DE19740502A1 - Verfahren zur Herstellung von Bauteilen mit einem oberflächennahen Durchfluß- und Verteilungssystem für Flüssigkeiten und/oder Gase - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen mit einem oberflächennahen Durchfluß- und Vertei­ lungssystem für Flüssigkeiten und/oder Gase, insbesondere zur Kühlung, Heizung oder Schmierung der Bauteile.

Durchflußsysteme in Bauteilen sind insbesondere als Kühlkanäle bekannt. Gasförmige oder flüssige Kühlmittel, die ggf. während des Kühlprozesses verdampfen, nehmen auf ihrem Weg durch innere Kanäle des Bauteils dessen Wärmeenergie auf und werden anschließend in einem Rückkühler zurückgekühlt. Die Beispiele für derartige Kühlsysteme in der Technik sind vielfältig, seien es elektrische Maschinen, Turbinen, Ver­ brennungsmotoren, Werkzeuge, z. B. Spritzgießwerkzeuge und viele andere mehr.

Die Kühlkanäle werden im Prozeß der Fertigung des Bauteils mit eingebracht, z. B. eingegossen, eingefräst oder sie lie­ gen als Röhren vor, die in das Bauteil eingelegt und bei­ spielsweise verschweißt werden.

Unabhängig von der Art der Herstellung haben solche Art Kühlsysteme in jedem Fall dann Nachteile, wenn es sich um Bauteile handelt, die an ihrer Oberfläche mechanisch und/oder thermisch stark belastet werden.

Werden die Kühlkanäle eingegossen, können sie nur unter Belassung eines genügend hohen Abstandes zur Außenfläche des Bauteils eingebracht werden, damit eine genügende Material­ stärke verbleibt, da mit gießtechnischen Methoden nur sehr grobe Kanalstrukturen, d. h. entsprechend große Kanäle zu realisieren sind. Das hat aber den Nachteil, daß der Wärme­ transportweg entsprechend hoch ist und sich so große Tempe­ raturunterschiede zwischen der Oberfläche des Bauteils und seinem inneren Bereich ausbilden.

Werden die Kühlkanäle eingefräst, muß das Bauteil aus mehre­ ren Teilen gefertigt werden, die dann anschließend zusammen­ gefügt werden, was neben den Fertigungsproblemen auch Probleme der Abdichtung und der äußeren Maßhaltigkeit mit sich bringt. Hierbei müssen außerdem ebenfalls bestimmte Mindestmaterialstärken eingehalten werden.

Aus der DE 38 03 534 C1 ist ein Verdunstungskühler bekannt, bei dem auf der Außenseite eines Körpers nach dem Vorbild menschlicher oder tierischer Haut eine Kühlflüssigkeit ver­ dampft, die über eine innere Leitung in dem Körper zugeführt wird, nachdem sie die abzuführende Wärme aus dem Inneren des Körpers aufgenommen hat. Um eine große Verdunstungsfläche zu bilden, wird auf die Außenseite des Körpers eine Kapillar­ schicht aufgebracht, die über Verbindungskanäle mit der inneren Leitung verbunden ist. Die Kapillarschicht muß noch mit einer feinporigen, aus nichtbenetzbarem Material beste­ henden Sperrschicht sowie einer mechanischen Stützschicht überzogen werden. Die Lösung ist insbesondere für Kühlein­ richtungen in Weltraumfahrzeugen vorgesehen. Sie mag für derartige Zwecke auch geeignet sein, erweist sich für "irdische" Anwendungen jedoch als unzulänglich, da sie nicht die Herstellung von Bauteilen mit maßhaltigen Außenkonturen erlaubt und die außen aufgebrachten Schichten empfindlich gegenüber allen mechanischen Belastungen sind.

Oberflächennahe Durchfluß- oder Verteilungssysteme werden außer für Kühlzwecke auch für andere Zwecke in der Technik benötigt, wo beispielsweise Flüssigkeiten oder Gase an der Oberfläche eines Bauteils wirken sollen.

Statt zur Kühlung können die Kanäle auch zur Heizung vorge­ sehen sein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, daß die Herstellung oberflächennaher Durchfluß- und Verteilungssysteme in mechanisch und thermisch hochbe­ lastbaren Bauteilen bei einteiligem Aufbau der Bauteile erlaubt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Grundkörper des Bauteils an seiner Oberfläche mit einer Kanalstruktur versehen wird, auf die mittels generativer oder urformender Fertigungsverfahren eine dichte, poröse oder strukturiert dicht-poröse, die Kanäle des Grundkörpers überbrückende Deckschicht aufgebracht wird.

Die Kanalstruktur kann in den Grundkörper z. B. durch Schmieden oder Fräsen eingebracht werden, sie kann aber auch dadurch hergestellt werden, daß auf dem Grundkörper mittels generativer oder urformender Fertigungsverfahren Stege gebildet werden.

Unter einem urformenden Fertigungsverfahren wird hierbei das Aufbringen einer zusammenhängenden Schicht in einem Arbeits­ gang, z. B. mittels Gießen verstanden. Bei einem generativen Fertigungsverfahren werden mehrere dünne Schichten überein­ ander aufgetragen und miteinander verbunden. Als generative Verfahren kommen bevorzugt Auftragsschweißen, Lasergenerie­ ren oder Lasersintern in Frage.

Wird zunächst eine dichte Deckschicht aufgebracht, kann diese nachträglich mit Mikroporen versehen werden, z. B. mittels Laserstrahl-, Elektronenstrahl- oder mechanischem Bohren.

Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbei­ spielen näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnun­ gen zeigen

Fig. 1a-1c die einzelnen Schritte des erfindungsge­ mäßen Verfahrens,

Fig. 2 den Aufbau eines Bauteils mit poröser Deckschicht,

Fig. 3 den Aufbau eines Bauteils mit dichter Deckschicht,

Fig. 4 ein Beispiel für eine Anwendung im Werk­ zeugbau,

Fig. 5 ein Beispiel für eine Anwendung im Tur­ binenbau und

Fig. 6 ein Beispiel für eine Anwendung bei Gleitlagern.

Die Fig. 1a-1c zeigen schematisch die Schritte für den Fer­ tigungsprozeß eines Bauteils mit einem oberflächennahen Durchfluß- und Verteilungssystem. Den Kern des Bauteils bil­ det ein Grundkörper 1, der auf herkömmliche Weise durch Schmieden, Fräsen, auf gießtechnischem Weg oder bereits mit Hilfe eines generativen Fertigungsverfahrens hergestellt werden kann. Auf den Grundkörper 1 werden nun mit einem urformenden oder generativen Fertigungsverfahren Stege 2 aufgebracht, die zwischen sich die späteren Flüssig­ keitskanäle 3 belassen. Die Dimensionierung der Flüssig­ keitskanäle 3 respektive der Stege 2 ist im starken Maße von der gewünschten Kühlleistung wie auch von der Geometrie des Bauteils abhängig.

Als Fertigungsverfahren kommen hierfür herkömmliche Verfah­ ren wie Gießen oder Auftragschweißen in Betracht. Alternativ dazu können Verfahren angewendet werden, die unter dem Ober­ begriff "rapid tooling" bekannt sind. Hierzu gehört insbe­ sondere das Lasergenerieren und das "controlled metal build up", das in einer Kombination von Lasergenerieren und Fräsen besteht, sowie das Lasersintern.

Beim Lasergenerieren wird ein Sinterpulver lokal auf die Oberfläche eines Grundkörpers 1 aufgebracht und mittels Laserstrahl in ähnlicher Weise wie beim Auftragsschweißen aufgeschmolzen, so daß eine Art Schweißraupe entsteht. Durch Auftragen mehrerer Schichten lassen sich die Stege 2 bilden. Eine scharfe Randstruktur kann nachträglich durch Fräsen erzielt werden.

Beim Lasersintern wird schichtweise ein Sinterpulver flächig auf die Oberfläche eines Grundkörpers 1 aufgetragen und selektiv an den Stellen, die später Stege 2 oder ähnliches bilden sollen, mittels Laserstrahl aufgeschmolzen. In den späteren Kanälen bleibt das Sinterpulver zunächst lose lie­ gen. Zur Steuerung des Lasers können CAD-Daten des Bauteils direkt herangezogen werden. Die Pulverschichten werden mit dem Laser gemäß den zugehörigen CAD-Daten lokal verfestigt und somit das Bauteil Schicht für Schicht aufgebaut.

Als Sinterpulver kommen Pulver mit Bindermaterialien oder Einkomponentenpulver in Frage. Pulver mit Bindermaterialien können z. B. mit Polymerbinder umhüllte Metallpulver, bei­ spielsweise Stahlpulver, oder Mehrkomponenten-Pulver mit metallischem Binder sein, wobei eine niedrigschmelzende metallische Komponente mechanisch mit der hochschmelzenden Komponente vermischt wird. Als Einkomponentenpulver haben sich z. B. Edelstahl- oder Bronzepulver als sinterfähig erwiesen.

Auf die Stege 2 wird nachfolgend eine die Flüssigkeitskanäle 3 überbrückende Deckschicht 4 aufgebracht, die in Abhängig­ keit von dem Verwendungszweck des Bauteils 100%ig dicht sein kann, deren Dichte aber auch so reduziert sein kann, daß ein Durchfluß der in den Flüssigkeitskanälen 3 fließenden Flüs­ sigkeit ermöglicht wird. Die Flüssigkeit kann eine Kühlflüs­ sigkeit und im Fall einer porösen Deckschicht 4 auch ein flüssiges Schmiermittel sein.

Die Deckschicht 4 wird beispielsweise wiederum mittels eines herkömmlichen Verfahrens wie Gießen oder Auftragsschweißen aufgebracht. Bei einem Gießprozeß müssen die Flüssig­ keitskanäle 3 mit einem später herauslösbaren Substrat (Wachs, Keramik etc.) verfüllt werden. Beim Auftrags­ schweißen werden die Flüssigkeitskanäle 3 zunächst ebenfalls mit einem später herauslösbaren Material, z. B. Sinterpulver, gefüllt, um sie überbrücken zu können. Das lose Sinterpulver wird anschließend wieder entfernt.

Ähnlich wird beim Lasergenerieren vorgegangen, indem, wie Fig. 1c zeigt, die Deckschicht 4 schichtweise auf die Stege 2 und die noch mit Sinterpulver gefüllten Flüssigkeitskanäle 3 mittels Laserlicht aufgeschmolzen wird.

Während beim Gießen oder Auftragsschweißen eine dichte Deck­ schicht 4, die ggf. später noch durch Mikrobohren (Laser­ strahl-, Elektronenstrahl-, mechanisches Bohren) mit Mikro­ poren versehen werden kann, eignet sich das Lasersintern vor allem zum Erzeugen einer mehr oder weniger porösen Deck­ schicht. Soll eine durchlässige Oberfläche erzeugt werden, gelangt deshalb das indirekte Lasersintern zum Einsatz. Hierbei werden mit Polymer oder niedrigschmelzendem Metall gecoatete Pulver eingesetzt. Nach Ausbrennen des Binders und Verbinden der Basispartikel untereinander bleiben Freiräume zwischen den Partikeln zurück. Die Dichten der Werkstoff­ schicht können in diesem Prozeß je nach gewünschter Durch­ flußmenge von 10% bis 100% eingestellt werden.

In Fig. 2 ist eine poröse Deckschicht 4 gezeigt, die von einem in dem Flüssigkeitskanal 3 fließenden Kühl- oder Schmiermittel durchdrungen wird. Um eine gleichmäßige Ver­ teilung an der äußeren Oberfläche zu erreichen, sind. In die­ sem Fall bereits die Stege 2 porös gestaltet. Der Aufbau der Stege 2 und der Deckschicht 4 geschieht in einem zusammen­ hängenden Arbeitsgang, indem schrittweise Sinterpulver auf den Grundkörper 1 aufgetragen wird und dann zunächst selek­ tiv zu Stegen 2 und später ganzflächig zur Deckschicht 4 verschmolzen wird.

Wird eine durch Gießen oder Auftragsschweißen hergestellte dichte Deckschicht erst nachfolgend mit Mikroporen versehen, so sollten die Bohrungsdurchmesser im Sub-Millimeterbereich liegen. Minimale Bohrungen liegen im Nanometerbereich.

Fig. 3 zeigt eine dichte Deckschicht 4, die mittels Laser­ sintern auf ähnliche Weise wie die Anordnung nach Fig. 2 hergestellt werden kann, nur daß hierbei binderloses Sinter­ pulver benutzt wird, das miteinander fest verschmilzt, oder daß der Binder nicht ausgebrannt wird, sondern nur zum Ver­ schmelzen gebracht wird.

Die Flüssigkeitskanäle 3 können, wie Fig. 3 zeigt, für eine oberflächennahe Flüssigkeitskühlung mittels Verdampfung, wie sie im Prinzip aus herkömmlichen Kühlsystemen bekannt ist, genutzt werden. Die Erfindung erschließt jedoch weitere, völlig neue Anwendungsgebiete. So können die oberflächenna­ hen Kanäle in Verbindung mit einer porösen Deckschicht 4 dazu dienen, ein Kühlsystem aufzubauen, das ähnlich der men­ schlichen oder tierischen Haut eine Kühlung durch die Ver­ dampfung von innen durchströmender Kühlflüssigkeit bewirkt. Ein solches Kühlsystem ist mit der eingangs geschilderten Anordnung zur Verdampfungskühlung vergleichbar, hat aber den Vorteil, daß die äußere Deckschicht 4 eine feste Schicht ist, die durch Schleifen, Polieren, Schichtfräsen oder eine Finishoperation eine gewünschte hohe Oberflächengüte und Formgenauigkeit erhält.

Die Härte und Verschleißfestigkeit der Deckschicht 4 kann durch entsprechende Materialauswahl in einem weiten Bereich variieren. So kann die Deckschicht 4 beispielsweise aus Inconel gefertigt werden, während für die darunterliegenden Schichten aus wirtschaftlichen Gründen auf Stahlwerkstoffe zurückgegriffen wird.

Hinsichtlich der einsetzbaren Werkstoffe ist die Herstellung keineswegs an metallische Werkstoffe gebunden. Auch Kerami­ ken oder Kunststoffe können in gleicher Weise verarbeitet werden. Vorteilhaft durch den schichtweisen Aufbau ist auch, daß in den einzelnen Schichten unterschiedliche Werkstoffe Verwendung finden können. Auf diese Weise lassen sich daher auch Verbundbauteile herstellen.

Die oberflächennahen Kanäle sind in Verbindung mit einer porösen Deckschicht 4 auch nicht auf die Verwendung als Kühlkanäle beschränkt. Durch die Kanäle kann auch ein Schmiermittel geleitet werden, das die Deckschicht 4 auf der gesamten Fläche gleichmäßig durchdringt und für einen voll­ flächigen Schmierfilm sorgt oder es können Flüssigkeiten, die gleichzeitig als Schmier- und Kühlmittel, beispielsweise für Schleifwerkzeuge, dienen, an die Oberfläche des Bauteils gebracht werden.

Die Oberfläche der Deckschicht 4 kann nur teilweise porös sein, so daß sich auch Strukturen auf der Oberfläche bilden lassen, die das Bauteil z. B. zum Drucken geeignet sein lassen.

Durch eine poröse Deckschicht 4 können auch Gase flächig verteilt werden.

Die in den Fig. 4-6 gezeigten weiteren Beispiele repräsen­ tieren einzelne Anwendungsgebiete aus einer Fülle von Anwen­ dungsmöglichkeiten.

Fig. 4 zeigt die oberflächennahe Kühlung eines Werkzeuges 5, daß mit Kavitäten 6 versehen ist. Die Deckschicht 4 ist in diesem Fall als dichte Schicht aufgebracht. Dadurch, daß die mit dem Verfahren hergestellten Flüssigkeitskanäle 3 stets der Oberflächenkontur des Bauteils folgen, wird die Oberflä­ chenkühlung von Formteilen ermöglicht, die mit bisherigen Methoden an diesen Stellen nur ungenügend gekühlt werden konnten.

Fig. 5 zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine Turbi­ nenschaufel. Auf einen Grundkörper 1 werden mittels der "controlled metal build up"-Methode durch Aufbringen von Stegen 2 eine Kühlkanalstruktur erzeugt, d. h. es werden mit­ tels Lasergenerieren Stege 2 in mehreren Schichten aufge­ schmolzen und anschließend maßgenau nachgefräst. Dabei kann bereits ein härteres Material als das für den Grundkörper verwendet werden. Anschließend wird mittels Lasersintern eine poröse Deckschicht 4 wiederum in mehreren Lagen aufge­ tragen.

Im Betrieb der Turbinenschaufel erfolgt von innen her durch einen inneren Zuführkanal die Zuleitung eines flüssigen Kühlmittels zu den einzelnen Flüssigkeitskanälen 3, bei­ spielsweise Wasser. Von den Flüssigkeitskanälen 3 aus tritt das Wasser durch die poröse Deckschicht 4 hindurch. Die Porösität der Deckschicht 4 kann entsprechend den unter­ schiedlichen Temperaturbelastungen an beiden Schaufelseiten unterschiedlich sein. Sie kann außerdem radial nach außen abnehmen, da hier die größeren Fliehkräfte herrschen, die einen höheren Druck im Wasser bewirken. Die unterschiedliche Porösität läßt sich beim Lasersintern leicht durch die Bestrahlungsintensität steuern.

Fig. 6 zeigt ein Beispiel für die Schmierung eines Gleitla­ gers. Die Stege 2 werden in diesem Fall als nicht poröse Schichten aufgebracht, die Deckschicht 4 ist porös und aus einem verschleißfesten Material. Der Schmierfilm zwischen dem Bauteil und dem Reibpartner 7 wird konstant aufrechter­ halten und kann durch die Kanten des Reibpartners 7 nicht weggeschoben werden, ohne daß er sofort wieder ersetzt wird.

Claims (11)

1. Verfahren zur Herstellung von Bauteilen mit einem oberflächennahen Durchfluß- und Verteilungssystem für Flüs­ sigkeiten und/oder Gase, insbesondere zur Kühlung, Heizung oder Schmierung des Bauteils, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper des Bauteils an seiner Oberfläche mit einer Kanalstruktur versehen wird, auf die mittels generativer oder urformender Fertigungsverfahren eine dichte, poröse oder strukturiert dicht-poröse, die Kanäle des Grundkörpers überbrückende Deckschicht aufgebracht wird.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Bildung der Kanalstruktur auf dem Grund­ körper mittels generativer oder urformender Fer­ tigungsverfahren Stege gebildet werden.

3. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Stege durch Gießen aufgebracht werden.

4. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Stege durch Auftragsschweißen aufgebracht werden.

5. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Stege durch Lasergenerieren aufgebracht werden.

6. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Stege durch Lasersintern aufgebracht werden.

7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht durch Gießen aufgebracht wird.

8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht durch Auftrags­ schweißen aufgebracht wird.

9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht durch Lasergene­ rieren aufgebracht wird.

10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht durch Lasersin­ tern aufgebracht wird.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine dichte Deckschicht nach­ träglich mit Mikroporen versehen wird.