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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Herstellung einer Plattform für eine Turbinenschaufel, insbesondere eine Turbinenleitschaufel. Weiterhin werden ein entsprechendes Computerprogrammprodukt und eine Plattformstruktur bzw. Turbinenschaufel, welche nach dem beschriebenen Verfahren hergestellt ist, angegeben.
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Das Plattformsegment bzw. die Plattform kann vorzugsweise als Teil einer Kopf- und/oder Fußplatte, oder eines entsprechenden Segmentes oder Deckbandes vorgesehen sein. Solche Bauteile bestehen vorzugsweise aus einer Superlegierung, insbesondere einer nickel- oder kobaltbasierten Superlegierung. Die Legierung kann weiterhin ausscheidungsgehärtet sein.
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In Gasturbinen wird thermische Energie und/oder Strömungsenergie eines durch Verbrennung eines Brennstoffs, z.B. eines Gases, erzeugten Heißgases in kinetische Energie (Rotationsenergie) eines Rotors umgewandelt. Dazu ist in der Gasturbine ein Strömungskanal ausgebildet, in dessen axialer Richtung der Rotor bzw. eine Welle gelagert ist. Wird der Strömungskanal von einem Heißgas durchströmt, werden die Laufschaufeln mit einer Kraft beaufschlagt, die in ein auf die Welle wirkendes Drehmoment umgewandelt wird, das den Turbinenrotor antreibt, wobei die Rotationsenergie z.B. zum Betrieb eines Generators genutzt werden kann.
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Moderne Gasturbinen sind Gegenstand stetiger Verbesserung, um ihre Effizienz zu steigern. Dies führt allerdings unter anderem zu immer höheren Temperaturen im Heißgaspfad. Die metallischen Materialien für Laufschaufeln, insbesondere in den ersten Stufen, werden ständig hinsichtlich ihrer Festigkeit bei hohen Temperaturen, Kriechbelastung und thermomechanischer Ermüdung, verbessert.
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Die generative oder additive Fertigung wird aufgrund ihres für die Industrie disruptiven Potenzials zunehmend interessant auch für die Serienherstellung der oben genannten Turbinenkomponenten, wie beispielsweise Turbinenschaufeln oder Brennerkomponenten.
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Additive Herstellungsverfahren umfassen beispielsweise als Pulverbettverfahren das selektive Laserschmelzen (SLM) oder Lasersintern (SLS), oder das Elektronenstrahlschmelzen (EBM). Weitere additive Verfahren sind beispielsweise „Directed Energy Deposition (DED)“-Verfahren, insbesondere Laserauftragschweißen, Elektronenstrahl-, oder Plasma-Pulverschweißen, Drahtschweißen, metallischer Pulverspritzguss, sogenannte „sheet lamination“-Verfahren, oder thermische Spritzverfahren (VPS LPPS, GDCS).
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Ein Verfahren zum selektiven Laserschmelzen ist beispielsweise bekannt aus
EP 2 601 006 B1 .
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Additive Fertigungsverfahren (englisch: „additive manufacturing“) haben sich weiterhin als besonders vorteilhaft für komplexe oder filigran gestaltete 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 weitgehend auf Basis einer entsprechenden CAD-Datei und der Wahl entsprechender Fertigungsparameter erfolgen kann.
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Das Computerprogrammprodukt kann weiterhin Geometriedaten oder Konstruktionsdaten in einem dreidimensionalen Format bzw. als CAD-Daten enthalten bzw. ein Programm oder Programmcode zum Bereitstellen dieser Daten umfassen.
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Eine CAD-Datei oder ein entsprechendes Computerprogrammprodukt, kann ebenfalls beispielsweise als (flüchtiges oder nicht-flüchtiges) Speichermedium, wie z.B. eine Speicherkarte, ein USB-Stick, eine CD-ROM oder DVD, oder auch in Form einer herunterladbaren Datei von einem Server und/oder in einem Netzwerk bereitgestellt oder umfasst werden. Die Bereitstellung kann weiterhin zum Beispiel in einem drahtlosen Kommunikationsnetzwerk durch die Übertragung einer entsprechenden Datei mit dem Computerprogrammprodukt erfolgen. Ein Computerprogrammprodukt kann Programmcode, Maschinencode bzw. numerische Steuerungsanweisungen, wie G-Code und/oder andere ausführbare Programmanweisungen im Allgemeinen beinhalten.
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Die Herstellung von Gasturbinenschaufeln mittels der beschriebenen pulverbett-basierten Verfahren (LPBF englisch für „Laser Powder Bed Fusion“) ermöglicht vorteilhaft die Implementierung von neuen Geometrien, Konzepten, Lösungen und/oder Design, welche die Herstellungskosten bzw. die Aufbau- und Durchlaufzeit reduzieren, den Herstellungsprozess optimieren und beispielsweise eine thermo-mechanische Auslegung oder Strapazierfähigkeit der Komponenten verbessern können.
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Auf konventionelle Art, beispielsweise gusstechnisch, hergestellte Schaufelkomponenten, stehen der additiven Fertigungsroute beispielsweise hinsichtlich ihrer Designfreiheit und auch in Bezug auf die erforderliche Durchlaufzeit und den damit verbundenen hohen Kosten sowie dem fertigungstechnischen Aufwand deutlich nach.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Herstellungsverfahren sowie Design für Schaufelkomponenten, insbesondere Plattformsegmente, vorzugsweise für Gasturbinen anzugeben, welche in der Energieerzeugung eingesetzt werden. Die beschriebenen Mittel, können insbesondere dazu beitragen, die Herstellung effizienter zu gestalten, als auch die Komponente für ihren Betrieb mit verbesserten mechanischen Eigenschaften auszustatten. Insbesondere soll es ermöglicht werden, die additive Fertigungsroute vorteilhaft zu nutzen, wobei deren bekannte Einschränkungen und Nachteile durch die beschriebene Lösung teilweise umgangen werden können.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Herstellung einer Plattformstruktur oder eines Plattformsegments für eine Turbinenschaufel, insbesondere eine Turbinenleitschaufel. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen einer Geometrie der Plattformstruktur - beispielsweise im Wege der Bereitstellung einer Geometrie für eine entsprechende Turbinenschaufelkomponente als Ganzes - wobei die Plattformstruktur sickenartige Vertiefungen, Kavitäten oder Aussparungen aufweist, die durch Rippen voneinander getrennt sind, wobei die Vertiefungen weiterhin angeordnet und ausgebildet sind, eine Festigkeit der Plattformstruktur in ihrem bestimmungsgemäßen Betrieb - bei gleichzeitiger Massereduktion, oder zumindest bei gegebener oder konstanter Masse - zu erhöhen.
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Technische Vorteile der sickenartigen Vertiefungen der Plattformstruktur äußern sich bereits während der additiven Herstellung. Zum einen kann durch die eingebrachten Hohlräume oder Aussparungen Material (Rohmaterial) eingespart werden. Vorzugsweise wird für die Komponente der Plattformstruktur nämlich weniger Material benötigt, als für den Fall, bei dem die Plattform keinerlei Sicken oder Vertiefungen, sondern beispielsweise eine ebene Oberfläche hat. Weiterhin kann durch weniger aufzuschmelzendes Material natürlich auch die Prozesszeit, welche eine maßgebliche Einschränkung der additiven Prozesse darstellt, verkürzt werden, da weniger Pulverschichten oder Pulverbereiche im Prozess bestrahlt und aufgeschmolzen werden müssen. Diese Aspekte können bereits die Kosten des additiven Herstellungsprozesses maßgeblich verringern.
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Ein weiterer positiver Einfluss der Sicken äußert sich während des Aufbauprozesses dadurch, dass durch die Reduktion an aufzuschmelzendem Material im Bereich der Plattformvertiefungen durch eine verringerte Eigenspannung auch weniger mechanischer Verzug entsteht.
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Ein weiterer technischer Vorteil der sickenartigen Vertiefungen oder Kavitäten zeigt sich direkt in den mechanischen bzw. thermomechanischen Eigenschaften der genannten Plattformen. Die Ausgestaltung der Sicken in der Plattform führt zu verbesserter mechanischer Festigkeit und/oder zur Massenreduktion bzw. Gewichtsoptimierung.
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Überdies wird eine Oberfläche der Plattform durch die Vertiefungen und die Rippen vorteilhaft vergrößert, sodass eine verbesserte Kühlung der Komponente im Betrieb erreicht werden kann.
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Diese Aspekte betreffen direkt den bestimmungsgemäßen Betrieb der entsprechenden Plattform oder Turbinenschaufel. Durch die entsprechend verbesserte Performance kann auch eine Gasturbine, welche üblicherweise eine Vielzahl von Turbinenleitschaufelkränzen aufweist, bzw. deren Verschleißanfälligkeit und Effizienz insgesamt deutlich verbessert werden.
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Weiterhin umfasst das Verfahren das, insbesondere schichtweise, additive Herstellen der Plattformstruktur gemäß der bereitgestellten Geometrie durch selektives Bestrahlen eines Rohmaterials, wie eines Pulvers, aus einem Pulverbett, beispielsweise durch selektives Laserschmelzen oder Elektronenstrahlschmelzen.
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In einer Ausgestaltung wird die Plattformstruktur derart in einer additiven Herstellungsanlage angeordnet, dass die die Vertiefungen trennenden Rippen - bzw. deren Längsachse - einen Winkel von größer oder gleich 50° zu einer Oberfläche einer Bauplatte, beispielsweise einer entsprechenden additiven Herstellungsanlage für SLM oder EBM, einschließen.
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Entsprechenden additiven Herstellungsanlage oder Vorrichtungen ist normalerweise gemein, dass eine ebene Bauplatte vorgesehen wird, ausgehend von der ein Bauteil vertikal entlang einer Aufbaurichtung (nach oben) aufgebaut (verschweißt) wird. Besondere technische Vorteile der Struktur- und Oberflächengüte der aufgebauten Plattformstruktur ergeben sich für die beschriebenen Winkel.
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Die beschriebene Anordnung einer additiv aufzubauenden Komponente relativ zu einer Bauplattform erfolgt üblicherweise bereits in einer Herstellungsvorbereitung, beispielsweise mit Mitteln des CAM („Computer-Aided Manufacturing“).
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In einer Ausgestaltung wird die Plattformstruktur als Teil einer Fuß- und/oder Kopfplatte einstückig mit einer Turbinenleitschaufel, welche zweckmäßigerweise ebenfalls ein Schaufelblatt aufweist, additiv durch selektives Bestrahlen des Rohmaterials aus dem Pulverbett hergestellt. Die Plattformstruktur wird also gemäß dieser Ausgestaltung vorzugsweise im Rahmen des additiven „Drucks“ der ganzen Schaufelkomponente hergestellt.
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In einer Ausgestaltung wird die Geometrie der Turbinenleitschaufel derart in der entsprechenden additiven Herstellungsanlage angeordnet, dass eine Anströmkante eines Schaufelblattes der Turbinenleitschaufel parallel zur Schichtebene, einer jeden aufgebauten Schicht, ausgerichtet ist. Da die genannten Pulverbettprozesse erfordern, nach dem Aufschmelzen einer einzelnen Schicht, wieder eine neue Pulverlage auf der Bauplattform bereitzustellen, ist die genannte Schichtebene vorzugsweise parallel zu einer Ebene oder Oberfläche der Bauplatte. Diese spezielle Anordnung der Turbinenleitschaufel im Bauraum ermöglicht es vorteilhaft, überhängende Bereiche, welche im Prozess thermisch und/oder mechanisch durch Stützstrukturen unterstützt werden müssen, zu minimieren.
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In einer Ausgestaltung wird die Geometrie der Turbinenleitschaufel derart in der entsprechenden additiven Herstellungsanlage angeordnet, dass eine Abströmkante des Schaufelblattes entlang einer Aufbaurichtung (vertikal Richtung) von der Abströmkante beabstandet ausgerichtet ist. Diese Ausgestaltung im Zusammenhang mit der vorherigen Ausgestaltung ermöglicht in besonderem Maße die Vermeidung von überhängenden Bereichen, welche aufwendig mit Stützstrukturen versehen werden müssen.
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Bei der beschriebenen Anordnung der Leitschaufelkomponente kann sich beispielsweise ebenfalls eine Spannweite des Schaufelblattes parallel zu den Schichten erstrecken und/oder eine Skelettlinie des Schaufelblattes im Wesentlichen parallel zur Aufbaurichtung.
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In einer Ausgestaltung werden (restliche oder unvermeidliche) Stützstrukturen zum mechanischen und oder thermischen Unterstützen von überhängenden Bereichen nach dem selektiven Bestrahlen entfernt. Ganz ohne Stützstrukturen kommt man bei den beschriebenen Verfahren üblicherweise deshalb nicht aus, da die Komponenten, sofern sie sich für die additive Fertigung eignen oder prädestinieren, kompliziert geformt sind und demgemäß notwendigerweise irgendwelche überhängenden Bereiche zeigen.
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In einer Ausgestaltung umfasst das Verfahren weiterhin eine mechanische, beispielsweise oberflächliche, Nacharbeit und/oder eine thermische Nachbehandlung, beispielsweise zur thermischen Spannungsrelaxation und/oder zum Ausbilden von Phasenausscheidungen zur Härtung des Materials.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Plattform bzw. eine Plattformstruktur, welche nach dem beschriebenen Verfahren herstellbar oder hergestellt ist, wobei die Vertiefungen, vorzugsweise jeweils, rechteckförmig sind. Durch diese Ausgestaltung kann besonders zweckmäßig die Festigkeit der Plattform erhöht werden, da die Plattform üblicherweise eine ähnliche, rechteckförmige Geometrie aufweist.
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In einer Ausgestaltung sind die Vertiefungen regelmäßig, beispielsweise rechteckförmig, in einem Feld über die Plattformstruktur verteilt, angeordnet. Diese Ausgestaltung ermöglicht es ebenfalls vorteilhafterweise, die mechanische Auslegung der Plattform zu verbessern bzw. deren Festigkeit zu optimieren.
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In einer Ausgestaltung umfasst die Plattformstruktur Rippen einer ersten Art und Rippen einer, von der ersten Art verschiedenen zweiten Art. Durch diese Ausgestaltung kann der Abstand der Vertiefungen vorteilhaft variabel gehalten werden, und ebenfalls mechanische Eigenschaften maßgeschneidert werden.
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In einer Ausgestaltung sind Rippen der ersten Art rechtwinklig oder weitgehend rechtwinklig zu Rippen der zweiten Art, oder umgekehrt, angeordnet. Diese Ausgestaltung ist ebenfalls vorteilhaft hinsichtlich einer flächigen Festigkeitserhöhung der Plattform.
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In einer Ausgestaltung haben die Rippen der ersten Art eine Breite bzw. Dicke zwischen 1 mm und 5 mm.
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In einer Ausgestaltung haben die Rippen der zweiten Art eine Breite bzw. Dicke zwischen 2 mm und 10 mm.
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In einer Ausgestaltung sind die Rippen der zweiten Art doppelt so breit bzw. dick ausgestaltet wie die Rippen der ersten Art.
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In einer Ausgestaltung der Plattformstruktur ist diese Teil einer (in deren Betrieb) fluidkühlbaren Turbinenleitschaufel, wobei innerhalb von mindestens einer der Rippen beispielsweise Rippen der zweiten Art, ein Kühlkanal zur Kühlung der Komponente verläuft. Durch diese Ausgestaltung kann die Plattform und/oder die ganze Turbinenleitschaufel vorteilhaft fluidkühlbar ausgestaltet werden, ohne dass auf die Festigkeitsverbesserung der sickenartigen Vertiefungen verzichtet werden muss.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Turbinenleitschaufel, insbesondere für eine stationäre Gasturbine zur Energieerzeugung oder eine Industriegasturbine, wobei die Turbinenleitschaufel die Plattformstruktur, wie oben beschrieben, als Teil einer Fuß- und/oder Fußplatte umfasst.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Computerprogramm bzw. Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei der Ausführung eines entsprechenden Programms durch einen Computer, beispielsweise zur Steuerung der Bestrahlung oder des Scanvorgangs in einer additiven Herstellungsanlage, diesen veranlassen, die Geometrie, beispielsweise über eine CAD-Datei, bereitzustellen und/oder die additive Herstellung, wie oben beschrieben, durchzuführen. Insbesondere die Befehle des Computerprogrammproduktes zur selektiven Bestrahlung können beispielsweise eine Unterteilung der Geometrie in einzelne Schichten und eine Festlegung von Bestrahlungsparametern umfassen.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Turbinenleitschaufel, aufweisend als Teil einer Fuß- und/oder Kopfplatte eine Plattformstruktur, umfassend sickenartige Vertiefungen, welche angeordnet ausgebildet sind, eine Festigkeit der Plattformstruktur in ihrem bestimmungsgemäßen Betrieb bei gleichzeitiger Massenreduktion zu erhöhen.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Turbine, aufweisend eine oder eine Anordnung von Turbinenleitschaufel(n), wie oben beschrieben.
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Ausgestaltungen, Merkmale und/oder Vorteile, die sich vorliegend auf das additive Herstellungsverfahren bzw. das Computerprogrammprodukt beziehen, können ferner die Plattformstruktur direkt oder die Schaufelkomponente betreffen oder umgekehrt.
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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.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren beschrieben.
- 1 zeigt eine schematische Schnitt- oder Seitenansicht eines Bauteils während seiner additiven Herstellung aus einem Pulverbett.
- 2 zeigt eine bekannte Plattformstruktur als Kopf- bzw. Fußplatte einer Turbinenleitschaufel.
- 3 zeigt eine Plattformstruktur als Kopfplatte und als Fußplatte, einer Turbinenleitschaufel gemäß der vorliegenden Erfindung.
- 4 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Turbinenleitschaufelkomponente, umfassend eine Plattform, welche erfindungsgemäß durch ein additives Verfahren herstellbar ist. Weiterhin ist eine Orientierung der Komponente im Bauraum einschließlich einer Stützstruktur angedeutet.
- 5 deutet detailliert eine Orientierung von Rippenstrukturen einer erfindungsgemäßen Plattformstruktur relativ zu einer Bauplatte an.
- 6 deutet schematisch Teile der Bauplattform, insbesondere mit erfindungsgemäßen sickenartige Vertiefungen und Rippen an.
- 7 deutet schematisch eine Turbine mit Turbinenleitschaufeln an.
- 8 zeigt ein schematisches Flussdiagramm mit erfindungsgemäßen Verfahrensschritten.
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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.
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1 zeigt eine additive Herstellungsanlage bzw. Herstellungsvorrichtung 100. Die Herstellungsanlage 100 ist vorzugsweise als LPBF-Anlage und für den additiven Aufbau von Bauteilen oder Komponenten aus einem Pulverbett ausgestaltet. Die Anlage 100 kann im Speziellen auch eine Anlage zum Elektronenstrahlschmelzen betreffen. Demgemäß weist die Vorrichtung eine Bauplattform 1 auf. Auf der Bauplattform 1 wird ein additiv herzustellendes Bauteil 10' schichtweise aus einem Pulverbett hergestellt. Letzteres wird durch ein Pulver P gebildet, welches durch eine Beschichtungseinrichtung 5 schichtweise auf der Bauplattform 1 verteilt werden kann.
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Nach dem Auftragen einer jeden Pulverschicht (vergleiche Schichtdicke L) werden gemäß der vorgegebenen Geometrie des Bauteils 10' selektiv Bereiche der entsprechenden Schicht L mit einem Energiestrahl 4, beispielsweise einem Laser oder Elektronenstrahl, von einer Bestrahlungseinrichtung 3 und/oder einer entsprechenden Steuerung 6 aufgeschmolzen und anschließend verfestigt.
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Nach jeder Schicht L wird die Bauplattform 1 vorzugsweise um ein der Schichtdicke L entsprechendes Maß abgesenkt (vergleiche nach unten gerichteter Pfeil in 1). Die Schichtdicke L beträgt üblicherweise lediglich zwischen 20 µm und 40 µm, so dass der gesamte Prozess leicht eine Bestrahlung einer Anzahl von Tausenden bis hin zu mehreren 10.000 Schichten erfordern kann.
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Dabei können durch den lediglich sehr lokal wirkenden Energieeintrag hohe Temperaturgradienten, von beispielsweise 106 K/s oder mehr auftreten. Dementsprechend groß ist selbstverständlich während des Aufbaus und danach üblicherweise auch ein Verspannungszustand des Bauteils 10', was die additiven Herstellungsprozessen bzw. eine entsprechende Nachbearbeitung erheblich verkompliziert.
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Die Geometrie des Bauteils wird üblicherweise durch eine CAD-Datei („Computer-Aided-Design“) bereitgestellt.
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Nach dem Einlesen einer solchen Datei in die Anlage 100 erfordert der Prozess üblicherweise zunächst die Festlegung einer geeigneten Bestrahlungsstrategie beispielsweise durch Mittel des CAM („Computer-Aided-Manufacturing“), wodurch normalerweise auch ein Aufteilen der Bauteilgeometrie in die einzelnen Schichten L erfolgt.
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2 zeigt in einer perspektivischen Ansicht eine Plattform als Teil einer Kopf- und/oder Fußplatte einer Turbinenleitschaufel (nicht explizit gekennzeichnet). Die Plattform 10' weist eine ebene Oberfläche - ohne Erhebungen und Vertiefungen - auf. Bei der gezeigten Plattform kann es sich um eine Schaufelfußplatte handeln. Mit dem Bezugszeichen 20' ist weiterhin eine Kontur eines Schaufelblattes angedeutet.
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3 zeigt im oberen Bereich eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Plattform 10 oder Plattformstruktur. Bei der Plattform 10 kann es sich um eine Kopfplatte oder eine Fußplatte einer Turbinenleitschaufel (nicht explizit gekennzeichnet) handeln. Im unteren Bereich ist eine ähnliche Ansicht einer Plattform gezeigt, welche ebenfalls beispielsweise Teil einer Fußplatte oder einer Kopfplatte der Turbinenschaufel sein kann.
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Es ist zu erkennen, dass jede der Plattformstrukturen 10 sickenartige Vertiefungen 11 aufweist. Bei den Vertiefungen kann es sich um Kavitäten, Ausnehmungen oder Aushöhlungen handeln. Die Vertiefungen 11 sind durch Rippen oder Rippenstrukturen 12 voneinander getrennt.
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Weiterhin sind die Vertiefungen angeordnet und ausgebildet, eine Festigkeit der Plattform 10 während ihres bestimmungsgemäßen Betriebs, insbesondere bei gleichzeitiger Massereduktion, zu erhöhen. Dazu sind die Vertiefungen 11 im wesentlichen rechteckförmig angeordnet und - zur Vermeidung von Risszentren während der Herstellung - mit abgerundeten Ecken versehen. Weiterhin können die Vertiefungen, wie dargestellt, regelmäßig oder quasi-regelmäßig in einem rechteckförmigen Feld über die Plattform hinweg verteilt angeordnet sein, um eine Sickenwirkung zweckmäßig zu erzielen.
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Dieses beschriebene Design der Plattform bzw. Turbinenleitschaufel eignet sich besonders für die pulverbettbasierte additive Herstellung wie anhand von 1 prinzipiell beschrieben. Auf konventionellem Wege, insbesondere über einen Gussprozess, wären die entsprechenden Vertiefungen nicht oder nur mit übermäßig großem Aufwand herstellbar.
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4 deutet in einer perspektivischen Ansicht eine komplette Turbinenleitschaufelkomponente 50, umfassend die beschriebenen Plattformstrukturen 10, an. Aufgrund ihres komplexen Designs ist ein solches Bauteil prädestiniert, auf additivem Wege hergestellt zu werden. Da solche Komponenten je nach Turbinenanwendung und thermischer Belastung häufig auch während des Betriebs durch ein Fluid durchströmt und gekühlt werden können, und nicht zuletzt aufgrund der sickenartigen Vertiefungen, ist eine konventionelle Herstellung langwieriger und kostenaufwendiger, als die additive Herstellungsroute aus dem Pulverbett. Ab einer gewissen Geometriekomplexität (vgl. 6 weiter unten) bei der die Rippen beispielsweise weitere Hohlräume oder andere Merkmale aufweisen, kann das Design auf konventionellem Wege überhaupt nicht mehr umgesetzt werden.
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Bei der Anordnung des Bauteils 50 in einem Bauraum einer additiven Herstellungsvorrichtung (nicht explizit gekennzeichnet) würde die Komponente idealerweise (wie in 4 dargestellt) so positioniert, dass eine Anströmkante 21 eines Schaufelblatts 20 der Komponente parallel zu einer Schichtebene (vergleiche Oberfläche der Bauplatte) ausgerichtet ist. Weiterhin wird eine Abströmkante 22 des Schaufelblatts 20 vorzugsweise entlang einer Aufbaurichtung z von der Anströmkante 21 geradlinig nach oben beabstandet arrangiert.
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Zwischen der additiv aufzubauenden Komponente 50 und der Bauplatte 1 muss für den physischen Aufbau - trotz der optimalen Ausrichtung hinsichtlich Überhängen - dennoch eine Stützstruktur 2 vorgesehen werden, welche die genannten Überhangbereiche (oder sogenannte „downskin“-Flächen) thermisch und/oder mechanisch unterstützt.
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Es ist weiterhin in 4 zu erkennen, dass die Komponente 50 derart angeordnet ist, dass die Fußplatte und die Kopfplatte auf einer Höhe angeordnet sind und die Komponente auf der Spitze der Plattformen 10 steht. Die gezeigte Anordnung ist besonders vorteilhaft für den additiven Aufbau, da die genannten Überhangbereiche (nicht explizit gekennzeichnet) minimiert werden können, d.h. es kann vorteilhafterweise eine möglichst kleine Stützstruktur 2 vorgesehen, mithin mitaufgebaut, werden, was die Herstellung effizienter gestaltet und etwaige mechanische Nachbearbeitungsschritte minimiert.
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In 5 ist der Übersichtlichkeit halber lediglich eines der Plattformelemente 10 aus 4 relativ zu der Bauplattform 1 angeordnet eingezeichnet. Die die Vertiefungen 11 trennenden Rippen 12 bzw. deren Längsachse schließen jeweils mit der Oberfläche der Bauplattform Winkel von δ1 und δ2 ein, welche vorzugsweise beide größer oder gleich 50° zu der Oberfläche der Bauplattform sind.
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Weiterhin ist zu erkennen, dass die genannten Rippen, Rippen einer ersten Art mit einer kleineren Breite und Rippen einer zweiten, von der ersten verschiedenen Art, und einer größeren Breite, umfassen.
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Der Winkel δ1 kann die Rippen zweiter Art 12b bezeichnen, und der Winkel δ2 kann die Rippen erster Art 12a bezeichnen.
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Beide besagten Winkel betragen vorzugsweise mehr als 45°, wo ebenfalls die gerade eben noch möglichen Überhangwinkel für Hochtemperaturwerkstoffe der beschriebenen pulverbett-basierten Verfahren liegen. In einer Ausgestaltung betragen die genannten Winkel größer oder gleich 50°, besonders bevorzugt größer gleich 55°, da dies die besten Struktur- und/oder Oberflächenergebnisse liefert.
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6 zeigt in einer schematischen Ansicht einen Teil der erfindungsgemäßen Plattformstruktur mit weiteren Einzelheiten.
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Wie oben angedeutet, weist die Plattformstruktur 10 Rippen einer ersten Art 12a auf. Die Rippen der ersten Art 12a weisen eine Breite bzw. Dicke a auf. Die Dicke a kann beispielsweise zwischen 1 mm und 5 mm betragen. Alternativ kann die Dicke a auch größer gewählt werden.
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Weiterhin weist die Plattformstruktur 10 Rippen einer zweiten Art 12b auf. Die Rippen der zweiten Art 12b weisen eine Breite bzw. Dicke b auf. Die Dicke b kann beispielsweise zwischen 2 mm und 10 mm betragen. Alternativ kann die Dicke b ebenfalls größer gewählt werden. Beispielsweise ist die Dicke a halb so groß wie die Dicke b.
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Weiterhin ist in 6 verdeutlicht, dass die Rippen der ersten Art 12a und die Rippen der zweiten Art 12b rechtwinklig oder gekreuzt zueinander verlaufen. Es mag lediglich der perspektivischen Darstellung geschuldet sein, dass die rechten Winkel nicht explizit aus der Figur hervorgehen.
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Durch die beiden parallelen gestrichelten Linien innerhalb der gezeigten Rippen der zweiten Art 12b (vergleiche Bezugszeichen 13) ist ein Kühlkanal angedeutet, welcher innerhalb der Komponente 10 bzw. 50 und insbesondere innerhalb einer solchen Rippe 12b verlaufen kann, um die Komponente im Betrieb zuverlässig durch eine Fluidkühlung zu kühlen.
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7 deutet lediglich schematisch eine Turbine 60 an. Die Turbine 60 kann eine Industriegasturbine oder eine stationäre Gasturbine zur Energieerzeugung darstellen. Die Turbine 60 weist einen Leitschaufelkranz bzw. eine Anordnung von Turbinenleitschaufel 50 auf. Die Turbinenleitschaufel 50 sind vorzugsweise mit erfindungsgemäßen Plattformelementen versehen, insbesondere mit den erfindungsgemäßen sickenartigen Vertiefungen und Rippen ausgestattet, um die Schaufeln, als auch die Turbine 60 mit den erfindungsgemäßen technischen Verbesserungen auszustatten. Weiterhin weist die Turbine einen Rotor 70 auf, welcher lediglich angedeutet ist.
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8 fasst die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte des vorgestellten additiven Herstellungsverfahrens zusammen.
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Das Verfahren umfasst, a), das Bereitstellen einer Geometrie der Plattformstruktur 10, wobei die Plattformstruktur 10 sickenartige Vertiefungen 11 aufweist, die durch Rippen 12 voneinander getrennt sind, wobei die Vertiefungen 11 angeordnet und ausgebildet sind, eine Festigkeit der Plattformstruktur 10 in ihrem bestimmungsgemäßen Betrieb bei gleichzeitiger Massereduktion zu erhöhen.
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Das Verfahren umfasst weiterhin, b), das additive Herstellen der Plattformstruktur 10 gemäß der bereitgestellten Geometrie durch selektives Bestrahlen eines Rohmaterials P aus einem Pulverbett, wie anhand von den 1 und 4 angedeutet.
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Die beschriebenen Verfahrensschritte a) und b) können ebenfalls im Wege einer Computerimplementierung vollständig oder teilweise durch einen Prozessor oder Mittel zur Datenverarbeitung durch- oder ausgeführt werden, beispielsweise durch eine Steuerung bzw. einen Computer einer entsprechenden additiven Herstellungsanlage (vergleiche 1).
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Optional kann das beschriebene Verfahren das Entfernen von Stützstrukturen (vergleiche Bezugszeichen c) und 2 in 4) zum mechanischen und oder thermischen Unterstützen von überhängenden Bereichen nach dem selektiven Bestrahlen bzw. dem eigentlichen additiven Aufbau umfassen. Weiterhin kann die so erhaltene Komponente mechanisch und/oder thermischen nachbearbeitet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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