 10 for example, comprise two or more components, two or more of these components then comprising the cooling channel 204 define. This embodiment of the present invention is by the different reference numerals 10 and 10 ' the structures or components in 2 indicated. In other words, structures for 2 components 10 and 10 ' built up.

Alternativ oder zusätzlich kann der Kanal auch zumindest teilweise von einer Bauraumwandung 101 einer additiven Herstellungsanlage 100 definiert werden, sodass - mit anderen Worten - eine Bauraumwandung ebenfalls zur Kühlmittelführung herangezogen werden kann.As an alternative or in addition, the channel can also be at least partially surrounded by a space 101 an additive manufacturing plant 100 are defined so that - in other words - a space in the installation space can also be used to guide the coolant.

Da mittels des beschriebenen Verfahrens und zur Vermeidung von möglicherweise strukturell katastrophalen Heiß- oder Erstarrungsrissen in der Struktur 10, insbesondere die Auslagerung oder Ausscheidung von intermetallischen Phasen, wie insbesondere γ- und/oder γ'-Phasen, verhindert wird, müssen - im Falle von hochtemperaturbelasteten Bauteilen - die entsprechend aufgebauten Strukturen für die Fertigung nach dem additiven Aufbauen möglicherweise noch einer Wärmebehandlung, beispielsweise Lösungsglühen, unterzogen werden. Dadurch können insbesondere die genannten für die Festigkeit der fertigen Bauteile erforderlichen Phasenausscheidungen wieder ausgebildet werden. Die Wärmebehandlung wird zweckmäßigerweise derart gewählt und durchgeführt, dass die Phasenausscheidungen in optimaler oder günstiger Art, Größe und Anordnung im Bauteil ausgebildet werden.Because by means of the described method and to avoid possibly structurally catastrophic hot or solidification cracks in the structure 10 , in particular the outsourcing or excretion of intermetallic phases, such as in particular γ - and / or γ'-phases, is prevented, in the case of components subject to high temperatures, the correspondingly constructed structures for production after the additive assembly may still have to be subjected to a heat treatment, for example solution annealing. As a result, in particular the phase separations mentioned necessary for the strength of the finished components can be formed again. The heat treatment is expediently chosen and carried out in such a way that the phase precipitations are formed in the component in an optimal or favorable manner, size and arrangement.

Gemäß dem beschriebenen Verfahren und gemäß der beschriebenen Vorrichtung kann also ein Bauteil, welches aus einer, insbesondere nickel- oder kobaltbasierten Superlegierung besteht, beispielsweise im Vergleich zu einem Bauteil des Standes der Technik, mit einer niedrigeren Dichte an Strukturdefekten, wie Heißrissen oder Erstarrungsrissen, aufgebaut werden. Alternativ, kann bei ähnlicher Qualität ein Ausschuss der Bauteile stark verringert oder komplett vermieden werden, da der additive Herstellungsprozess wesentlich reproduzierbarer und weniger defektanfällig durchgeführt werden kann.According to the described method and according to the described device, a component which consists of a, in particular nickel or cobalt-based superalloy exists, for example in comparison to a component of the prior art, with a lower density of structural defects, such as hot cracks or solidification cracks. Alternatively, with a similar quality, a reject of the components can be greatly reduced or completely avoided, since the additive manufacturing process can be carried out in a much more reproducible manner and less prone to defects.

Gemäß der vorliegenden Erfindung muss das oben beschriebene Befüllen des Kanals 204 mit dem Kühlmittel 210 nicht notwendigerweise schichtweise nach dem additiven Aufbau beziehungsweise dem Bestrahlen erfolgen. Anhand von 3 wird beispielsweise eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform des Verfahrens illustriert.According to the present invention, the filling of the channel described above must 204 with the coolant 210 do not necessarily take place in layers after the additive structure or the irradiation. Based on 3 For example, a further embodiment of the method according to the invention is illustrated.

3 zeigt im linken Teil einen Ausschnitt der Struktur 10 (vergleiche auch 2 oben) mit dem Kanal 204 sowie der oben beschriebenen Grenzfläche 203. Es ist beispielsweise die Vorrichtung 200 gezeigt, wobei nach dem Auftragen einer neuen Pulverschicht S gerade sukzessive eine neue Portion von Kühlmittel 210 in den Kanal 204 eingeführt wird. Dadurch wird ein oben in dem Kanal 204 befindliches Teil des Kühlmittels über die Grenzfläche 203 in den Bereich einer zuvor neu aufgebrachten Pulverschicht P gedrängt, wodurch sich ein Meniskus bilden kann (vergleiche gestrichelte Linie). 3 shows a section of the structure in the left part 10 (compare also 2 above) with the channel 204 and the interface described above 203 , For example, it is the device 200 shown, after applying a new layer of powder S a new portion of coolant is gradually being added 210 in the channel 204 is introduced. This will make one up in the channel 204 part of the coolant over the interface 203 in the area of a previously applied powder layer P crowded, which can form a meniscus (see dashed line).

Anschließend kann beispielsweise eine Bestrahlung erfolgen wie anhand des Energiestrahls 21 angedeutet. Erst nach dem Bestrahlen wird vorzugsweise ein Teil des aus dem Kanal 204 gedrängten Kühlmittels 210 sowie des darin gelösten Pulvers P an der Herstellungsfläche HF entfernt.Irradiation can then take place, for example, as on the basis of the energy beam 21 indicated. Only after the irradiation is part of the channel preferably removed 204 crowded coolant 210 and the powder dissolved in it P on the manufacturing area HF away.

Im rechten Teil der 3 ist eine entsprechende Sequenz dieser Ausgestaltung des Verfahrens anhand eines schematischen Flussdiagramms dargestellt, wobei nach dem Schritt des Auftragens, a), zunächst das Kühlmittel 210 in den Kanal 204 gefüllt wird, c). Anschließend erfolgt erst das Bestrahlen beziehungsweise der eigentliche additive Aufbau (vgl. Schritt b)) und abschließend erfolgt das Entfernen (vgl. Schritt d)) des verdrängten Kühlmittels 210, wie oben beschrieben.In the right part of the 3 a corresponding sequence of this embodiment of the method is shown on the basis of a schematic flow diagram, with after the application step, a ), first the coolant 210 in the channel 204 is filled c ). The irradiation or the actual additive structure then takes place (see step b )) and finally the removal takes place (see step d )) of the displaced coolant 210 , as described above.

Die in der 3 gezeigte Ausführungsform erlaubt vorteilhafterweise eine Kühlung vor der eigentlichen Bestrahlung der Schicht und damit eine besonders effiziente und zielgerichtete Kühlung des Schmelzbades (in-situ), um, wie oben beschrieben, hohe Temperaturgradienten in dem folgenden Aufbauschritt und damit die Bildung/Ausscheidung von intermetallischen Phasen zu unterbinden.The in the 3 The embodiment shown advantageously allows cooling before the actual irradiation of the layer and thus particularly efficient and targeted cooling of the melt pool (in-situ) in order, as described above, to achieve high temperature gradients in the subsequent build-up step and thus the formation / elimination of intermetallic phases prevention.

4 zeigt alternativ zur 3 eine andere mögliche Prozesssequenz als Ausführungsform des beschriebenen Verfahrens. Gemäß dieser Ausgestaltung wird ebenfalls zunächst eine Pulverschicht aufgetragen, Verfahrensschritt a). Anschließend wird, wie oben beschrieben, selektiv bestrahlt (vgl. Schritt b)), um in der entsprechenden Schicht einen Teil der Struktur 10 für das Bauteil zu bilden. Anschließend wird eine kleine neue Portion Kühlmittel 210 in den Kühlkanal 204 gefüllt (vgl. Schritt c)), sodass im oberen Bereich des Kanals 204 (an der Grenzfläche 203) überschüssiges Kühlmittel 210 sowie Pulver P verdrängt (vgl. Schritt d)) wird. Anschließend wird dieses überflüssige Material mit einer Entfernungseinrichtung 205, welche beispielsweise in der 4 von links nach rechts verfährt, von der Herstellungsfläche HF entfernt. Die Schicht, die mit dem Bezugszeichen S', gekennzeichnet ist entspricht gemäß der Darstellung derjenigen Schicht, welche als letztes bestrahlt und somit bereits aufgebaut und verfestigt wurde. 4 shows alternative to 3 another possible process sequence as an embodiment of the method described. According to this embodiment, a powder layer is also first applied, method step a ). Then, as described above, selective irradiation is carried out (see step b )) to part of the structure in the corresponding layer 10 to form for the component. Then a small new portion of coolant 210 in the cooling channel 204 filled (see step c)), so that in the upper area of the channel 204 (at the interface 203 ) excess coolant 210 as well as powder P ousted (see step d )) becomes. Then this superfluous material is removed using a removal device 205 which, for example, in the 4 moved from left to right, from the manufacturing area HF away. The layer labeled with the reference number S ' according to the representation corresponds to that layer which was irradiated last and thus has already been built up and solidified.

Gemäß dieser Ausgestaltung (4) wird eine Entfernung überschüssigen Materials (Pulver P und Kühlmittel 210) gegenüber der Ausführungsform der 3 möglicherweise vereinfacht.According to this configuration ( 4 ) will remove excess material (powder P and coolant 210 ) compared to the embodiment of 3 possibly simplified.

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.The invention is not restricted to the exemplary embodiments by the description based on these, but rather encompasses every new feature and every combination of features. This includes in particular any combination of features in the patent claims, even if this feature or this combination itself is not explicitly specified in the patent claims or exemplary embodiments.

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Claims (13)

Verfahren zur additiven Herstellung einer Struktur (10, 10'), insbesondere durch ein Pulverbett-Verfahren, schichtweise umfassend: - a) Auftragen einer Schicht (S) eines, insbesondere pulverförmigen, Grundmaterials (P) auf eine Herstellungsfläche (HF), - b) additives Aufbauen der Struktur durch selektives Bestrahlen der aufgetragenen Schicht gemäß einer vorbestimmten Strukturgeometrie, wobei innerhalb eines Querschnitts der Struktur (10, 10') ein Bereich (B1,B2,204) von der Bestrahlung freigelassen wird, in welchem während des additiven Aufbaus der Struktur (10) ein Kühlmittel (210) geführt wird, um die Schicht und/oder die aufgebaute Struktur zu kühlen.Method for additively producing a structure (10, 10 '), in particular by a powder bed method, comprising in layers: - a) applying a layer (S) of a, in particular powdery, base material (P) to a production area (HF), - b) additive construction of the structure by selective irradiation of the applied layer in accordance with a predetermined structure geometry, an area (B1, B2, 204) being left free of the radiation within a cross section of the structure (10, 10, 20 '), in which during the additive Structure of the structure (10) a coolant (210) is guided to cool the layer and / or the structure built. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Struktur derart aufgebaut wird, dass die schichtweise freigelassenen Bereiche in der Struktur einen zusammenhängenden Kühlkanal (204) bilden.Procedure according to Claim 1 The structure is constructed in such a way that the areas in the structure which are left free in layers form a coherent cooling channel (204). Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei der Kühlkanal (204) derart gebildet wird, dass er sich parallel zu einer Aufbaurichtung (AR) der Struktur (10) erstreckt.Procedure according to Claim 2 , wherein the cooling channel (204) is formed in such a way that it extends parallel to a mounting direction (AR) of the structure (10). Verfahren gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei der Kühlkanal (204) sukzessive von unten über eine Bauplattform (1) mit dem Kühlmittel (210) gefüllt (c)) und verdrängtes Kühlmittel (210) sowie Grundmaterial (P) an der Herstellungsfläche (HF) entfernt (d)) wird.Procedure according to Claim 2 or 3 , wherein the cooling channel (204) is successively filled from below via a construction platform (1) with the coolant (210) (c)) and displaced coolant (210) and base material (P) on the production surface (HF) are removed (d)) , Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kühlmittel (201) an der Herstellungsfläche (HF) eine Grenzschicht zu der Schicht des Grundmaterials (P) bildet.Method according to one of the preceding claims, wherein the coolant (201) forms a boundary layer on the production surface (HF) to the layer of the base material (P). Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Struktur (10) den Aufbau von zwei oder mehr Bauteilen umfasst, und zwei oder mehr dieser Bauteile den Kühlkanal (204) definieren.Method according to one of the preceding claims, wherein the structure (10) comprises the construction of two or more components, and two or more of these components define the cooling channel (204). Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kühlkanal (204) zumindest teilweise von einer Bauraumwandung (101) einer additiven Herstellungsanlage definiert wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the cooling channel (204) is at least partially defined by a space (101) of an additive manufacturing system. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei nach dem additiven Aufbauen der Struktur (10) eine Wärmebehandlung durchgeführt wird, welche intermetallische Ausscheidungen, insbesondere γ- und/oder γ'-Phasen, in der Struktur (10) bewirkt.Method according to one of the preceding claims, wherein after the additive construction of the structure (10), a heat treatment is carried out, which effects intermetallic precipitates, in particular γ and / or γ 'phases, in the structure (10). Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kühlmittel (210) eine Wärmeleitpaste, beispielsweise FEROTHERM® X darstellt oder umfasst.Method according to one of the preceding claims, wherein the coolant (210) represents or comprises a thermal paste, for example FEROTHERM® X. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Grundmaterial (P) eines oder mehrere der folgenden Materialien umfasst: PWA795, Merl72, MAR-509, Stellite-31, Hastelloy X, Haynes 230, Haynes 625, IN939, IN738, IN713, IN792, IN718, Alloy 247 und Rene 80.Method according to one of the preceding claims, wherein the base material (P) comprises one or more of the following materials: PWA795, Merl72, MAR-509, Stellite-31, Hastelloy X, Haynes 230, Haynes 625, IN939, IN738, IN713, IN792, IN718, Alloy 247 and Rene 80. Bauteil (10), welches gemäß dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt oder herstellbar ist, weiterhin umfassend die Struktur, wobei das Bauteil für den Einsatz im Heißgaspfad einer Gasturbine vorgesehen ist.Component (10) which is produced or can be produced according to the method according to one of the preceding claims, further comprising the structure, the component being intended for use in the hot gas path of a gas turbine. Bauteil (10) gemäß Anspruch 11, welches aus einer, insbesondere nickel- oder kobaltbasierten, Superlegierung besteht und im Vergleich zu einem Bauteil des Standes der Technik eine niedrigere Dichte an Strukturdefekten, wie Heißrissen oder Erstarrungsrissen, aufweist.Component (10) according to Claim 11 , which consists of a, especially nickel or cobalt-based, superalloy and has a lower density of structural defects, such as hot cracks or solidification cracks, compared to a component of the prior art. Vorrichtung (200) zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, umfassend einen Kühlmittelvorratsbehälter (201), einen Kühlmittelanschluss (202) und eine Steuerungseinheit (50), wobei die Vorrichtung (200) weiterhin ausgebildet ist, das Kühlmittel (210), beispielsweise über ein Ventil (202), durch eine Bauplattform (1) einer additiven Herstellungsanlage (100) in einen Bauraum (BR) zu führen.Device (200) for performing the method according to one of the Claims 1 to 10 , comprising a coolant reservoir (201), a coolant connection (202) and a control unit (50), the device (200) being further designed to coolant (210), for example via a valve (202), by means of a construction platform (1) an additive manufacturing system (100) to lead into a space (BR).
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