WO2018042032A1 - Verfahren zur additiven herstellung mittels poröser hilfsstruktur, bauteil und vorrichtung - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a method for additively ⁇ tive production of a component, in particular under Heranzie ⁇ hung a porous auxiliary structure, and a correspondingly manufactured or producible component.
  • the present invention further relates to a corresponding device for the additive production of the component.
  • the device is preferably provided for use in a Strö ⁇ mung machine, preferably a gas turbine.
  • the component is preferably made of a nickel or Kobaltba ⁇ sis alloy or a corresponding superalloy or comprises such an alloy. Said alloy may be precipitation hardened or precipitation hardenable.
  • the component may alternatively or additionally comprise or consist of a high-temperature-resistant and / or high-temperature-resistant alloy.
  • the component is used in a hot gas ⁇ path or hot gas region of a turbomachine, such as a gas turbine.
  • Generative or additive manufacturing processes include, for example, jet melting and / or jet welding processes. These include in particular the selective laser melting (SLM: English abbreviation for "Selective Laser Melting”) and the
  • Laser deposition welding (LMD: English abbreviation for "Laser Metal Deposition”), in particular laser powder build-up welding.
  • a method for build-up welding is known, for example, from EP 2 756 909 A1.
  • Additive manufacturing processes have proven to be particularly advantageous for complex or complicated or filigree designed components, such as labyrinthine structures, cooling structures and / or lightweight structures proven.
  • the additive manufacturing in particular by a particularly short chain of process steps advantageous because a manufacturing or manufacturing step of a component can be done directly on the basis of a corresponding CAD or computer-readable design file.
  • the complexing molecules manufacturing is particularly advantageous for the development or manufacture of prototypes that can not be produced effi cient ⁇ for example for cost reasons, by means of conventional subtractive or chipping method or casting technology or not.
  • Undercuts in the component usually have to be modeled by complicated support structures, which subsequently are expensive to remove again.
  • support structures may be dispensed with. But in any case, must be removed from ⁇ special in powder bed based methods, the powder WEL ches is not being melted to form the interior of the structure of the structure of the component again from the interior spaces. Depending on the geometry of the interior, this can sometimes be very difficult or impossible, since even unmelted powder often "sinters" due to the high temperatures or temperature gradients involved in the SLM process, thus making it even more difficult or impossible to remove the powder completely becomes . It is therefore an object of the present invention to provide means that solve the problems mentioned.
  • an alternative method for the additive construction of components is presented, with which cavities in components to be built up in an additive manner can be realized in a simplified manner.
  • the method may preferably be implemented by a laser cladding method.
  • a corresponding device for operating the method is presented, with which the stated problems can likewise be solved.
  • One aspect of the present invention relates to a method for additively manufacturing a component comprising addi ⁇ tive constructing a structure from a base material for the component by means of an additive manufacturing process, pre preferably by means of laser cladding or the "laser cladding" so-called, a special form of the laser build-up welding.
  • Said structure is preferably a, for example, cohesive, coherent structure for the component.
  • the basic material mentioned can in bar form or vorzugswei ⁇ se, in powder form.
  • the base material in the present case may be termed synonymous with the structure, it being immediately clear to the person skilled in the art that the composition of the pulverulent base or starting material may differ slightly from the solidified / structured structure.
  • the method further comprises introducing a porous auxiliary structure into an interior of the structure during the additive construction of the structure to define a functional area for the component in the interior space.
  • the fusion region may designate a cavity for the finished manufactured component.
  • the method further comprises degrading or removing, in particular melting, liquefying or destroying the dimensional stability of the porous auxiliary structure in such a way that it is removed from the functional area by heating and the functional area is freed from the auxiliary structure. It is located in the functional area, which can represent, for example, a cooling channel in the finished component, ie preferably no auxiliary structure.
  • the auxiliary structure is preferably removed at the same time at least partially from the areas of the interior or decomposed, to form the Function De ⁇ rich.
  • the porous auxiliary structure can advantageously during the additive production of the actual
  • auxiliary structure for the component and / or introduced in-situ in the additive structure, and so already during the production of a possible functional area or cavity are defined in the interior of the component.
  • the auxiliary structure is also advantageously such that it can be removed at least from the functional area by the ⁇ be required to remove easily. Not necessarily the auxiliary structure has to be removed completely ent ⁇ from the interior.
  • parts of the structure and the auxiliary structure are built up in layers alternately (additively).
  • the component can preferably be provided with a particularly complicated or filigree functional area or cavity. Executable is this
  • first of all, for example, several layers of the structure can be constructed one after the other, wherein the auxiliary structure according to the corresponding structure in the defined interior can be introduced, for example, before overhangs or undercuts of the structure are solidified.
  • the auxiliary structure is introduced into the interior or in such, for example tikwei ⁇ se, constructed such that the auxiliary structure supports the structure of the component. Accordingly, for example, those who borrowed retrospectively may with advantage zusharm ⁇ Liche support structures can not be easily removed, to dispense ver ⁇ .
  • the structure can thus provided, in particular, be arranged and designed in order to ensure a Formstabili ⁇ ty of the component or of its structure during the additive preparation.
  • the porous auxiliary structure is formed from a metal foam.
  • the porous auxiliary structure and / or the metal foam has a porosity of 30%, 40%, 60% or 70%. Most preferably, the porosity is 50%.
  • a, in particular metallic material for example a solder material
  • a pore-forming agent in particular a metal hydride, for example a titanium hydride, mixed.
  • said particular metal ⁇ metallic material is a solder material, preferably a high Tempe ⁇ raturlot.
  • said mixture to form the auxiliary structure above the melting point of the particular me ⁇ -metallic material is heated and the pore-forming agent characterized evaporated. In this way, the pores are formed for the porous (foam) material.
  • Said heating or heat is inventively described by the described beam melting or beam welding process for the additive structure of the structure, in particular the Laser- or electron beam heat of a build-up welding or
  • Processing head provided. This is done before ⁇ preferably in layers and right on the spot of the additive on ⁇ construction ( "in situ”).
  • an (auxiliary) remains the material
  • Auxiliary structure preferably after completion of the component at least partially, in the interior.
  • the porous auxiliary structure is indeed removed from the functional area by heating and the corresponding melting or liquefying of the material of the auxiliary structure.
  • more or less volume can then be available for the functional area.
  • the structure for the component is constructed such that the component has at least one input. and / or outlet which communicates with the interior
  • ⁇ SSIG when the fusion region is a cooling channel or flow channel for the component which has to be perfused with egg ⁇ nem cooling fluid for the corresponding de cooling function during operation of the component.
  • the structure is formed such that the auxiliary structure, preferably after the additive construction of the structure, can be easily removed from the interior by melting and / or liquefying and then flowing out.
  • an assembly direction for the additive structure and / or the component geometry can be selected in advance, for example by taking into account already in a corresponding data model, such that one or more inlets or outlets for the functional area simultaneously as outlets for the ( melted or ver ⁇ liquid) structural material serve.
  • the component which is manufactured and / or manufacturable according to the described method.
  • the component is a high-temperature-resistant and / or high-temperature-resistant component, in particular for use in a turbomachine, such as a gas turbine.
  • the functional area is for
  • metallic material han ⁇ delt it is preferably the above-mentioned solder or auxiliary structure material for the auxiliary structure.
  • This is preferably a pre-ver ⁇ distinct from the base material for the structural material.
  • said, in particular ⁇ special metallic material has a lower melting point than the base or structural material for the component.
  • Another aspect of the present invention relates to a device for the additive producing the component umfas ⁇ send a reservoir for separate or separated before rates of, in particular powdery base material for the construction ⁇ part, as well as the particular metallic material and ei ⁇ nes further material.
  • the further material may be a functional material, preferably the pore former mentioned.
  • the reservoir comprises three sub-reservoirs, each sub-reservoir holds only one of the materials ge ⁇ called selected from basic material, in particular metallic material and other material, or leg hold.
  • the device further comprises a machining head, which is connected to the reservoir or the sub-reservoirs, wherein the machining head is further designed to guide a welding beam, in particular a laser or electron beam ⁇ .
  • the processing head is further designed such that the base material, that, in particular metallic material and / or the further material selectively applied to a processing surface or a substrate and melt for the additive structure.
  • the materials mentioned can be mixed in the processing head. As is well known in the art, said build-up process may continue to be conducted under an inert gas atmosphere.
  • the processing head comprises a weld or fuse head with a powder feeder or Pul ⁇ verdüse as well as a laser or electron beam optics, preferably in a coaxial arrangement.
  • the device is a beam welding device and / or a beam melting device for laser deposition welding, particularly preferably for laser powder deposition welding.
  • the device comprises a conveyor for particularly fully automatic or semi-automatic selective conveying of the base material, in particular the metallic material and / or the further Ma terials in the machining head.
  • the device comprises a, in particular inductive heating device, which is designed to heat a structure of the component to a temperature of at least ⁇ 800 ° C.
  • the material of the auxiliary structure can be particularly useful, play, be removed at ent ⁇ by smelting, from the functional area.
  • FIG. 1 schematically shows a device according to the invention and, on the basis of a cross-sectional view of a component, indicates method steps of a method according to the invention carried out with the device.
  • FIG. 2 shows schematically an auxiliary structure for the additive construction of the component.
  • FIG. 3 schematically indicates a further method step of the method.
  • FIG. 4 shows by way of example a component produced according to the method.
  • FIG. 5 shows a simplified flow chart, which according to the invention indicates method steps.
  • identical or similar elements in each case with the same padszei ⁇ surfaces may be provided.
  • the illustrated elements and their proportions with each other are basically not to be regarded as true to scale, but individual elements, for better representation and / or better understanding exaggerated be shown thick or large.
  • FIG. 1 in the upper part of the illustration, simply indicates a device 20 according to the invention.
  • a structure 1 for the component 100 according to the invention is indicated by way of example.
  • the method steps of the additive structure of the structure 1 is further simplified in the flowchart of Figure 5 with the method step a).
  • the component 100 is preferably a construction ⁇ part of a nickel or superalloy or another particular high-temperature solid or harnesstemperaturbestän ⁇ ended component, in particular for use in a Strö ⁇ mung machine, such as a gas turbine.
  • the device 20 is basically a beam welding and / or beam melting device, in particular a device for laser cladding, particularly preferably for Laserpulver Lucassch resumeen or "Micro Cladding".
  • the device 20 comprises a reservoir 21.
  • the reservoir 21 preferably holds or stores powdery starting and auxiliary materials for the additive construction of the structure 1. means of the device 20.
  • the reservoir 21 can, as shown, separate into three or separate Operare ⁇ servoire there 21a, 21b and 21c may be divided one, wherein each of the sub ⁇ reservoir contains only one material. Without loading the public restriction can, for example, the Operare ⁇ servoir 21a holding a base material for the structure 1 or the component 100th
  • the sub-reservoir 21b holds or includes, for example, a, preferably metallic auxiliary material 3.
  • Auxiliary material 3 may be a filler which is similar or similar to the base material for the structure 1.
  • both materials ie the base material and the auxiliary material 3 may be metallic.
  • the respective melting points are different.
  • the melting point of the auxiliary ⁇ material 3 is lower than the melting point of the base material under normal pressure conditions.
  • the sub-reservoir 21c includes, for example, another material.
  • the further material may likewise be an auxiliary material and / or a functional material
  • the functional or further material is a pore former with which metallic foams and / or porous structures can be produced in cooperation with the auxiliary material 3.
  • the functional or further material may, for example, likewise be pulverulent or even liquid.
  • the device 20 further comprises a machining head 23, which is indicated schematically in FIG.
  • the machining head 23 is preferably tung ⁇ for guiding a welding beam 25, for example a laser or electron beam, with an optical 26th
  • the machining head 23 is further indicated to the reservoir 21, precisely with each of the sub-reservoirs 21a, 21b, 21c, so that material transported from a ent ⁇ speaking reservoir in the machining head or that (for the additive built-up) can be supplied.
  • Structure of the component 100 selectively feed via the powder nozzle 24 to a molten bath.
  • the materials for the additive structure are first mixed in the processing head 23 and then through a powder nozzle 24 analogous to the conventional
  • Laser deposition welding on a processing surface or on a substrate applied and melted for the construction by means of the welding beam 25.
  • the structure 1 for the component 100 is already (almost) completely constructed on the substrate 6.
  • the structure 1 was constructed according to the described method by means of the device 20 along a construction direction AB, preferably in layers.
  • the ge ⁇ dashed horizontal lines at the bottom of the structure 1 in figure 1 indicate this to the individual layers.
  • the layers mentioned can already be used, for example, in a data model (for example CAD and / or CAM model) for the construction of the component ("slicing") relative to it
  • Structure 1 have been shown or been present. According to the method presented (see also FIG. 5), the structure 1 is or was built up on the substrate 6 from a corresponding pulverulent base material by means of laser deposition welding.
  • an auxiliary structure 2 is preferably introduced consisting of a metal foam or ⁇ constructed.
  • the introduction of the auxiliary structure 2 is indicated below in Figure 5 by the reference numeral b), said process step in ⁇ play, simultaneously or in layers with the structure also can be carried out subsequently to this the structure 1 as.
  • a functional area FB which later becomes necessary for the component or its function during operation, is advantageously defined or delimited.
  • a plurality is also possible first quasi-three-dimensionally be constructed additively from layers of the structure 1 and a thereby defined interior or interior are then filled with the auxiliary material 3 I, are manufactured by ⁇ play, up to the instant at which an overhang 8 in the structure got to.
  • auxiliary structure 2 On the basis of the checkered display of the auxiliary structure 2 it can be seen that this is a porous material, which comprises, for example, a porosity of 50% or more ⁇ .
  • the auxiliary structure 2 has in particular the purpose of the actual structure 1 for the component for the required To support dimensional stability during additive manufacturing over the interior area I. Accordingly, the porosity can be selected to be, for example, 30%, 40%, 60%, 70% or more.
  • FIG. 2 shows an exemplary structure of the mentioned
  • the porosity may be 50%.
  • the porous auxiliary structure 2 is formed or constructed in particular by mixing the aforementioned, in particular metallic, auxiliary material 3 with the pore-forming agent, for example a metal hydride, in the processing head 23 and heating the corresponding mixture to form the auxiliary structure 2 above the melting point of the auxiliary material 3 ,
  • the pore-forming agent for example a metal hydride
  • ver ⁇ evaporated preferably the pore former, and generates the ge ⁇ desired porosity of the auxiliary structure 2.
  • the porosity, the mixing ratio of the auxiliary material 3 and pore formers and by the correspondingly introduced thermi ⁇ specific energy (laser power) are adjusted.
  • Said auxiliary material 3 is preferably a Lotmateri ⁇ al, in particular a high-temperature solder which can be degraded in a subsequent thermal step of the process described and liquefied again (see Figure 5).
  • the high temperature solder above may Cu, Co, or Ni contained ⁇ th.
  • the component is so constructed that was placed in a fold ⁇ a rectangular or square-shaped geometry of the structure 1, a sheet-like auxiliary structure 2 in an inner region I.
  • the auxiliary structure 2, and preferably DEM corresponding inner region I furthermore has on horizontally extending portions or arms which define entspre ⁇ accordingly overhangs the structure. 1
  • the interior I or the auxiliary structure 2 is covered with the actual base material again in a late construction phase until completion (compare upper area of the component 100 in FIG. 1).
  • the component 100 whose structure 1 and / or the auxiliary structure 2 introduced into the inner region I or the fusion region FB can have any individually desired shape or geometry, for example one already preceded by the construction of the component ⁇ voted form.
  • the interior region I which according to the present invention, in the meantime, ie during the production preferably completely occupied by the auxiliary ⁇ structure 2 for a cooling channel structure (not explicitly indicated) may be provided, via which the
  • Component 100 can be advantageously flowed through during operation for cooling of egg ⁇ nem cooling fluid.
  • the structure 1 is preferably constructed such that a fluid inlet and / or a corresponding outlet for the component is provided.
  • the method further comprises dismantling or removal (cf. process step c) in FIG. 5), in particular the melting or melting out of the porous material of the auxiliary structure from the fusion region FB by heating the auxiliary structure, in particular after the structure 1 has been finished, so that the functional region FB of the
  • the device 20 may have a heating device 27, which is also schematically indicated in the lower region of FIG.
  • the heating device 27.sub.20 may be an inductive device, for example an induction furnace, in order to heat the structure 1, in particular however the auxiliary structure 2, to suitably high temperatures after the described additive construction, for example in such a way that the auxiliary structure can be melted down.
  • FB temperatures Preferably, for removing the auxiliary structure from the functional range FB temperatures of about 700 ° C, preferably of over 800 ° C, more preferably reached above 900 ° C or more.
  • the heating device may be a device separate from the described device 20.
  • FIG. 3 shows the component 100 or its structure 1, the auxiliary structure 3 being removed from the functional area FB by liquefying by the described removal, in particular by means of high-temperature treatment or high-temperature soldering (cf. method steps c) in FIG. 5).
  • FIG. 3 preferably shows a complete or largely finished state of the component 100.
  • the functional area FB is preferably arranged completely in the inner area and / or provides a partial area of the inner area I.
  • the greater the porosity may fail after the function ⁇ ons Scheme FB greater because more volume (gas volume) is available due to the greater porosity to form the hollow or functional area FB.
  • the auxiliary material 3 in particular metallic, ie the melted-in material of the auxiliary structure, remains or adheres to inner walls of the structure 1 or of the inner area I.
  • the auxiliary material 3 may at least partially be provided in designated areas "pockets" (also indicated by dashed lines and denoted by reference numeral 4 in FIG. 3). are taken, in which it flows, for example, after the liquefaction ⁇ by the influence of gravity.
  • the complete assembly of the structure 1 for the component 100 may be according to the invention performed such that the component 100 has at least one inlet and / or outlet 4 on ⁇ , which is fluidly connected with the interior space I.
  • the auxiliary material can also be removed from the inner region I by means of the in and / or outlets 4 provided in the structure, and thus an even larger one
  • Said inlet and / or outlet 4 can be provided at the / the positions of the pockets or receiving areas.
  • FIG. 4 merely shows, as an exemplary embodiment, a turbine blade, for example a guide or moving blade of a gas turbine, as component 100.
  • a turbine blade for example a guide or moving blade of a gas turbine
  • component 100 At the tip of the component 100, an interior area or cavity is shown, which represents the described functional area FB.
  • the turbine blade shown can be provided with the described Ver ⁇ drive with an inner cooling channel or cavity, so that the blade can be suitably cooled, for example, for operation of the gas turbine.
  • the component 100 may, for example, another in the hot gas path of a Gasturbi ⁇ ne-applied member such as a burner or a component part of a combustion chamber wall of the turbine to be.
  • a Gasturbi ⁇ ne-applied member such as a burner or a component part of a combustion chamber wall of the turbine to be.
  • the described method and / or the corresponding component may be characterized by the additive deposition of further materials, for example oxidation protection (MCrAlX) and / or thermal barrier coatings.
  • MrAlX oxidation protection
  • thermal barrier coatings for example oxidation protection (MCrAlX) and / or thermal barrier coatings.
  • the invention is not limited by the description based on the embodiments of these, but includes each new feature and any combination of features. This includes in particular any combination of features in the patent claims, even if this feature or combination itself is not explicitly stated in the patent claims or exemplary embodiments.

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Abstract

Verfahren zur additiven Herstellung mittels poröser Hilfsstruktur, Bauteil und Vorrichtung Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Herstellung eines Bauteils (100) umfassend das additive Aufbauen einer Struktur (1) aus einem Grundmaterial für das Bauteil (100) mittels eines additiven Herstellungsverfahrens, das Einbringen einer porösen Hilfsstruktur (2) während des additiven Aufbaus der Struktur (1) in einen Innenraum (I) der Struktur (1), um einen Funktionsbereich (FB) für das Bauteil (100) in dem Innenraum (I) zu definieren, und das Abbauen, insbesondere Schmelzen, der porösen Hilfsstruktur (2) aus dem Funktionsbereich (FB) durch Erwärmen der Hilfsstruktur (2), sodass der Funktionsbereich (FB) von der Hilfsstruktur (2) befreit wird. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein entsprechend hergestelltes Bauteil sowie eine entsprechende Vorrichtung.

Description

Beschreibung
Verfahren zur additiven Herstellung mittels poröser Hilfsstruktur, Bauteil und Vorrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur additi¬ ven Herstellung eines Bauteils, insbesondere unter Heranzie¬ hung einer porösen Hilfsstruktur, sowie ein entsprechend hergestelltes oder herstellbares Bauteil. Die vorliegende Erfin- dung betrifft weiterhin eine entsprechende Vorrichtung für die additive Herstellung des Bauteils.
Das Bauteil ist vorzugsweise für den Einsatz in einer Strö¬ mungsmaschine, vorzugsweise einer Gasturbine vorgesehen. Das Bauteil besteht vorzugsweise aus einer Nickel- oder Kobaltba¬ sis-Legierung oder einer entsprechenden Superlegierung oder umfasst eine solche Legierung. Die genannte Legierung kann ausscheidungsgehärtet oder ausscheidungshärtbar sein. Das Bauteil kann alternativ oder zusätzlich eine hochtemperatur- beständige und/oder hochwarmfeste Legierung umfassen oder daraus bestehen.
Vorzugsweise findet das Bauteil Anwendung in einem Heißgas¬ pfad oder Heißgasbereich einer Strömungsmaschine, wie einer Gasturbine.
Generative oder additive Herstellungsverfahren umfassen beispielsweise Strahlschmelz- und/oder Strahlschweißverfahren. Dazu gehören insbesondere das selektive Laserschmelzen (SLM: Englisch Abkürzung für „Selective Laser Melting") und das
Laserauftragschweißen (LMD: Englisch Abkürzung für „Laser Me- tal Deposition") , insbesondere Laserpulverauftragschweißen.
Ein Verfahren zum Auftragschweißen ist beispielsweise bekannt aus EP 2 756 909 AI.
Additive Fertigungsverfahren (Englisch: „additiv manufactu- ring") haben sich als besonders vorteilhaft für komplexe oder kompliziert oder filigran designte Bauteile, beispielsweise labyrinthartige Strukturen, Kühlstrukturen und/oder Leichtbaustrukturen erwiesen. Insbesondere ist die additive Fertigung, insbesondere durch eine besonders kurze Kette von Prozessschritten vorteilhaft, da ein Herstellungs- oder Fertigungsschritt eines Bauteils direkt auf Basis einer entsprechenden CAD- oder computerlesbaren Konstruktionsdatei erfolgen kann. Weiterhin ist die ad- ditive Fertigung besonders vorteilhaft für die Entwicklung oder Herstellung von Prototypen, welche beispielsweise aus Kostengründen mittels konventioneller subtraktiver oder spanender Verfahren oder Gusstechnologie nicht oder nicht effi¬ zient hergestellt werden können.
Ein Problem, welches im Zusammenhang mit der technologisch an Bedeutung gewinnenden additiven Fertigung von Bauteilen, insbesondere von Bauteilen aus Hochleistungsmaterialien, ist die Schwierigkeit, Innenräume oder interne Hohlstrukturen der Bauteile mit einer ausreichenden Genauigkeit und Güte herzu¬ stellen. Insbesondere ist es überhaupt schwierig innere oder innenliegenden Strukturen aufzubauen, da Überhänge oder
Hinterschneidungen im Bauteil üblicherweise durch komplizierte Stützstrukturen modelliert werden müssen, welche nachträg- lieh aufwendig wieder zu entfernen sind.
Bei nicht allzu großen Überhängen kann unter Umständen auf Stützstrukturen verzichtet werden. Jedenfalls aber muss, ins¬ besondere bei pulverbettbasierten Verfahren, das Pulver, wel- ches zur Bildung der Innenräume gerade nicht aufgeschmolzen wird, nach dem Aufbau der Struktur des Bauteils wieder aus den Innenräumen entfernt werden. Dies ist je nach Geometrie des Innenraums im Nachhinein mitunter sehr schwierig oder unmöglich, da auch nicht aufgeschmolzenes Pulver durch die ho- hen beteiligten Temperaturen oder Temperaturgradienten beim SLM-Prozess häufig „ansintert" und so ein (vollständiges) Entfernen des Pulvers zusätzlich erschwert oder verhindert wird . Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Mittel anzugeben, die die genannten Probleme lösen. Insbesondere wird ein alternatives Verfahren zum additiven Aufbau von Bauteilen vorgestellt, womit Hohlräume in additiv aufzubauenden Bauteilen vereinfacht verwirklicht werden können. Das Verfahren kann vorzugsweise durch ein Laserauftragschweiß-Verfahren implementiert werden. Weiterhin wird eine entsprechende Vor¬ richtung zum Betrieb des genannten Verfahrens vorgestellt, mit welcher die genannten Probleme ebenfalls gelöst werden können.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Pa¬ tentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Ge¬ genstand der abhängigen Patentansprüche.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur additiven Herstellung eines Bauteils umfassend das addi¬ tive Aufbauen einer Struktur aus einem Grundmaterial für das Bauteil mittels eines additiven Herstellungsverfahrens, vor- zugsweise mittels Laserauftragschweißen oder dem sogenannten „Laser Cladding", eine Sonderform des Laserauftragschweißens.
Die genannte Struktur ist vorzugsweise eine, beispielsweise Stoffschlüssig, zusammenhängende Struktur für das Bauteil.
Das genannte Grundmaterial kann in Stabform oder, vorzugswei¬ se, in Pulverform vorliegen. Weiterhin kann das Grundmaterial vorliegend synonym mit der Struktur bezeichnet sein, wobei dem Fachmann unmittelbar klar ist, dass sich die Zusammenset- zung des pulverförmigen Grund- oder Ausgangsmaterials geringfügig von der verfestigten/aufgebauten Struktur unterscheiden kann .
Das Verfahren umfasst weiterhin das Einbringen oder Aufbauen einer porösen Hilfsstruktur in einen Innenraum der Struktur während des additiven Aufbaus der Struktur, um einen Funktionsbereich für das Bauteil in dem Innenraum zu definieren. Der Fusionsbereich kann einen Hohlraum für das fertig hergestellte Bauteil bezeichnen.
Das Verfahren umfasst weiterhin das Abbauen oder Entfernen, insbesondere Schmelzen, Verflüssigen oder Zerstören der Formstabilität der porösen Hilfsstruktur derart, dass diese aus dem Funktionsbereich durch Erwärmen entfernt und der der Funktionsbereich von der Hilfsstruktur befreit wird. Es befindet sich in dem Funktionsbereich, welcher beispielsweise einen Kühlkanal im fertigen Bauteil darstellen kann, also vorzugsweise keine Hilfsstruktur mehr. Die Hilfsstruktur wird vorzugsweise gleichzeitig zumindest partiell aus Bereichen des Innenraums entfernt oder abgebaut, um den Funktionsbe¬ reich zu bilden. Die poröse Hilfsstruktur kann vorteilhafter- weise während der additiven Herstellung der eigentlichen
Struktur für das Bauteil und/oder in-situ in den additiven Aufbau eingebracht, und so schon während der Herstellung ein möglicher Funktionsbereich oder Hohlraum im Innenraum des Bauteils definiert werden. Die Hilfsstruktur ist weiterhin vorteilhafterweise so beschaffen, dass sie durch das be¬ schriebene Entfernen auf einfache Weise zumindest aus dem Funktionsbereich entfernt werden kann. Nicht notwendigerweise muss die Hilfsstruktur dabei komplett aus dem Innenraum ent¬ fernt werden.
In einer Ausgestaltung werden Teile der Struktur und der Hilfsstruktur schichtweise abwechselnd (additiv) aufgebaut. Durch diese Ausgestaltung kann das Bauteil vorzugsweise mit einem besonders komplizierten oder filigranen Funktionsbe- reich oder Hohlraum versehen werden. Ausführbar ist diese
Ausgestaltung dadurch, dass vorzugsweise beim Laserauftrag¬ schweißen ein entsprechendes Ausgangsmaterial für den Aufbau der Struktur bzw. Hilfsstruktur (schichtweise) gewechselt und eine Vorrichtung dafür entsprechend „umgeschaltet" wird.
Gemäß einer Ausgestaltung können auch zunächst beispielsweise mehrere Schichten der Struktur nacheinander aufgebaut werden, wobei die Hilfsstruktur nach dem entsprechenden Aufbau in den definierten Innenraum eingebracht werden kann, beispielsweise bevor Überhänge oder Hinterschneidungen der Struktur verfestigt werden. In einer Ausgestaltung wird die Hilfsstruktur derart in den Innenraum eingebracht oder darin, beispielsweise schichtwei¬ se, aufgebaut, dass die Hilfsstruktur die Struktur für das Bauteil stützt. Dementsprechend kann mit Vorteil auf zusätz¬ liche Stützstrukturen, beispielsweise solche, die nachträg- lieh nicht auf einfache Weise entfernt werden können, ver¬ zichtet werden. Die Struktur kann demgemäß vorgesehen, insbesondere angeordnet und ausgebildet sein, um eine Formstabili¬ tät des Bauteils oder seiner Struktur während der additiven Herstellung zu gewährleisten.
Das additive Aufbauen der Struktur und/oder das Einbringen bzw. Aufbauen der Hilfsstruktur wird mittels
Laserauftragschweißens bzw. „Micro Cladding" durchgeführt. Dies ermöglicht besonders zweckmäßig und vorteilhaft eine Ausführung des beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens.
In einer Ausgestaltung werden das additive Aufbauen der
Struktur und das Aufbauen der Hilfsstruktur in derselben Vorrichtung (siehe unten) durchgeführt. Diese Ausgestaltung er- möglicht darüber hinaus eine besonders einfache und zeiteffi¬ ziente Durchführung des Verfahrens. Dies ist insbesondere notwendig oder gefordert, da die additive Herstellung trotz ihrer bekannten Vorteile und zunehmenden technologischen Bedeutung verhältnismäßig lange Aufbauzeiten, von beispielswei- se vielen Stunden, Tagen oder sogar Wochen, in Anspruch nimmt .
In einer Ausgestaltung wird die poröse Hilfsstruktur aus einem Metallschaum gebildet.
In einer Ausgestaltung hat die poröse Hilfsstruktur und/oder der genannte Metallschaum eine Porosität von 30 %, 40 %, 60 % oder 70 %. Besonders bevorzugt beträgt die Porosität 50 %. In einer Ausgestaltung wird zur Bildung der Hilfsstruktur ein, insbesondere metallisches Material, beispielsweise ein Lotmaterial, mit einem Porenbildner, insbesondere einem Me- tallhydrid, beispielsweise einem Titanhydrid, gemischt.
In einer Ausgestaltung ist das genannte, insbesondere metal¬ lische Material ein Lotmaterial, vorzugsweise ein Hochtempe¬ raturlot .
In einer Ausgestaltung wird die genannte Mischung zur Bildung der Hilfsstruktur über den Schmelzpunkt des insbesondere me¬ tallischen Materials erwärmt und der Porenbildner dadurch verdampft. Auf diese Art werden die Poren für das poröse (Schaum-) Material gebildet.
Die genannte Erwärmung oder Wärme wird erfindungsgemäß durch den beschriebenen Strahlschmelz- oder Strahlschweißprozess für den additiven Aufbau der Struktur, insbesondere die La- ser- oder Elektronenstrahlwärme eines Auftragschweiß- oder
Bearbeitungskopfes zur Verfügung gestellt. Dies erfolgt vor¬ zugsweise schichtweise und direkt am Ort des additiven Auf¬ baus („in situ" ) . In einer Ausgestaltung verbleibt ein (Hilfs- ) Material der
Hilfsstruktur, vorzugsweise nach Fertigstellung des Bauteils zumindest teilweise, in dem Innenraum. Mit anderen Worten wird die poröse Hilfsstruktur zwar durch eine Erwärmung und das entsprechende Schmelzen oder Verflüssigen des Materials der Hilfsstruktur aus dem Funktionsbereich entfernt. Jedoch kann es je nach Geometrie des Innenraums und/oder des Funkti¬ onsbereich schwierig sein, das genannte Strukturmaterial ebenfalls aus dem Innenraum zu entfernen. Entsprechend der eingestellten Porosität kann dann mehr oder weniger Volumen für den Funktionsbereich zur Verfügung stehen.
In einer Ausgestaltung wird die Struktur für das Bauteil derart aufgebaut, dass das Bauteil mindestens einen Ein- und/oder Auslass aufweist, welcher mit dem Innenraum
fluidisch in Verbindung steht. Dies ist insbesondere zweckmä¬ ßig, wenn der Fusionsbereich einen Kühlkanal oder Strömungskanal für das Bauteil darstellt, welcher für die entsprechen- de Kühlungsfunktion während des Betriebs des Bauteils mit ei¬ nem Kühlfluid durchströmt werden muss.
In einer Ausgestaltung wird die Struktur derart ausgebildet, dass die Hilfsstruktur, vorzugsweise nach dem additiven Auf- bau der Struktur, durch Schmelzen und/oder Verflüssigen und anschließendes Herausfließen einfach aus dem Innenraum entfernt werden kann. Mit anderen Worten kann eine Aufbaurich- tung für den additiven Aufbau und/oder die Bauteilgeometrie im Vorfeld, beispielsweise durch Berücksichtigung bereits in einem entsprechenden Datenmodell, so gewählt werden, dass ein oder mehrere Ein- oder Auslässe für den Funktionsbereich gleichzeitig als Auslässe für das (eingeschmolzene oder ver¬ flüssigte) Strukturmaterial dienen. Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein
Bauteil, welches nach dem beschriebenen Verfahren hergestellt und/oder herstellbar ist. In einer Ausgestaltung ist das Bauteil ein hochtemperaturbeständiges und/oder hochwarmfestes Bauteil, insbesondere für den Einsatz in einer Strömungsma- schine, wie einer Gasturbine.
In einer Ausgestaltung ist der Funktionsbereich zur
Durchströmung mit einem Fluid, insbesondere zur Kühlung, vorgesehen, d. h. beispielsweise entsprechend angeordnet und ausgebildet, wobei der Funktionsbereich weiterhin zumindest teilweise durch das, insbesondere metallisches, Material de¬ finiert ist. Bei dem, insbesondere metallischen Material han¬ delt es sich vorzugsweise um das oben genannte Lot- oder Hilfsstrukturmaterial für die Hilfsstruktur. Dieses ist vor- zugsweise ein von dem Grundmaterial für die Struktur ver¬ schiedenes Material. Vorzugsweise weist das genannte, insbe¬ sondere metallische Material einen niedrigeren Schmelzpunkt auf als das Grund- oder Strukturmaterial für das Bauteil. Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die additive Herstellung des Bauteils umfas¬ send ein Reservoir zum separaten oder getrennten Bevorraten des, insbesondere pulverförmigen Grundmaterials für das Bau¬ teil, sowie des, insbesondere metallischen Materials und ei¬ nes weiteren Materials. Bei dem weiteren Material kann es sich um ein funktionales Material, vorzugsweise den genannten Porenbildner, handeln.
In einer Ausgestaltung umfasst das Reservoir drei Teilreservoire, wobei jedes Teilreservoir jeweils nur eines der ge¬ nannten Materialien, gewählt aus Grundmaterial, insbesondere metallischem Material und weiterem Material, hält oder bein- haltet.
Die Vorrichtung umfasst weiterhin einen Bearbeitungskopf, welcher mit dem Reservoir oder den Teilreservoiren verbunden ist, wobei der Bearbeitungskopf weiterhin zum Führen eines Schweißstrahls, insbesondere eines Laser- oder Elektronen¬ strahls, ausgebildet ist. Der Bearbeitungskopf ist weiterhin derart ausgebildet, dass Grundmaterial, dass, insbesondere metallische Material und/oder das weitere Material selektiv auf ein Bearbeitungsfläche oder ein Substrat aufzutragen und für den additiven Aufbau aufzuschmelzen.
Die genannten Materialien können in dem Bearbeitungskopf gemischt werden. Wie aus dem Stand der Technik bekannt sein dürfte, kann der genannte Aufbauprozess weiterhin unter einer Inertgas- Atmosphäre durchgeführt werden.
In einer Ausgestaltung umfasst der Bearbeitungskopf einen Schweiß- oder Schmelzkopf mit einer Pulverzuführung oder Pul¬ verdüse sowie eine Laser- oder Elektronenstrahloptik, vorzugsweise in koaxialer Anordnung. Die Vorrichtung ist eine Strahlschweißvorrichtung und/oder eine Strahlschmelzvorrichtung zum Laserauftragschweißen, besonders bevorzugt zum Laserpulverauftragschweißen.
In einer Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung eine Fördereinrichtung zum insbesondere vollautomatischen oder semiautomatischen selektiven Befördern des Grundmaterials, des insbesondere metallischen Materials und/oder des weiteren Ma terials in den Bearbeitungskopf.
In einer Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung eine, insbesondere induktive Erwärmungseinrichtung, welche ausgebildet ist, eine Struktur des Bauteils auf eine Temperatur von min¬ destens 800 °C zu erwärmen. Gemäß dieser Ausgestaltung kann das Material der Hilfsstruktur besonders zweckmäßig, bei¬ spielsweise durch Einschmelzen, aus dem Funktionsbereich ent fernt werden.
Ausgestaltungen, Merkmale und/oder Vorteile, die sich vorlie gend auf das Verfahren oder das Bauteil beziehen, können fer ner die Vorrichtung betreffen oder umgekehrt.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren beschrieben.
Figur 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung und deutet anhand einer Querschnittsansicht eines Bauteils Verfahrensschritte eines erfindungsgemäßen mit der Vorrichtung durchgeführten Verfahrens an.
Figur 2 zeigt schematisch eine Hilfsstruktur für den additiven Aufbau des Bauteils.
Figur 3 deutet schematisch einen weiteren Verfahrensschritt des Verfahrens an.
Figur 4 zeigt exemplarisch ein gemäß dem Verfahren hergestelltes Bauteil. Figur 5 zeigt ein vereinfachtes Flussdiagramm, welches erfindungsgemäß Verfahrensschritte andeutet. In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche oder gleich wirkende Elemente jeweils mit den gleichen Bezugszei¬ chen 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 .
Figur 1 deutet im oberen Teil der Darstellung vereinfacht ei- ne erfindungsgemäße Vorrichtung 20 an. Im unteren Teil der Darstellung ist der additive Aufbau eines Bauteils in einer Querschnittsansicht als Teil eines erfindungsgemäßen Verfah¬ rens schematisch dargestellt. Mittels der Vorrichtung 20 wird insbesondere eine Struktur 1 für das erfindungsgemäße Bauteil 100 (vergleiche Figur 3 unten) beispielhaft angedeutet. Der Verfahrensschritte des additiven Aufbaus der Struktur 1 ist weiterhin vereinfacht im Flussdiagramm der Figur 5 mit dem Verfahrensschritt a) bezeichnet. Bei dem Bauteil 100 handelt es sich vorzugsweise um ein Bau¬ teil aus einer Nickelbasis- oder Superlegierung oder ein anderes insbesondere hochwarmfestes oder hochtemperaturbestän¬ diges Bauteil, insbesondere für den Einsatz in einer Strö¬ mungsmaschine, wie einer Gasturbine.
Die Vorrichtung 20 ist dem Grunde nach eine Strahlschweiß- und/oder Strahlschmelz-Vorrichtung, insbesondere eine Vorrichtung zum Laserauftragschweißen, besonders bevorzugt zum Laserpulverauftragschweißen oder „Micro Cladding".
Die Vorrichtung 20 umfasst ein Reservoir 21. Das Reservoir 21 hält oder bevorratet vorzugsweise pulverförmige Ausgangs- und Hilfsmaterialien für den additiven Aufbau der Struktur 1 mit- tels der Vorrichtung 20. Das Reservoir 21 kann, wie dargestellt, in drei separate oder voneinander getrennte Teilre¬ servoire es 21a, 21b und eine 21c unterteilt sein, wobei je¬ des Teilreservoir lediglich ein Material beinhaltet. Ohne Be- schränkung der Allgemeinheit kann beispielsweise das Teilre¬ servoir 21a ein Grundmaterial für die Struktur 1 bzw. das Bauteil 100 halten.
Das Teilreservoir 21b hält oder beinhaltet beispielsweise ein, vorzugsweise metallisches Hilfsmaterial 3. Bei dem
Hilfsmaterial 3 kann es sich um ein Zusatzmaterial handeln, welches artgleich oder artähnlich zu dem Grundmaterial für die Struktur 1 ist. Beispielsweise können beide Materialen, d.h. das Grundmaterial als auch das Hilfsmaterial 3 metal- lisch sein. Vorzugsweise sind die jeweiligen Schmelzpunkte jedoch verschieden. Bevorzugt ist der Schmelzpunkt des Hilfs¬ materials 3 niedriger als der Schmelzpunkt des Grundmaterials unter Normaldruckverhältnissen. Das Teilreservoir 21c beinhaltet beispielsweise ein weiteres Material. Bei dem weiteren Material kann es sich ebenfalls um ein Hilfsmaterial und/oder um ein funktionales Material
(nicht explizit gekennzeichnet) handeln. Insbesondere ist das funktionale oder weitere Material ein Porenbildner, mit wel- ehern metallische Schäume und/oder poröse Strukturen im Zusammenwirken mit dem Hilfsmaterial 3 hergestellt werden können. Das funktionale oder weitere Material kann beispielsweise ebenfalls pulverförmigen oder aber auch flüssig sein. Die Vorrichtung 20 umfasst weiterhin einen Bearbeitungskopf 23, der in Figur 1 schematisch angedeutet ist. Der Bearbei¬ tungskopf 23 ist vorzugsweise zum Führen eines Schweißstrahls 25, beispielsweise eines Laser- oder Elektronenstrahls, mit einer Optik 26 ausgestattet. Der Bearbeitungskopf 23 ist wei- terhin mit dem Reservoir 21, genauer mit jedem der Teilreservoire 21a, 21b, 21c verbunden, sodass Material aus einem ent¬ sprechenden Reservoir in den Bearbeitungskopf befördert oder diesem (für den additiven Aufbau) zugeführt werden kann. Dies wird vorzugsweise mittels einer Fördereinrichtung 22, bezie¬ hungsweise jeweils separaten Fördereinrichtungen 22 für jedes Teilreservoir, ermöglicht, wobei das entsprechende Material vorzugsweise selektiv und unabhängig von der Förderung eines anderen Materials in den Bearbeitungskopf 23 befördert werden kann. Dies kann durch dem Fachmann bekannte Mittel, beispielsweise gängige Pulverförder-Methoden, insbesondere pneu¬ matische Einrichtungen, Pumpen oder andere Mittel erreicht werden .
Durch die Fördereinrichtung (en) 22, die Reservoir (e) 21, unter Umständen samt einer entsprechenden Steuerung, können vorteilhafterweise voneinander getrennte vollautomatisch oder semi- automatisch geregelte Förderstrecken eingerichtet wer- den, welche die beschriebenen Materialien für den additiven
Aufbau des Bauteils 100 selektiv über die Pulverdüse 24 einem Schmelzbad zuführen.
Vorzugsweise werden die Materialien für den additiven Aufbau erst in dem Bearbeitungskopf 23 gemischt und anschließend durch eine Pulverdüse 24 analog zum konventionellen
Laserauftragschweißen auf einer Bearbeitungsfläche oder auf einem Substrat (vergleiche Bezugszeichen 6) aufgetragen und für den Aufbau mittels des Schweißstrahls 25 aufgeschmolzen.
In Figur 1 ist die Struktur 1 für das Bauteil 100 bereits (nahezu) vollständig auf dem Substrat 6 aufgebaut gezeigt.
Die Struktur 1 wurde mit anderen Worten gemäß dem beschriebe- nen Verfahren mittels der Vorrichtung 20 entlang einer Aufbaurichtung AB, vorzugsweise schichtweise, aufgebaut. Die ge¬ strichelten horizontalen Linien im unteren Bereich der Struktur 1 in Figur 1 deuten dabei die einzelnen Schichten an. Die genannten Schichten können beispielsweise bereits in einem Datenmodell (beispielsweise CAD- und/oder CAM-Modell) für die Konstruktion des Bauteils („slicing") relativ zu seiner
Struktur 1 abgebildet oder vorhanden gewesen sein. Gemäß dem vorgestellten Verfahren (vergleiche ebenfalls Figur 5) wird oder wurde die Struktur 1 aus einem entsprechenden pulverförmigen Grundmaterial mittels Laserauftragschweißen auf dem Substrat 6 aufgebaut.
Während des additiven Aufbaus wird in einem mit Bezugszeichen I bezeichneten Innenraum der Struktur 1 oder des Bauteils 100 eine Hilfsstruktur 2 vorzugsweise bestehend aus einem Metall¬ schaum eingebracht oder aufgebaut. Das Einbringen der Hilfs- struktur 2 ist weiter unten in Figur 5 mit dem Bezugszeichen b) angedeutet, wobei der genannte Verfahrensschritt, bei¬ spielsweise gleichzeitig oder schichtweise mit dem Aufbau der Struktur 1 als auch anschließend an diesen erfolgen kann. Dadurch wird mit Vorteil ein Funktionsbereich FB, welcher später für das Bauteil oder seine Funktion im Betrieb notwendig wird, definiert oder abgegrenzt. Dies kann ebenso wie der eigentliche Aufbau der Struktur 1 schichtweise (additiv) er¬ folgen, wobei das Material schichtweise für den entsprechen- den Aufbau der Schicht, unter Umständen über eine entspre¬ chende Steuerung und das entsprechende Ansteuern der Pulverfördereinrichtungen 22 gewechselt werden muss. Dazu kann insbesondere ein besonders schnelles „Ansprechen" der Pulverdüse 24, der Fördereinrichtungen in 22 und/oder des Bearbeitungs- kopfes 23 insgesamt erforderlich sein.
Alternativ kann auch zunächst quasi-dreidimensional eine Mehrzahl von Schichten der Struktur 1 additiv aufgebaut werden und ein dadurch definierter Innenraum oder Innenbereich I anschließend mit dem Hilfsmaterial 3 gefüllt werden, bei¬ spielsweise bis zu dem Zeitpunkt, zudem ein Überhang 8 in der Struktur gefertigt werden muss.
Anhand der karierten Darstellung der Hilfsstruktur 2 ist zu erkennen, dass es sich dabei um ein poröses Material handelt, welches beispielsweise eine Porosität von 50 % oder mehr auf¬ weist. Die Hilfsstruktur 2 hat insbesondere den Zweck, die eigentliche Struktur 1 für das Bauteil für die erforderliche Formstabilität während der additiven Herstellung über dem Innenbereich I zu stützen. Dementsprechend kann die Porosität gewählt werden und beispielsweise 30 %, 40 %, 60 %, 70 % oder mehr betragen.
Figur 2 zeigt eine beispielhafte Struktur der genannten
Hilfsstruktur mit einer für diese gemäß der vorliegenden Erfindung zweckmäßigen Porosität. Gemäß der Darstellung der Figur 2 kann die Porosität 50 % betragen.
Die poröse Hilfsstruktur 2 wird insbesondere dadurch gebildet oder aufgebaut, dass das genannte, insbesondere metallische, Hilfsmaterial 3 mit dem Porenbildner, beispielsweise einem Metallhydrid, in dem Bearbeitungskopf 23 gemischt und die entsprechende Mischung zur Bildung der Hilfsstruktur 2 über den Schmelzpunkt des Hilfsmaterial 3 erwärmt wird. Dabei ver¬ dampft vorzugsweise der Porenbildner und erzeugt die ge¬ wünschte Porosität der Hilfsstruktur 2. Insbesondere kann die Porosität das Mischungsverhältnis von Hilfsmaterial 3 und Po- renbildner sowie durch die entsprechend eingebrachte thermi¬ sche Energie (Laserleistung) eingestellt werden.
Das genannte Hilfsmaterial 3 ist vorzugsweise ein Lotmateri¬ al, insbesondere ein Hochtemperaturlot, welches in einem nachfolgenden Temperaturschritt des beschriebenen Verfahrens wieder abgebaut und verflüssigt werden kann (siehe Figur 5) . Das genannte Hochtemperaturlot kann Cu-, Co, oder Ni enthal¬ ten . Entsprechend der Darstellung der Figur 2 (vergleiche unterer Bereich) ist das Bauteil derart aufgebaut, dass in eine ein¬ fache rechteckige oder quaderförmigen Geometrie der Struktur 1, eine bogenartige Hilfsstruktur 2 in einen Innenbereich I eingebracht wurde. Die Hilfsstruktur 2 und vorzugsweise dem- entsprechende Innenbereich I weist darüber hinaus sich horizontal erstreckende Abschnitte oder Arme auf, welche entspre¬ chend Überhänge der Struktur 1 definieren. Zweckmäßigerweise wird der Innenraum I bzw. die Hilfsstruktur 2 in einer späten Aufbauphase bis zur Fertigstellung wieder mit dem eigentlichen Grundmaterial bedeckt (vergleiche oberer Bereich des Bauteils 100 in Figur 1)
Abweichend von der Darstellung der Figur 1 kann das Bauteil 100, deren Struktur 1 und/oder die in den Innenbereich I bzw. der Fusionsbereich FB eingebrachte Hilfsstruktur 2 jede individuell gewünschte Form oder Geometrie aufweisen, beispiels- weise eine bereits durch die Konstruktion des Bauteils vorbe¬ stimmte Form. Insbesondere kann der Innenbereich I, welcher gemäß der vorliegenden Erfindung zwischenzeitlich, d. h. während der Herstellung vorzugsweise vollständig von der Hilfs¬ struktur 2 eingenommen wird für eine Kühlkanalstruktur (nicht explizit gekennzeichnet) vorgesehen sein, über welche das
Bauteil 100 im Betrieb zweckmäßigerweise zur Kühlung von ei¬ nem Kühlfluid durchströmt werden kann. Zu diesem Zweck wird die Struktur 1 vorzugsweise derart aufgebaut, dass ein Fluid- einlass und/oder ein entsprechender Auslass für das Bauteil vorgesehen ist.
Das Verfahren umfasst weiterhin das Abbauen oder Entfernen (vergleiche Verfahrensschritt c) in Figur 5) , insbesondere das Schmelzen oder Herausschmelzen des porösen Materials der Hilfsstruktur aus dem Fusionsbereich FB durch Erwärmen der Hilfsstruktur, insbesondere nachdem die Struktur 1 fertig aufgebaut wurde, sodass der Funktionsbereich FB von der
Hilfsstruktur befreit wird. Dazu kann die Vorrichtung 20 eine Erwärmungseinrichtung 27 aufweisen, welche schematisch ebenfalls im unteren Bereich der Figur 1 angedeutet ist. Bei der Erwärmungseinrichtung 27. 20 kann es sich um eine induktive Einrichtung, beispielsweise ein Induktionsofen handeln, um die Struktur 1, insbesondere jedoch die Hilfsstruktur 2 nach dem beschriebenen additiven Aufbauen auf zweckmäßig hohe Temperaturen zu erwärmen, beispielsweise derart dass die Hilfsstruktur eingeschmolzen werden kann. Vorzugsweise werden für das Entfernen der Hilfs- struktur aus dem Funktionsbereich FB Temperaturen von über 700 °C, vorzugsweise von über 800 °C besonders bevorzugt von über 900 °C oder mehr erreicht. Alternativ kann die Erwärmungseinrichtung eine von der beschriebenen Vorrichtung 20 separate Einrichtung sein.
Figur 3 zeigt das Bauteil 100 bzw. seine Struktur 1, wobei durch das beschriebene Entfernen, insbesondere mittels einer Hochtemperaturbehandlung oder Hochtemperaturlöten, die Hilfsstruktur 3 aus dem Funktionsbereich FB durch Verflüssigen entfernt wurde (vergleiche Verfahrensschritte c) in Figur 5) . Entsprechend ist in Figur 3 vorzugsweise ein kompletter oder weitgehend fertig hergestellter Zustand des Bauteils 100 ge- zeigt.
Durch das beschriebene Einschmelzen der Hilfsstruktur 2 verliert diese notwendigerweise ihre Formstabilität, ihr ur¬ sprüngliches Volumen und auch ihre für die Struktur 1 stüt- zende Wirkung. Das eingeschmolzene Material der Hilfsstruktur 2 kann beispielsweise an oder in Abschnitten des Innenbe¬ reichs I verbleiben. Dementsprechend ist der Funktionsbereich FB vorzugsweise vollständig in dem Innenbereich angeordnet und/oder stellt ein Teilbereich des Innenbereichs I da.
Je größer die Porosität, umso größer kann nachher der Funkti¬ onsbereich FB ausfallen, da mehr Volumen (Gasvolumen) aufgrund der größeren Porosität zur Bildung des Hohl- oder Funktionsbereichs FB zur Verfügung steht.
Es ist insbesondere durch die gestrichelten Linien in Figur 3 angedeutet, dass das, insbesondere metallische Hilfsmaterial 3, d. h. das eingeschmolzene Material der Hilfsstruktur an inneren Wänden der Struktur 1 beziehungsweise des Innenbe- reichs I zurückbleibt oder sich dort anlagert. Alternativ oder zusätzlich kann das Hilfsmaterial 3 zumindest teilweise in dafür vorgesehenen Bereichen „Taschen" (ebenfalls gestrichelt und mit Bezugszeichen 4 gekennzeichnet in Figur 3) auf- genommen werden, in die es beispielsweise nach dem Verflüssi¬ gen durch den Einfluss der Gravitation hineinfließt.
Alternativ kann der komplette Aufbau der Struktur 1 für das Bauteil 100 erfindungsgemäß derart durchgeführt werden, dass das Bauteil 100 mindestens einen Ein- und/oder Auslass 4 auf¬ weist, welcher mit dem Innenraum I fluidisch in Verbindung steht. Vorzugsweise kann dann das Hilfsmaterial ebenfalls durch die in der Struktur vorgesehenen Ein- und/oder Auslässe 4 aus dem Innenbereich I entfernt und so ein noch größeres
Volumen für den Fusionsbereich zur Verfügung gestellt werden.
Der genannte Ein- und/oder Auslass 4 kann an der/den Positionen der Taschen oder Aufnahmebereiche vorgesehen werden.
Figur 4 zeigt lediglich als beispielhafte Ausgestaltung eine Turbinenschaufel, beispielsweise eine Leit- oder Laufschaufel einer Gasturbine, als Bauteil 100. An der Spitze des Bauteils 100 ist ein Innenbereich oder Hohlraum gezeigt, welcher den beschriebenen Funktionsbereich FB darstellt. In diesem Sinne, kann die gezeigte Turbinenschaufel mit dem beschriebenen Ver¬ fahren mit einem inneren Kühlkanal oder Hohlraum versehen werden, sodass die Schaufel beispielsweise für einen Betrieb der Gasturbine zweckmäßig gekühlt werden kann.
Alternativ zu der gezeigten Turbinenschaufel kann das Bauteil 100 beispielsweise ein anderes im Heißgaspfad einer Gasturbi¬ ne angewendetes Bauteil, beispielsweise ein Brennerbauteil oder ein Teil einer Brennkammerwand der Turbine sein.
Obwohl dies nicht explizit in den vorliegend beschriebenen Figuren gezeigt ist, kann das beschriebene Verfahren und/oder das entsprechende Bauteil durch die additive Abscheidung von weiteren Materialien, beispielsweise Oxidationsschutz- (MCrAlX) und/oder Wärmedämmschichten gekennzeichnet sein.
Weiterhin können im Rahmen der beschriebenen Erfindung - als Alternative zu den beschriebenen Schweißverfahren - weitere Beschichtungsverfahren, wie z. B. Elektronenstrahlverdampfen (EB-PVD) oder atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), LPPS, VPS oder CVD verwendet werden, sofern darauf das beschriebene er¬ finderische Konzept mit metallischem Schaum als poröser
Hilfsstruktur anwendbar ist.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt, sondern umfasst jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen. Dies beinhaltet insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur additiven Herstellung eines Bauteils (100) umfassend die folgenden Schritte:
- additives Aufbauen einer Struktur (1) aus einem Grundmaterial für das Bauteil (100) mittels eines additiven Her¬ stellungsverfahrens,
Einbringen einer porösen Hilfsstruktur (2) während des additiven Aufbaus der Struktur (1) in einen Innenraum (I) der Struktur (1), um einen Funktionsbereich (FB) für das
Bauteil (100) in dem Innenraum (I) zu definieren, wobei das additive Aufbauen der Struktur (1) und/oder das Einbringen der Hilfsstruktur (2) mittels
Laserauftragschweißen bzw. „Micro Cladding" durchgeführt wird, und
Abbauen, insbesondere Schmelzen, der porösen Hilfsstruktur (2) aus dem Funktionsbereich (FB) durch Erwärmen der Hilfsstruktur (2), sodass der Funktionsbereich (FB) von der Hilfsstruktur (2) befreit wird.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei Teile der Struktur (1) und der Hilfsstruktur (2) schichtweise abwechselnd aufgebaut werden .
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Hilfsstruktur (2) derart in den Innenraum (I) eingebracht wird, dass die Hilfsstruktur (2) die Struktur (1) für das Bauteil stützt .
4. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Hilfsstruktur (2) aus einem Metallschaum gebildet wird .
5. Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei zur Bildung der Hilfs- struktur (2) ein, insbesondere metallisches Material (3) mit einem Porenbildner, insbesondere einem Metallhydrid, gemischt wird, und wobei die entsprechende Mischung zur Bildung der Hilfsstruktur (2) über den Schmelzpunkt des, insbesondere me- tallischen, Materials (3) erwärmt, und der Porenbildner verdampft wird.
6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Material der Hilfsstruktur (2) in dem Innenraum (I) des Bauteils (100) verbleibt.
7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Struktur (1) für das Bauteil (100) derart aufgebaut wird, dass das Bauteil (100) mindestens einen Ein- und/oder Auslass (4) aufweist, welcher mit dem Innenraum (I) fluidisch in Verbindung steht, und wobei die Struktur (1) derart ausgebildet wird, dass die Hilfsstruktur (2) durch Schmelzen einfach aus dem Innenraum (I) entfernt werden kann.
8. Bauteil (100), welches nach dem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt oder herstellbar ist, wobei das Bauteil (100) ein hochtemperaturbeständiges und/oder hochwarmfestes Bauteil, insbesondere für den Einsatz in einer Strömungsmaschine, ist, wobei der Funktionsbereich
(FB) zur Durchströmung mit einem Fluid, insbesondere zur Kühlung, vorgesehen ist, und wobei der Funktionsbereich (FB) zumindest teilweise durch ein, insbesondere metallisches Mate¬ rial (3), definiert ist.
9. Vorrichtung (20) für die additive Herstellung eines Bau¬ teils (100) umfassend:
ein Reservoir (21, 21a, 21b, 21c) zum separaten Bevorraten eines Grundmaterials (1) für das Bauteil (100), eines insbesondere metallischen Materials (3) und eines weite¬ ren Materials,
einen Bearbeitungskopf (23) , welcher mit dem Reservoir (21, 21a, 21b, 21c) verbunden ist, wobei der Bearbei¬ tungskopf (23) weiterhin zum Führen eines Schweißstrahls (24), insbesondere eines Laser- oder Elektronenstrahls, ausgebildet ist und derart, das Grundmaterial (1), das, insbesondere metallische Material (3) und/oder das weite¬ re Material selektiv auf einer Bearbeitungsfläche (6) aufzutragen und aufzuschmelzen, wobei die Vorrichtung eine Strahlschweißvorrichtung zum Laserauftragschweißen bzw. „Micro Cladding", ist.
10. Vorrichtung (20) gemäß Anspruch 9, umfassend eine För¬ dereinrichtung (22) zum selektiven Befördern des Grundmaterials (1), des, insbesondere metallischen Materials (3)
und/oder des weiteren Materials in den Bearbeitungskopf (23) .
11. Vorrichtung (20) gemäß Anspruch 9 oder 10, umfassend ei¬ ne, insbesondere induktive Erwärmungseinrichtung (27), welche ausgebildet ist, eine Struktur (1) des Bauteils (100) auf ei¬ ne Temperatur von mindestens 800 °C zu erwärmen.
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