DE102020117177A1 - Three-dimensional screen printing process, a component that can be manufactured with it and a screen printing mask - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein dreidimensionales Siebdruckverfahren zur Herstellung eines Grünteils (20) aus Druckmaterial (11) für ein pulvermetallurgisches Bauteil (30), wobei das Druckmaterial (11) einen Anteil aus Pulver, insbesondere Metallpulver oder Keramikpulver, und Binder aufweist oder aus diesen Materialien besteht, dadurch gekennzeichnet, dass das Grünteil (20) nach der Herstellung bei Temperaturen zwischen 30 und 100 °C verformt wird.The invention relates to a three-dimensional screen printing method for producing a green part (20) from printing material (11) for a powder-metallurgical component (30), the printing material (11) having a proportion of powder, in particular metal powder or ceramic powder, and binder or consisting of these materials , characterized in that the green part (20) is deformed after production at temperatures between 30 and 100 ° C.
Description
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein dreidimensionales Siebdruckverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein damit herstellbares Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 17 und eine Siebdruckmaske mit den Merkmalen des Anspruchs 21.The present disclosure relates to a three-dimensional screen printing method with the features of
Die Herstellung von Grünteilen mittels Siebdruckverfahren ist grundsätzlich bekannt. So beschreibt die
Anstreifdichtungen in Turbomaschinen, etwa in Flugzeug- oder Gasturbinen, unterliegen besonderen Anforderungen. Wenn ein Rotor auf eine Labyrinthdichtung trifft, sollte diese beim Einreiben möglichst nicht schmieren, nicht brechen und keine hohen Temperaturen erzeugen, was zu einer Belastung des rotierenden Bauteils führt. Abrasive seals in turbo machines, for example in aircraft or gas turbines, are subject to special requirements. If a rotor encounters a labyrinth seal, it should not lubricate, break or generate high temperatures when rubbed in, which would put stress on the rotating component.
Das Grünteil als Ausgangspunkt des pulvermetallurgischen Verfahrens wird dabei schichtenweise durch Siebdruck aufgebaut. Da die Schichten vergleichsweise dünn sind, wird ein solches Verfahren auch als 2,5-D Siebdruckverfahren bezeichnet.The green part as the starting point of the powder metallurgical process is built up in layers by screen printing. Since the layers are comparatively thin, such a process is also known as a 2.5-D screen printing process.
Bei einem Siebdruck wird mit ebenen Schichten gearbeitet, so dass nach dem Abschluss des schichtenweisen Drucks ein Grünteil mit ebenen Außenkonturen (z.B. in Form einer quaderförmigen Anstreifdichtung) vorliegt. Im Inneren des Grünteils sind dann die vertikalen Wandstrukturen z.B. in Form von Honigwaben angeordnet.In the case of screen printing, flat layers are used, so that after the layer-by-layer printing is completed, there is a green part with flat outer contours (e.g. in the form of a cuboid rubbing seal). Inside the green part, the vertical wall structures are arranged, e.g. in the form of honeycombs.
Wenn nun ein solches Grünteil z.B. durch eine Krümmung verformt werden soll, kann es zu Rissen oder Defekten im Grünteil kommen, da die Wandungen des Grünteils und / oder die vertikalen Wandstrukturen durch die Krümmung verformt werden. Am äußeren Radius der Krümmung liegt Zug an, was zu Rissen führen kann. Am inneren Radius der Krümmung wird das Material gestaucht.If such a green part is to be deformed e.g. by a curvature, cracks or defects in the green part can occur, since the walls of the green part and / or the vertical wall structures are deformed by the curvature. There is tension on the outer radius of the curve, which can lead to cracks. The material is compressed at the inner radius of the curvature.
Es besteht daher die Aufgabe, ein effizientes Verfahren zur Herstellung eines Grünteils - und damit eines Bauteils - anzugeben.There is therefore the task of specifying an efficient method for producing a green part - and thus a component.
Gemäß einem ersten Aspekt wird ein dreidimensionales Siebdruckverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bereitgestellt.According to a first aspect, a three-dimensional screen printing method having the features of
Das Grünteil wird durch das dreidimensionale Siebdruckverfahren aus Druckmaterial im Rahmen eines pulvermetallurgischen Verfahrens hergestellt, wobei das Druckmaterial einen Anteil aus Pulver, insbesondere Keramik oder Metallpulver, und Binder aufweist oder aus diesen Materialien besteht. Aus dem Grünteil wird durch das pulvermetallurgische Verfahren schließlich ein Bauteil hergestellt, das z.B. in einem Gasturbinentriebwerk als Liner einsetzbar ist.The green part is produced by the three-dimensional screen printing process from printing material as part of a powder metallurgical process, the printing material having a portion of powder, in particular ceramic or metal powder, and binder or consisting of these materials. From the green part, a component is finally produced using the powder metallurgical process, which can be used as a liner in a gas turbine engine, for example.
Dabei wird ein eines Grünteils aus Druckmaterial für ein pulvermetallurgisches Bauteil hergestellt und das Grünteil wird nach der Herstellung bei Temperaturen zwischen 30 und 100 °C verformt, da das Bauteil ebenfalls entsprechend verformt ausgebildet sein soll. Inbesondere kann die Temperatur dabei konstant sein.A green part is produced from printing material for a powder-metallurgical component and the green part is deformed after production at temperatures between 30 and 100 ° C, since the component should also be designed to be correspondingly deformed. In particular, the temperature can be constant.
Für eine effiziente Verformung die Verformung mittels eines Formteils erfolgen, wobei die Verformungszeiut insbesondere im Bereich zwischen 1 und 30 Sekunden liegen kann.For efficient deformation, the deformation takes place by means of a molded part, the deformation time in particular being in the range between 1 and 30 seconds.
Dabei kann die Verformung um mindestens eine Krümmungsachse erfolgten. Je nach Lage und Anzahl der Krümmungsachsen können komplexer geformte Grünteile hergestellt werden. So kann das Grünteil insbesondere um zwei Achsen verformt werden. Insbesondere kann das Grünteil so verformt werden, dass eine Vertiefung oder eine Auswölbung hervorgerufen wird. In jedem Fall wird die Verformung im Grünteil - wie oben beschrieben - durch die wellenförmigen Strukturen aufgefangen.The deformation can take place around at least one axis of curvature. Depending on the position and number of the axes of curvature, more complex shaped green parts can be produced. In particular, the green part can be deformed around two axes. In particular, the green part can be deformed in such a way that a depression or a bulge is produced. In any case, the deformation in the green part - as described above - is absorbed by the wave-shaped structures.
Demnach kann eine Verformung eine Streckung und / oder eine Stauchung im Grünteil bewirken, die zumindest von Teilen der wellenförmigen Struktur des Grünteils durch Anpassung der Wellenlänge ausgeglichen wird.Accordingly, a deformation can cause stretching and / or compression in the green part, which is compensated for at least by parts of the undulating structure of the green part by adjusting the wavelength.
In einer Ausführungsform ist das unverformte Grünteil im Wesentlichen (vor allem hinsichtlich der Außenform) quaderförmig ausgebildet und die Verformung des Grünteils umfasst eine Biegung um eine Krümmungsachse, wobei die Krümmungsachse in einer Ebene liegt, die parallel oder geneigt zu einer Seitenfläche des Grünteils liegt.In one embodiment, the undeformed green part is essentially cuboid (especially with regard to the outer shape) and the deformation of the green part comprises a bend around an axis of curvature, the axis of curvature lying in a plane that is parallel or inclined to a side surface of the green part.
In einer Ausführungsform des Verfahrens werden nach der Verformung eine Entbinderung und eine Sinterung, insbesondere unter Vakuum, durchgeführt.In one embodiment of the method, binder removal and sintering, in particular under vacuum, are carried out after the deformation.
In einer Ausführungsform wird als Metallpulver ein nickelhaltiges Metallpulver, insbesondere ein CoNiCrAlY-Pulver, verwendet.In one embodiment, a nickel-containing metal powder, in particular a CoNiCrAlY powder, is used as the metal powder.
In einer weiteren Ausgestaltung kann eine Siebdruckmaske mit einer Siebdruckstruktur eingesetzt, wobei die Siebdruckmaske Öffnungen zum Durchdrücken des Druckmaterials aufweist und die Öffnungen teilweise wellenförmig ausgebildet sind, so dass das Grünteil mindestens teilweise eine dreidimensionale wellenförmige Struktur und / oder wellenförmige Ränder aufweist. Die wellenförmige Struktur liegt dabei im Inneren des Bauteils und ersetzt grundsätzlich bekannte Strukturen, wie z.B. Honigwabenstrukturen mit geraden Wänden. So können insbesondere auch Honigwabenstrukturen mit gewellten Wänden verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich sind auch die Ränder des Bauteils wellenförmig ausgebildet.In a further embodiment, a screen printing mask with a screen printing structure can be used, the screen printing mask having openings for pressing through the printing material and the openings being partially wave-shaped, so that the green part has at least partially a three-dimensional wave-shaped structure and / or wave-shaped edges. The wave-like structure lies inside the component and basically replaces known structures, such as honeycomb structures with straight walls. In particular, honeycomb structures with corrugated walls can also be used. As an alternative or in addition, the edges of the component are also designed to be wave-shaped.
Ein solches Grünteil kann z.B. um eine oder mehrere Achsen gekrümmt, d.h. verformt, werden, ohne dass Dehnungsrisse auftreten. In gedehnten Bereichen werden die wellenförmigen Strukturen weiter auseinander gezogen. In gestauchten Bereichen werden die Wellen zusammengeschoben. Dies kann auch als „Ziehharmonika-Effekt“ beschrieben werden. Damit können Grünteile, und letztlich Bauteile mit komplexen Formen, effizient hergestellt werden.Such a green part can, for example, be curved, i.e. deformed, around one or more axes without expansion cracks occurring. In stretched areas, the wave-like structures are drawn further apart. The shafts are pushed together in compressed areas. This can also be described as the “accordion effect”. This means that green parts, and ultimately components with complex shapes, can be manufactured efficiently.
In einer Ausführungsform weist die wellenförmige Struktur die Form einer Honigwabe oder einer Raute auf. Damit können z.B. an sich bekannte Honigwabenstrukturen oder Rautenstrukturen mindestens teilweise wellenförmige Wandungen aufweisen.In one embodiment, the wave-like structure has the shape of a honeycomb or a rhombus. For example, honeycomb structures or diamond structures known per se can have at least partially wave-shaped walls.
Dabei kann die Siebdruckstruktur eine Vielzahl von wellenförmigen Öffnungen aufweisen, die mindestens teilweise parallel zueinander angeordnet sind, die untereinander insbesondere den gleichen Abstand voneinander haben und / oder die mindestens teilweise untereinander in Phase angeordnet sind. Eine wellenförmige Öffnung bedeutet hier, dass mindestens ein Abschnitt der Öffnung wellenförmig ausgebildet ist. Eine solche Ausführungsform kann dann ein sehr regelmäßiges Muster aufweisen, bei dem das resultierende Grünteil äquidistante, wellenförmige Strukturen oder z.B. Rautenstrukturen mit wellenförmigen Wandungen aufweist. Grundsätzlich ist es aber möglich, dass die wellenförmigen Strukturen nicht-gleichförmig aufgebaut sind. Die oben beschriebene Dehn- und Stauchbarkeit kann auch erreicht werden, wenn es über einen Teil des Grünteils wellenförmige Strukturen gibt, die sich untereinander auch der Form nach unterscheiden können.The screen printing structure can have a plurality of wave-shaped openings which are arranged at least partially parallel to one another, which are in particular the same distance from one another and / or which are at least partly arranged in phase with one another. A wave-shaped opening means here that at least a section of the opening is made wave-shaped. Such an embodiment can then have a very regular pattern, in which the resulting green part has equidistant, wave-shaped structures or, for example, diamond structures with wave-shaped walls. In principle, however, it is possible for the wave-like structures to have a non-uniform structure. The above-described stretchability and compressibility can also be achieved if there are wave-shaped structures over part of the green part, which can also differ from one another in terms of shape.
In einer weiteren Ausführungsform weisen die wellenförmigen Öffnungen der Siebdruckstruktur über ihre Längserstreckung eine konstante Wellenlänge auf, wobei die Wellenlänge insbesondere größer als 50 µm und kleiner als 5000 µm ist. Durch die Verwendung von mehreren wellenförmigen Strukturen dieser Art kann funktionell eine ähnliche Struktur erreicht werden, die bekannten Honigwabenstrukturen. Wenn die Öffnungen der Siebdruckstrukturen diese Abmessungen aufweisen, liegen auch die Abmessung des Grünteils und letztlich des pulvermetallurgischen Bauteils in diesem Bereich.In a further embodiment, the wave-shaped openings of the screen printing structure have a constant wavelength over their longitudinal extension, the wavelength in particular being greater than 50 μm and less than 5000 μm. By using several wave-shaped structures of this type, a functionally similar structure can be achieved, the known honeycomb structures. If the openings of the screen printing structures have these dimensions, the dimensions of the green part and ultimately the powder metallurgical component are also in this area.
Auch kann die Breite mindestens einer wellenförmigen Öffnung in der Siebdruckmaske größer als 50 µm und kleiner 5000 µm sein, so dass vergleichsweise dünnwandige wellenförmige Strukturen im Grünteil herstellbar sind.The width of at least one wave-shaped opening in the screen printing mask can also be greater than 50 μm and less than 5000 μm, so that comparatively thin-walled wave-shaped structures can be produced in the green part.
In einer weiteren Ausführungsform weist mindestens eine wellenförmige Struktur des Grünteils eine Höhe in vertikaler Richtung zwischen 1 und 20 mm, insbesondere zwischen 2 und 10 mm, insbesondere 5 mm auf.In a further embodiment, at least one wave-shaped structure of the green part has a height in the vertical direction between 1 and 20 mm, in particular between 2 and 10 mm, in particular 5 mm.
Auch kann mindestens eine wellenförmigen Öffnung der Siebdruckmaske und mindestens eine wellenförmige Struktur des Grünteils im horizontalen Schnitt mindestens teilweise eine Sinusform aufweisen. Eine Wellenform ist hier im Zusammenhang allgemeiner zu verstehen, als eine mathematisch exakte Sinusform. So können die wellenförmigen Strukturen z.B. gerade Abschnitte aufweisen, ohne ihren wellenförmigen Charakter zu verlieren.At least one wave-shaped opening of the screen printing mask and at least one wave-shaped structure of the green part can also have at least partially a sinusoidal shape in the horizontal section. In this context, a waveform is to be understood more generally than a mathematically exact sinusoidal shape. For example, the wave-like structures can have straight sections without losing their wave-like character.
Die Aufgabe wird auch durch ein Bauteil gelöst, das mit mindestens einer der Ausführungsformen des dreidimensionalen Siebdruckverfahrens herstellbar ist. Ein solches Bauteil weist mindestens eine wellenförmige Struktur auf. Bei einer Verformung des Bauteils im Herstellungsprozess, oder ggf. auch im Betrieb, kann die wellenförmige Struktur gezielt Dehnungen und / oder Stauchungen aufnehmen, so dass Risse oder Materialstauchungen vermieden oder zumindest minimiert werden. Ein mögliches Einsatzgebiet ist eine Dichtfläche, insbesondere in einer Anstreifdichtung in einer Turbomaschine oder als ein Teil einer Anstreifdichtung für eine Turbomaschine. Eine Anstreifdichtung kann als Labyrinthdichtung ausgeführt sein.The object is also achieved by a component that can be produced with at least one of the embodiments of the three-dimensional screen printing process. Such a component has at least one wave-shaped structure. If the component is deformed during the manufacturing process, or possibly also during operation, the wave-shaped structure can specifically absorb expansions and / or compressions, so that cracks or material compressions are avoided or at least minimized. One possible area of application is a sealing surface, in particular in a rub seal in a turbo machine or as part of a rub seal for a turbo machine. A rub seal can be designed as a labyrinth seal.
In einer Ausführungsform ist das Bauteil mindestens teilweise schalenförmig oder konisch ausgebildet. Solche Bauteile können vorzugsweise zur Auskleidung von Kanälen verwendet werden. Dabei kann z.B. der Krümmungsradius zwischen 50 mm und 2000 mm, insbesondere zwischen 100 und 200 mm, liegen.In one embodiment, the component is at least partially shell-shaped or conical. Such components can preferably be used to line ducts. For example, the radius of curvature can be between 50 mm and 2000 mm, in particular between 100 and 200 mm.
Die Aufgabe wird auch durch eine Siebdruckmaske gelöst, die zur Verwendung in mindestens einem der Siebdruckverfahren gemäß den Ansprüchen
Für den Fachmann ist verständlich, dass ein Merkmal oder Parameter, das bzw. der in Bezug auf einen der obigen Aspekte beschrieben wird, bei einem beliebigen anderen Aspekt angewendet werden kann, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen. Des Weiteren kann ein beliebiges Merkmal oder ein beliebiger Parameter, das bzw. der hier beschrieben wird, bei einem beliebigen Aspekt angewendet werden und / oder mit einem beliebigen anderen Merkmal oder Parameter, das bzw. der hier beschrieben wird, kombiniert werden, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen.For those skilled in the art it is understandable that a A feature or parameter described in relation to any of the above aspects can be applied to any other aspect, provided they are not mutually exclusive. Furthermore, any feature or parameter described here can be applied to any aspect and / or combined with any other feature or parameter described here, insofar as they are compatible not mutually exclusive.
Es werden nun beispielhaft Ausführungsformen mit Bezug auf die Figuren beschrieben; in den Figuren zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines grundsätzlich bekannten dreidimensionalen Siebdruckverfahrens, mit dem ein Grünteil hergestellt wird; -
1A eine schematische Darstellung einer Verformung des Grünteils; -
1B eine schematische Darstellung einer Entbinderung und eines Sinterns des Grünteils; -
1C eine schematische Darstellung des verformten Bauteils; -
2 eine schematische Draufsicht auf eine Ausführungsform einer ebenen Siebdruckmaske zur Herstellung eines Grünteils; -
3 eine schematische Draufsicht auf eine Ausführungsform eines verformten Grünteils, hergestellt mit einer Siebdruckmaske gemäß2 ; -
3A eine schematische Draufsicht auf eine Abwandlung der Ausführungsform des Grünteils gemäß3 ; -
4 eine schematische Seitenansicht eines um eine Achse verformten Grünteils; -
4A eine schematische, dreidimensionale Ansicht einer Ausführungsform eines verformten Grünteils;
-
1 a schematic representation of a basically known three-dimensional screen printing process with which a green part is produced; -
1A a schematic representation of a deformation of the green part; -
1B a schematic representation of a debinding and a sintering of the green part; -
1C a schematic representation of the deformed component; -
2 a schematic plan view of an embodiment of a flat screen printing mask for producing a green part; -
3 a schematic plan view of an embodiment of a deformed green part, produced with a screen printing mask according to FIG2 ; -
3A a schematic plan view of a modification of the embodiment of the green part according to3 ; -
4th a schematic side view of a green part deformed about an axis; -
4A a schematic, three-dimensional view of an embodiment of a deformed green part;
Bevor im Folgenden Ausführungsformen eines Siebdruckverfahrens mit einer thermischen Umformung eines damit hergestellten Grünteils
Zunächst wird Druckmaterial
Die Siebdruckmaske
Unterhalb der Siebdruckmaske
In der Darstellung der
In der
Anschließend erfolgt eine Entbinderung und eine Sinterung des Grünteils
Die hier angesprochenen Ausführungsformen des dreidimensionalen Siebdrucks betreffen insbesondere die Herstellung von Dichtungsflächen als Bauteile
Wie eingangs erwähnt, ist es bekannt, diese Anstreifdichtungen mit Honigwabenstrukturen auszubilden, wobei die offenen Enden der Honigwaben zu den Rotoren hin zeigen. Wenn z.B. eine Honigwabenstruktur in einer rechteckig ausgebildeten Anstreifdichtung angeordnet ist, führt eine Verformung, z.B. eine einachsige Krümmung der Anstreifdichtung zu Spannungen im Honigwaben-Bauteil. As mentioned at the beginning, it is known to form these abradable seals with honeycomb structures, the open ends of the honeycombs pointing towards the rotors. For example, if a honeycomb structure is formed in a rectangular Abrasive seal is arranged, a deformation, for example a uniaxial curvature of the abradable seal, leads to stresses in the honeycomb component.
Das Material wird im Bereich des größten Krümmungsradius
Wie im Folgenden noch dargestellt wird, sollen die Honigwaben durch anders geformte vertikale Strukturen in dem Bauteil
Da Anstreifdichtungen, z.B. zum Auskleiden der luftführenden Kanäle, in einem Gasturbinentriebwerk verwendet werden, hat dieses Problem praktische Relevanz.Since rub seals are used in a gas turbine engine, e.g. to line the air ducts, this problem is of practical relevance.
In der
In der Ausführungsform der Siebdruckmaske
Dazu kann die eben ausgebildete Siebdruckmaske
Durch eine Verschiebung nach oben kann dann eine weitere Materiallage
In der dargestellten Ausführungsform der Siebdruckmaske
Für typische Anwendungen liegt die Breite
Die Wellenlänge
In alternativen Ausführungsformen der Siebdruckmaske
Es ist auch nicht zwingend, dass die wellenförmigen Öffnungen
Ferner ist es auch nicht zwingend, dass die wellenförmigen Öffnungen
In jedem Fall ist es wichtig, dass die Siebdruckmaske
Ein solches Grünteil
Die wellenförmige Struktur
In der
Das Grünteil
Durch die Verformung des Grünteils
Am hier nicht sichtbaren Grund (d.h. dem Bereich des größten Krümmungsradius
Die wellenförmige Struktur
Wenn die wellenförmige Struktur
Man könnte dies auch als „Ziehharmonika-Effekt“ bezeichnen. Damit kann - insbesondere ohne Veränderung der Zusammensetzung des Druckmaterials
Wie oben beschrieben, wurde dieses Grünteil
In
Die Verformung des Grünteils
Grundsätzlich ist auch möglich, das Grünteil
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- wellenförmige Siebdruckstrukturwavy screen printing structure
- 1', 1"1 ', 1 "
- wellenförmige Öffnungen der Siebdruckstruktur wave-shaped openings of the screen printing structure
- 1010
- SiebdruckmaskeScreen printing mask
- 1111th
- DruckmaterialPrinting material
- 1212th
- RakelSqueegee
- 1313th
- Öffnung in SiebdruckmaskeOpening in screen printing mask
- 1414th
- hergestellte Schicht manufactured layer
- 2020th
- siebgedrucktes Grünteilscreen printed green part
- 2121
- wellenförmige Struktur in Grünteilundulating structure in green
- 2222nd
- Rand des GrünteilsEdge of the green part
- 2525th
- KrümmungsachseAxis of curvature
- 2626th
- FormteilMolded part
- 2727
- Vakuumkammer Vacuum chamber
- 3030th
- Bauteil Component
- AA.
- Breite von wellenförmigen Öffnungen in SiebdruckmaskeWidth of undulating openings in screen printing mask
- EE.
- Ebene, in der die Krümmungsachse liegtPlane in which the axis of curvature lies
- L1L1
- Wellenlänge im unverformten ZustandWavelength in the undeformed state
- L2L2
- Wellenlänge im verformten ZustandWavelength in the deformed state
- RR.
- KrümmungsradiusRadius of curvature
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- DE 102015216491 A1 [0002]DE 102015216491 A1 [0002]
Claims (21)
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Citations (4)
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DE102015216491A1 (en) | 2014-09-01 | 2016-03-03 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Process for the production of rubber seals |
-
2020
- 2020-06-30 DE DE102020117177.3A patent/DE102020117177A1/en active Pending
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