DE102018212343A1

DE102018212343A1 - Verfahren zum schichtweisen Aufbau eines Bauteils

Info

Publication number: DE102018212343A1
Application number: DE102018212343.8A
Authority: DE
Inventors: Carmen Mayer; Christoph Ader; Frank Stiehler
Original assignee: MTU Aero Engines AG
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2018-07-25
Filing date: 2018-07-25
Publication date: 2020-01-30

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum schichtweisen Aufbauen eines Bauteils (2), bei welchem Verfahren ein pulverförmiger Werkstoff (4) in Form von Schichten (5) aufgebracht wird, und je Schicht (5) mittels einer Strahlquelle (6) bereichsweise bestrahlt und damit verfestigt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein Schweißzusatzwerkstoff (16) in geformten Zustand vorgehalten und im Zuge des schichtweisen Aufbauens zumindest zeitweilig durch Auftragsschweißen aufgeschweißt wird.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum schichtweisen Aufbauen eines Bauteils.
Stand der Technik
Generative Fertigungsverfahren erlauben nicht nur einen schnellen Aufbau von Prototypen, sondern es können bspw. auch aufgrund ihrer Geometrie anderweitig schwer herzustellende Bauteile bzw. Bauteile mit bestimmten Materialeigenschaften hergestellt werden. Der Aufbau erfolgt schichtweise, und es lassen sich auch Geometrien erzeugen, die bspw. mit einem gießtechnischen Verfahren nicht zugänglich wären. Bei sogenannten Pulverbettverfahren wird der Werkstoff in Pulverform vorgehalten und sequenziell Schicht für Schicht aufgetragen. Nach dem Auftragen einer jeweiligen Schicht wird diese selektiv bestrahlt und so in einem gewünschten Bereich verfestigt, durch Aufschmelzen des Pulvers infolge der Bestrahlung. Anschließend wird die nächste Pulverschicht aufgetragen und der herzustellenden Bauteilgeometrie entsprechend bereichsweise verfestigt.
Darstellung der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein besonders vorteilhaftes Verfahren zum Aufbauen eines Bauteils anzugeben.
Dies wird erfindungsgemäß mit dem Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Das Bauteil wird dabei nicht allein aus dem pulverförmigen Werkstoff aufgebaut, sondern es wird zumindest zeitweilig zusätzlich ein Schweißzusatzwerkstoff aufgeschweißt. Dieser wird in geformtem Zustand vorgehalten, also nicht im formlosen bzw. formneutralen Zustand wie der pulverförmige Werkstoff. „Geformt“ meint insoweit vorab in eine definierte Form gebracht, bspw. in Streifen- oder Bandform, bevorzugt wird der Schweißzusatzwerkstoff in Drahtform vorgehalten (siehe unten). Das Auftrag schweißen ist ein an sich bekanntes Verfahren, das bspw. im Falle des drahtförmigen Schweißzusatzwerkstoffs als Draht-Auftragschweißen bezeichnet wird, insbesondere als Laser-Draht-Auftragschweißen im Falle einer Laserbestrahlung.
Eine Besonderheit liegt vorliegend in der Kombination mit dem Pulverbettverfahren. Da der Schweißzusatzwerkstoff im geformten Zustand vorgehalten wird, kann bspw. einer Durchmischung mit dem pulverförmigen Werkstoff vorgebeugt werden. Es lassen sich bspw. auch unterschiedliche Materialien kombinieren, und zwar weitgehend ohne Verunreinigung des Pulvers, dessen Nutzungsgrad somit erhöht wird. Zur Illustration, würden bspw. zwei unterschiedliche Materialien jeweils in Pulverform abwechselnd Schicht für Schicht aufgetragen werden, wäre der verbleibende, nicht verfestigte Teil des Pulvers eine Mischung beider Materialien. Eine solche Pulvermischung kann üblicherweise nicht wieder separiert werden, aufgrund ähnlicher Korngrößen ist bspw. kein Sieben möglich, und muss als Ausschuss verworfen werden.
Die Kombination der beiden Verfahren kann bspw. auch insoweit von Vorteil sein, als sie sich in ihren Charakteristika gut ergänzen können. So können bspw. mit dem pulverförmigen Werkstoff mitunter besonders filigrane Strukturen hergestellt werden, wohingegen der Schweißzusatzwerkstoff per Auftragschweißen in vergleichsweise kurzer Zeit auch auf relativ große Flächen aufgebracht werden kann. Die Kombination kann dann eine insgesamt zeitoptimierte und damit hinsichtlich des Durchsatzes und der Kosten vorteilhafte Bauteilherstellung ermöglichen, und zwar ohne Abstriche bei der Zugänglichkeit komplexer Geometrien. Die Kombination kann also auch dann Vorteile bieten, wenn das Pulver und der Schweißzusatzwerkstoff aus dem gleichen Material vorgesehen sind.
Die beiden Verfahren werden am selben Bauteil kombiniert, und zwar im Zuge des schichtweisen Aufbauens. Der Schweißzusatzwerkstoff wird also bereits während der Entstehung des Bauteils, wenn dieses Schicht für Schicht aufgebaut wird, in zumindest einigen der Schichten aufgeschweißt. Das Bauteil soll also bspw. nicht ausschließlich aus dem Pulver in Schichtform aufgebaut und anschließend per Auftragschweißen mit einer Schicht überzogen werden, sondern es wird bereits bei der Bauteilentstehung auftragsgeschweißt. Im Vergleich zu dem eben genannten Beispiel (Aufbau aus Pulverbett, nachträgliche Beschichtung) kann die Integration der Verfahren in dieselbe Anlage bspw. den Rüstaufwand verringern helfen, zudem ist mit dem erfindungsgemäßen Vorgehen auch das Bauteilinnere dem Auftragschweißen zugänglich (es ist nicht auf die Bauteiloberfläche, also Sichtflächen beschränkt). Die Integration des Auftragschweißens in die Herstellung selbst kann im Vergleich zu einer nachträglichen Beschichtung auch Defekte bzw. lokale Wärmespannungen reduzieren helfen.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den abhängigen Ansprüchen und der gesamten Offenbarung, wobei in der Darstellung der Merkmale nicht immer im Einzelnen zwischen Verfahrens- und Vorrichtungsaspekten unterschieden wird; jedenfalls implizit ist die Offenbarung hinsichtlich sämtlicher Anspruchskategorien zu lesen. Wird bspw. eine bestimmte verfahrensgemäße Ausgestaltung beschrieben, ist dies auch auf eine Vorrichtung zu lesen, die zur Durchführung eines entsprechenden Verfahrens eingerichtet ist.
In bevorzugter Ausgestaltung wird der Schweißzusatzwerkstoff strahltechnikbasiert aufgeschweißt, also durch Bestrahlen mit einer Strahlquelle. Prinzipiell ist auch ein Elektronenstrahl denkbar, also ein Bestrahlen mit einer Elektronenstrahlquelle. Bevorzugt wird mit elektromagnetischer Strahlung bestrahlt, und zwar mit Laserstrahlung, handelt es sich bei der Strahlquelle also um eine Laser-Strahlquelle, z. B. einen CO2-Laser, Nd:YAG-Laser bzw. Yb-Faserlaser oder auch einen Diodenlaser.
Dieselben Möglichkeiten (Elektronen- oder vorzugsweise Laserstrahl) bestehen hinsichtlich der Bestrahlung des pulverförmigen Werkstoffs. In bevorzugter Ausgestaltung wird dieselbe Strahlquelle sowohl zum Verfestigen des Pulvers als auch zum Aufschweißen des Schweißzusatzwerkstoffs verwendet. Während der Herstellung des Bauteils werden mit der Strahlquelle abwechselnd der pulverförmige Werkstoff und der Schweißzusatzwerkstoff bestrahlt, wobei es im Laufe der Herstellung eine Vielzahl (mindestens drei) Wechsel zwischen den Werkstoffen geben kann (auch in Abhängigkeit von der Verfahrensführung, siehe unten im Detail).
In bevorzugter Ausgestaltung wird ein Energieeintrag, der mit der Strahlquelle in den pulverförmigen Werkstoff und/oder den Schweißzusatzwerkstoff eingebracht wird, im Zeitverlauf variiert. Generell kann der Energieeintrag bevorzugt gepulst erfolgen (der Energieintrag wird dann über eine Periode gemittelt betrachtet), wobei die Variation bspw. über eine Anpassung der Pulsweite oder auch Pausendauer vorgenommen kann. Es kann sich bspw. der Energieeintrag zwischen Pulver und Schweißzusatzwerkstoff unterscheiden, ebenso ist aber auch eine Variation innerhalb desselben Werkstoffs möglich.
Wie bereits erwähnt, wird der Schweißzusatzwerkstoff in bevorzugter Ausgestaltung in Form eines Drahts oder Bands vorgehalten. Generell kann bevorzugt sein, dass eine Mehrzahl Schweißzusatzwerkstoffe jeweils in geformtem Zustand vorgehalten und durch Auftragschweißen aufgeschweißt werden. Es können also bspw. mehrere unterschiedliche Drähte und/oder Bänder vorgehalten werden, was die Variationsmöglichkeiten weiter erhöht. Die unterschiedlichen Schweißzusatzwerkstoffe werden bevorzugt mit derselben Strahlquelle bestrahlt, mit welcher weiter bevorzugt auch der pulverförmige Werkstoff bestrahlt wird.
In bevorzugter Ausgestaltung wird jener Teil des pulverförmigen Werkstoffs, der nicht verfestigt wird, gesiebt und erneut verwendet. Prinzipiell ist auch ein Sieben während der Herstellung des Bauteils denkbar, bevorzugt wird das nicht verfestigte Pulver im Anschluss gesiebt und dann bei der Herstellung des darauffolgenden Bauteils verwendet. Mit dem Sieben können sich bspw. Schweißspritzer aus dem Pulver entfernen lassen (dies wird durch die erfindungsgemäße Kombination der Verfahren möglich, anders als bei der Kombination zweier unterschiedlicher Pulver).
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird in mindestens einer der Schichten, aus denen das Bauteil aufgebaut wird, sowohl der pulverförmige Werkstoff verfestigt als auch der Schweißzusatzwerkstoff aufgeschweißt. Der Schweißzusatzwerkstoff kann bspw. der Kennzeichnung des Bauteils dienen, was z. B. in einem späteren Schadensfall den Nachweis bzw. das Abstreiten der Verwendung von Originalbauteilen vereinfachen kann. Generell kann bevorzugt sein, dass der Schweißzusatzwerkstoff zumindest auch im Bauteilinneren verortet ist, also bezogen auf dessen fertige Geometrie nicht bzw. nicht ausschließlich an der Oberfläche des Bauteils. Eine eben geschilderte Kennzeichnung kann somit auch im Bauteil „versteckt“ sein. Speziell im Bereich der Dotierungen (Schweißzusatzwerkstoff bildet kleinem Bereich der Schicht) kann der Schweißzusatzwerkstoff bspw. in Form eines dünnen Drahtes zugeführt werden. Die Kombination der Verfahren in derselben Schicht kann sich auch über eine Durchsatzoptimierung ergeben, wenn nämlich bspw. ein großer (geometrisch einfacher) Teilbereich der Schicht aufgeschweißt wird und ein geometrisch komplexer bzw. filigraner Bereich der Schicht aus dem pulverförmigen Werkstoff erzeugt wird.
In bevorzugter Ausgestaltung ist eine Absaugeinheit vorgesehen, mit welcher der pulverförmige Werkstoff im Zuge des Aufbaus des Bauteils zumindest bereichsweise abgesaugt wird. Es kann bspw. in einer Schicht nach dem Verfestigen des Pulvers der nicht verfestigte Teil davon aus einem Flächenbereich der Schicht abgesaugt werden, der dann mit dem Schweißzusatzwerkstoff aufgefüllt werden soll.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird in mindestens einer der Schichten ausschließlich der pulverförmige Werkstoff verfestigt und in mindestens einer anderen Schicht des Bauteils ausschließlich der Schweißzusatzwerkstoff aufgeschweißt. Der Wechsel zwischen Pulver und Auftragschweißen erfolgt in diesem Fall also von Schicht zu Schicht. So können bspw. Schichten mit vergleichsweise einfacher Form per Auftragschweißen aufgebracht werden, Schichten komplexere Geometrie hingegen aus dem Pulver aufgebaut werden. Dies kann insgesamt eine Alternative zum Kombinieren der Verfahren in einer gemeinsamen Schicht (siehe vorne) darstellen, oder auch in Kombination damit vorgesehen werden. Für das Aufschweißen größerer Bereiche kann der Schweißzusatzwerkstoff bspw. in Form eines dickeren Drahtes als für das Dotieren vorgehalten werden. Auch insoweit kann das Vorhalten mehrerer Schweißzusatzwerkstoffe (siehe vorne) von Vorteil sein, es kann nämlich bspw. auch das gleiche Material in unterschiedlichen Draht- bzw. Materialdicken vorgehalten werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind der pulverförmige Werkstoff und der Schweißzusatzwerkstoff aus unterschiedlichen Materialien vorgesehen. Ein Anwendungsgebiet ist das bereits erwähnte Dotieren. Generell kann die Herstellung eines Bauteils mit hybriden Materialeigenschaften eine Optimierung auf ein komplexes Anwendungsprofil ermöglichen, wobei die Herstellung insgesamt noch ökonomisch interessant bleiben kann (bspw. aufgrund des geringeren Ausschusses als bei der Verwendung unterschiedlicher Pulver).
Bei einer alternativ bevorzugten Ausführungsform sind das Pulver und der Schweißzusatzwerkstoff aus dem gleichen Material vorgesehen. Dies kann hinsichtlich der Herstellung eines Bauteils mit homogenen Materialeigenschaften von Interesse sein, wobei geometrisch einfache Bereiche aufgeschweißt und komplexe Bereiche aus dem Pulver aufgebaut werden können. Im Vergleich zu einem reinen Pulverbettverfahren kann dies die Herstellungszeit optimieren.
Bei dem Bauteil handelt es sich generell in bevorzugter Ausgestaltung um einen Bestandteil einer Strömungsmaschine, insbesondere eines Strahltriebwerks, etwa eines Mantelstromtriebwerks. Das Bauteil kann zur Anordnung im Gaskanal vorgesehen sein, etwa als Leit- oder Laufschaufel, es kann sich auch um ein Gehäuseteil handeln. Das Bauteil kann bspw. auch eine Dichtung sein bzw. bilden, etwa nach Art einer Honigwabendichtung. Ganz allgemein handelt es sich bei den Werkstoffen um Metalle, wobei z. B. hochlegierte Stähle bzw. ausscheidungsgehärtete Werkstoffe infrage kommen.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung, die zur Durchführung eines vorliegend offenbarten Verfahrens eingerichtet ist. Diese weist zusätzlich zu der Pulverbetteinheit und der Strahlquelle zum Bestrahlen des pulverförmigen Werkstoffs eine Auftragschweißeinheit auf. Teil dieser Auftragschweißeinheit ist insbesondere eine Zuführeinheit, mittels welcher der Schweißzusatzwerkstoff zugeführt werden kann, bevorzugt in Band- oder Drahtform. Die Auftragschweißeinheit und die Pulverbetteinheit sind dabei zusammen in derselben Prozesskammer angeordnet, diese kann bspw. gegen die Umgebungsluft verschließbar sein, vorzugsweise lässt sich eine Schutzgasatmosphäre anlegen (z. B. Inertgasspülung). Soweit vorstehend Sequenzen der Bauteilherstellung geschildert wurden, kann bspw. eine Steuereinheit der Fertigungsvorrichtung dazu eingerichtet sein, entsprechende Abläufe zu veranlassen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei die einzelnen Merkmale im Rahmen der nebengeordneten Ansprüche auch in anderer Kombination erfindungswesentlich sein können und auch weiterhin nicht im Einzelnen zwischen den unterschiedlichen Anspruchskategorien unterschieden wird.
Im Einzelnen zeigt

1 eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in schematischer Darstellung;
2 eine Möglichkeit zum schichtweisen Aufbauen eines Bauteils in erfindungsgemäßer Weise.

Bevorzugte Ausführung der Erfindung
1 zeigt eine Vorrichtung 1 zum Aufbauen eines Bauteils 2. Die Vorrichtung 1 weist eine Pulverbetteinheit 3 auf, mit welcher ein pulverförmiger Werkstoff 4 in Form einer Schicht 5 aufgebracht werden kann. Ferner umfasst die Vorrichtung 1 eine Strahlquelle 6 zur Emission von Strahlung 7, vorliegend eine Laserquelle zur Emission eines Laserstrahls. Dieser wird über einen beweglich gelagerten Spiegel 8 geführt, durch Verkippen des Spiegels 8 kann die Schicht 5 mit dem Strahl 7 abgescannt werden. Indem die Bestrahlung dabei selektiv ein- und ausgeschaltet wird, wird ein vordefinierter Bereich der Schicht 5 bestrahlt. Dabei schmilzt der pulverförmige Werkstoff 4 auf, wird er also im fraglichen Bereich verfestigt.
Zum Aufbringen der Schicht 5 umfasst die Pulverbetteinheit 3 vorliegend eine Rakel 10, damit wird die Schicht 5 aufgestrichen. Nach dem Bearbeiten einer jeweiligen Schicht 5 wird eine Plattform 11, auf welcher das Bauteil 2 entsteht, abgesenkt und wird die nächste Schicht 5 aufgebracht.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 umfasst ferner eine Auftragschweißeinheit 15, mit welcher ein Schweißzusatzwerkstoff 16 aufgeschweißt werden kann. Dieser wird vorliegend Drahtform vorgehalten und im Zuge der Herstellung des Bauteils 2 zeitweilig bzw. bereichsweise aufgeschweißt, vgl. 2. Der drahtförmige Schweißzusatzwerkstoff 16 wird dazu ebenfalls mit der Strahlquelle 6 bestrahlt und infolgedessen aufgeschmolzen.
2 zeigt einen Ausschnitt des Bauteils 2, dieses ist aus einer Vielzahl Schichten 20 erzeugt. Dabei gibt es Schichten 20.1, die sowohl aus dem pulverförmigen Werkstoff 4 als auch aus dem Schweißzusatzwerkstoff 16 aufgebaut sind. Ferner gibt es jedoch auch Schichten 20.2, die ausschließlich aus dem Schweißzusatzwerkstoff 16 aufgebaut sind, sowie ausschließlich aus dem pulverförmigen Werkstoff 4 aufgebaute Schichten 20.3. Die Abfolge hier ist exemplarisch, im Einzelnen kann die Auswahl bzw. Kombination in Abhängigkeit von der Bauteilgeometrie bzw. anhand der gewünschten Zusatzfunktion (z. B. Dotierung) gewählt werden, vgl. die Beschreibungseinleitung im Einzelnen
Bezugszeichenliste

Vorrichtung	1
Bauteil	2
Pulverbetteinheit	3
Werkstoff	4
Schicht	5
Strahlquelle	6
Strahlung	7
Spiegel	8
Plattform	11
Auftragschweißeinheit	15
Schweißzusatzwerkstoff	16
Schichten	20,20.1,20.2,20.3

Claims

Verfahren zum schichtweisen Aufbauen eines Bauteils (2), bei welchem Verfahren ein pulverförmiger Werkstoff (4) in Form von Schichten (5) aufgebracht wird, und je Schicht (5) mittels einer Strahlquelle (6) bereichsweise bestrahlt und damit verfestigt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein Schweißzusatzwerkstoff (16) in geformten Zustand vorgehalten und im Zuge des schichtweisen Aufbauens zumindest zeitweilig durch Auftragsschweißen aufgeschweißt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welcher das Auftragsschweißen strahltechnikbasiert erfolgt, also der Schweißzusatzwerkstoff (16) durch Bestrahlen aufgeschweißt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem mit der Strahlquelle (6), mit welcher das pulverförmige Werkstoff (4) zum Verfestigen bestrahlt wird, auch der Schweißzusatzwerkstoff (16) zum Aufschweißen bestrahlt wird.
Verfahren Anspruch 3, bei welchem ein Energieeintrag, der bei dem Bestrahlen mit der Strahlquelle (6) in den pulverförmigen Werkstoff (4) und/oder den Schweißzusatzwerkstoff (16) eingetragen wird, im Zeitverlauf variiert wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem der Schweißzusatzwerkstoff (16) in Form eines Drahts oder Bands vorgehalten wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem mehrere Schweißzusatzwerkstoffe (16) in geformten Zustand vorgehalten und im Zuge des schichtweisen Aufbauens zumindest zeitweilig durch Auftragsschweißen aufgeschweißt werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem ein nicht verfestigter Teil des pulverförmigen Werkstoffs (4) gesiebt und anschließend erneut verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem in mindestens einer Schicht (20.1) sowohl der pulverförmige Werkstoff (4) bereichsweise verfestigt wird als auch der Schweißzusatzwerkstoff (16) aufgeschweißt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem vor dem Aufschweißen des Schweißzusatzwerkstoffs (16) der pulverförmige Werkstoff (4) zumindest bereichsweise abgesaugt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem in mindestens einer Schicht (20.3) ausschließlich der pulverförmige Werkstoff (4) verfestigt wird und in mindestens einer anderen Schicht (20.2) ausschließlich der Schweißzusatzwerkstoff (16) aufgeschweißt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem der pulverförmige Werkstoff (4) und der Schweißzusatzwerkstoff (16) aus unterschiedlichen Materialien vorgesehen sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei welchem der pulverförmige Werkstoff (4) und der Schweißzusatzwerkstoff (16) aus dem gleichen Material vorgesehen sind.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem das Bauteil (2) als Bestandteil einer Strömungsmaschine vorgesehen ist.
Vorrichtung (1) zum schichtweisen Aufbauen eines Bauteils (2), mit einer Pulverbetteinheit (3) zum Aufbringen eines pulverförmigen Werkstoffs (4) in Form von Schichten (5), einer Strahlquelle (6) zum bereichsweisen Bestrahlen und damit Verfestigen des Werkstoffs (4) je Schicht (5), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) ferner eine Auftragsschweißeinheit (15) aufweist, mit welcher im Zuge des schichtweisen Aufbauens ein geformt vorgehaltener Schweißzusatzwerkstoff (16) aufschweißbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, eingerichtet für ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13.