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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum additiven Herstellen bzw. 3D-Druck, einer gestützten Bauteilstruktur aus dem Pulverbett. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine verbesserte Stützstrategie für additiv herzustellende Bauteile bzw. entsprechende Strukturen, welche während der Herstellung zu starken Verspannungszuständen neigen. Weiterhin wird eine entsprechend durch das Verfahren hergestellte gestützte Bauteilstruktur angegeben.
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Diese verbesserte, insbesondere mechanische und thermische, Materialstützung im Wege der additiven Herstellung ist besonders relevant für Hochleistungs-Maschinenkomponenten, welche Gegenstand stetiger Entwicklung sind, um deren Funktionalität und/oder Einsatzgebiete zu steigern bzw. zu erweitern.
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Bei Wärmekraftmaschinen, insbesondere Gasturbinen, zielt die Entwicklung häufig auf immer höhere Einsatztemperaturen. Um beispielsweise den Herausforderungen sich wandelnder industrieller Anforderungen gerecht zu werden, erstrebt die Entwicklung insbesondere eine Festigkeitssteigerung, erhöhte thermomechanische Belastbarkeit und Lebensdauer der genannten Bauteilstrukturen.
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Die Bauteilstruktur ist vorzugsweise für den Einsatz im Heißgaspfad einer Gasturbine vorgesehen. Beispielsweise betrifft das Bauteil eine zu kühlende Komponente mit einem dünnwandigen oder filigranen Design. Alternativ oder zusätzlich kann es sich bei dem Bauteil um eine Komponente für den Einsatz in der Automobilität oder im Luftfahrtsektor handeln.
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Die generative oder additive Fertigung wird aufgrund technischer Weiterentwicklung zunehmend interessant auch für die Serienherstellung der oben genannten Bauteile, wie beispielsweise Turbinenschaufeln oder Brennerkomponenten.
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Additive Herstellungsverfahren (AM: „additive manufacturing“), umgangssprachlich auch als 3D-Druck bezeichnet, umfassen beispielsweise als Pulverbettverfahren das selektive Laserschmelzen (SLM) oder Lasersintern (SLS), oder das Elektronenstrahlschmelzen (EBM).
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Ein Verfahren zum selektiven Laserschmelzen mit gepulster Bestrahlung ist beispielsweise bekannt aus
EP 3 022 008 B1 .
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Additive Fertigungsverfahren haben sich 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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Die Herstellung von Gasturbinenschaufeln mittels der beschriebenen pulverbett-basierten Verfahren (LPBF für „Laser Powder Bed Fusion“) ermöglicht vorteilhaft die Implementierung von neuen Geometrien oder Konzepten, 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 Komponenten stehen der additiven Fertigungsroute, dagegen hinsichtlich ihrer Formgebungsfreiheit und auch in Bezug auf die erforderliche Durchlaufzeit und den damit verbundenen hohen Kosten sowie dem fertigungstechnischen Aufwand, deutlich nach.
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Durch den Pulverbettprozess entstehen in der Bauteilstruktur zwangsläufig 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 häufig zu strukturellen Ablösungen, thermischen Verformungen und/oder geometrischen Abweichungen außerhalb einer zulässigen Toleranz.
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Insbesondere bei der Verwendung von leicht zu entfernenden sogenannten „Blocksupports“ bzw. Stützstrukturen, welche sich nachträglich durch spanende oder erodierende Bearbeitung leichter als Vollmaterial bearbeiten oder entfernen lassen, kommt es regelmäßig zu Ablösungen zwischen „Support“ und Bauteil. Dies passiert vor allem an den Ecken, Rändern und/oder Kanten der zu stützenden Fläche oder Bauteilkontur. Die Folge daraus ist eine nachteilhafte Einschränkung in der Verwendbarkeit von diesen bereits bekannten Blocksupports und zur Verformung des betreffenden Bauteils, welche zu mangelhafter Geometrietreue und zum Ausschuss des Bauteils führen kann.
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Wenn die zugrunde liegende Aufbau- oder Herstellungsstrategie solche Ablösungen nicht verhindern kann, müssen die Stützstrukturen üblicherweise durch sogenannte „Volumensupports“, d.h. massive „Stützen“ aus Vollmaterial, ersetzt werden.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Stützstruktur bzw. eine verbesserte Stützung von additiv herzustellenden Bauteilen anzugeben.
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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 zum additiven Herstellen (3D-Druck) einer gestützten Bauteilstruktur aus einem Pulverbett, wobei zwischen der Bauteilstruktur und einer Aufbauplatte eine die Bauteilstruktur stützende Stützstruktur hergestellt oder vorgesehen wird. Die die Stützstruktur wird weiterhin nicht vollständig aus Vollmaterial, sondern vorzugsweise gitterartig oder mit hohl- oder Zwischenräumen, hergestellt bzw. aufgebaut, und wobei die Stützstruktur lediglich an den (lateralen) Rändern oder Kanten der Aufbauplatte Stabilisierungsstege umfasst, welche die Bauteilstruktur mit der Aufbauplatte stoffschlüssig verbinden. Ein Fachmann auf dem betreffenden technologischen Gebiet erkennt selbstverständlich, dass für die stabilisierende Wirkung der Stabilisierungsstege und den stoffschlüssigen Verbund ein Vollmaterial zumindest in gewisser zweckmäßiger Materialstärke bereitgestellt werden muss.
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Insbesondere dieser stabilisierende Verbund sorgt vorteilhafterweise dafür, eine bessere Anbindung an den im Prozess zu einer Verformung oder Materialablösung neigenden Stellen der Aufbauplatte zu erreichen, wodurch die Bauteilgeometrie vorteilhafterweise eingehalten werden kann. Mit anderen Worten sorgt die vorliegende Erfindung zweckmäßig dafür, dass es zu weniger Verformungen am Bauteil kommt und somit Materialausschuss und Herstellungsabbrüche vorteilhaft verhindert werden können. Gleichzeitig ermöglicht die vorgestellte Lösung das ebenfalls für einen additiven Aufbau essenzielle Vermeiden von allzu rigiden und schwer spanend zu bearbeitenden oder zu entfernenden Stützstrukturen. Dies gilt insbesondere für Vollmaterial, welches zum Stützen des eigentlichen Bauteils prozessinhärent aus (hochfesten) Hochleistungsmaterialien hergestellt werden muss.
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In einer Ausgestaltung werden die Stützstruktur und die Bauteilstruktur aus dem gleichen Material (additiv) aufgebaut. Wie oben angedeutet, ist diese Situation üblich, da das für beide Strukturen zu verwendende und schichtweise selektiv zu bestrahlende Material vorab in Pulverform vorliegt.
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In einer Ausgestaltung ist ein Bauteilmaterial eine, vorzugsweise ausscheidungsgehärtete oder ausscheidungshärtbare, nickel- oder kobaltbasierte Superlegierung.
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In einer Ausgestaltung umfasst das Verfahren das selektive schichtweise Aufschmelzen von metallischen Pulverschichten gemäß einer durch 3D-Daten, Konstruktionsdaten und/oder über CAD-Mittel vorbestimmten Bauteilgeometrie.
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Eine CAD-Datei oder ein entsprechendes 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.
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In einer Ausgestaltung wird die Stützstruktur - abgesehen von den Stabilisierungsstegen - gitterartig oder mit Zwischenraum, insbesondere zum vereinfachten nachträglichen Entfernen der Stützstruktur, aufgebaut. Gemäß dieser Ausgestaltung kann die Stützstruktur zweckmäßigerweise zum Großteil oder überwiegend aus „Blocksupports“ bestehen.
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In einer Ausgestaltung wird die Stützstruktur ausgebildet, eine übermäßige thermisch induzierte Verformung der Bauteilstruktur während des Herstellungsprozesses zu verhindern.
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In einer Ausgestaltung wird die Stützstruktur ausgebildet, während des Herstellungsprozesses entstehende Wärme zweckmäßig thermisch an die Aufbauplatte abzuleiten, vorzugweise derart, dass übermäßige Wärmeeinträge oder „hotspots“ während des Herstellungsprozesses zuverlässig verhindert werden.
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In einer Ausgestaltung wird die Stützstruktur nach dem additiven Aufbau des Bauteils wieder von der Aufbauplatte entfernt oder abgelöst, mithin der stoffschlüssige Verbund insbesondere durch Zerspanen oder Funkenerodieren wieder gelöst, um die Bauteilstruktur bestimmungsgemäß einzusetzen oder relevanten Nachbearbeitungsschritten zu unterziehen.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine (gestützte) Bauteilstruktur, welche nach dem beschriebenen Verfahren herstellbar oder hergestellt ist. Dementsprechend kann es sich bei der Bauteilstruktur um den Materialaufbau des Bauteils samt Stützstruktur oder auch lediglich um die Bauteilstruktur per se handeln.
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Ausgestaltungen, Merkmale und/oder Vorteile, die sich vorliegend auf das Verfahren beziehen, können ferner die (gestützte) Bauteilstruktur direkt betreffen, und umgekehrt.
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Der hier verwendete Ausdruck „und/oder“ oder „bzw.“, 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 schematisch einen additiven Aufbau einer Bauteilstruktur, wobei zwischen Bauteil und Aufbauplatte eine konventionelle Stützstruktur (Support) ausgebildet ist.
- 2 zeigt schematisch eine Situation, gemäß der die Bauteilstruktur erfindungsgemäß mit einer verbesserten Stützfunktionalität hergestellt wurde.
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In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche oder gleichwirkende Elemente jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Grö-ßenverhältnisse 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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Die in Rede stehenden additiven Herstellungsprozesse betreffen, ohne eine entsprechende Herstellungsanlage explizit zu kennzeichnen, vorzugsweise pulverbettbasierte Verfahren, wie selektives Laserschmelzen oder LPBF-Verfahren. Alternativ kann es sich bei dem Pulverbett-Verfahren um Elektronenstrahlschmelzen handelt, bei dem im Unterschied zum Laser ein Elektronenstrahl zur selektiven schichtweisen Verfestigung des Pulvers herangezogen wird.
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Diesen Verfahren ist gemein, dass die aufzubauende Struktur auf einer Aufbauplatte 2 erfolgt, was üblicherweise den stoffschlüssigen Verbund impliziert. Zwischen der eigentlichen Bauteilgeometrie 1 und der Aufbauplatte 2 kann in vielen Fällen eine Stützstruktur (vgl. im folgenden Bezugszeichen 10) vorgesehen werden, welche üblicherweise ebenfalls additiv und im Wege desselben Prozesses aus demselben Material hergestellt wird. Neben dem „thermischen Stützen“ von überhängenden, d. h. sich zum Teil über die Aufbauplatte 2 erstreckenden Bauteilbereichen, können solche Stützstrukturen 10 zum Verhindern von allzu großem (thermisch induzierten) Verzug oder Ablösen der Bauteilstruktur herangezogen werden. Die in 1 (und erfindungsgemäß teilweise in 2) gezeigte Stützstruktur 10 ist vorzugsweise gitter- oder stegartig, d.h. mit Materialzwischenräumen zum vereinfachten nachträglichen Entfernen von der Aufbauplatte 2 ausgebildet.
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Ein pulverförmiges Rohmaterial, welches üblicherweise durch eine Rakelvorrichtung schichtweise auf eine Herstellungsebene aufgetragen wird, ist der Vollständigkeit halber in den vorliegenden Figuren nicht explizit dargestellt.
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Nach dem Auftragen einer jeden Pulverschicht werden gemäß der vorgegebenen Geometrie des Bauteils 1 selektiv Bereiche der Schicht mit einem Energiestrahl, beispielsweise dem Laser oder Elektronenstrahl, aufgeschmolzen und verfestigt.
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Nach einer jeder Schicht s wird die Bauplattform 101 vorzugsweise um ein der Schichtdicke entsprechendes Maß abgesenkt.
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Durch diesen Zusammenhang kann das Bauteil effektiv entlang der vertikalen Aufbaurichtung (vgl. Bezugszeichen z in 2) schichtweise aufgebaut werden. Die Dicke der beispielhaft schematisch dargestellten Schicht s 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. Dabei können - abhängig von der üblicherweise durch eine CAD-Datei bereitgestellte Bauteilgeometrie - prozessinhärent lokal sehr hohen Temperaturgradienten, von beispielsweise 106 K/s oder mehr auftreten. Dementsprechend groß ist während des Aufbaus und danach auch ein Verspannungszustand des Bauteils, was die additiven Herstellungsprozesse erheblich verkompliziert und so zu den beschriebenen technischen Nachteilen führt.
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In 1 ist erkennbar, dass sich die Bauteilstruktur 1 an den (lateralen) Rändern des Aufbaus (vgl. links und rechts in 1 und demgegenüber Bezugszeichen 3 in 2) durch die beschriebenen Effekte von der Stützstruktur 10 bzw. mittelbar auch von der Aufbauplatte 2 löst. Durch diese Ablösung (vgl. Bezugszeichen 5) wird verhindert, dass das eigentliche Bauteil im Fortgang des Verfahrens nicht mehr hinreichend mechanisch in Form und Maß gehalten werden kann, so dass das Bauteil für seinen bestimmungsgemäßen Einsatz häufig unbrauchbar wird.
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Diese Effekte könnten verhindert werden, wenn Stützstrukturen aus Vollmaterial zum Stützen oder „Halten“ des Aufbaus auf der Aufbauplatte verwendet würden. Da es sich bei dem vorliegenden Bauteil vorzugsweise jedoch um ein Hochleistungsmaterial, beispielsweise einer ausscheidungshärtbaren Superlegierung auf Nickel- oder Kobaltbasis handelt, wird die Ablösung oder die Zerspanung solcher hochfesten Bauteile übergebührend verkompliziert. Es ist evident, dass solche Nachbearbeitungsschritte aufgrund komplizierter Bauteilgeometrien häufig manuell zu erfolgen haben und mehrere Tage dauern können, was der industrialisierten Einsatzfähigkeit additiver Prozesse direkt entgegensteht.
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Erfindungsgemäß wird nun ein Verfahren gemäß 2 vorgestellt, insbesondere ein Verfahren zum additiven Herstellen einer gestützten Bauteilstruktur 1 aus einem Pulverbett, wobei zwischen der Bauteilstruktur 1 und einer Aufbauplatte 2 eine die Bauteilstruktur stützende Stützstruktur 10 hergestellt wird, wobei die Stützstruktur 10 nicht vollständig aus Vollmaterial besteht, und wobei die Stützstruktur 10 lediglich an den Rändern 3 der Aufbauplatte 2 Stabilisierungsstege 11 umfasst, welche die Bauteilstruktur 1 mit der Aufbauplatte 2 stoffschlüssig verbinden.
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Im Gegensatz zu der Darstellung der 1 weist die erfindungsgemäße Stützstruktur Stabilisierungsstege 11 auf, welche gemäß dem vorgestellten Verfahren vorzugsweise additiv hergestellt werden. Abgesehen von den Stabilisierungsstegen kann die Stützstruktur 10 - vorzugsweise wie diejenige aus 1 - gitterartig oder mit Zwischenräumen 4 zum vereinfachten nachträglichen Entfernen der Stützstruktur 10 von der Aufbauplatte 2 aufgebaut werden.
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Die erfindungsgemäße Lösung zeichnet sich folglich durch einen zuverlässigen Stützeffekt, als auch durch eine ansatzweise ebenso einfache nachträgliche Ablösung der Stützstruktur von der Aufbauplatte aus, wie anhand der Situation aus 1 beschrieben. Als zusätzlicher vorteilhafter Effekt können die (mechanischen) Stabilisierungsstege 11 weiterhin zur zweckmäßigen Wärmedissipation oder Ableitung von Prozesswärme an die Aufbauplatte 2 beitragen.
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Bei der Bauteilstruktur bzw. dem Bauteil 1 kann es sich um ein Bauteil einer Strömungsmaschine, beispielsweise um ein Bauteil für den Heißgaspfad einer Gasturbine, 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 Resonator, einen Stempel oder einen Wirbler bezeichnen, oder einen entsprechenden Übergang, Einsatz, oder ein entsprechendes Nachrüstteil.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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