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Die Erfindung betrifft einen komplexen Formkörper, wie eine Turbinenkomponente, insbesondere eine Leitschaufel mit oberer und unterer Befestigungsplattform, wie sie beispielsweise in Turbinen und/oder als Teil eines Abgasstrangs eingesetzt werden. Der komplexe Formkörper ist zumindest teilweise aus keramischem Faserverbundwerkstoff auch Ceramic-Matrix-Composite „CMC“ genannt.
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Bislang werden beispielsweise Formkörper wie Schaufelkonturen und/oder Befestigungsplattformen von Turbinenschaufeln, beispielsweise für stationäre Gasturbinen, aus Nickel-basierten Superlegierungen mit zusätzlichen Schutz-Beschichtungen, z.B. TBC-Beschichtungen, eingesetzt. Zwar werden die Eigenschaften dieser Materialien ständig weiterentwickelt, jedoch scheint diese Technik ziemlich ausgereizt zu sein und nach allgemeiner Abschätzung der Fachwelt ist nur wenig substanzielle Steigerung noch möglich.
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Demgegenüber ist die Technik des Bauteil-Aufbaus mit CMCs, also der Faser-verstärkten keramischen Materialien eine Alternative, die allein und/oder in Kombination mit Teilelementen aus Metallen und insbesondere aus Superlegierungen, als so genannte CMC-Metall-Hybrid-Formkörper, zur Schaffung neuartiger Formkörper wie Turbinenkomponenten und/oder Bauteile in einem Abgasstrang noch gewinnbringend, also zu substantiellen Steigerungen führend, eingesetzt werden kann. In der Kombination mit Legierungen, insbesondere der genannten Superlegierungen, oder auch anderen Metallen spricht man dann von einem Formkörper aus Hybridmaterial, der CMC-Teilelemente und Metall-Teilelemente umfasst.
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In der Regel umfasst ein CMC-Teilelement eine Faser, einen Faserverbund, ein - insbesondere 2-dimensionales Gewebe und/oder einen 3-dimensionalen Verbund aus Verstärkungsfasern, insbesondere aus keramischen Verstärkungsfasern, der in eine keramische Matrix eingebettet ist. Zur Herstellung werden meistens Prepreg-Lagen der mit Matrix infiltrierten und dann getrockneten Faserverbunde aneinander laminiert und nachfolgend zum keramischen CMC-Formkörper gesintert. Die Anordnung der CMC-Lagen zueinander ist dabei entscheidend und es wird ständig an einer optimalen Anordnung der CMC-Lagen zueinander, also an Aufbaukonzepten für die CMC-Formkörper oder CMC-Hybrid-Formkörper umfassenden Komponenten, sei es für Turbinen und/oder für Elemente eines Abgasstrangs, geforscht.
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Eine bekannte Turbinenkomponente umfasst beispielsweise ein Laminat aus CMC-Lagen, die auf CMCs aus Oxid- und/oder Siliziumcarbid-Keramik basieren. Die Laminate werden dabei als Prepreg-Lagen zum einen im so genannten Stack-Aufbaukonzept auf einem Metallkern und/oder auf einer Stützstruktur abgelegt oder gestapelt. Alternativ dazu werden im so genannten Wrap-Aufbaukonzept die Prepreg-Lagen um einen Kern oder eine Stützstruktur gewickelt. In beiden Fällen werden nach erfolgter Trocknung und/oder Temperung der Prepreg-Lagen diese mit oder ohne Stützstruktur gesintert. Wenn die fertige Komponente Elemente umfasst, die komplett aus CMC-Material sind, also ohne metallische Stützstruktur gesintert, dann wird dies vorliegend „CMC-Formkörper“ genannt und wenn das betreffende, CMC-Material umfassende Element eine metallische - oder sonstige - Stützstruktur umfasst, dann wird dies vorliegend als CMC-Hybrid-Formkörper bezeichnet.
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Aus der
DE 10 2018 201555.4 , noch unveröffentlicht, ist eine neue Kombination von CMC-Laminatlagen zum Aufbau eines - einfachen- CMC-Formkörpers oder CMC-Hybrid-Formkörpers bekannt. Dort wird erstmals ein Wrap, beispielsweise einen Kühlkanal bildend, als Kern respektive als Stützstruktur, zum Aufbau eines Stacks, mehrere Laminatlagen aufeinander umfassend, genutzt. Dadurch ergeben sich viele überragende Eigenschaften der so gebildeten Komponente, wie z.B. Robustheit gegen thermische und mechanische Belastung, hohe Flexibilität bei der Gestaltung der Bauteilform, gute Beschichtbarkeit für benötigte thermische und/oder Korrosionsschutzschichten, kostengünstige und zumindest teil-automatisierbare Herstellung, beispielsweise einer Leit- und/oder Laufschaufel einer Gasturbine. Nachteilig an dem dort offenbarten, modularen Konzept ist bislang, dass die Befestigungsplattformen aus Metall sind und mit den CMC-Modulen, wie beispielsweise den CMC-Schaufelkonturen über Bolzen und/oder Schrauben verbunden werden. Dabei entstehen immer wieder Dichtigkeitsprobleme, durch die das Eindringen von Heißgas ermöglichen.
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Zur Herstellung eines komplexen Formkörpers, wie beispielsweise eine Leitschaufel mit oberer und unterer Befestigungsplattform, gibt es bislang noch keine CMC-basierte Lösung, wie die Befestigungsplattformen mit der Leitschaufel verbunden werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist deshalb der Aufbau eines komplexen Formkörpers aus einfachen CMC-Formkörpern oder einfachen CMC-Hybridformkörpern. Insbesondere ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Schaffung eines komplexen CMC-Formkörpers oder komplexen CMC-Hybrid-Formkörpers, eine Leitschaufel mit Befestigungsplattformen bildend, aus einem Verbund einfacher CMC-Formkörper oder CMC-Hybrid-Formkörper.
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Die Lösung der Aufgabe ist der Gegenstand der vorliegenden Erfindung, wie er in der vorliegenden Beschreibung, den Figuren und den Ansprüchen offenbart ist.
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Entsprechend ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Komplexer CMC-Formkörper oder ein komplexer CMC-Hybrid-Formkörper, aus zumindest zwei Teilelementen, die jeweils zumindest einen einfachen CMC-Formkörper oder CMC-Hybrid-Formkörper umfassen, durch Verbund gebildet, wobei zwei Teilelemente an zumindest einer Verbindungsstelle durch keramische Mittel materialschlüssig verbunden sind und an zumindest einer Verbindungsstelle ein Mittel zur Stabilisierung des Verbunds vorgesehen ist, an dem der Verbund der zumindest zwei Teilelemente zur Ausbildung des komplexen Formkörpers mechanisch verfügt ist.
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Allgemeine Erkenntnis der Erfindung ist, dass ein komplexer Formkörper aus einem Verbund zweier oder mehrerer CMC-Formkörper oder CMC-Hybrid-Formkörper herstellbar ist, wobei ein oder mehrere Mittel zur mechanischen Stabilisierung des Verbunds die Stabilität des komplexen Formkörpers drastisch erhöhen.
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Als „Mittel zur mechanischen Stabilisierung des Verbunds“ wird vorliegend beispielsweise eine - auf die Außenkontur des aufzunehmenden Fügepartners angepasste - Vertiefung und/oder Aussparung des aufnehmenden Fügepartners, eine Auflagefläche und/oder eine Stützstruktur zur Erhöhung der Kontaktfläche eines oder beider Fügepartner bezeichnet.
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Als „Fügen“ oder „Zusammenfügen“ wird vorliegend bezeichnet, wenn zwei Körper nicht nur verbunden, also verklebt und/oder aneinander oberflächlich befestigt, sondern auch an- und/oder - zumindest zum Teil - ineinander gefügt sind. Das heißt beispielsweise es liegt ein Verbund zweier Fügepartner vor, wobei - zusätzlich zum beispielsweise Verkleben der beiden Oberflächen der beiden Fügepartner - ein Teil des einen Fügepartners in eine entsprechende Aufnahmeöffnung des anderen Fügepartners eingesteckt und/oder eingefügt ist, oder, alternativ dazu oder ergänzend, dass der eine Fügepartner eine Auflagefläche und/oder eine Verlängerung - beispielsweise einer Kante - hat, auf die der andere Fügepartner zur Ausbildung des Verbundes aufgelegt werden kann. Die beiden Möglichkeiten können natürlich auch gemeinsam vorliegen, so dass beim Fügen der eine Fügepartner sowohl in eine entsprechende Öffnung des anderen Fügepartners eingesteckt wird, und/oder auch mit dem anderen überlappt, wobei ein Fügepartner mit einem Teil auf dem anderen Fügepartner auf einer Fläche aufliegt, die zur Auflage des anderen Fügepartners geeignet und/oder insbesondere zur Auflage des anderen Fügepartners nutzbar ist.
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Mechanisches Mittel zur Stabilisierung des Verbunds ist eben eine verlängerte Kante, ein Überstand als Auflagefläche, eine Vertiefung und/oder eine Aussparung als Öffnung zur Aufnahme des anderen Fügepartners, insbesondere eines CMC-Formkörpers oder CMC-Hybrid-Formkörpers.
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Zusätzlich zum Fügen als mechanische Verbindung liegt bevorzugt auch ein materialbasierter Verbund der zumindest zwei, zusammen einen komplexen CMC-Formkörper formenden, einfachen CMC-Formkörper vor. Die Verbindung zwischen zwei CMC-Formkörpern erfolgt bevorzugt mittels einer keramischen Verbindungstechnologie, wobei materialschlüssige Verbunde zweier oder mehr CMC-Formkörper oder CMC-Hybrid-Formkörper angestrebt werden.
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Als „Fügepartner“ werden vorliegend insbesondere CMC-Formkörper oder CMC-Hybrid-Formkörper bezeichnet, die nach erfolgter Ausbildung des Verbunds, durch Fügen und beispielsweise Verkleben, einen komplexen CMC-Formkörper oder CMC-Hybrid-Formkörper bilden, der dann zumindest Teil einer Turbinenkomponente oder Komponente eines Abgasstrangs bildet.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird als komplexer CMC-Formkörper ein Verbund, der eine „integrale“ CMC-WrapStack Leitschaufel bildet, hergestellt.
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Eine „integrale“ Leitschaufel umfasst mehrere Elemente, insbesondere die eigentliche Schaufelkontur, das so genannte „Airfoil“ mit oben und unten den dazugehörigen Befestigungsplattformen, den so genannten Shrouds an der Ober- und Unterseite, wobei letztere auch OD-Shroud, outer diameter-Befestigungsplattform und ID-Shroud, inner diameter-Befestigungsplattform, genannt werden.
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Herkömmlich werden Teilelemente wie Befestigungsplattformen an der Schaufelkontur, beide herkömmlicherweise metallischer Natur, durch Schrauben, Bolzen und ähnliches befestigt. Aber auch bei Ersatz des Metalls der Schaufelkontur zumindest teilweise durch CMC-Material wurde bislang noch kein alternatives Konzept zur Befestigung der CMC-Oberfläche an metallische Befestigungsplattformen erarbeitet, das nicht über die herkömmliche Schrauben-Bolzentechnik geht. Dies wird vorliegend durch die Technik der Mittel zur mechanischen Stabilisierung, die aus den Teilelementen Fügepartner macht, überwunden.
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Im Folgenden wird die Erfindung noch anhand von Figuren, die den Stand der Technik - siehe 1 - und beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung - siehe 2 und 3 - zeigen.
- 1 zeigt den Stand der Technik, eine herkömmliche Leitschaufel.
- 2 zeigt im Querschnitt den analogen Aufbau einer Leitschaufel gemäß eines Ausführungsbeispiels der Erfindung im Vergleich mit einer gegenüber der in 1 zwar durch Einbringen eines „einfachen“ CMC-Formkörpers oder CMC-Hybrid-Formkörpers als Schaufelkontur 1 gegenüber dem in 1 gezeigten Stand der Technik weiterentwickelten, aber dennoch durch die bereits mehrfach zitierte DE 10 2018 201555 bekannten, Leitschaufel.
- 3 zeigt im Detail, wie die Mittel zur mechanischen Stabilisierung innerhalb eines komplexen CMC-Formkörpers oder komplexen CMC-Hybrid-Formkörpers beispielsweise realisiert sein können.
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1 zeigt den Stand der Technik, eine herkömmliche Leitschaufel mit Airfoil 1 und Shrouds 2 und 3, beispielsweise aus einer Metalllegierung. Die einzelnen Teile der Leitschaufel, also Airfoil 1, Shroud 2 und Shroud 3 sind beispielsweise über Bolzen und/oder Schrauben miteinander verbunden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird beim Aufbau einer - beispielsweise aus Metall oder einer Metalllegierung bestehenden - Turbinenkomponente oder Komponente eines Abgasstrangs zumindest ein Bereich und/oder eine heißgasexponierte Oberfläche durch einen komplexen CMC-Formkörper oder einen komplexen CMC-Hybrid-Formkörper substituiert, beispielsweise die Oberfläche einer Befestigungsplattform - shroud - und/oder einer Leit- oder Laufschaufel - airfoil - . Eine Gegenüberstellung von zwei Varianten, eine Turbinenkomponente eine Leit- oder Laufschaufel und zwei Befestigungsplattformen betreffend, einmal nach dem in der
DE 10 2018 201555.4 beschriebenem Konzept und einmal nach der vorliegenden Erfindung, findet sich in
2.
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2 zeigt demgemäß zwei Beispiele für komplexe Formkörper, einmal in Form des komplexen CMC-Formkörpers oder komplexen CMC-Hybrid-Formkörpers der die Leitschaufel
8 bildet und einmal in Form des zwischen zwei metallische Befestigungsplattformen
2 und
3 eingebundenen „einfachen“ CMC-Formkörpers oder CMC-Hybrid-Formkörpers
9, dessen Komplexität durch die Verbindung zu zwei metallischen Befestigungsplattformen entsteht, wobei uns der CMC-Teil dieses komplexen Formkörpers
9 aus der
DE 10 2018 201555 bekannt ist. Leitschaufel
8 ist gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung aufgebaut, wohingegen Leitschaufel
9 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform aus der
DE 10 2018 201555.4 mit herkömmlichen Befestigungsplattformen
2 und
3, die metallisch sind und beispielsweise über Schrauben und Bolzen am einfachen CMC-Formkörper oder einfachen CMC-Hybrid-Formkörper
1 befestigt sind, aufgebaut ist.
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Die beiden komplexen Formkörper 8 und 9 stellen Leitschaufeln dar und sind sich gegenüberliegend dargestellt. Dabei wird in der Darstellung der Leitschaufel 9 eine perspektivische Darstellung gewählt, damit der Leser das fertige Produkt klar vor Augen hat und in der Darstellung der beispielhaften Ausführungsform der Erfindung, also Leitschaufel 8 eine Querschnittsansicht, so dass dargestellt werden kann, welche Teile der Querschnittsansicht der Leitschaufel 8, die ein Beispiel für einen komplexen CMC-Formkörper oder CMC-Hybrid-Formkörper nach der Erfindung bilden, welchen Teilen der bekannten Leitschaufel 9 entsprechen.
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Oben an der bekannten Leitschaufel
9, wie in
1 auch gezeigt, befindet sich die Befestigungsplattform
3 des äußeren Umfangs, die des „outer diameter“, die bei der Leitschaufel
9 herkömmlich gestaltet und aus einer Metalllegierung, beispielsweise durch Verguss, hergestellt ist. Dieser Befestigungsplattform
3 entspricht an der Leitschaufel
8, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt, die obere Befestigungsplattform
5, die eben nicht mehr oder nicht mehr komplett aus Metall, sondern aus einem CMC-Laminatlagen-Stapel, also einem CMC-Formkörper oder einem CMC-Hybrid-Formkörper, ist. In
2 ist weiterhin an der Leitschaufel
9 ein Kühlkanal
4 erkennbar, der von einem innenliegenden Wrap-CMC-Formkörper, der von einem äußeren Stack-CMC-Formkörper umgeben ist, gebildet wird. Ein derartiger Aufbau mit innenliegendem Wrap-CMC-Formkörper und umgebenden Stack-CMC-Formkörper ist aus der
DE 10 2018 201555.4 bekannt. Hinsichtlich der Einzelheiten des als Leitschaufel
9 dargestellten Beispiels wird daher auf den Inhalt dieser früheren Anmeldung vollinhaltlich Bezug genommen.
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In
2 ist die Schaufelkontur
1 beziehungsweise
6 der beiden dargestellten Leitschaufeln
8 und
9 möglicherweise sogar gleich aufgebaut, weil bereits bekannt ist, wie die Schaufelkontur 1,6 anders als die Befestigungsplattformen
2 respektive
5 und
3 respektive
7 - aus CMC-Material zumindest teilweise herstellbar ist. Dazu wird wieder, bezüglich der Details, auf die hier einschlägige
DE 10 2018 201555.4 verwiesen.
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Unten in 2 ist im Fall der bekannten Leitschaufel 9 die metallische Befestigungsplattform 2 und im Fall der Leitschaufel 8 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung die zumindest zum Teil aus CMC-Material bestehende Befestigungsplattform 7 gezeigt. Die untere Befestigungsplattform 7 ist, ähnlich wie die obere Befestigungsplattform 5 der Leitschaufel 8, aus einem CMC-Formkörper oder einem CMC-Hybrid-Formkörper gemacht. Diese CMC-Befestigungsplattformen können beispielsweise über einen herkömmlichen 2D-Laminierprozess und/oder mit Hilfe von 3D- oder in Dickenrichtung verstärktem Gewebe (Stiching) hergestellt werden.
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Dabei wird davon ausgegangen, dass in einem CMC-Hybrid-Formkörper beispielsweise noch eine metallische Sub- oder Stützstruktur, an der der CMC-Formkörper und/oder CMC-Hybrid-Formkörper befestigt ist, vorliegt. Eine metallische Substruktur verbessert beispielsweise die Befestigungsmöglichkeit des CMC-Formkörpers oder CMC-Hybrid-Formkörpers an weiteren Bauteilen der Turbine und/oder des Abgasstrangs, beispielsweise an der Rotorachse, und/oder die Kühlung und/oder die Steifigkeit, des CMC-Formkörpers und/oder des CMC-Hybrid-Formkörpers werden dadurch verbessert.
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3 schließlich zeigt beispielhafte Fügekonzepte zur Realisierung der Mittel zur Stabilisierung gemäß beispielhafter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
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Hier werden Details aus der 2, Leitschaufel 8 mit Befestigungsplattformen 5 und 7 gezeigt. Dabei wird als Wrap-CMC-Teilelement ein Teil des Kühlkanal 4 bildenden Wrap-CMC-Formkörpers oder Wrap-CMC-Hybridformkörpers bezeichnet, der in beiden in 2 gezeigten Darstellungen der Leitschaufeln 8 und 9 zu erkennen ist. In 3 wird dabei auf die Stelle eingegangen, an der die Befestigungsplattform 5 oder 7 mit dem CMC-Formkörper oder CMC-Hybridformkörper 1 respektive 6, der die Schaufelkontur bildet, verbunden werden.
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Die Verbindung erfolgt dabei gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung, dass ein derartiger komplexer CMC-Formkörper oder CMC-Hybrid-Formkörper mehrere CMC-Teilelementen umfasst, die untereinander geklebt oder durch Schlicker, Zement, Glas, Glaskeramik oder ähnliches bevorzugt materialschlüssig verbunden sind aber auch zumindest an einer Stelle ineinander gefügt sind, also durch konstruktive Ausgestaltungen des einen oder anderen oder beider Fügepartner miteinander eine - bevorzugt formschlüssige - Einheit bilden.
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Zu erkennen sind in 3 drei Varianten: Bei der ersten Variante, 3a, wird die CMC-Befestigungsplattform 5,7 mit einer Aussparung in Form der Wrap-CMC-Schaufel-Außenkontur versehen. Diese kann mit Hilfe von Fräsverfahren und/oder Laser- und/oder Wasserstrahlschneiden im fertig gesinterten Stack-CMC-Teilelement, das eine CMC-Shroud 5,7 oder CMC-Befestigungsplattform 5,7 oder auch nur einen Teil davon bildet, erzeugt werden.
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Wenn nicht die ganze Befestigungsplattform 5,7 aus CMC-Material ist, dann handelt es sich bei der CMC-Befestigungsplattform 5,7 beispielsweise um einen CMC-Hybrid-Formkörper, der noch eine metallische Stützstruktur (nicht gezeigt) aufweist. Das Wrap-CMC-Teilelement 4 der Schaufelkontur wird dann in diese Aussparung eingeschoben. Dies ist ein Fügevorgang beispielhaft für die vorliegende Erfindung. Anschließend wird die CMC-Befestigungsplattform 5,7, mit dem Wrap-CMC-Teilelement 4 der Schaufelkontur und dem Stack-CMC-Teilelement 1,6 der Schaufelkontur durch keramische Technologien, wie beispielsweise Einbringen und/oder Einbrennen von Schlicker, Zement, Glas und/oder Glaskeramik verbunden.
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In 3b wird eine Variante des in 3a gebildeten Verbunds gezeigt, bei der die Fläche des Fügebereichs dadurch erhöht wird, dass eine CMC-Befestigungsplattform 5,7, eingesetzt wird, die eine zusätzliche Auflagefläche 10, eine Lippe 10 hat, durch die der Fügebereich zwischen Wrap-CMC-Teilelement 4 der Schaufelkontur und CMC-Befestigungsplattform 5,7 vergrößert ist. Diese zusätzliche Auflagefläche wird vorzugsweise schon beim Herstellen der CMC-Befestigungsplattform 5,7, beispielsweise durch 2D-Laminieren, gebildet.
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3c zeigt eine weitere Variante, bei der wieder der Fügebereich zwischen Wrap-CMC-Teilelement 4 der Schaufelkontur und CMC-Befestigungsplattform 5,7 vergrößert ist, diesmal nicht durch Einsetzen einer CMC-Befestigungsplattform mit Lippe 10, sondern durch Einsetzen eines Wrap-CMC-Teilements 4, dessen Wandstärke 11 an zumindest einem Ende erhöht ist. Dadurch kann die CMC-Befestigungsplattform 5,7 formschlüssig zwischen Wrap-CMC-Teilelement und Stack-CMC-Teilelement eingebunden werden.
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Durch die vorliegende Erfindung wird erstmals ein komplexer CMC-Formkörper vorgestellt, dessen CMC-Teilelemente untereinander durch Verkleben und keramische Verbindungstechniken verbunden sind, aber der auch CMC-Teilelemente umfasst, deren Verbindung mit anderen CMC-Teilelementen nicht nur keramischer Natur ist, sondern auch mechanischer Natur, so dass beispielsweise durch Vorhandensein einer Auflagefläche und/oder Aussparung zumindest eines Fügepartners durch Einbringen und/oder Auflegen des anderen Fügepartners eine Verfügung zweier zu verbindender CMC-Teilelemente in Verbindung mit keramischen Techniken zur Ausbildung des komplexen Formkörpers führt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018201555 [0006, 0020, 0022, 0023, 0025, 0026]
