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
Ein Verfahren zur additiven Herstellung eines Bauteils umfassend das Beeinflussen oder Erfassen von Eigenschaften des Bauteils während des additiven Aufbaus ist beispielsweise beschrieben in
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.
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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 zur3 erfindungsgemäße Verfahrensschritte im Detail an.
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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 to3 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.
Das Bauteil (der Einfachheit und Übersichtlichkeit halber ebenfalls mit dem Bezugszeichen
Die Struktur
Das Bauteil
Bei dem Bauteilmaterial
Einzelne Schichten des Materials
Nachdem eine Schicht S aufgebaut wurde, wird die Substratplatte
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
Eine Aufbaurichtung AR für das Bauteil
Die Vorrichtung
Vorzugsweise ist die Bauplattform
Das Kühlmittel
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst schichtweise (vergleiche ebenfalls
Das Verfahren umfasst weiterhin,
Durch die freigelassenen Bereiche
Vorzugsweise erstreckt sich der Kanal
An der Herstellungsfläche
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
Im rechten Teil der
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
Gemäß dem beschriebenen Verfahren wird der Kühlkanal
Weiterhin muss verdrängtes Kühlmittel
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
Alternativ oder zusätzlich kann der Kanal auch zumindest teilweise von einer Bauraumwandung
Da mittels des beschriebenen Verfahrens und zur Vermeidung von möglicherweise strukturell katastrophalen Heiß- oder Erstarrungsrissen in der Struktur
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
Anschließend kann beispielsweise eine Bestrahlung erfolgen wie anhand des Energiestrahls
Im rechten Teil der
Die in der
Gemäß dieser Ausgestaltung (
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.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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