DE102019216569A1

DE102019216569A1 - Bauteil sowie Verfahren zum Herstellen eines solchen Bauteils mittels additiver Herstellung

Info

Publication number: DE102019216569A1
Application number: DE102019216569.9A
Authority: DE
Inventors: Thomas Schmidt; Johannes Tusche
Original assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2019-10-28
Filing date: 2019-10-28
Publication date: 2021-04-29
Also published as: EP4017666A1; WO2021083640A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bauteil, hergestellt durch additive Herstellung, wobei das Bauteil wenigstens bereichsweise mittels Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) und wenigstens bereichsweise mittels Selective Laser Melting (SLM) hergestellt ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Leitschaufel (1) für eine Niederdruckbeschaufelung einer Dampfturbine.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauteil nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Bauteiles nach dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 6.
Die Herstellung von Bauteilen mittels additiven Fertigungsverfahren, nimmt rasant zu. Unter additiven Fertigungsverfahren werden dabei verschiedene Herstellungsverfahren zusammengefasst, die alle einen dreidimensionalen Aufbau aufweisen. Häufig werden additive Fertigungsverfahren auch mit dem Begriff „Additive Manufacturing“ oder „3D Druck“ bezeichnet. Zwei bekannte additive Fertigungsverfahren sind das „Selective Laser Melting“ (SLM) und das „Wire Arc Additive Manufacturing“ (WAAM).
Beim SLM-Verfahren wird der zu verarbeitende Werkstoff in Pulverform in einer dünnen Schicht auf einer Grundplatte aufgebracht. Der pulverförmige Werkstoff wird dann mittels eines Laserstrahls lokal aufgeschmolzen und bildet nach dem Erstarren eine feste Materialstruktur. Anschließend wird die Grundplatte um den Betrag der Schichtdicke abgesenkt und erneut Pulver aufgetragen. Dieser Zyklus wird solange wiederholt, bis das Bauteil vollständig fertig gestellt ist. Anschließend wird das Bauteil vom überschüssigen Pulver gereinigt und kann nach Bedarf weiterbearbeitet oder sofort verwendet werden. Das SLM-Verfahren ermöglicht die Herstellung von sehr komplexen Bauteilen in sehr hoher Fertigungsqualität, dabei können sehr feine und detaillierte Geometrien hergestellt werden. Die Wesentlichen Nachteile die sich durch das SLM-Verfahren ergeben sind die hohen Fertigungskosten, sowie die hohen Fertigungszeiten.
Das WAAM-Verfahren zeichnet sich durch deutlich geringe Fertigungskosten aus. Dabei nutzt das WAAM-Verfahren Lichtbogenschweißen zum schichtweisen Aufbau des Bauteils. Ein Schweißdraht wird mithilfe eines Lichtbogens geschmolzen und formt so nach und nach das gewünschte Bauteil. Durch das Lichtbogenverfahren lassen sich, mit bis zu 600cm³/h, deutlich höhere Auftragsraten als beim pulverbettbasierten SLM-Verfahren erzielen. Durch das WAAM-Verfahren lassen sich derzeit allerdings keine feinen und detaillierten Geometrien erzielen.
Ausgehend vom zuvor beschriebenen Stand der Technik, ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Bauteil bereit zu stellen, welches mittels additiven Herstellungsverfahren schnell und kostengünstig herstellbar ist und das feine und detaillierte Geometrien aufweist. Des Weiteren ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Bauteils aufzuzeigen.
Die Aufgabe wird hinsichtlich des Bauteils durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Hinsichtlich des Verfahrens zum Herstellen des Bauteils wird die Aufgabe durch die Merkmale des unabhängigen Anspruch 6 gelöst.
Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung, die einzeln oder in Kombination miteinander einsetzbar sind, ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Das erfindungsgemäße Bauteil, hergestellt durch additive Herstellung, zeichnet sich dadurch aus, dass das Bauteil wenigstens bereichsweise mittels Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) und wenigstens bereichsweise mittels Selective Laser Melting (SLM) hergestellt ist. Durch die Kombination der beiden additiven Herstellungsverfahren können die Vorteile des jeweiligen Verfahrens optimal genutzt werden. So können komplexe Bereiche, die eine feine und detaillierte Geometrie aufweise, mittels SLM-Verfahren und Bereiche, die eine einfachere Geometrie aufweisen, mittels WAAM-Verfahren ausgebildet werden. Hierdurch ergibt sich ein Bauteil, welches hinsichtlich der Fertigungskosten, der Fertigungszeit und der Fertigungsqualität optimiert ist.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Bauteil eine Turbinenschaufel ist. Turbinenschaufeln weisen in der Regel komplexe Endkontur auf und eignen sich somit besonders gut für additives Fertigungsverfahren.
Generell eignet sich die Erfindung besonders für Bauteile die Bereiche mit komplexer und Bereiche mit weniger komplexer Geometrie aufweisen.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Turbinenschaufel, eine Leitschaufel einer Niederdruckbeschaufelung einer Dampfturbine ist und ein im inneren der Turbinenschaufel ausgebildetes Kanalsystem aufweist, welches mit einer Oberfläche der Turbinenschaufel verbunden ist und durch welches eine Flüssigkeit von der Oberfläche der Turbinenschaufel abgesaugt werden kann. Bei Leitschaufel im Niederdruckteil von Dampfturbinen kommt es regelmäßig zur Kondensation des Wasserdampfs an den Leitschaufel. Die Dampfströmung kann das auskondensierte Wasser mitreißen, wodurch in der Folge Wassertropfen auf, die sich mit hoher Umfangsgeschwindigkeit drehenden Laufschaufeln der Niederdruckbeschaufelung treffen. Hierdurch kommt es zur sogenannten Tropfenschlagerosion, die zur vollständigen Zerstörung der Laufschaufeln führen kann. Um dies zu vermeiden, ist es bekannt, die Leitschaufel als Hohlleitschaufel mit einem innenliegenden Kanalsystem auszubilden, durch welches über Öffnungen an der Oberfläche der Turbinenschaufel, das Kondensat abgesaugt werden kann. Eine solche Turbinenschaufel weist eine sehr komplexe Geometrie auf, die mit konventionellen Fertigungsverfahren, auf Grund der hierbei bestehenden geometrischen Restriktionen, nicht oder nicht mit der optimalen Geometrie gefertigt werden kann. Grundsätzlich bietet sich hierfür additive Herstellungsverfahren an. Allerdings gibt es auch bei den additiven Herstellungsverfahren kein optimales Verfahren. Pulverbett basierten Verfahren, wie das SLM-Verfahren, sind in der Lage, die für das Kanalsystem erforderlichen feinen und detaillierten Geometrien herstellen. Diese Verfahren haben aber den Nachteil, dass Sie sehr zeit- und kostenintensiv sind. Auf der anderen Seite gibt es auftragsbasierte Verfahren wie das WAAM-Verfahren, die eine wesentlich kürzere Fertigungszeit und wesentlich geringere Fertigungskosten aufweisen, die aber nicht in der Lage sind, die nötigen feinen und detaillierten Geometrien des Kanalsystems auszubilden. Durch die Kombination von SLM-Verfahren und WAAM-Verfahren können die Vorteile des jeweiligen Verfahrens optimal genutzt werden, um eine kosten- und zeitoptimierte Turbinenschaufel auszubilden.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Kanalsystem mittels SLM ausgebildet ist. Das SLM-Verfahren ist wie bereits erläutert besonders gut geeignet, um feine und detaillierte Geometrien wie sie ein Kanalsystem erfordern auszubilden.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Außenkontur der Turbinenschaufel wenigstens bereichsweise mittels WAAM hergestellt ist. Die Außenkontur erfordert weniger feine und detaillierte Strukturen und kann dadurch kosten- und zeitoptimiert mittels des WAAM-Verfahrens hergestellt werden. Falls erforderlich, kann die Außenkontur, beispielsweise zur Erzielung einer besseren Oberflächenqualität nachbehandelt werden. Hierzu eignen sich beispielsweise spannbearbeitende Verfahren wie Schleifen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines Bauteils nach Anspruch 1, wobei das Bauteil eine Leitschaufel für eine Niederdruckbeschaufelung einer Dampfturbine ist und wobei im inneren der Leitschaufel ein Kanalsystem ausgebildet ist, welches mit der Oberfläche der Turbinenschaufel verbunden ist und durch welches eine Flüssigkeit von der Oberfläche der Leitschaufel abgesaugt werden kann, zeichnet sich durch die folgenden Verfahrensschritte aus:

- Ausbilden des Kanalsystems durch SLM;
- Ausbilden wenigstens eines Teils einer Schaufelendkontur durch WAAM.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren ergeben sich die bereits zur Leitschaufel beschriebenen Vorteile. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht insbesondere, durch die Kombination des SLM-Verfahrens mit dem WAAM-Verfahren, die Herstellung einer kosten- und zeitoptimierten Leitschaufel für die Niederdruckbeschaufelung einer Dampfturbine. Unter einer Schaufelendkontur ist im Rahmen der Erfindung auch eine endnahe Kontur zu verstehen, bei der die Endkontur durch eine weitere Bearbeitung, insbesondere eine spanende Bearbeitung, wie schleifen, ausgebildet wird. Durch den weitgehenden Wegfall geometrischer Restriktionen, kann die Leitschaufel gegenüber Leitschaufeln nach dem Stand der Technik, beispielsweise hinsichtlich der Flüssigkeitsabsaugung, optimiert werden.
Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass zum Verbinden des Kanalsystems mit der Oberfläche der Turbinenschaufel, Öffnungen in die Schaufelendkontur eingebracht werden. Hierdurch vereinfacht sich die Herstellung der Turbinenschaufel, da zunächst die gesamte Schaufelendkontur durch das WAAM-Verfahren ausgebildet werden kann und anschließend die Öffnungen zum Verbinden des Kanalsystems mit der Oberfläche der Turbinenschaufel eingebracht werden. Dies kann beispielsweise mittels Bohren oder Fräsen erfolgen. Würden die Öffnungen direkt durch das WAAM-Verfahren ausgebildet, müssten Sie ggf. noch nachträglich bearbeitet werden, um eine strömungsoptimierte Oberflächengüte zu erhalten.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel erläutert. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Turbinenschaufel in einer dreidimensionalen Darstellung. Die Figur zeigt eine schematische Darstellung, bei der nur die wesentlichen, für die Erfindung notwendigen Bauteile gezeigt sind und die nicht zwangsläufig maßstabsgerecht ist.
Bei der in 1 gezeigten erfindungsgemäßen Turbinenschaufel handelt es sich um eine Leitschaufel 1 für eine Niederdruckbeschaufelung einer Dampfturbine. Die Leitschaufel 1 ist als Hohlleitschaufel ausgebildet und weist im Inneren ein Kanalsystem 2 (hell dargestellt) auf. Um das Kanalsystem 2 darstellen zu können, ist die Leitschaufel in 1 an der Schaufelspitze aufgeschnitten, so dass man das Kanalsystem 2 erkennen kann. Das Kanalsystem 2 ist über mehrere Öffnungen 3 mit der Oberfläche 4 der Leitschaufel 1 verbunden. Im Ausführungsbeispiel sind die Öffnungen 3 als Schlitze ausgebildet. Das Kanalsystem 2 ist mittels SLM-Verfahren ausgebildet. Das SLM-Verfahren ermöglicht es, ein Kanalsystem 2 mit hoher Fertigungsgenauigkeit und fein verästelten Kanälen auszubilden, welche mit den bislang verwendeten Herstellungsverfahren nicht herstellbar waren. Hierdurch kann eine verbesserte Absaugung von Flüssigkeit von der Oberfläche 4 der Leitschaufel 1 gewährleistet und damit die Gefahr von Tropfenschlagerosion deutlich verringert werden. Die Schaufelendkontur (dunkel dargestellt) ist mittels WAAM-Verfahren ausgebildet. Das WAAM-Verfahren ermöglich eine deutlich höhere Auftragsrate bei geringeren Fertigungskosten, dabei reicht die Fertigungsgenauigkeit und Fertigungsqualität aus, um die weniger komplexe Schaufelendkontur auszubilden. Gegebenenfalls kann die Oberflächenqualität oder die Maßgenauigkeit durch eine Nachbearbeitung der Oberfläche 4 weiter verbessert werden. Als Nachbehandlungsverfahren eignen sich insbesondere spannende Verfahren wie beispielsweise Fräsen oder Schleifen. Die Schlitze werden vorzugweise nachträglich in die Leitschaufel eingebracht. Dies ermöglich eine schnellere Herstellung der Schaufelendkontur und eine strömungsoptimierte Oberflächengüte. Prinzipiell könnte man beim Ausbilden der Schaufelendkontur mit dem WAAM-Verfahren auch die Öffnungen 3 direkt vorsehen. Gegebenenfalls wäre dann noch eine Feinbearbeitung der Öffnungen 3 notwendig.
Durch die Kombination von SLM-Verfahren und WAAM-Verfahren können die Vorteile beider Verfahren kombiniert werden, wodurch mit niedrigeren Herstellungskosten und reduzierter Fertigungszeit eine Hohlleitschaufel mit einer optimierten Absaugfunkton herstellbar ist.

Claims

Bauteil, hergestellt durch additive Herstellung, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil wenigstens bereichsweise mittels Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) und wenigstens bereichsweise mittels Selective Laser Melting (SLM) hergestellt ist.
Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil eine Turbinenschaufel ist.
Bauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenschaufel, eine Leitschaufel (1) einer Niederdruckbeschaufelung einer Dampfturbine ist und ein im inneren der Turbinenschaufel ausgebildetes Kanalsystem (2) aufweist, welches mit einer Oberfläche (4) der Turbinenschaufel verbunden ist und durch welches eine Flüssigkeit von der Oberfläche der Turbinenschaufel abgesaugt werden kann.
Bauteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kanalsystem (2) mittels Selective Laser Melting ausgebildet ist.
Bauteil nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelendkontur der Turbinenschaufel wenigstens bereichsweise mittels Wire Arc Additive Manufacturing hergestellt ist.
Verfahren zum Herstellen eines Bauteils nach Anspruch 1, wobei das Bauteil eine Leitschaufel (1) für eine Niederdruckbeschaufelung einer Dampfturbine ist und wobei im inneren der Leitschaufel (1) ein Kanalsystem (2) ausgebildet ist, welches mit der Oberfläche (4) der Turbinenschaufel verbunden ist und durch welches eine Flüssigkeit von der Oberfläche (4) der Leitschaufel (1) abgesaugt werden kann, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte, - Ausbilden des Kanalsystems (2) durch Selective Laser Melting - Ausbilden wenigstens eines Teils einer Schaufelendkontur durch Wire Arc Additive Manufacturing.
Verfahren zum Herstellen eines Bauteils nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verbinden des Kanalsystems (2) mit der Oberfläche (4) der Turbinenschaufel Öffnungen (3) in die Schaufelendkontur eingebracht werden.