WO2020001849A1 - Verfahren zur additiven herstellung einer struktur mit kühlmittelführung, bauteil und vorrichtung - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zur additiven Herstellung einer Struktur (10, 10'), insbesondere durch ein Pulverbett-Verfahren angegeben. Das Verfahren umfasst schichtweise, a), das Auftragen einer Schicht (S) eines, insbesondere pulverförmigen, Grundmaterials (P) auf eine Herstellungsfläche (HF), b), das additive Aufbauen der Struktur durch selektives Bestrahlen der aufgetragenen Schicht gemäß einer vorbestimmten Strukturgeometrie, wobei innerhalb eines Querschnitts der Struktur (10, 10') ein Bereich (B1, B2, 204) von der Bestrahlung freigelassen wird, in welchem während des additiven Aufbaus der Struktur (10) ein Kühlmittel (210) geführt wird, um die Schicht bzw. die aufgebaute Struktur zu kühlen. Weiterhin wird ein entsprechend hergestelltes Bauteil sowie eine entsprechende Vorrichtung angegeben.

Description

Beschreibung

Verfahren zur additiven Herstellung einer Struktur mit Kühl mittelführung, Bauteil und Vorrichtung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur schicht weisen additiven Herstellung einer Struktur, insbesondere durch ein pulverbett-basiertes Verfahren, wobei während des additiven Aufbaus der Struktur ein Kühlmittel und/oder Wärme leitmittel zur Kühlung der Struktur vorgesehen ist. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein entsprechend herstell bares oder hergestelltes Bauteil sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Das Bauteil ist vorzugsweise für den Einsatz in einer Strö mungsmaschine, vorzugsweise im Heißgaspfad einer Gasturbine, vorgesehen. Das Bauteil besteht demgemäß vorzugsweise aus ei ner Superlegierung, insbesondere einer nickel- oder kobaltba sierten Superlegierung.

Die Legierung kann ausscheidungs- oder dispersionsgehärtet sein .

Das Bauteil kann auch aus einem titan-, aluminium- oder ei senbasierten Material hergestellt sein und für Anwendungen in der Automobil- oder Luftfahrtindustrie vorgesehen sein. Vor zugsweise bezeichnet das Bauteil gemäß der vorliegenden Er findung ein Bauteil oder eine Struktur mit einem Hohlraum o- der einer Kavität, beispielsweise eine im Betrieb zu kühlende Komponente .

In Gasturbinenanlagen wird thermische Energie und/oder Strö mungsenergie eines durch Verbrennung eines Brennstoffs, z.B. eines Gases, erzeugten Heißgases beispielsweise in kinetische Energie einer Welle oder eines Turbinenläufers umgewandelt. Dazu ist in der Gasturbine ein Strömungskanal ausgebildet, in dessen axialer Richtung die Welle gelagert ist. Die Welle weist eine Anzahl von Radscheiben auf, an deren radial äuße- ren Stirnflächen eine Anzahl von Laufschaufeln in Form eines Schaufelkranzes angeordnet ist. Die Laufschaufeln sind meis tens mittels ihrer Schaufelfüße in Nuten der Stirnflächen eingesetzt. Moderne Gasturbinen sind Gegenstand stetiger Ver besserung und Weiterentwicklung, um ihre Effizienz zu stei gern. Effizienzsteigerungen bedeuten meistens höhere Tempera turen im Heißgaspfad gemäß derer die Komponenten entsprechend ausgelegt werden müssen, sei es hinsichtlich des Materials und/oder der Geometrie, beispielsweise umfassend Kühlkanäle. Weiterhin gibt es Bestrebungen, metallische Materialien für Turbinenlaufschaufeln bezüglich ihrer Festigkeit, Kriechbe lastung bei hohen Temperaturen sowie thermomechanischer Ermü dung zu verbessern.

Die generative oder additive Fertigung wird aufgrund ihres für die Industrie disruptiven Potenzials zunehmend interes sant auch für die industrielle Serienherstellung der oben ge nannten Turbinenkomponenten, wie beispielsweise Turbinen schaufeln oder Brennerkomponenten.

Additive Herstellungsverfahren umfassen beispielsweise als Pulverbettverfahren das selektive Laserschmelzen (SLM) oder Lasersintern (SLS) , oder das Elektronenstrahlschmelzen (EBM) .

Ein Verfahren zum selektiven Laserschmelzen ist beispielswei se bekannt aus EP 2 601 006 Bl.

Ein Verfahren zur additiven Herstellung eines Bauteils umfas send das Beeinflussen oder Erfassen von Eigenschaften des Bauteils während des additiven Aufbaus ist beispielsweise be schrieben in DE 10 2015 225 652.

Additive Fertigungsverfahren (englisch: „additive manufac- turing") haben sich weiterhin als besonders vorteilhaft für komplexe oder kompliziert oder filigran designte Bauteile, beispielsweise labyrinthartige Strukturen, Kühlstrukturen und/oder Leichtbau-Strukturen erwiesen. Insbesondere ist die additive Fertigung durch eine besonders kurze Kette von Pro- zessschritten vorteilhaft, da ein Herstellungs- oder Ferti gungsschritt eines Bauteils direkt auf Basis einer entspre chenden CAD-Datei und der Wahl entsprechender Fertigungspara meter erfolgen kann.

Obwohl in den Designfreiheitsgraden, welche die additive Fer tigung bietet, großes Potenzial auch für die industrialisier te Herstellung von Bauteilen liegt, bestehen Einschränkungen hinsichtlich der Materialstruktur von additiv gefertigten Bauteilen. Insbesondere stehen die additiv hergestellten Kom ponenten jenen durch Gussverfahren hergestellten, konventio nellen Komponenten hinsichtlich Festigkeit und Kriecheigen schaften deutlich nach. Das liegt unter anderem an den den Pulverbettverfahren inhärenten hohen Temperaturgradienten im Prozess, entsprechender Rissneigung des aufgebauten Materials sowie nachteilhaften, insbesondere polykristallinen, Materi aleigenschaften .

Insbesondere haben die hohen am SLM-Schweißprozess beteilig ten Temperaturgradienten während des additiven Aufbaus sehr häufig Heiß- bzw. Erstarrungsrisse zur Folge. Das beschriebe ne Problem besteht insbesondere bei nicht oder nur schwer schweißbaren Superlegierungen, beispielsweise nickel- oder kobaltbasierten Legierungen mit großem Anteil an intermetal lischer Phase, beispielsweise g- und/oder g'-Phasen.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Mittel anzugeben, welche die oben beschriebenen Probleme lösen, ins besondere die Entstehung von Heiß- und/oder Erstarrungsrissen in der additiven Herstellung von hochtemperaturbelasteten Bauteilen zu verhindern.

Diese 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, insbesondere schichtweisen, additiven Herstellung einer Struktur beziehungsweise eines Bauteils, insbesondere durch ein Pulverbett-Verfahren. Das Verfahren umfasst, vorzugsweise Schicht- oder lagenweise, das Aufträgen einer Schicht eines, insbesondere pulverförmigen, Grundmaterials auf einer Her stellungsfläche .

Die Herstellungsfläche kann beispielsweise durch die Oberflä che einer Bauplattform, die Oberfläche eines entsprechenden Pulverbettes und/oder die Oberfläche einer bereits aufgebau- ten Struktur, welche beispielsweise bündig mit dem Pulverbett abschließen kann, definiert oder dargestellt sein.

Das Verfahren umfasst weiterhin das additive Aufbauen der Struktur durch selektives Bestrahlen der aufgetragenen

Schicht gemäß einer vorbestimmten Struktur- bzw. Bauteilgeo metrie, beispielsweise mittels selektiven Laserschmelzens o- der Elektronenstrahlschmelzens.

Nach dem additiven Aufbau kann das Verfahren ein Absenken ei ner Bauplattform, zweckmäßigerweise um ein in etwa einer Schichtdicke der Schicht entsprechendes Maß, umfassen.

Bei dem additiven Aufbau wird innerhalb eines Querschnitts der Struktur in der Schicht ein Bereich von der Bestrahlung freigelassen, in welchem während des additiven Aufbaus der Struktur ein Kühlmittel geführt wird, um die Schicht und/oder die aufgebaute Struktur zu kühlen. In dem freigelassenen Be reich wird die Schicht also bewusst nicht bestrahlt, um se lektiv keine Struktur aufzubauen, sondern gerade einen Hohl raum bzw. Pfad zur Kühlmittelführung zu bilden.

Der genannte Bereich wird vorzugsweise von der Struktur defi niert .

Das Kühlmittel beschreibt vorliegend vorzugsweise jegliches zur Entwärmung oder zur Wärmeabfuhr geeignete Medium oder Mittel, beispielsweise ein paströses Wärmeleitmittel oder Füllmaterial, welches vorzugsweise eine besonders große Wär- mekapazität als auch eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist. Alternativ kann das Kühlmittel ein im Betrieb granuläres und/oder flüssiges Material bezeichnen.

Das vorgestellte Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass vorteilhafterweise eine aktive und/oder zielgerichtete Küh lung einer additiv aufgebauten Struktur bzw. des Bauteils, vorzugsweise bis hin zum Ort des eigentlichen Schmelzbades, ermöglicht wird. Dadurch wird erstmals eine gezielte und ef fiziente Kontrolle und/oder Beeinflussung der Temperatur der Struktur während seiner additiven Herstellung unabhängig von der Bauhöhe (Z-Richtung) möglich. Insbesondere kann durch die vorliegende Erfindung ein intelligentes „Wärmemanagement" durchgeführt werden und pulverbett-basierte Prozesse („powder bed fusion") dahingehend entscheidend verbessert werden, dass eine Prozessierbarkeit von gegenwärtig nicht schweißbaren Le gierungen möglich wird.

Eine effiziente und maßgeschneiderte Kühlung in additiven Prozessen ist deshalb so wichtig, da dadurch eine besonders günstige Materialstruktur oder Materialphase in dem Bauteil oder dessen Struktur ausgebildet, hervorgerufen oder provo ziert werden kann. Dies ist insbesondere entscheidend bei Hochleistungslegierungen, wie Superlegierungen, welche zum Teil heutzutage wegen einer starken Neigung zu Heiß- und/oder Erstarrungsrissen während des additiven Aufbaus nicht in aus reichender Strukturqualität aus dem Pulverbett aufgebaut wer den können. Folglich kann die vorliegende Erfindung die addi tive Fertigungsroute bestimmter schwer oder bisher noch gar nicht schweißbarer Verbindungen, wie beispielsweise sogenann tem „Alloy 247" überhaupt erst eröffnen, in dem durch die durch die Kühlung hervorgerufenen Temperaturgradienten Er starrungsbedingungen im Grundmaterial und/oder im Schmelzbad derart begünstigen, dass eine übermäßige Rissbildung während des Aufbaus verhindert wird.

Insbesondere im Fall von schwer oder noch gar nicht schweiß baren Nickelbasis-Superlegierungen, erlaubt das vorgestellte Verfahren durch die Kühlfunktionalität eine effiziente Unter drückung der Bildung oder Ausscheidung der sogenannten g- und/oder g'-Phase, welche insbesondere für die dargelegte Rissbildung verantwortlich ist. Bei der genannten Phase kann es sich um eine metastabile und/oder intermetallische Phase handeln .

Eine „intermetallische Phase" bezeichnet vorliegend vorzugs weise eine Mischbindung in einer Legierung mit einem metalli schen Bindungsanteil und geringeren Atombindungs- bzw. Ionen bindungsanteilen. Intermetallische Verbindungen sind vorzugs weise härter, fester, korrosionsbeständiger und weisen einen höheren Schmelzpunkt auf als chemisch homogene Metalle oder Legierungen .

Es versteht sich, dass die Temperatur und auch eine Neigung zu Rissen im additiven Prozess stark von dem zugrunde liegen den Material, den Bestrahlungsparametern, aber auch der Geo metrie der Struktur bzw. des Bauteils abhängt.

In einer Ausgestaltung wird nach dem additiven Aufbau der Struktur eine Wärmebehandlung durchgeführt, welche interme tallische Ausscheidungen, insbesondere g- und/oder g'- (Phasen-) Ausscheidungen, in der Struktur bewirkt. Die Wärme behandlung, welche ein Lösungs- oder Diffusionsglühen, ein Auslagern oder Ausscheiden der beschriebenen Phasen darstel len oder umfassen kann, ist vorzugsweise dazu geeignet, die entsprechenden Ausscheidungen in der Struktur hervorzurufen.

Durch das vorgestellte Verfahren wird vorteilhafterweise eine Ausscheidung intermetallischer Phasen zunächst unterdrückt, das Risiko der Rissbildung während des eigentlichen additiven Aufbaus also stark vermindert. Um jedoch, beispielsweise im Fall von Superlegierungen für hochtemperaturbelastete Bautei le, eine erforderliche Festigkeit in der Struktur zu gewähr leisten, kann nachfolgend die beschriebene Wärmebehandlung durchgeführt werden, welche erst die Ausscheidung der inter metallischen Phasen bewirkt. Im Gegensatz zu dem additiven Aufbauprozess besteht beim Lösungsglühen bzw. der Wärmebe handlung nicht das Risiko des Auftretens von Heiß- oder Er starrungsrissen, insbesondere durch die wesentlich kleineren beteiligten Temperaturgradienten .

In einer Ausgestaltung wird die Struktur derart aufgebaut, dass die schichtweise freigelassenen Bereiche in der Struktur einen zusammenhängenden Kühlkanal bilden. Mit anderen Worten kann der Kühlkanal durch die freigelassenen Bereiche defi niert sein.

In einer Ausgestaltung wird der Kühlkanal derart gebildet, dass er sich parallel zu einer Aufbaurichtung, beispielsweise der vertikalen Z-Richtung, der Struktur erstreckt. Einzelne Schichten oder Querschnitte der Struktur definieren dabei vorzugsweise jeweils nur einen einer Schichtdicke entspre chenden Teil des Kühlkanals.

In einer Ausgestaltung wird der Kühlkanal sukzessive, d.h. schritt-, schichtweise oder allmählich von unten über eine Bauplattform mit dem Kühlmittel gefüllt oder durchströmt.

In einer Ausgestaltung wird verdrängtes oder entferntes Kühl mittel und/oder Grundmaterial (Pulver) an der Herstellungs fläche, insbesondere sukzessive entfernt, beispielsweise von einer Entfernungseinrichtung.

Durch diese Ausgestaltung (en) kann die Kühlung insbesondere kontrolliert erfolgen und damit auch eine Materialstruktur schichtweise, ortsaufgelöst und/oder zweckmäßig durchgeführt werden .

In einer Ausgestaltung bildet das Kühlmittel an der Herstel lungsfläche eine Grenzschicht oder Grenzfläche zu der (aufge tragenen) Schicht des Grundmaterials. Durch diese Ausgestal tung kann die Kühlung vorteilhafterweise (in-situ) dort er folgen, wo der Bedarf am größten ist, nämlich in der Nähe des Schmelzbades. Weiterhin kann durch diese Ausgestaltung eine Entfernung überschüssigen oder Restpulvers aus Hohlräumen des Bauteils vereinfacht werden.

In einer Ausgestaltung umfasst die Struktur den Aufbau von zwei oder mehr Bauteilen, wobei zwei oder mehrere dieser Bau teile den Kühlkanal definieren. Beispielsweise können gemäß dieser Ausgestaltung zwei oder mehr Bauteile auf der Bau plattform nebeneinander und entlang einer gemeinsamen Aufbau richtung derart aufgebaut werden, dass in einem Zwischenraum zwischen den Bauteilen der Kühlkanal gebildet wird.

In einer Ausgestaltung wird der Kühlkanal zumindest teilweise von einer Bauraumwandung einer additiven Herstellungsanlage definiert oder gebildet. Gemäß dieser Ausgestaltung kann eine Kühlung besonders zweckmäßig am Rand der Bauplattform durch geführt werden.

In einer Ausgestaltung umfasst das Kühlmittel eine Wärmeleit paste, beispielsweise FEROTHERM®. Durch die Wärmeleitpaste des Kühlmittels kann insbesondere die Entwärmung oder Kühlung der Struktur besonders zweckmäßig erfolgen. Insbesondere kann die Wärmeleitpaste das Kühlmittel darstellen. Alternativ kann die Wärmeleitpaste dem Kühlmittel zugegeben sein, um bei spielsweise eine Wärmeübertragung von der Struktur auf das Kühlmedium oder -mittel zu verbessern.

In einer Ausgestaltung wird als Kühlmittel eine Wärmeleitpas te verwendet.

In einer Ausgestaltung umfasst das Grundmaterial eines oder mehrere der folgenden Materialien: PWA795, Merl72, MAR-509, Stellite-31, Hastelloy X, Haynes 230, Haynes 625, IN939,

IN738, IN713, IN792, IN718, Alloy 247 und Rene 80. Diese Ma terialien kommen insbesondere bei im Heißgaspfad von Strö mungsmaschinen eingesetzten Bauteilen zum Einsatz. Das vorge stellte Verfahren eignet sich insbesondere für den additiven Aufbau der zuletzt genannten Materialien, da eine verlässli che und reproduzierbare Fertigung dieser Materialien auf ad- ditivem Wege, welche bisher kaum möglich war, durch das be schriebene Verfahren ermöglicht wird.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Bauteil, welches durch das beschriebene Verfahren herstellbar oder hergestellt ist. Das Bauteil umfasst weiterhin die

Struktur, wobei das Bauteil weiterhin für den Einsatz im Heißgaspfad einer Gasturbine vorgesehen ist, beispielsweise als metallisches hochtemperaturbeständiges Bauteil.

Das fertige Bauteil kann beispielsweise aus der additiv auf gebauten Struktur hervorgehen. Demgemäß unterscheidet sich das Bauteil vorzugsweise lediglich dadurch von der Struktur, dass mechanische Nachbearbeitungschritte und eine Entfernung von überschüssigem Pulvermaterial vorgenommen wurden.

In einer Ausgestaltung ist das Bauteil aus einer, insbesonde re nickel- oder kobaltbasierten, Superlegierung und weist, beispielsweise im Vergleich zu einem Bauteil des Standes der Technik, eine niedrigere Dichte an Strukturdefekten, wie Heißrissen oder Erstarrungsrissen auf.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens, weiterhin umfassend einen Kühlmittelvorratsbehälter, einen Kühlmittelanschluss und eine Steuerungseinheit, wobei die Vorrichtung weiterhin ausgebildet ist, das Kühlmittel, bei spielsweise über ein Ventil und/oder eine Bohrung durch oder über eine Bauplattform einer (konventionellen) additiven Her stellungsanlage, in einen Bauraum oder auf eine entsprechende Herstellungsfläche zu führen. Die Steuerungseinheit kann bei spielsweise einen Computer oder eine Datenverarbeitungsein richtung umfassen und insbesondere ausgelegt sein, den Ver fahrensschritt des sukzessiven Füllens des Kühlkanals mit dem Kühlmittel zu kontrollieren oder zu optimieren.

In einer Ausgestaltung ist die Vorrichtung ein Nachrüstsatz für herkömmliche additive Herstellungsanlagen. 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 Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispie len unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläu tert. Alle bisher und im Folgenden beschriebenen Merkmale sind dabei sowohl einzeln als auch in Kombination miteinander vorteilhaft. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Er findung abzuweichen. Die folgende Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen, und der Schutzum fang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten An sprüche definiert.

Der hier verwendete Ausdruck „und/oder", wenn er in einer Reihe von zwei oder mehreren Elementen benutzt wird, bedeu tet, dass jedes der aufgeführten Elemente alleine verwendet werden kann, oder es kann jede Kombination von zwei oder mehr der aufgeführten Elemente verwendet werden.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren beschrieben.

Figur 1 deutet anhand einer schematischen Schnittansicht einen pulverbett-basierten additiven Herstellungs prozess eines Bauteils an,

Figur 2 deutet erfindungsgemäße Verfahrensschritte sowie eine erfindungsgemäße Vorrichtung an,

Figur 3 deutet erfindungsgemäße Verfahrensschritte im De tail an, Figur 4 deutet alternativ zur Figur 3 erfindungsgemäße Ver fahrensschritte im Detail an.

In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche oder gleich wirkende Elemente jeweils mit den gleichen Bezugszei chen 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 Verständ nis übertrieben dick oder groß dimensioniert dargestellt sein .

Figur 1 zeigt in einer schematischen Schnitt- oder Seitenan sicht eine additive Herstellungsanlage 100. Die Anlage 100 ist vorzugsweise eine Vorrichtung zum additiven Herstellen eines Bauteils 10 aus einem Pulverbett P, beispielsweise durch selektives Laserschmelzen oder Elektronenstrahlschmel zen. Die Anlage 100 weist eine Substratplatte oder Bauplatt form 1 auf. Auf der Bauplattform 1 wird eine Struktur 10 auf gebaut, d.h. vorzugsweise auch direkt Stoffschlüssig mit der Bauplattform verbunden bzw. „verschweißt".

Das Bauteil (der Einfachheit und Übersichtlichkeit halber ebenfalls mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet) wird vorzugs weise in einem Bauraum BR aufgebaut.

Die Struktur 10 ist vorzugsweise für das Bauteil vorgesehen, bei welchem es sich vorzugsweise um ein Bauteil handelt, das im Heißgaspfad einer Strömungsmaschine, beispielsweise einer Gasturbine, eingesetzt wird. Insbesondere kann das Bauteil eine Lauf- oder Leitschaufel , ein Segment oder Ringsegment, ein Brennerteil oder eine Brennerspitze, eine Zarge, eine Schirmung, ein Hitzeschild, eine Düse, Dichtung, einen Fil ter, eine Mündung oder Lanze, einen Resonator, Stempel oder einen Wirbler bezeichnen, oder einen entsprechenden Übergang, Einsatz, oder ein entsprechendes Nachrüstteil. Das Bauteil 10 ist in Figur 1 der Einfachheit halber nur teilweise aufgebaut dargestellt, beispielsweise aus lediglich zwei Schichten S eines Bauteilmaterials P.

Bei dem Bauteilmaterial P handelt es sich vorzugsweise um ein Pulver einer g- und/oder g '-gehärteten, nickel- oder kobalt basierten Superlegierung.

Einzelne Schichten des Materials P für die Schichten S des Bauteils werden vorzugsweise über eine Beschichtungsvorrich tung 30 in einem Bauraum BR auf eine Herstellungsfläche HF aufgetragen und anschließend mittels eines Energiestrahls 21 für den Aufbau des Bauteils 10 selektiv aufgeschmolzen und verfestigt. Der Energiestrahl wird vorzugsweise von einer Be strahlungseinrichtung 20, beispielsweise darstellend oder um fassend einen Elektronenstrahl- oder eine Laserquelle, emit tiert .

Nachdem eine Schicht S aufgebaut wurde, wird die Substrat platte 11 vorzugsweise um ein der Schichtdicke S entsprechen des Maß SD abgesenkt. Anschließend wird eine neue Pulver schicht für den Aufbau des Bauteils 10 aufgetragen, bei spielsweise ausgehend von einem Pulvervorrat 40, welcher auf der linken Seite in Figur 1 gezeigt ist.

Der additive Aufbauprozess wird vorzugsweise unter einer Inert- oder Schutzgasatmosphäre oder wenigstens in einer At mosphäre mit reduziertem Sauerstoffgehalt durchgeführt, um Korrosion, Oxidation oder weitere Einflüsse, welche die Qua lität des Bauteilmaterials, also des Pulvers P, oder des fi nal hergestellten Bauteils 10 beeinflussen, zu vermeiden.

Eine Aufbaurichtung AR für das Bauteil 10 entspricht in Figur 1 einer vertikal nach oben zeigenden Richtung (vertikale Z- Richtung) .

Figur 2 zeigt in einer schematischen Schnitt- oder Seitenan sicht ähnlich zur Darstellung der Figur 1 eine erfindungsge- mäße Vorrichtung 200. Die Vorrichtung 200 kann beispielsweise als Nachrüstsatz oder Ersatzteil-Kit in herkömmliche additive Herstellungsanlagen (vergleiche Bezugszeichen 100) eingebaut werden. Weiterhin deutet Figur 2 Schritte eines erfindungsge mäßen Verfahrens an.

Die Vorrichtung 200 ermöglicht es, durch das beschriebene er findungsgemäße Verfahren, ein Kühlmedium oder ein Kühlmittel 210 in den Bauraum BR der Anlage 100 zu leiten oder zu füh ren, um eine Schicht oder aufgebaute Struktur 10 zweckmäßig und effizient zu kühlen. Die Vorrichtung 200 umfasst dazu ei nen Kühlmittelvorratsbehälter 201, einen Kühlmittelanschluss bzw. ein Ventil 202 und eine Steuerungseinheit 50, welche vorzugsweise an das Ventil 202 gekoppelt und ausgelegt ist, eine Kühlmittelzufuhr zu regulieren. Dies kann beispielsweise durch Interaktion mit einem Techniker oder Benutzer der Anla ge 100 und eine entsprechende grafische Benutzerschnittstelle erfolgen .

Vorzugsweise ist die Bauplattform 1 mit einer Öffnung oder einer Bohrung (nicht explizit gekennzeichnet) versehen. In der Bohrung ist vorzugsweise das Ventil 202 angeordnet, über welches ein vorgegebenes Kühlmittelvolumen, vorzugsweise suk zessive oder schichtweise und kontrolliert durch die Steue rungseinheit 50, durch die Bauplattform 1 in den Bauraum ge führt werden kann.

Das Kühlmittel 210 kann beispielsweise ein Wärmeleitmedium umfassen oder dieses darstellen. Das Wärmeleitmedium kann ei ne Wärmeleitpaste, beispielsweise FEROTHERM® X (FEROTHERM® X, insbesondere FEROTHERM® X, FER0THERM®1 , FEROTHERM®3 ,

FEROTHERM®4 , FER0THERM®10-U, FEROTHERM®BG, FEROTHERM®5 ,

FEROTHERM®6, FEROTHERM®5-n * und/oder FEROTHERM®6-300 *) dar stellen .

Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst schichtweise (verglei che ebenfalls Figuren 3 und 4 weiter unten) , a) , das Aufträ gen einer Schicht S eines, insbesondere pulverförmigen, Grundmaterials P auf eine Herstellungsfläche HF (vergleiche auch Figur 1 ) .

Das Verfahren umfasst weiterhin, b) , das additive Aufbauen der Struktur des Bauteils durch selektives Bestrahlen der aufgetragenen Schicht gemäß einer vorbestimmten Strukturgeo metrie, wobei innerhalb eines Querschnitts der Struktur 10 ein Bereich B von der Bestrahlung freigelassen oder selektiv ausgenommen wird, in welchem während des additiven Aufbaus der Struktur 10 ein Kühlmittel 210 geführt wird, um die

Schicht S bzw. die aufgebaute Struktur 10 zu kühlen.

Durch die freigelassenen Bereiche B bzw. die entsprechenden nicht bestrahlten Bereiche einer Schicht oder eines Quer schnitts für das Bauteil 10 wird während des additiven Auf baus vorzugsweise allmählich ein Kanal 204 oder Kühlkanal ge bildet, welcher sich vorzugsweise kontinuierlich oder zusam menhängend von der Bauplattform 1 bis zu der Herstellungsflä che HF erstreckt.

Vorzugsweise erstreckt sich der Kanal 204 zumindest haupt sächlich parallel zu der Aufbaurichtung AR der Struktur.

An der Herstellungsfläche HF bildet das in dem Kanal 204 be findliche pulverförmige Grundmaterial (Pulver) vorzugsweise eine Grenzschicht 203 zu jeder neu aufgetragenen Schicht S für das Bauteil 10.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist das Pulver oder Grundma terial P beispielsweise gewählt aus mindestens einem der fol genden bekannten Legierungsmaterialien: PWA795, Merl72, MAR- 509, Stellite-31, Hastelloy X, Haynes 230, Haynes 625, IN939, IN738, IN713, IN792, IN718, Alloy 247 und Rene 80.

Im rechten Teil der Figur 2 ist zumindest ein Teil des Kanals 204 vergrößert dargestellt. Es ist zu erkennen, dass der Ka nal sich vertikal parallel zu der Aufbaurichtung AR erstreckt und mit dem Kühlmittel 210 und Pulver, als Grundmaterial für die Struktur 10 gefüllt ist. Das Pulver kann als Bindemittel für das Kühlmittel dienen und beispielsweise zur besseren Fließbarkeit und somit zu einer kontrollierten Kühlung an ei ner Grenzfläche 203 beitragen. Weiterhin sind im rechten Teil der Figur 2 Bereiche Bl, B2 gezeigt. Der zweite Bereich B2 ist oberhalb des Bereichs Bl dargestellt. Pro Schicht wird also vorzugsweise je ein Bereich mit einer Ausdehnung SD in Aufbaurichtung AR von der Bestrahlung ausgenommen, um den Kühlkanal zu bilden.

Im rechten Teil der Figur 2 ist weiterhin zu erkennen dass die Vorrichtung 200 eine Entfernungseinrichtung 205 aufweist, beispielsweise eine Rakel oder einen Pulverschieber. Mittels dieser Entfernungseinrichtung 205 kann beispielsweise nach oben gedrängtes Material, umfassend das Pulver P sowie Kühl mittel 210 auf der Herstellungsfläche seitlich abgeführt oder entfernt werden. Dabei wird insbesondere der Bereich der Grenzfläche 203, welcher sich vorzugsweise in derselben

Schichtebene wie ein Schmelzbad derjenigen Schicht, welche aktuell selektiv bestrahlt wird, befindet, effizient gekühlt bzw. übermäßige Wärme abgeführt. Auf diese Weise kann die Ausbildung von ungünstigen Materialphasen mit Vorteil unter drückt werden, sodass weiterhin durch die Verhinderung der Ausscheidung intermetallischer Phasen auch eine Rissbildung, insbesondere Heiß- oder Erstarrungsrisse, vorteilhafterweise verhindert werden kann.

Komponenten, welche sich insbesondere für die industrielle additive Herstellung (und nicht lediglich für die Herstellung von Prototypen) eignen, weisen meistens komplexe Strukturen, umfassend innere Hohlräume oder Kavitäten auf. Durch das be schriebene Verfahren können diese Hohlräume vorteilhafter weise zur Kühlung während des Herstellungsprozesses verwendet werden. Lediglich beispielhaft ist zu diesem Zweck in Figur 2 eine Turbinenschaufel, mit dem Kühlkanal 204 als Hohlraum, lediglich exemplarisch dargestellt. Die Führung des Kühlmit tels durch den Kanal 204 gemäß dem beschriebenen Verfahren bedeutet also in vielen Fällen keine bedeutende Einschränkung des Designs des Bauteils 10, sodass das vorgestellte Verfah ren in sehr vielen Fällen anwendbar ist.

Gemäß dem beschriebenen Verfahren wird der Kühlkanal 204 vor zugsweise sukzessive oder schichtweise während der additiven Herstellung der Struktur 10 von unten über eine Bauplattform 1 mit dem Kühlmittel 210 gefüllt (vgl. Bezugszeichen c) in den Figuren 3 und 4) .

Weiterhin muss verdrängtes Kühlmittel 210 sowie verdrängtes Grundmaterial P dann entsprechend sukzessive an der Herstel lungsfläche HF entfernt werden (vgl. Bezugszeichen d) in den Figuren 3 und 4) .

Sofern eine aufzubauende Bauteilgeometrie keine ausreichende innere Hohlstruktur vorsieht, also das erfindungsgemäß be schriebene Verfahren nicht oder nur schwer angewendet werden kann, kann eine aufzubauende Struktur 10 beispielsweise zwei oder mehr Bauteilen umfassen, wobei dann zwei oder mehrere dieser Bauteile den Kühlkanal 204 definieren. Diese Ausge staltung der vorliegenden Erfindung ist durch die abweichen den Bezugszeichen 10 und 10' der Strukturen bzw. Bauteile in Figur 2 angedeutet. Mit anderen Worten werden also Strukturen für 2 Bauteile 10 und 10' aufgebaut.

Alternativ oder zusätzlich kann der Kanal auch zumindest teilweise von einer Bauraumwandung 101 einer additiven Her stellungsanlage 100 definiert werden, sodass - mit anderen Worten - eine Bauraumwandung ebenfalls zur Kühlmittelführung herangezogen werden kann.

Da mittels des beschriebenen Verfahrens und zur Vermeidung von möglicherweise strukturell katastrophalen Heiß- oder Er starrungsrissen in der Struktur 10, insbesondere die Auslage rung oder Ausscheidung von intermetallischen Phasen, wie ins besondere g— und/oder g'-Phasen, verhindert wird, müssen - im Falle von hochtemperaturbelasteten Bauteilen - die entspre chend aufgebauten Strukturen für die Fertigung nach dem addi- tiven Aufbauen möglicherweise noch einer Wärmebehandlung, beispielsweise Lösungsglühen, unterzogen werden. Dadurch kön nen insbesondere die genannten für die Festigkeit der ferti gen Bauteile erforderlichen Phasenausscheidungen wieder aus gebildet werden. Die Wärmebehandlung wird zweckmäßigerweise derart gewählt und durchgeführt, dass die Phasenausscheidun gen in optimaler oder günstiger Art, Größe und Anordnung im Bauteil ausgebildet werden.

Gemäß dem beschriebenen Verfahren und gemäß der beschriebenen Vorrichtung kann also ein Bauteil, welches aus einer, insbe sondere nickel- oder kobaltbasierten Superlegierung besteht, beispielsweise im Vergleich zu einem Bauteil des Standes der Technik, mit einer niedrigeren Dichte an Strukturdefekten, wie Heißrissen oder Erstarrungsrissen, aufgebaut werden. Al ternativ, kann bei ähnlicher Qualität ein Ausschuss der Bau teile stark verringert oder komplett vermieden werden, da der additive Herstellungsprozess wesentlich reproduzierbarer und weniger defektanfällig durchgeführt werden kann.

Gemäß der vorliegenden Erfindung muss das oben beschriebene Befüllen des Kanals 204 mit dem Kühlmittel 210 nicht notwen digerweise schichtweise nach dem additiven Aufbau beziehungs weise dem Bestrahlen erfolgen. Anhand von Figuren 3 wird bei spielsweise eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform des Verfahrens illustriert.

Figur 3 zeigt im linken Teil einen Ausschnitt der Struktur 10 (vergleiche auch Figur 2 oben) mit dem Kanal 204 sowie der oben beschriebenen Grenzfläche 203. Es ist beispielsweise die Vorrichtung 200 gezeigt, wobei nach dem Aufträgen einer neuen Pulverschicht S gerade sukzessive eine neue Portion von Kühl mittel 210 in den Kanal 204 eingeführt wird. Dadurch wird ein oben in dem Kanal 204 befindliches Teil des Kühlmittels über die Grenzfläche 203 in den Bereich einer zuvor neu aufge brachten Pulverschicht P gedrängt, wodurch sich ein Meniskus bilden kann (vergleiche gestrichelte Linie) . Anschließend kann beispielsweise eine Bestrahlung erfolgen wie anhand des Energiestrahls 21 angedeutet. Erst nach dem Bestrahlen wird vorzugsweise ein Teil des aus dem Kanal 204 gedrängten Kühlmittels 210 sowie des darin gelösten Pulvers P an der Herstellungsfläche HF entfernt.

Im rechten Teil der Figur 3 ist eine entsprechende Sequenz dieser Ausgestaltung des Verfahrens anhand eines schemati schen Flussdiagramms dargestellt, wobei nach dem Schritt des Auftragens, a) , zunächst das Kühlmittel 210 in den Kanal 204 gefüllt wird, c) . Anschließend erfolgt erst das Bestrahlen beziehungsweise der eigentliche additive Aufbau (vgl. Schritt b) ) und abschließend erfolgt das Entfernen (vgl. Schritt d) ) des verdrängten Kühlmittels 210, wie oben beschrieben.

Die in der Figur 3 gezeigte Ausführungsform erlaubt vorteil hafterweise eine Kühlung vor der eigentlichen Bestrahlung der Schicht und damit eine besonders effiziente und zielgerichte te Kühlung des Schmelzbades (in-situ) , um, wie oben beschrie ben, hohe Temperaturgradienten in dem folgenden Aufbauschritt und damit die Bildung/Ausscheidung von intermetallischen Pha sen zu unterbinden.

Figur 4 zeigt alternativ zur Figur 3 eine andere mögliche Prozesssequenz als Ausführungsform des beschriebenen Verfah rens. Gemäß dieser Ausgestaltung wird ebenfalls zunächst eine Pulverschicht aufgetragen, Verfahrensschritt a) . Anschließend wird, wie oben beschrieben, selektiv bestrahlt (vgl. Schritt b) ) , um in der entsprechenden Schicht einen Teil der Struktur 10 für das Bauteil zu bilden. Anschließend wird eine kleine neue Portion Kühlmittel 210 in den Kühlkanal 204 gefüllt (vgl. Schritt c) ) , sodass im oberen Bereich des Kanals 204 (an der Grenzfläche 203) überschüssiges Kühlmittel 210 sowie Pulver P verdrängt (vgl. Schritt d) ) wird. Anschließend wird dieses überflüssige Material mit einer Entfernungseinrichtung 205, welche beispielsweise in der Figur 4 von links nach rechts verfährt, von der Herstellungsfläche HF entfernt. Die Schicht, die mit dem Bezugszeichen S', gekennzeichnet ist entspricht gemäß der Darstellung derjenigen Schicht, welche als letztes bestrahlt und somit bereits aufgebaut und verfes tigt wurde.

Gemäß dieser Ausgestaltung (Figur 4) wird eine Entfernung überschüssigen Materials (Pulver P und Kühlmittel 210) gegen über der Ausführungsform der Figur 3 möglicherweise verein facht .

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 Kombi nation selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur additiven Herstellung einer Struktur (10, 10'), insbesondere durch ein Pulverbett-Verfahren, schicht weise umfassend:

- a) Aufträgen einer Schicht (S) eines, insbesondere pulver förmigen, Grundmaterials (P) auf eine Herstellungsfläche (HF) ,

- b) additives Aufbauen der Struktur durch selektives Be

strahlen der aufgetragenen Schicht gemäß einer vorbe stimmten Strukturgeometrie, wobei innerhalb eines Quer schnitts der Struktur (10, 10') ein Bereich (B1,B2,204) von der Bestrahlung freigelassen wird, in welchem wäh rend des additiven Aufbaus der Struktur (10) ein Kühl mittel (210) geführt wird, um die Schicht und/oder die aufgebaute Struktur zu kühlen, wobei das Kühlmittel (201) an der Herstellungsfläche (HF) eine Grenzschicht zu der Schicht des Grundmaterials (P) bildet.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Struktur derart aufgebaut wird, dass die schichtweise freigelassenen Bereiche in der Struktur einen zusammenhängenden Kühlkanal (204) bil den .

3. Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei der Kühlkanal (204) derart gebildet wird, dass er sich parallel zu einer Aufbau richtung (AR) der Struktur (10) erstreckt.

4. Verfahren gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei der Kühlkanal (204) sukzessive von unten über eine Bauplattform (1) mit dem Kühlmittel (210) gefüllt (c) ) und verdrängtes Kühlmittel (210) sowie Grundmaterial (P) an der Herstellungsfläche (HF) entfernt (d) ) wird.

5. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wo bei die Struktur (10) den Aufbau von zwei oder mehr Bauteilen umfasst, und zwei oder mehr dieser Bauteile den Kühlkanal (204) definieren.

6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wo bei der Kühlkanal (204) zumindest teilweise von einer Bau raumwandung (101) einer additiven Herstellungsanlage defi niert wird.

7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wo bei nach dem additiven Aufbauen der Struktur (10) eine Wärme behandlung durchgeführt wird, welche intermetallische Aus scheidungen, insbesondere g- und/oder g'-Phasen, in der Struktur (10) bewirkt.

8. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wo bei das Kühlmittel (210) eine Wärmeleitpaste, beispielsweise FEROTHERM® X darstellt oder umfasst.

9. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wo bei das Grundmaterial (P) eines oder mehrere der folgenden Materialien umfasst: PWA795, Merl72, MAR-509, Stellite-31, Hastelloy X, Haynes 230, Haynes 625, IN939, IN738, IN713, IN792, IN718, Alloy 247 und Rene 80.

10. Bauteil (10), welches gemäß dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt oder herstellbar ist, weiterhin umfassend die Struktur, wobei das Bauteil für den Einsatz im Heißgaspfad einer Gasturbine vorgesehen ist.

11. Bauteil (10) gemäß Anspruch 10, welches aus einer, ins besondere nickel- oder kobaltbasierten, Superlegierung be steht und im Vergleich zu einem Bauteil des Standes der Tech nik eine niedrigere Dichte an Strukturdefekten, wie Heißris sen oder Erstarrungsrissen, aufweist.

12. Vorrichtung (200) zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, umfassend einen Kühlmittelvor ratsbehälter (201), einen Kühlmittelanschluss (202) und eine Steuerungseinheit (50), wobei die Vorrichtung (200) weiterhin ausgebildet ist, das Kühlmittel (210), beispielsweise über ein Ventil (202), durch eine Bauplattform (1) einer additiven Herstellungsanlage (100) in einen Bauraum (BR) zu führen.