WO2021083640A1 - Bauteil sowie verfahren zum herstellen eines solchen bauteils mittels additiver herstellung - Google Patents

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Thomas Schmidt
Johannes TUSCHE
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Definitions

  • the invention relates to a component according to the preamble of patent claim 1 and a method for producing such a component according to the preamble of independent patent claim 6.
  • Additive manufacturing processes include various manufacturing processes, all of which have a three-dimensional structure. Often additive manufacturing processes are also referred to by the term “additive manufacturing” or “3D printing”. Two well-known additive manufacturing processes are “Selective Laser Melting” (SLM) and “Wire Are Additive Manufacturing” (WAAM).
  • SLM Selective Laser Melting
  • WAAM Wire Are Additive Manufacturing
  • the material to be processed is applied in powder form in a thin layer on a base plate.
  • the powdery material is then melted locally by means of a laser beam and forms a solid material structure after it has solidified.
  • the base plate is then lowered by the amount of the layer thickness and powder is applied again. This cycle is repeated until the component is completely finished.
  • the component is then cleaned of excess powder and can be processed further as required or used immediately.
  • the SLM process enables the production of very complex components with a very high manufacturing quality, and very fine and detailed geometries can be produced.
  • the main disadvantages that result from the SLM process are the high production costs and the long production times.
  • the WAAM process is characterized by significantly low manufacturing costs.
  • the WA ⁇ M process uses arc welding to build up the component in layers. A welding wire is melted with the help of an electric arc and gradually forms the desired component. With the arc process, with up to 600 cm 3 / h, significantly higher application rates can be achieved than with the powder bed-based SLM process. With the WAAM process, however, no fine and detailed geometries can currently be achieved.
  • the object of the present invention is to provide a component which can be produced quickly and inexpensively by means of additive production methods and which has fine and detailed geometries.
  • a further object of the invention is to provide a method for producing such a component.
  • the object is achieved by the features of independent claim 1.
  • the object is achieved by the features of independent claim 6.
  • the component according to the invention manufactured by additive manufacturing, is characterized in that the component is manufactured at least in some areas by means of Wire Are Additive Manufacturing (WAAM) and at least in some areas by means of selective laser melting (SLM).
  • WAAM Wire Are Additive Manufacturing
  • SLM selective laser melting
  • One embodiment of the invention provides that the component is a turbine blade.
  • Turbine blades usually have a complex final contour and are therefore particularly suitable for additive manufacturing processes.
  • the invention is particularly suitable for components that have areas with more complex and areas with less complex geometry.
  • the turbine blade is a guide vane of a Niederdruckbeschau felung of a steam turbine and has a duct system formed inside the turbine blade, which is connected to a surface of the turbine blade and through which a liquid from the surface of the turbine blades can be suctioned off.
  • the water vapor regularly condenses on the guide vane.
  • the steam flow can carry away the condensed water, causing water droplets to hit the low-pressure blades rotating at high circumferential speed. This leads to what is known as droplet impact, which can lead to the complete destruction of the rotor blades.
  • the guide vane as a hollow guide vane with an internal channel system through which the condensate can be sucked off via openings on the upper surface of the turbine blade.
  • Such a turbine blade has a very complex geometry which, due to the geometric restrictions that exist here, cannot be manufactured with conventional manufacturing processes or cannot be manufactured with the optimal geometry.
  • additive manufacturing processes are ideal for this.
  • Powder bed based processes such as the SLM process, are in the making Able to produce the fine and detailed geometries required for the sewer system.
  • these methods have the disadvantage that they are very time-consuming and costly.
  • a preferred embodiment of the invention provides that the channel system is designed by means of SLM.
  • SLM process is particularly well suited to creating fine and detailed geometries as required by a sewer system.
  • the outer contour of the turbine blade is at least partially produced by means of WAAM.
  • the outer contour requires less fine and detailed structures and can therefore be produced in a cost and time-optimized manner using the WAAM process.
  • the outer contour can be post-treated, for example to achieve a better surface quality. Machining processes such as grinding are suitable for this purpose, for example.
  • the method according to the invention for producing a component according to claim 1, wherein the component is a guide vane for a low-pressure blading of a steam turbine and wherein a duct system is formed in the interior of the guide vane, which is connected to the surface of the turbine blade and through which a liquid is removed from the surface of the Guide vane can be sucked off, is characterized by the following process steps:
  • the method according to the invention results in the advantages already described for the guide vane.
  • the method according to the invention in particular, by combining the SLM method with the WAAM method, makes it possible to manufacture a guide vane that is optimized in terms of cost and time for low-pressure blading of a steam turbine.
  • a Schaufelendkon structure is also to be understood as a near-end contour in which the end contour is formed by further processing, in particular machining, such as grinding. Due to the largely elimination of geometrical restrictions, the guide vane can be optimized compared to guide vanes according to the prior art, for example with regard to liquid suction.
  • One embodiment of the method according to the invention provides that openings are made in the blade end contour in order to connect the channel system to the surface of the turbine blade. This simplifies the manufacture of the turbine blade, since initially the entire Schaufelendkon structure can be formed by the WAAM process and then the openings for connecting the channel system to the surface of the turbine blade are made. This can be done, for example, by means of drilling or milling. If the openings were formed directly using the WAAM process, they might have to be processed afterwards in order to obtain a flow-optimized surface quality.
  • Fig. 1 shows a turbine blade according to the invention in a three-dimensional representation.
  • the figure shows a schematic representation in which only the essential components necessary for the invention are shown and which is not necessarily to scale.
  • the turbine blade according to the invention shown in FIG. 1 is a guide vane 1 for low pressure blading of a steam turbine.
  • the guide vane 1 is designed as a hollow guide vane and has a channel system 2 (shown in light color) inside.
  • the guide vane in Fig.l is cut open at the blade tip so that the channel system 2 can be seen.
  • the channel system 2 is connected to the surface 4 of the guide vane 1 via a plurality of openings 3.
  • the openings 3 are designed as slots.
  • the sewer system 2 is formed by means of the SLM method.
  • the SLM method makes it possible to form a channel system 2 with high manufacturing accuracy and finely branched channels, which could not be manufactured with the manufacturing methods used up to now.
  • an improved suction of liquid from the surface 4 of the guide vane 1 can be ensured and thus the risk of droplet impact erosion can be significantly reduced.
  • the blade end contour (shown in dark) is formed using the WAAM process.
  • the WAAM process enables a significantly higher order rate with lower production costs; the production accuracy and production quality are sufficient to form the less complex blade end contour. If necessary, the surface quality or the dimensional accuracy can be further improved by reworking the surface 4.
  • Exciting processes such as milling or grinding are particularly suitable as post-treatment processes.
  • the slots are preferably made in the guide vane at a later date. This enables faster production of the blade end contour and a flow-optimized surface quality.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bauteil, hergestellt durch additive Herstellung, wobei das Bauteil wenigstens bereichsweise mittels Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) und wenigstens bereichsweise mittels Selective Laser Melting (SLM) hergestellt ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Leitschaufel (1) für eine Niederdruckbeschaufelung einer Dampfturbine.

Description

Beschreibung
Bauteil sowie Verfahren zum Herstellen eines solchen Bauteils mittels additiver Herstellung
Die Erfindung betrifft ein Bauteil nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Bauteiles nach dem Oberbegriff des unabhängigen Pa tentanspruchs 6.
Die Herstellung von Bauteilen mittels additiven Fertigungs verfahren, nimmt rasant zu. Unter additiven Fertigungsverfah ren werden dabei verschiedene Herstellungsverfahren zusammen gefasst, die alle einen dreidimensionalen Aufbau aufweisen. Häufig werden additive Fertigungsverfahren auch mit dem Be griff „Additive Manufacturing" oder „3D Druck" bezeichnet. Zwei bekannte additive Fertigungsverfahren sind das „Selecti- ve Laser Melting" (SLM) und das „Wire Are Additive Manufac turing" (WAAM).
Beim SLM-Verfahren wird der zu verarbeitende Werkstoff in Pulverform in einer dünnen Schicht auf einer Grundplatte auf gebracht. Der pulverförmige Werkstoff wird dann mittels eines Laserstrahls lokal aufgeschmolzen und bildet nach dem Erstar ren eine feste Materialstruktur. Anschließend wird die Grund platte um den Betrag der Schichtdicke abgesenkt und erneut Pulver aufgetragen. Dieser Zyklus wird solange wiederholt, bis das Bauteil vollständig fertig gestellt ist. Anschließend wird das Bauteil vom überschüssigen Pulver gereinigt und kann nach Bedarf weiterbearbeitet oder sofort verwendet werden.
Das SLM-Verfahren ermöglicht die Herstellung von sehr komple xen Bauteilen in sehr hoher Fertigungsqualität, dabei können sehr feine und detaillierte Geometrien hergestellt werden.
Die Wesentlichen Nachteile die sich durch das SLM-Verfahren ergeben sind die hohen Fertigungskosten, sowie die hohen Fer tigungszeiten . Das WAAM-Verfahren zeichnet sich durch deutlich geringe Fer tigungskosten aus. Dabei nutzt das WAÄM-Verfahren Lichtbogen schweißen zum schichtweisen Aufbau des Bauteils. Ein Schweiß draht wird mithilfe eines Lichtbogens geschmolzen und formt so nach und nach das gewünschte Bauteil. Durch das Lichtbo genverfahren lassen sich, mit bis zu 600cm3/h, deutlich höhe re Auftragsraten als beim pulverbettbasierten SLM-Verfahren erzielen. Durch das WAAM-Verfahren lassen sich derzeit aller dings keine feinen und detaillierten Geometrien erzielen.
Ausgehend vom zuvor beschriebenen Stand der Technik, ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Bauteil bereit zu stellen, welches mittels additiven Herstellungsverfahren schnell und kostengünstig herstellbar ist und das feine und detaillierte Geometrien aufweist. Des Weiteren ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Bauteils aufzuzeigen.
Die Aufgabe wird hinsichtlich des Bauteils durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Hinsichtlich des Verfahrens zum Herstellen des Bauteils wird die Aufgabe durch die Merkmale des unabhängigen Anspruch 6 gelöst.
Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung, die einzeln oder in Kombination miteinander einsetzbar sind, ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Das erfindungsgemäße Bauteil, hergestellt durch additive Her stellung, zeichnet sich dadurch aus, dass das Bauteil wenigs tens bereichsweise mittels Wire Are Additive Manufacturing (WAAM) und wenigstens bereichsweise mittels Selective Laser Melting (SLM) hergestellt ist. Durch die Kombination der bei den additiven Herstellungsverfahren können die Vorteile des jeweiligen Verfahrens optimal genutzt werden. So können kom plexe Bereiche, die eine feine und detaillierte Geometrie aufweise, mittels SLM-Verfahren und Bereiche, die eine einfa chere Geometrie aufweisen, mittels WAAM-Verfahren ausgebildet werden. Hierdurch ergibt sich ein Bauteil, welches hinsicht- lieh der Fertigungskosten, der Fertigungszeit und der Ferti gungsqualität optimiert ist.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Bauteil eine Turbinenschaufel ist. Turbinenschaufeln weisen in der Regel komplexe Endkontur auf und eignen sich somit besonders gut für additives Fertigungsverfahren.
Generell eignet sich die Erfindung besonders für Bauteile die Bereiche mit komplexer und Bereiche mit weniger komplexer Ge ometrie aufweisen.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Turbinenschaufel, eine Leitschaufel einer Niederdruckbeschau felung einer Dampfturbine ist und ein im inneren der Turbi nenschaufel ausgebildetes Kanalsystem aufweist, welches mit einer Oberfläche der Turbinenschaufel verbunden ist und durch welches eine Flüssigkeit von der Oberfläche der Turbinen schaufel abgesaugt werden kann. Bei Leitschaufel im Nieder druckteil von Dampfturbinen kommt es regelmäßig zur Kondensa tion des Wasserdampfs an den Leitschaufel. Die DampfStrömung kann das auskondensierte Wasser mitreißen, wodurch in der Folge Wassertropfen auf, die sich mit hoher Umfangsgeschwin digkeit drehenden Laufschaufeln der Niederdruckbeschaufelung treffen. Hierdurch kommt es zur sogenannten Tropfenschlagero sion, die zur vollständigen Zerstörung der Laufschaufeln füh ren kann. Um dies zu vermeiden, ist es bekannt, die Leit schaufel als Hohlleitschaufel mit einem innenliegenden Kanal system auszubilden, durch welches über Öffnungen an der Ober fläche der Turbinenschaufel, das Kondensat abgesaugt werden kann. Eine solche Turbinenschaufel weist eine sehr komplexe Geometrie auf, die mit konventionellen Fertigungsverfahren, auf Grund der hierbei bestehenden geometrischen Restriktio nen, nicht oder nicht mit der optimalen Geometrie gefertigt werden kann. Grundsätzlich bietet sich hierfür additive Her stellungsverfahren an. Allerdings gibt es auch bei den addi tiven Herstellungsverfahren kein optimales Verfahren. Pulver bett basierten Verfahren, wie das SLM-Verfahren, sind in der Lage, die für das Kanalsystem erforderlichen feinen und de taillierten Geometrien hersteilen. Diese Verfahren haben aber den Nachteil, dass Sie sehr zeit- und kostenintensiv sind.
Auf der anderen Seite gibt es auftragsbasierte Verfahren wie das WAAM-Verfahren, die eine wesentlich kürzere Fertigungs zeit und wesentlich geringere Fertigungskosten aufweisen, die aber nicht in der Lage sind, die nötigen feinen und detail lierten Geometrien des Kanalsystems auszubilden. Durch die Kombination von SLM-Verfahren und WAAM-Verfahren können die Vorteile des jeweiligen Verfahrens optimal genutzt werden, um eine kosten- und zeitoptimierte Turbinenschaufel auszubilden.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Kanalsystem mittels SLM ausgebildet ist. Das SLM- Verfahren ist wie bereits erläutert besonders gut geeignet, um feine und detaillierte Geometrien wie sie ein Kanalsystem erfordern auszubilden.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Außenkontur der Turbinenschaufel wenigstens be reichsweise mittels WAAM hergestellt ist. Die Außenkontur er fordert weniger feine und detaillierte Strukturen und kann dadurch kosten- und zeitoptimiert mittels des WAAM-Verfahrens hergestellt werden. Falls erforderlich, kann die Außenkontur, beispielsweise zur Erzielung einer besseren Oberflächenquali tät nachbehandelt werden. Hierzu eignen sich beispielsweise spannbearbeitende Verfahren wie Schleifen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines Bauteils nach Anspruch 1, wobei das Bauteil eine Leitschaufel für eine Niederdruckbeschaufelung einer Dampfturbine ist und wobei im inneren der Leitschaufel ein Kanalsystem ausgebildet ist, welches mit der Oberfläche der Turbinenschaufel verbunden ist und durch welches eine Flüssigkeit von der Oberfläche der Leitschaufel abgesaugt werden kann, zeichnet sich durch die folgenden Verfahrensschritte aus:
- Ausbilden des Kanalsystems durch SLM; - Ausbilden wenigstens eines Teils einer Schaufelendkontur durch WAAM.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ergeben sich die bereits zur Leitschaufel beschriebenen Vorteile. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht insbesondere, durch die Kombination des SLM-Verfahrens mit dem WAAM-Verfahren, die Herstellung einer kosten- und zeitoptimierten Leitschaufel für die Niederdruck beschaufelung einer Dampfturbine. Unter einer Schaufelendkon tur ist im Rahmen der Erfindung auch eine endnahe Kontur zu verstehen, bei der die Endkontur durch eine weitere Bearbei tung, insbesondere eine spanende Bearbeitung, wie schleifen, ausgebildet wird. Durch den weitgehenden Wegfall geometri scher Restriktionen, kann die Leitschaufel gegenüber Leit schaufeln nach dem Stand der Technik, beispielsweise hin sichtlich der Flüssigkeitsabsaugung, optimiert werden.
Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass zum Verbinden des Kanalsystems mit der Oberfläche der Turbinenschaufel, Öffnungen in die Schaufelendkontur ein gebracht werden. Hierdurch vereinfacht sich die Herstellung der Turbinenschaufel, da zunächst die gesamte Schaufelendkon tur durch das WAAM-Verfahren ausgebildet werden kann und an schließend die Öffnungen zum Verbinden des Kanalsystems mit der Oberfläche der Turbinenschaufel eingebracht werden. Dies kann beispielsweise mittels Bohren oder Fräsen erfolgen. Wür den die Öffnungen direkt durch das WAAM-Verfahren ausgebil det, müssten Sie ggf. noch nachträglich bearbeitet werden, um eine strömungsoptimierte Oberflächengüte zu erhalten.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel erläutert. Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Turbinenschaufel in einer dreidi mensionalen Darstellung. Die Figur zeigt eine schematische Darstellung, bei der nur die wesentlichen, für die Erfindung notwendigen Bauteile gezeigt sind und die nicht zwangsläufig maßstabsgerecht ist. Bei der in Fig. 1 gezeigten erfindungsgemäßen Turbinenschau fel handelt es sich um eine Leitschaufel 1 für eine Nieder druckbeschaufelung einer Dampfturbine. Die Leitschaufel 1 ist als Hohlleitschaufel ausgebildet und weist im Inneren ein Ka nalsystem 2 (hell dargestellt) auf. Um das Kanalsystem 2 dar stellen zu können, ist die Leitschaufel in Fig.l an der Schaufelspitze aufgeschnitten, so dass man das Kanalsystem 2 erkennen kann. Das Kanalsystem 2 ist über mehrere Öffnungen 3 mit der Oberfläche 4 der Leitschaufel 1 verbunden. Im Ausfüh rungsbeispiel sind die Öffnungen 3 als Schlitze ausgebildet. Das Kanalsystem 2 ist mittels SLM-Verfahren ausgebildet. Das SLM-Verfahren ermöglicht es, ein Kanalsystem 2 mit hoher Fer tigungsgenauigkeit und fein verästelten Kanälen auszubilden, welche mit den bislang verwendeten Herstellungsverfahren nicht herstellbar waren. Hierdurch kann eine verbesserte Ab saugung von Flüssigkeit von der Oberfläche 4 der Leitschaufel 1 gewährleistet und damit die Gefahr von Tropfenschlagerosion deutlich verringert werden. Die Schaufelendkontur (dunkel dargestellt) ist mittels WAAM-Verfahren ausgebildet. Das WAAM-Verfahren ermöglich eine deutlich höhere Auftragsrate bei geringeren Fertigungskosten, dabei reicht die Fertigungs genauigkeit und Fertigungsqualität aus, um die weniger kom plexe Schaufelendkontur auszubilden. Gegebenenfalls kann die Oberflächenqualität oder die Maßgenauigkeit durch eine Nach bearbeitung der Oberfläche 4 weiter verbessert werden. Als Nachbehandlungsverfahren eignen sich insbesondere spannende Verfahren wie beispielsweise Fräsen oder Schleifen. Die Schlitze werden vorzugweise nachträglich in die Leitschaufel eingebracht. Dies ermöglich eine schnellere Herstellung der Schaufelendkontur und eine strömungsoptimierte Oberflächengü te. Prinzipiell könnte man beim Ausbilden der Schaufelendkon tur mit dem WAAM-Verfahren auch die Öffnungen 3 direkt vorse hen. Gegebenenfalls wäre dann noch eine Feinbearbeitung der Öffnungen 3 notwendig.
Durch die Kombination von SLM-Verfahren und WAAM-Verfahren können die Vorteile beider Verfahren kombiniert werden, wodurch mit niedrigeren Herstellungskosten und reduzierter Fertigungszeit eine Hohlleitschaufei mit einer optimierten Absaugfunkton herstellbar ist.

Claims

Patentansprüche
1.Bauteil, hergestellt durch additive Herstellung, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil wenigstens bereichsweise mittels Wire Are Additive Manufacturing (WAAM) und wenigstens bereichs weise mittels Selective Laser Melting (SLM) hergestellt ist .
2.Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil eine Turbinenschaufel ist.
3.Bauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenschaufel, eine Leitschaufel (1) einer Nie derdruckbeschaufelung einer Dampfturbine ist und ein im inneren der Turbinenschaufel ausgebildetes Kanalsystem (2) aufweist, welches mit einer Oberfläche (4) der Tur binenschaufel verbunden ist und durch welches eine Flüs sigkeit von der Oberfläche der Turbinenschaufel abge saugt werden kann.
4.Bauteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kanalsystem (2) mittels Selective Laser Melting aus gebildet ist.
5.Bauteil nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelendkontur der Turbinenschaufel wenigstens bereichsweise mittels Wire Are Additive Manufacturing hergestellt ist.
6.Verfahren zum Herstellen eines Bauteils nach Anspruch 1, wobei das Bauteil eine Leitschaufel (1) für eine Nieder druckbeschaufelung einer Dampfturbine ist und wobei im inneren der Leitschaufel (1) ein Kanalsystem (2) ausge- bildet ist, welches mit der Oberfläche (4) der Turbinen schaufel verbunden ist und durch welches eine Flüssig keit von der Oberfläche (4) der Leitschaufel (1) abge saugt werden kann, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte,
- Ausbilden des Kanalsystems (2) durch Selective Laser Melting
- Ausbilden wenigstens eines Teils einer Schaufelend kontur durch Wire Are Additive Manufacturing.
7.Verfahren zum Herstellen eines Bauteils nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verbinden des Kanalsystems (2) mit der Oberfläche (4) der Turbinenschaufel Öffnungen (3) in die Schaufel endkontur eingebracht werden.
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