DE102021202852A1 - Additively manufactured fluid-permeable material structure - Google Patents

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Abstract

Es wird eine additiv hergestellte Materialstruktur (10) für eine Turbinenkomponente (20, 30) angegeben, wobei die Materialstruktur (10) ein massives Materialgitter (11) umfasst und ein poröses Funktionsmaterial (12), wobei das Funktionsmaterial (12) in Gitterzwischenräumen (13) des Materialgitters (11) angeordnet und wobei das Funktionsmaterial (12) während eines bestimmungsgemäßen Einsatzes der Komponente von einem Fluid (F) durchströmbar ausgebildet ist. Weiterhin wird eine entsprechende Turbinenkomponente sowie ein Verfahren und ein Computerprogrammprodukt zur Herstellung der Materialstruktur (10) angegeben, wobei für das massive Materialgitter (11) Aufbauparametern (V, p, v, o, a, d) für ein Vollmaterial, und wobei für das Funktionsmaterial porositätserzeugende Aufbauparameter (V, p, v) gewählt werden.An additively produced material structure (10) for a turbine component (20, 30) is specified, the material structure (10) comprising a solid material lattice (11) and a porous functional material (12), the functional material (12) in lattice interstices (13 ) of the material grid (11) and wherein the functional material (12) is designed so that a fluid (F) can flow through it during intended use of the component. Furthermore, a corresponding turbine component as well as a method and a computer program product for producing the material structure (10) are specified, with construction parameters (V, p, v, o, a, d) for a solid material for the solid material lattice (11) and with for the Functional material porosity-generating structure parameters (V, p, v) are selected.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine additiv hergestellte oder herstellbare hermisch hochbelastete Turbinenkomponente, sowie ein Material- oder Verbundstruktur für eine, insbesondere mechanisch und/oder tentsprechendes Herstellungsverfahren. Weiterhin betrifft die Erfindung die Turbinenkomponente selbst sowie ein Computerprogrammprodukt, enthaltend Herstellungsanweisungen, mit denen das Verfahren durchgeführt werden kann.The present invention relates to an additively manufactured or manufacturable turbine component that is subjected to high thermal loads, and also to a material or composite structure for a particularly mechanical and/or corresponding manufacturing method. Furthermore, the invention relates to the turbine component itself and a computer program product containing manufacturing instructions with which the method can be carried out.

Die Komponente ist vorzugsweise für den Einsatz im Heißgaspfad einer Gasturbine vorgesehen. Beispielsweise betrifft das Bauteil eine zu kühlende Komponente. Alternativ oder zusätzlich kann es sich bei dem Bauteil um eine Komponente für den Einsatz in der Automobilität oder im Luftfahrtsektor handeln.The component is preferably intended for use in the hot gas path of a gas turbine. For example, the component relates to a component to be cooled. Alternatively or additionally, the component can be a component for use in automobiles or in the aviation sector.

Hochleistungs-Maschinenkomponenten sind Gegenstand stetiger Verbesserung, um insbesondere ihre Effizienz im Einsatz zu steigern. Bei Wärmekraftmaschinen, insbesondere Gasturbinen, führt dies allerdings unter anderem zu immer höheren Einsatztemperaturen. Die metallischen Materialien und das Komponentendesign hochbelastbarer Bauteile, wie Turbinenlaufschaufeln oder anderen Heißgasteilen werden ständig hinsichtlich ihrer Festigkeit, Lebensdauer, Kriechbelastbarkeit und thermomechanischer Ermüdung, verbessert.High-performance machine components are the subject of constant improvement, in particular to increase their efficiency in use. In the case of heat engines, in particular gas turbines, however, this leads, among other things, to ever higher operating temperatures. The metallic materials and the component design of heavy-duty components such as turbine blades or other hot gas parts are constantly being improved in terms of their strength, service life, creep resistance and thermomechanical fatigue.

Die generative oder additive Fertigung wird aufgrund technischer Weiterentwicklung zunehmend interessant auch für die Serienherstellung der oben genannten Bauteile, wie beispielsweise Turbinenschaufeln oder Brennerkomponenten. Additive Fertigungsverfahren (AM: „additive manufacturing“) haben sich insbesondere 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.Due to technical advances, generative or additive manufacturing is also becoming increasingly interesting for the series production of the above-mentioned components, such as turbine blades or burner components. Additive manufacturing processes (AM: "additive manufacturing") have proven to be particularly advantageous for complex or filigree components, for example labyrinth-like structures, cooling structures and/or lightweight structures. In particular, additive manufacturing is advantageous due to a particularly short chain of process steps, since a manufacturing or manufacturing step of a component can be carried out largely on the basis of a corresponding CAD file and the selection of corresponding manufacturing parameters.

Ein Verfahren zum selektiven Laserschmelzen mit gepulster Bestrahlung ist beispielsweise bekannt aus EP 3 022 008 B1 .A method for selective laser melting with pulsed radiation is known, for example, from EP 3 022 008 B1 .

Additive Herstellungsverfahren, umgangssprachlich auch als 3D-Druck bezeichnet, umfassen beispielsweise als Pulverbettverfahren das selektive Laserschmelzen (SLM) oder Lasersintern (SLS), oder das Elektronenstrahlschmelzen (EBM).Additive manufacturing processes, also known colloquially as 3D printing, include, for example, selective laser melting (SLM) or laser sintering (SLS) or electron beam melting (EBM) as powder bed processes.

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. Auf konventionelle Art, beispielsweise gusstechnisch, hergestellte Komponenten stehen der additiven Fertigungsroute, beispielsweise hinsichtlich ihrer Formgebungsfreiheit und auch in Bezug auf die erforderliche Durchlaufzeit und den damit verbundenen hohen Kosten sowie dem fertigungstechnischen Aufwand, deutlich nach.The production of gas turbine blades using the described powder bed-based process (LPBF for “Laser Powder Bed Fusion”) advantageously enables the implementation of new geometries, concepts, solutions and/or designs that reduce the manufacturing costs or the construction and throughput time, optimize the manufacturing process and, for example, improve a thermo-mechanical design or durability of the components. Components manufactured in a conventional way, for example by casting, are significantly inferior to the additive manufacturing route, for example in terms of their freedom of shape and also in relation to the required throughput time and the associated high costs and the manufacturing effort.

Durch den Pulverbettprozess entstehen in der Bauteilstruktur inhärent jedoch hohe thermische Spannungen. Insbesondere führen zu kurz bemessene Bestrahlungswege oder -vektoren zu starken Überhitzungen, die wiederum zum Verzug der Struktur führen. Ein starker Verzug während des Aufbauprozesses führt leicht zu strukturellen Ablösungen, thermischen Verformungen oder geometrischen Abweichungen außerhalb zulässiger Toleranz.However, the powder bed process inherently creates high thermal stresses in the component structure. In particular, irradiation paths or vectors that are too short lead to severe overheating, which in turn leads to distortion of the structure. Severe warping during the build process easily leads to structural delamination, thermal distortion, or geometric deviations outside of allowable tolerances.

Dennoch ermöglicht die additive Fertigung, beispielsweise via LPBF, sogar die Herstellung von porösen Strukturen, welche beispielsweise im Einsatz der entsprechenden Komponente eine effiziente Kühlung oder Durchströmbarkeit für ein Fluid, ermöglichen. Im Vergleich zu additiv erzeugten Vollmaterialstrukturen können diese (porösen) oder funktionalen Strukturen durch ihren verringerten Materialanteil aber weniger mechanische Last aufnehmen. Dies führt üblicherweise zu einem nur beschränkten Einsatz und Betrieb der Komponente.Nevertheless, additive manufacturing, for example via LPBF, even enables the production of porous structures, which, for example, enable efficient cooling or the ability for a fluid to flow through when the corresponding component is used. Compared to additively produced solid material structures, these (porous) or functional structures can absorb less mechanical load due to their reduced material content. This usually results in limited use and operation of the component.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Mittel für eine neuartige additiv hergestellte Materialstruktur anzugeben, mit der die genannten technischen Schwierigkeiten überwunden werden können. Insbesondere soll durch die vorgestellte Materialstruktur eine Lösung für Kühl- und/oder Dämpfungskonzepte in hochbelasteten Bauteilen angegeben werden, wobei entsprechende aus diesem Material erzeugte Komponenten mechanisch und/oder thermisch gleichzeitig hinreichend belastbar sind.It is therefore an object of the present invention to specify means for a novel additively manufactured material structure with which the technical difficulties mentioned can be overcome. In particular, the material structure presented is intended to provide a solution for cooling and/or damping concepts in highly stressed components, with corresponding components produced from this material being able to withstand sufficient mechanical and/or thermal loads at the same time.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.This object is solved by the subject matter of the independent patent claims. Advantageous configurations are the subject matter of the dependent patent claims.

Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine additiv hergestellte Materialstruktur für eine Komponente, insbesondere eine Turbinenkomponente, wobei die Materialstruktur ein massives Materialgitter umfasst und ein poröses Funktionsmaterial, wobei das Funktionsmaterial weiterhin in Gitterzwischenräumen des Materialgitters angeordnet ist und wobei das Funktionsmaterial während eines bestimmungsgemäßen Einsatzes der Komponente von einem Fluid, wie einem Kühlfluid, durchströmbar ausgebildet ist. Vorzugsweise sorgt das massive Materialgitter für verbesserte mechanische Eigenschaften, wie eine gesteigerte Festigkeit, Bruchdehnung, oder dergleichen. Durch die Ausgestaltung der Materialstruktur können mechanische Eigenschaften der Komponenten vorteilhafterweise deutlich verbessert werden. Gleichzeitig können funktionale Eigenschaften des Materials durch dessen verbesserte Struktur verfeinert oder besser ausgenutzt werden und die additive Fertigungsroute gleichzeitig für noch komplexere Komponenten validiert werden.One aspect of the present invention relates to an additively manufactured material structure for a component, in particular a turbine core component, wherein the material structure comprises a solid material lattice and a porous functional material, wherein the functional material is also arranged in lattice interstices of the material lattice and wherein the functional material is designed so that a fluid, such as a cooling fluid, can flow through it during intended use of the component. Preferably, the solid lattice of material provides improved mechanical properties, such as increased strength, elongation at break, or the like. Mechanical properties of the components can advantageously be significantly improved by the configuration of the material structure. At the same time, functional properties of the material can be refined or better utilized thanks to its improved structure, and the additive manufacturing route can be validated for even more complex components at the same time.

In einer Ausgestaltung besteht die Materialstruktur aus einem, insbesondere regelmäßigen, stoffschlüssigen Verbund aus dem Materialgitter und dem Funktionsmaterial. Diese über das entsprechende additive Herstellungsverfahren implementierte stoffschlüssige vorteilhafte mechanische Anbindung ermöglicht gerade die ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften der Materialstruktur, umfassend eine vorteilhafte Resilienz der Struktur beispielsweise gegenüber dynamischer Belastung, bei gleichzeitiger Gewichtsreduktion.In one embodiment, the material structure consists of an, in particular regular, cohesive composite of the material lattice and the functional material. This integral, advantageous mechanical connection implemented via the corresponding additive manufacturing process enables the excellent mechanical properties of the material structure, including an advantageous resilience of the structure, for example to dynamic loads, with simultaneous weight reduction.

In einer Ausgestaltung beträgt eine Dicke oder Stärke von Gitterelementen, wie beispielsweise Gitterstreben, des Materialgitters zwischen 0,3 mm und 1 mm. Bis hinab zu dieser „Auflösung“ lässt sich die vorgeschlagene Struktur vorteilhaft ausbilden.In one configuration, a thickness or strength of lattice elements, such as lattice struts, of the material lattice is between 0.3 mm and 1 mm. The proposed structure can be developed advantageously down to this “resolution”.

In einer Ausgestaltung ist eine, beispielsweise mittlere, Porengröße von Poren des Funktionsmaterials kleiner als eine mittlere Größe oder ein mittlerer Durchmesser von Gitterelementen des Materialgitters, wie der beschriebenen Gitterstreben.In one configuration, a pore size, for example an average, of pores in the functional material is smaller than an average size or an average diameter of lattice elements of the material lattice, such as the lattice struts described.

In einer Ausgestaltung beträgt ein Gitterparameter, oder eine Gitterkonstante, beispielsweise eine Zelllänge des Materialgitters, zwischen 2 und 5 mm.In one configuration, a lattice parameter or a lattice constant, for example a cell length of the material lattice, is between 2 and 5 mm.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Turbinenkomponente umfassend die beschriebene Materialstruktur, wobei die Komponente ein Bauteil des Heißgaspfades einer Gasturbine ist, beispielsweise eine zu kühlende Komponente oder eine Dämpferkomponente. Solch eine Dämpfungskomponente kann beispielsweise ein Helmholtz-Resonator sein, insbesondere zur (thermo-akustischen) Dämpfung von Brennkammerschwingungen oder Verbrennungsinstabilitäten im Turbinenbetrieb.A further aspect of the present invention relates to a turbine component comprising the material structure described, the component being a component of the hot gas path of a gas turbine, for example a component to be cooled or a damper component. Such a damping component can be a Helmholtz resonator, for example, in particular for (thermo-acoustic) damping of combustion chamber vibrations or combustion instabilities in turbine operation.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Turbine umfassend die beschriebene Turbinenkomponente.A further aspect of the present invention relates to a turbine comprising the turbine component described.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung der Materialstruktur, wobei die Materialstruktur additiv aus einem Pulverbett aufgebaut wird, vorzugsweise durch selektives Laserschmelzen, wobei für das Materialgitter vollmaterialerzeugende Aufbauparameter und für das Funktionsmaterial porositätserzeugende Aufbauparameter gewählt werden, und wobei Bestrahlungspfade, welche für die Herstellung des Materialgitters und des Funktionsmaterials (als Teil der Aufbauparameter) gewählt werden, um ein Maß zwischen 0,2 mm und 0,5 mm überlappen. Vorteilhafterweise erlaubt das Verfahren die parametrische Einstellung von Permeabilitätseigenschaften des Funktionsmaterials und mithin eine spezifische Konfektionierung von Kühlleistung und/oder Dämpfungseigenschaften der Komponente. Weiterhin erlaubt es die additive Fertigung vorteilhaft, die mechanische Festigkeit des Materialgitters über eine entsprechende Wahl von Aufbau- oder Bestrahlungsparametern einzustellen.A further aspect of the present invention relates to a method for producing the material structure, the material structure being built up additively from a powder bed, preferably by selective laser melting, with structure parameters that produce solid material for the material lattice and structure parameters that produce porosity for the functional material being selected, and with irradiation paths which are the fabrication of the material grid and the functional material (as part of the build parameters) can be chosen to overlap by an amount between 0.2 mm and 0.5 mm. Advantageously, the method allows the parametrical setting of permeability properties of the functional material and thus a specific packaging of the cooling capacity and/or damping properties of the component. Furthermore, additive manufacturing advantageously allows the mechanical strength of the material lattice to be adjusted via a corresponding selection of construction or irradiation parameters.

In einer Ausgestaltung werden Aufbauparameter derart gewählt, dass Bestrahlungspfade, welche für die Herstellung des Materialgitters und des Fusionsmaterials gewählt werden, vollständig überlappen. Durch diese Ausgestaltung kann mit Vorteil eine besonders rigide mechanische Anbindung und/oder stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Materialgitter und dem Funktionsmaterial hergestellt werden.In one embodiment, construction parameters are chosen in such a way that radiation paths, which are chosen for the production of the material grid and the fusion material, completely overlap. This configuration can advantageously produce a particularly rigid mechanical connection and/or material connection between the material lattice and the functional material.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Computerprogrammprodukt, umfassend Befehle, die bei der Ausführung eines entsprechenden Programms durch einen Computer, beispielsweise zur Steuerung der Bestrahlung in einer additiven Herstellungsanlage, diesen veranlassen, eine Wahl der Aufbauparameter und/oder die Ausführung der selektiven Bestrahlung eines Pulverbettes durchzuführen.A further aspect of the present invention relates to a computer program product, comprising instructions which, when a corresponding program is executed by a computer, for example for controlling the irradiation in an additive manufacturing system, cause this to select the construction parameters and/or execute the selective irradiation of a perform powder bed.

In einer Ausgestaltung betrifft das Computerprogrammprodukt Herstellungsanweisungen, gemäß denen eine additive Herstellungsanlage, beispielsweise über Mittel des CAM („Computer-Aided-Manufacturing“), durch ein entsprechendes Computerprogramm zur Herstellung des Bauteils gesteuert wird.In one embodiment, the computer program product relates to manufacturing instructions according to which an additive manufacturing system is controlled by a corresponding computer program for manufacturing the component, for example using CAM (computer-aided manufacturing) means.

Ein solches Computerprogrammprodukt, kann beispielsweise als (flüchtiges oder nicht-flüchtiges) Speicher- oder Wiedergabemedium, 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 werden oder vorliegen. Die Bereitstellung kann weiterhin zum Beispiel in einem drahtlosen Kommunikationsnetzwerk durch die Übertragung einer entsprechenden Datei mit dem Computerprogrammprodukt erfolgen. Das Computerprogrammprodukt kann Programmcode, Maschinencode bzw. numerische Steuerungsanweisungen, wie G-code und/oder andere ausführbare Programmanweisungen im Allgemeinen beinhalten. Das Computerprogrammprodukt kann weiterhin Geometriedaten und/oder Konstruktionsdaten in einem Datensatz oder Datenformat, wie einem 3D-Format bzw. als CAD-Daten enthalten bzw. ein Programm oder Programmcode zum Bereitstellen dieser Daten umfassen.Such a computer program product can, for example, be in the form of a (volatile or non-volatile) storage or playback medium, such as a memory card, a USB stick, a CD-ROM or DVD, or in the form of a downloadable file from a server and/or in a network are provided or are available. The provision can also be made, for example, in a wireless communication network by transferring a corresponding file with the computer program product. The computer program product may include program code, machine code or numerical control instructions such as G-code and/or other executable program instructions in general. The computer program product can also contain geometry data and/or design data in a data set or data format, such as a 3D format or as CAD data, or can include a program or program code for providing this data.

Ausgestaltungen, Merkmale und/oder Vorteile, die sich vorliegend auf die Materialstruktur bzw. die Komponente beziehen, können ferner direkt das additive Herstellungsverfahren oder das Computerprogrammprodukt betreffen, und umgekehrt.Configurations, features and/or advantages that relate to the material structure or the component in the present case can also directly relate to the additive manufacturing method or the computer program product, and vice versa.

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. As used herein, the term "and/or" when used in a series of two or more items means that each of the listed items can be used alone, or any combination of two or more of the listed items can be used.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren beschrieben.

  • 1 zeigt eine schematische perspektivische Abbildung einer gitterartigen Materialstruktur für eine Turbinenkomponente.
  • 2 zeigt eine schematische Aufnahme eines Teils einer erfindungsgemäßen additiv hergestellten Materialstruktur, umfassend ein Materialgitter sowie ein in Gitterzwischenräumen des Gitters angeordnetes Funktionsmaterial.
  • 3 zeigt eine zur Abbildung der 2 ähnliche Materialstruktur in einer anderen Ausgestaltung.
  • 4 zeigt beispielhafte Spannungskennlinien von additiv hergestellten Strukturen.
  • 5 deutet anhand einer schematischen Schnittansicht grundlegende Verfahrensschritte eines pulverbett-basierten additiven Herstellungsverfahrens an.
Further details of the invention are described below with reference to the figures.
  • 1 shows a schematic perspective illustration of a lattice-like material structure for a turbine component.
  • 2 shows a schematic photograph of part of an additively manufactured material structure according to the invention, comprising a material lattice and a functional material arranged in the interstices of the lattice.
  • 3 shows an illustration of the 2 similar material structure in a different configuration.
  • 4 shows exemplary voltage characteristics of additively manufactured structures.
  • 5 indicates the basic process steps of a powder bed-based additive manufacturing process using a schematic sectional view.

In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche oder gleichwirkende 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.In the exemplary embodiments and figures, elements that are the same or have the same effect can each be provided with the same reference symbols. The elements shown and their proportions to one another are not to be regarded as true to scale; instead, individual elements may be shown with exaggerated thickness or dimensions for better representation and/or better understanding.

1 zeigt schematisch eine additiv hergestellte Materialstruktur 10. Die Materialstruktur 10 ist vorzugsweise für eine Komponente 20 oder 30, vorgesehen und umfasst ein massives Materialgitter 11, welches zur mechanischen Unterstützung oder Stabilität der Struktur 10 bzw. eines Bauteilbereichs der Komponente vorgesehen ist. Vorzugsweise wird die Materialstruktur 10 in einer Turbinenkomponente 20 des Heißgaspfades einer Gasturbine 30 eingesetzt. Beispielsweise kann die Komponente 20 eine Dämpferkomponente, wie einen Helmholtz-Resonator, betreffen. Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich demgemäß bereits über die Auslegung bzw. additive Herstellung der Struktur 10 und manifestieren sich im Einsatz der Turbinenkomponente 20 bzw. sogar der übergeordneten Turbine 30, welche mit einer materialtechnisch verbesserten Turbinenkomponente 20 ausgerüstet ist. 1 1 schematically shows an additively manufactured material structure 10. The material structure 10 is preferably provided for a component 20 or 30 and comprises a solid material grid 11 which is provided for mechanical support or stability of the structure 10 or a component area of the component. The material structure 10 is preferably used in a turbine component 20 of the hot gas path of a gas turbine 30 . For example, component 20 may relate to a damper component such as a Helmholtz resonator. Accordingly, advantages of the present invention already result from the design or additive manufacturing of the structure 10 and manifest themselves in the use of the turbine component 20 or even the superordinate turbine 30, which is equipped with a turbine component 20 that is improved in terms of material technology.

Alternativ kann es sich bei der Komponente 20 um ein anderes Bauteil 20 einer Strömungsmaschine handeln. Insbesondere kann das Bauteil eine Lauf- oder Leitschaufel, ein Ringsegment, ein Brennkammer- oder Brennerteil, wie eine Brennerspitze, eine Zarge, eine Schirmung, ein Hitzeschild, eine Düse, eine Dichtung, einen Filter, eine Mündung oder Lanze, einen Stempel oder einen Wirbler bezeichnen, oder ein entsprechendes Nachrüstteil.Alternatively, the component 20 can be another part 20 of a turbomachine. In particular, the component can be a blade or vane, a ring segment, a combustion chamber or burner part, such as a burner tip, a skirt, a shield, a heat shield, a nozzle, a seal, a filter, an orifice or lance, a stamp or a designate swirlers, or a corresponding aftermarket part.

Wie anhand der Beschreibung der 5 näher erläutert, wird die Struktur 10 bzw. die ganze Komponente 20 vorzugsweise durch einen Pulverbett-Prozess, beispielsweise LPBF hergestellt.As per the description of the 5 explained in more detail, the structure 10 or the entire component 20 is preferably produced by a powder bed process, for example LPBF.

Durch den horizontalen gestrichelten Pfeil, welcher mit dem Bezugszeichen F gekennzeichnet ist, soll angedeutet werden, dass zumindest ein Bereich der Komponente 20, in dem die Materialstruktur 10 vorliegt, vorzugsweise fluid-permeable Eigenschaften aufweist und zwischen den Gitterstreben des Materialgitters 11 bestimmungsgemäß mit einem Kühlfluid durchströmt werden kann.The horizontal dashed arrow, which is identified by the reference character F, is intended to indicate that at least a region of the component 20 in which the material structure 10 is present preferably has fluid-permeable properties and between the lattice struts of the material lattice 11, as intended, with a cooling fluid can be flowed through.

Wie anhand von 2 erkenntlich, umfasst die erfindungsgemäße Materialstruktur 10 weiterhin ein poröses Funktionsmaterial 12, wobei das Funktionsmaterial 12 in Gitterzwischenräumen 13 des Materialgitters 11 angeordnet ist. Dazu wird die Materialstruktur 10 vorzugsweise aus einem stoffschlüssigen Verbund aus dem Materialgitter 11 und dem Funktionsmaterial 12 gebildet (siehe unten). How based on 2 As can be seen, the material structure 10 according to the invention also comprises a porous functional material 12, the functional material 12 being arranged in lattice interstices 13 of the material lattice 11. For this purpose, the material structure 10 is preferably formed from a cohesive composite of the material grid 11 and the functional material 12 (see below).

Eine Dicke d von Gitterstreben oder Gitterelementen des Materialgitters 11 beträgt vorzugsweise zwischen 0,3 mm und 1 mm. Dadurch lässt sich z.B. in Verbindung mit der Wahl der Gitterparameter eine optimale mechanische Festigkeit der Struktur 10 erreichen. Ein Gitterparameter a des Materialgitters 11, insbesondere eine Gitterzelllänge, beträgt vorzugsweise zwischen 2 mm und 5 mm. Eine mittlere Porengröße (in den Figuren nicht explizit gekennzeichnet) von Poren P des Funktionsmaterials 12 ist zweckmäßigerweise hingegen kleiner als eine mittlere Größe von Gitterelementen des Materialgitters 11.A thickness d of lattice struts or lattice elements of the material lattice 11 is preferably between 0.3 mm and 1 mm. In this way, for example in connection with the selection of the lattice parameters, an optimal mechanical strength of the structure 10 can be achieved. A lattice parameter a of the material lattice 11, in particular a lattice cell length, is preferably between 2 mm and 5 mm. An average pore size (not explicitly marked in the figures) of pores P of the functional material 12 is expediently smaller than an average size of lattice elements of the material lattice 11.

Die vorliegende Erfindung schlägt also eine Kombination aus Gitterstrukturen und porösen Strukturen vor. Die Erfindung kombiniert hierbei die verbesserten mechanischen Eigenschaften der Gitter und die funktionalen Eigenschaften des porösen Funktionsmaterials, z.B. hinsichtlich der beschriebenen parametrisch einstellbaren Durchströmbarkeit und funktionellen Eigenschaften. In dem zugrunde liegenden additiven Herstellungsprozess (vergleiche 5 weiter unten) werden den genannten Bereichen entsprechend unterschiedliche Prozess- oder Aufbauparameter zugewiesen. Die Gitterstrukturen 11 erhalten beispielsweise über ein entsprechendes Steuerungsprogramm oder Computerprogrammprodukt sogenannte Vollmaterialparameter, wohingegen das poröse Material mit porositätserzeugenden Aufbauparametern gefertigt wird.The present invention thus proposes a combination of lattice structures and porous structures. The invention combines the improved mechanical properties of the lattice and the functional properties of the porous functional material, for example with regard to the described parametrically adjustable flowability and functional properties. In the underlying additive manufacturing process (cf 5 below) different process or structure parameters are assigned to the mentioned areas. The lattice structures 11 are given so-called solid material parameters, for example via a corresponding control program or computer program product, whereas the porous material is manufactured with structural parameters that create porosity.

Hierbei können sich die beiden Teilstrukturen für eine gute Anbindung vollends überlagern oder nur ein Rand- oder Überlappbereich o von beispielsweise zwischen 0,2 mm und 0,5 mm überlagert oder überlappt sich. Letzteres kann über einen Überlapp von Aufbauparametern, insbesondere von Bestrahlungsvektoren (siehe weiter unten) für den Strukturaufbau bewerkstelligt werden. Die Wahl oder das Maß der Überlappung kann von der Abmessung der Gitterstreben abhängen.In this case, the two partial structures can overlap completely for a good connection, or only an edge or overlapping area o of, for example, between 0.2 mm and 0.5 mm can overlap or overlap. The latter can be accomplished via an overlap of structure parameters, in particular of irradiation vectors (see below) for the structure structure. The choice or amount of overlap may depend on the dimension of the grid braces.

Alternativ können Bestrahlungspfade, welche für die Herstellung des Materialgitters 11 und des Funktionsmaterials 12 als Teil der Aufbauparameter gewählt werden, vollständig überlappen.Alternatively, irradiation paths, which are selected as part of the construction parameters for the production of the material grid 11 and the functional material 12, can completely overlap.

3 zeigt eine zur 2 ähnliche Abbildung, welche ein alternatives Muster für die Gitterbereiche 11 und die Funktionsbereiche 12 der Materialstruktur 10 zeigt. 3 shows a to 2 similar figure showing an alternative pattern for the lattice regions 11 and the functional regions 12 of the material structure 10. FIG.

Gegenüber der 2, welche ein zweidimensionales, rechteckiges (regelmäßiges) Gitter mit entsprechenden funktionalen „Materialfüllungen“ zeigt, beschreibt 3 eine etwas komplexere Ausgestaltung, wobei runde bzw. sphärische Gitterzwischenräume 13 durch das Materialgitter 11 definiert werden, in denen dann das Funktionsmaterial 12 angeordnet ist.Opposite of 2 , which shows a two-dimensional, rectangular (regular) grid with corresponding functional “material fillings”. 3 a somewhat more complex configuration, with round or spherical lattice interstices 13 being defined by the material lattice 11, in which the functional material 12 is then arranged.

Die Eigenschaften dieses maßgeschneiderten Funktionsmaterials können über alle möglichen Prozessparameter hinweg beliebig variiert oder konfektioniert werden. Dabei ist vorgesehen, dass - anders als in den 2 und 3 dargestellt - die Materialstruktur in Wirklichkeit dreidimensional ausgebildet wird.The properties of this tailor-made functional material can be varied or customized across all possible process parameters. It is provided that - unlike in the 2 and 3 shown - the material structure is actually three-dimensional.

4 verdeutlicht anhand von Spannungs-Dehnungskennlinien dreier unterschiedlicher Strukturen die erfindungsgemäßen Vorteile der vorgestellten Materialstruktur 10, wie oben beschrieben. 4 clarifies the advantages according to the invention of the material structure 10 presented, as described above, on the basis of stress-strain characteristics of three different structures.

In der unteren Kennlinie ist der Verlauf eines porösen Materials, ohne stützendes Gerüst, d.h. ohne Materialgitter gezeigt. Es ist in 4 weiterhin zu erkennen, dass die mechanische Festigkeit bzw. Spannung S der Materialien, welche die erfindungsgemäße Materialstruktur 10 umfassen (siehe obere beiden Kennlinien), deutlich gesteigert wurde; im Fall der im rechten Teilbild gezeigten Struktur sogar um 100 % (vgl. y-Achse) .In the lower characteristic curve, the course of a porous material is shown without a supporting structure, ie without a material lattice. It is in 4 furthermore, it can be seen that the mechanical strength or tension S of the materials that comprise the material structure 10 according to the invention (see the top two characteristic curves) has been significantly increased; in the case of the structure shown on the right, even by 100% (cf. y-axis).

Weiterhin ist in 4 zu erkennen, dass die Bruchdehnung (vgl. x-Achse) für die oben rechts in der 4 gezeigte Struktur um 65 % gesteigert werden konnte, was insbesondere für schwingende oder dynamisch belastete Bauteile von besonderem Vorteil ist.Furthermore, in 4 to see that the elongation at break (cf. x-axis) for the upper right in the 4 The structure shown could be increased by 65%, which is of particular advantage for vibrating or dynamically loaded components.

Es ist zu bemerken, dass alle drei untersuchten Materialien mit den gleichen Bestrahlungsparametern für das poröse Funktionsmaterial aufgebaut wurden.It should be noted that all three materials examined were constructed with the same irradiation parameters for the porous functional material.

5 zeigt eine additive Herstellungsanlage 100. Die Anlage 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. 5 10 shows an additive manufacturing system 100. The system 100 is preferably designed as an LPBF system and for the additive construction of parts or components from a powder bed. The system 100 can in particular also relate to a system for electron beam melting.

Demgemäß weist die Anlage eine Bauplattform 6 auf. Auf der Bauplattform 6 wird eine additiv herzustellende Materialstruktur 10 für ein Bauteil 20 schichtweise aus einem Baumaterial 1 hergestellt. Letzteres wird durch ein Pulver P gebildet, welches durch eine Beschichtungseinrichtung 3 schichtweise auf der Bauplattform 6 verteilt oder aufgerakelt werden kann.Accordingly, the system has a construction platform 6 . A material structure 10 to be produced additively for a component 20 is produced in layers from a construction material 1 on the construction platform 6 . The latter is formed by a powder P, which can be distributed in layers on the construction platform 6 by a coating device 3 or can be doctored on.

Nach dem Auftragen einer jeden Pulverschicht L (vgl. Schichtdicke t) werden gemäß der vorgegebenen Geometrie des Bauteils 20 selektiv Bereiche der Schicht mit einem Energiestrahl 5, beispielsweise einem Laser oder Elektronenstrahl, von einer Bestrahlungseinrichtung 2 aufgeschmolzen und anschließend verfestigt.After the application of each powder layer L (cf. layer thickness t), according to the given geometry of the component 20, selective areas of the layer are melted with an energy beam 5, for example a laser or electron beam, from an irradiation device 2 and then solidified.

Nach jeder Schicht L wird die Bauplattform 6 vorzugsweise um ein der Schichtdicke L entsprechendes Maß abgesenkt (vgl. nach unten gerichteter Pfeil in 1). Die Dicke L beträgt üblicherweise lediglich zwischen 20 µm und 40 µm, so dass der gesamte Prozess leicht die selektive Bestrahlung von Tausenden bis hin zu Zehntausenden von Schichten umfassen kann.After each layer L, the construction platform 6 is preferably lowered by an amount corresponding to the layer thickness L (cf. arrow pointing downwards in 1 ). The thickness L is usually only between 20 µm and 40 µm, so that the entire process can easily be selectively irradiated from thousands to tens of thousands of layers.

Über die Wahl entsprechender Aufbauparameter kann gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung vorzugsweise ein Parametersatz über eine Steuerung 4, beispielsweise der Bestrahlungseinrichtung 2, herstellungstechnisch umgesetzt werden. Die Steuerung 4 kann dazu computergestützt sein und beispielsweise eine Datenverarbeitungseinrichtung oder einen Prozessor aufweisen. Die Parameter oder Anweisungen liegen vorzugsweise durch ein Computerprogrammprodukt CP vor. Dieses umfasst Befehle, die bei der Ausführung eines entsprechenden Programms durch einen Computer oder die Steuerung 4 des Strahls 5 in der Anlage 100, diesen veranlassen, eine Wahl der Aufbauparameter und/oder die Ausführung der selektiven Bestrahlung eines Pulverbettes 1 durchzuführen.According to the method of the present invention, a set of parameters can preferably be implemented in terms of production technology via a controller 4, for example of the irradiation device 2, by selecting appropriate construction parameters. For this purpose, the controller 4 can be computer-aided and have, for example, a data processing device or a processor. The parameters or instructions are preferably provided by a computer program product CP. This includes commands which, when a corresponding program is executed by a computer or the controller 4 of the beam 5 in the system 100, cause the latter to select the construction parameters and/or to carry out the selective irradiation of a powder bed 1.

Die Geometrie des Bauteils wird üblicherweise durch eine CAD Datei („Computer-Aided-Design“) festgelegt. Nach dem Einlesen einer solchen Datei in die Herstellungsanlage 100 erfordert der Prozess anschließend zunächst die Festlegung einer geeigneten Bestrahlungsstrategie beispielsweise durch Mittel des CAM, wodurch auch ein Aufteilen der Bauteilgeometrie in die einzelnen Schichten erfolgt.The geometry of the component is usually defined by a CAD file (“computer-aided design”). After such a file has been read into the manufacturing system 100, the process then first requires the definition of a suitable irradiation strategy, for example by means of the CAM, which also results in the component geometry being divided into the individual layers.

Das Verfahren ist also ein additives Verfahren zur Herstellung der Materialstruktur 10, vorzugsweise durch selektives Laserschmelzen, wobei für das massive Materialgitter 11 Aufbauparametern für ein Vollmaterial, und wobei für das Funktionsmaterial porositätserzeugende Aufbauparameter gewählt werden.The method is therefore an additive method for producing the material structure 10, preferably by selective laser melting, with structure parameters for a solid material being selected for the solid material lattice 11 and with structure parameters that create porosity being selected for the functional material.

Die genannten Parameter oder CAM-Anweisungen umfassen vorzugsweise eine Vielzahl einzelner Bestrahlungsvektoren V für die Bestrahlung einer Schicht L, ein entsprechend davon gebildetes Bestrahlungsmuster, eine Bestrahlungsgeschwindigkeit v, eine Bestrahlungsleistung p, einen Schraffur- oder Rasterabstand (nicht explizit gekennzeichnet), sowie den beschriebenen Strahl-, Raster-, oder Schmelzbadüberlapp o. Über die Festlegung dieser und ggf. weiterer Parameter kann die Komponente 20 vorteilhafterweise mit maßgeschneiderten mechanischen Eigenschaften und Permeabilitätseigenschaften ausgestattet werden.The parameters or CAM instructions mentioned preferably include a large number of individual irradiation vectors V for the irradiation of a layer L, an irradiation pattern formed accordingly, an irradiation speed v, an irradiation power p, a hatching or grid spacing (not explicitly marked), and the described beam -, grid, or melt bath overlap o. By defining these and possibly other parameters, the component 20 can advantageously be equipped with tailor-made mechanical properties and permeability properties.

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • EP 3022008 B1 [0005]EP 3022008 B1 [0005]

Claims (10)

Additiv hergestellte Materialstruktur (10) für eine Komponente (20, 30), wobei die Materialstruktur (10) ein massives Materialgitter (11) umfasst und ein poröses Funktionsmaterial (12), wobei das Funktionsmaterial (12) in Gitterzwischenräumen (13) des Materialgitters (11) angeordnet ist und wobei das Funktionsmaterial (12) während eines bestimmungsgemäßen Einsatzes der Komponente von einem Fluid (F) durchströmbar ausgebildet ist.Additively produced material structure (10) for a component (20, 30), the material structure (10) comprising a solid material lattice (11) and a porous functional material (12), the functional material (12) in lattice interstices (13) of the material lattice ( 11) and wherein the functional material (12) is designed so that a fluid (F) can flow through it during intended use of the component. Materialstruktur (10) gemäß Anspruch 1, wobei die Materialstruktur aus einem stoffschlüssigen Verbund aus dem Materialgitter (11) und dem Funktionsmaterial (12) besteht.Material structure (10) according to claim 1 , wherein the material structure consists of a cohesive composite of the material grid (11) and the functional material (12). Materialstruktur (10) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei eine Dicke (d) von Gitterelementen des Materialgitters (11) zwischen 0,3 mm und 1 mm beträgt.Material structure (10) according to claim 1 or 2 , wherein a thickness (d) of lattice elements of the material lattice (11) is between 0.3 mm and 1 mm. Materialstruktur (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine mittlere Porengröße von Poren (P) des Funktionsmaterials (12) kleiner ist als eine mittlere Größe von Gitterelementen des Materialgitters (11).Material structure (10) according to one of the preceding claims, wherein an average pore size of pores (P) of the functional material (12) is smaller than an average size of lattice elements of the material lattice (11). Materialstruktur (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Gitterparameter (a) des Materialgitters (11), insbesondere eine Gitterzelllänge, zwischen 2 mm und 5 mm beträgt.Material structure (10) according to one of the preceding claims, wherein a lattice parameter (a) of the material lattice (11), in particular a lattice cell length, is between 2 mm and 5 mm. Turbinenkomponente (20) umfassend eine Materialstruktur (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Komponente ein Bauteil des Heißgaspfades einer Gasturbine ist, beispielsweise eine Dämpferkomponente.A turbine component (20) comprising a material structure (10) according to any one of the preceding claims, wherein the component is a component of the hot gas path of a gas turbine, for example a damper component. Turbine (30) umfassend eine Turbinenkomponente (20) gemäß Anspruch 6.Turbine (30) comprising a turbine component (20) according to claim 6 . Verfahren zur Herstellung einer Materialstruktur (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Materialstruktur additiv aus einem Pulverbett (1) aufgebaut wird, vorzugsweise durch selektives Laserschmelzen, wobei für das massive Materialgitter (11) vollmaterialerzeugende Aufbauparameter (V, p, v, o), und wobei für das Funktionsmaterial porositätserzeugende Aufbauparameter (V, p, v) gewählt werden, und wobei Bestrahlungspfade (V), welche für die Herstellung des Materialgitters (11) und des Funktionsmaterials (12) gewählt werden, um ein Maß von zwischen 0,2 mm und 0,5 mm überlappen (o).Method for producing a material structure (10) according to one of the preceding claims, in which the material structure is built up additively from a powder bed (1), preferably by selective laser melting, in which construction parameters (V, p, v, o ), and where porosity-generating structure parameters (V, p, v) are selected for the functional material, and where irradiation paths (V), which are selected for the production of the material grid (11) and the functional material (12), are selected by a measure of between 0 .2 mm and 0.5 mm overlap (o). Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei Bestrahlungspfade (V), welche für die Herstellung des Materialgitters (11) und des Funktionsmaterials (12) gewählt werden, vollständig überlappen.procedure according to claim 8 , wherein irradiation paths (V), which are selected for the production of the material grid (11) and the functional material (12), completely overlap. Computerprogrammprodukt (CP), umfassend Befehle, die bei der Ausführung eines Programms durch einen Computer, beispielsweise zur Steuerung der Bestrahlung in einer additiven Herstellungsanlage (100), diesen veranlassen, eine Wahl der Aufbauparameter (V, p, v, o, a, d) und/oder die Ausführung der selektiven Bestrahlung eines Pulverbettes (1) gemäß dem Verfahren nach Anspruch 8 oder 9 durchzuführen.Computer program product (CP), comprising instructions which, when a program is executed by a computer, for example for controlling the irradiation in an additive manufacturing system (100), cause the latter to select the construction parameters (V, p, v, o, a, d ) and/or the execution of the selective irradiation of a powder bed (1) according to the method claim 8 or 9 to perform.
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